電子と光の新たな可能性

第１回電子光技術シンポジウム：2012年2月22日
電子と光の新たな可能性
－電子光技術研究部門の発足－
2012年2月22日
産業技術総合研究所
電子光技術研究部門
（2011年4月1日発足）
研究部門長
電子光技術研究部門
原市聡
第１回電子光技術シンポジウム
2012/2/22
1
産総研情エレ分野デバイス系ユニット再編（2011年4月）
第１期
第3期
第２期
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
次世代半導体RC
ナノデバイスセンター
ナノ電子デバイスRC
ナノエレクトロニクス研究部門
エレクトロニクス研究部門
電子光技術研究部門
近接場光応用工学RC
光技術研究部門
フレキシブルエレクトロニクスRC
ナノスピントロニクスRC
超高速光信号処理デバイス
【主要研究領域】
ネットワークフォトニクスRC
電子光技術ＲＩ
光ﾈｯﾄﾜｰｸ・ﾅﾉﾌｫﾄﾆｸｽの研究開発
光技術ＲＩ
ソフト系
光インターコネクション
情報セキュリティ今井秀樹
36
光ｲﾝﾀｰﾌｪｲｽの研究開発
システム検証
システム検証木下佳樹
レーザー加工
12
グリッド関口智嗣
ﾚｰｻﾞｰ応用技術に関する研究
情報技術坂上勝彦、橋田浩一、関口智嗣
情報処理大蒔和仁シリコンナノエレクトロニクスの研究
ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ
ＲＩ
サイバーアシスト
システムインテグレーション技術の研究
連携研究体
→副部門
サービス工学
計測エレクトロニクスの研究
デジタルヒューマン
デジタルヒューマン金出武雄、持丸正明
新機能材料に関する研究
知能システム谷江和雄、平井成興、比留川
電子光技術研究部門
8
70
酸化物エレクトロニクス
社会知能
中島秀之
高感度センシング
5
8
ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽＲＣ
17
ﾅﾉｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽＲＩ
59
第１回電子光技術シンポジウム
2012/2/22
2
アウトライン
1. 当研究部門設立の背景と趣旨
2. 電子と光の技術トレンド
3. 産総研における電子光融合研究
4. 今後に向けて
電子光技術研究部門
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3
背景
ブロードバンド
FTTH
シリコンCMOS
技術の極限へ
電子技術
光技術
ハ
ード
ア
のの
進進
展展
ハー
ドウ
ウェ
ェ
ア技
技術
術
光ネットワークによる
超高速通信の実現へ
コンピュータ
の始まり
LSI の発明
World Wide Web
の始まり
地球環境
破壊
インターネット
の原型
トランジスタの
発明
1950
電子光技術研究部門
少子高齢化
社会
光ファイバー
の発明
レーザーの
発明
エネルギー
大量消費
現在
2000
安全・安心で持続
可能な社会
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4
設立趣旨
電子技術と光技術の新たな可能性
1. 電子と光の適用の拡がり
 グリーンイノベーション
 光ｲﾝﾀｰｺﾈｸｼｮﾝ → 通信ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ
 ﾚｰｻﾞｰ加工 → ものづくりｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ（午後の講演）
 酸化物エレクトロニクス → デバイスｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ
 ライフイノベーション
 高感度ｾﾝｼﾝｸﾞ → 医療ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ（午後の講演）
2. 電子と光の融合
 情報処理と情報通信の融合
→ ex) ﾌｫﾄﾆｸｽ・ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ融合ｼｽﾃﾑ基盤技術開発
 広範な応用に向けた融合
→ 材料／ﾃﾞﾊﾞｲｽ／装置の各レイヤーにおける融合
電子光技術研究部門
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5
電子光技術研究部門の４つの主要テーマ
産
業
技
術
光インター
コネクション
レーザー加工
高感度
センシング
電子と光の
新たな可能性
ライフ
イノベーション
グリーン
イノベーション
酸化物エレクト
ロニクス
G
(Ba,K)Fe2As2
Tc = 38 K
S
D
強相関酸化物
基板
電子光技術研究部門
基
盤
技
術
紫外光
液体
固体
熱
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6
アウトライン
1. 当研究部門設立の背景と趣旨
2. 電子と光の技術トレンド
3. 産総研における電子光融合研究
4. 今後に向けて
電子光技術研究部門
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7
アカデミックロードマップ（Siテクノロジー）
2007年応用物理学会報告書より
ナノエレクトロニクス研究部門
当部門の研究ターゲット
（More Moore， More than Moore）
（Beyond CMOS）
電子光技術研究部門
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8
ITRSロードマップ
電子光技術研究部門
STRJワークショップ2011石内秀美様資料より
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9
ITRSロードマップ
電子光技術研究部門
STRJワークショップ2011石内秀美様資料より
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10
当部門における Beyond CMOS研究
強誘電抵抗変化メモリ（ReRAM）
強誘電性と半導体特性（伝導性）を有する強相関材料を用いて、従来のReRAMとは異なる原
理の抵抗変化不揮発スイッチング現象の発現に成功し、フラッシュメモリと同等以上のデータ
書換特性等を実現した。
・データ書換特性
Pt/Bi1‐FeO3/SrRuO3
P
LRS
HRS
P
•Advanced Functional Materials (2012), online published [IF: 8.505]
•「不揮発性メモリ」特願2011‐141308
•プレス発表，2012年1月12日
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11
当部門における超伝導研究
高温超伝導体
デバイス加工
鉄系超伝導の固有ジョセフソン接合
・FIBを用いた先駆的な
0456
超伝導デバイス作製プロセス
15
10
Ga+⊥c-axis
1.4m
5
0
-5
-10
-15
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
V[mV](c1=c0*10-0.1)
H. Kashiwaya et al., Appl. Phys. Lett.96, 202504 (2010)
物質開発
線材化プロセス
(Ca1‐xNax)Fe2As2
・産総研で発見された鉄系高温超伝導体(Tc ~35K)
P. M. Shirage et al., Appl. Phys. Exp., 81702 (2008) ・レアメタルフリーの超伝導体中で最高のTc
・安価な材料コスト
¥189/cm3
cf. MgB2 ¥1828/cm3
YBa2Cu3O7
¥684/cm3
Bi2Sr2Ca2Cu3Oy ¥474/cm3
電子光技術研究部門
・SUS封管を用いた大量試料合成法開発
・~50gの良質原料を一度に作製可能
K. Kihou et al., Jpn. J. Appl. Phys. 79, 124713 (2010)
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アカデミックロードマップ（フォトニクス）
2007年応用物理学会報告書より
ネットワークフォトニクス研究ｾﾝﾀｰ
（光パスネット）
ナノデバイスセンター
（シリコンフォトニクス）
当部門の研究ターゲット
（幅広いフォトニクス技術）
電子光技術研究部門
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情報通信のトレンド（光電子融合：チップから基幹系まで）
研究の方向性
ラック間
ボード内
モジュール内
チップ内
http://www.zurich.ibm.com/st/photonics/interconnects.html
（近距離・光通信のロードマップ）
ボード間光通信：
：距離１００ｃｍ,5mW/（1Gbit）
２００７年～２０２０年
ボード内
：距離３０ｃｍ, 5mW/（1Gbit）
２０１１年～２０２０年
チップ間、モジュール内：距離数ｃｍ, 3mW/（1Gbit）
２０１６年～２０２０年
チップ内光通信
：距離１～２ｃｍ,２ｍW/（1Gbit/s) 20１６年以降
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当部門における光インターコネクション研究
ＮＥＤＯ先導プロジェクト（Ｈ２３・ＰＪ）
「超低消費電力型光電子ハイブリッド回路技術開発」ＰＪ
産総研の担当：集積光源＋ポリマー集積
（１）化合物半導体集積光源（電子光ＲＩ）
・光源：温度無依存・低消費電力
サーバ
サーバ
ストレージ
スイッチ
（２）ポリマー集積導波路（電子光ＲＩ）
・集積：ポリマー上への光機能素子集積
ルータ
光源
（３）高密度・電子光実装（ナノエレＲＩ連携）
プロジェクトでの
企業連携を通して産業化
データセンタ
データセンタ
装置内/装置間接続用ﾓｼﾞｭｰﾙ
ﾎﾟﾘﾏｰ
光導波路
光集積回路
ﾓｼﾞｭｰﾙ
長距離ﾃﾞｰﾀ伝送ﾓｼﾞｭｰﾙ
企業連携（ＡＩＳＴ・TIA拠点）
（４）シリコン要素デバイス技術（企業担当）
ＰＥＴＲＡ組合（Ｈ社、Ｎ社、Ｆ社、Ｏ社、Ｔ社、Ｎｔ社、Ｍ社）
・シリコンフォトニクスデバイス、電子回路設計
電子光技術研究部門
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情報通信のトレンド（大容量化：３つの多重化）
S. Matsuoka, NTT. Tech., Rev., vol.9, no.8 (2011).
周波数・時間・空間
多重化
2015年〜 400G Ethernet
2020年〜 1T Ethernet
2012年 100GbE/OTN
2020年〜
中近距離光通信への
高密度多重化の導入
位相同期した
複数キャリア
空間
周波数
時間
時間
マルチコアファイバ
光時分割多重（OTDM）
電子光技術研究部門
周波数
既存の周波数（波長）分割多重
周波数
超高密度周波数分割多重
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アウトライン
1. 当研究部門設立の背景と趣旨
2. 電子と光の技術トレンド
3. 産総研における電子光融合研究
4. 今後に向けて
電子光技術研究部門
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電子光融合研究
装置・システム
デバイス･プロセス
電子技術
光技術
材料･現象
電子光技術研究部門
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Geプラットフォーム基板【材料・現象】
電子光技術研究部門
ﾅﾉｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究部門（安田ＧＬ、前田）
住友化学（株）
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Geプラットフォーム基板【材料・現象】
電子光技術研究部門
ﾅﾉｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究部門（安田ＧＬ、前田）
住友化学（株）
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Geプラットフォーム基板【材料・現象】
電子光技術研究部門
ﾅﾉｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究部門（安田ＧＬ、前田）
住友化学（株）
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Geプラットフォーム基板【材料・現象】
電子光技術研究部門
ﾅﾉｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究部門（安田ＧＬ、前田）
住友化学（株）
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Geプラットフォーム基板【材料・現象】
電子光技術研究部門
ﾅﾉｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究部門（安田ＧＬ、前田）
住友化学（株）
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電子光技術研究部門（阿澄ＧＬ、福田）
メゾ構造体センサー【材料・現象】
ユニークなメゾ構造体の光形成とバイオセンサーへの応用
サブ波長スケールの3D金ナノ構造が超高感度バイオセンサとして高い潜在性を有することに着目し、我々の有する
ユニークなメゾ構造体（フジツボ構造）形成技術と組み合わせた技術開発を行なっている。高感度でありながら、取
扱いの容易なスクリーニングチップ（簡易検査チップ）の実用化を企業との連携により、目指している。
フジツボ構造
チップ
スライドガラス
検体A
白色
光源
検体B
検出器
検体C
検体
フジツボ構造を付与したチップに検体を滴下し、透過スペクトルシフトを検出するだけの簡単な仕組み！
スペクトルシフト
マーカー付与前
吸光度
マーカー付与後
ターゲット検出後
500
700
900
1100
波長／nm
電子光技術研究部門
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メゾ構造体センサー【材料・現象】
フジツボ構造の作り方
電子光技術研究部門（阿澄ＧＬ、福田）
ガラス基板上にスピンコートしたアゾベンゼンポリマー上に水を滴下し、青色光を照射の後、
水を取り除き、乾燥させると、サブ波長サイズのユニークな構造（フジツボ構造）が形成される。
乾燥
水
アゾベンゼン薄膜
（50nm）
ガラス基板
青色LED
形成されたフジツボ構造（面内分布）
内径：350±200nm
外径：500±200nm
金を100nm蒸着してセンサ化
電子光技術研究部門
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電子光技術研究部門（阿澄ＧＬ、福田）
メゾ構造体センサー【材料・現象】
時間領域差分法（FDTD法）による電磁場シミュレーション
電場増幅領域
金薄膜
ポリマー
共鳴吸収
ピークの
発現
吸光度
照射光
電場強度増幅率
入射する光の電場が、フジツボ構造の存在により、局所的に数十倍まで増幅される可能性が示唆
された。（下図の例では口径350nm）
500
基板
700
900
1100
波長／nm
予想される共鳴吸収ピークの波長や高さは、フジツボ構造の口径に依存して変化するが、概して
口径が350nm〜400nmで増幅率が高くなる傾向が示唆された。（実験結果と良い相関）
フジツボ口径
200nm
300nm
電子光技術研究部門
350nm
400nm
450nm
500nm
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600nm
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電子光技術研究部門（阿澄ＧＬ、福田）
メゾ構造体センサー【材料・現象】
応用用途の拡がり
各種タンパクやマーカーの検出による医療診断、菌の検出などができるようになれば食品検査、
環境検査にも展開が期待できる。
簡便＆高感度センサチップ
A
B
C
数百億円の市場
環境
食品生産・加工
菌検出
安全検査
アレルギー検査
在宅健康
モニタリング
健康管理
在宅看護
電子光技術研究部門
医療現場
水質検査
汚染モニタリング
臨床診断
院内感染予防
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アモルファスシリコンフォトニクス【ﾃﾞﾊﾞｲｽ・ﾌﾟﾛｾｽ】
ﾅﾉﾃﾞﾊﾞｲｽｾﾝﾀｰ（森総括主幹）
「フォトニクス・エレクトロニクス融合システム基盤技術開発」プロジェクト
世界最先端研究開発支援プログラム（内閣府）
電子光技術研究部門
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アモルファスシリコンフォトニクス【ﾃﾞﾊﾞｲｽ・ﾌﾟﾛｾｽ】
ﾅﾉﾃﾞﾊﾞｲｽｾﾝﾀｰ（森総括主幹）
アモルファスシリコンの特徴
•
低温成長可能（３００℃以下）
– 電子回路上に光回路を作製可能
•
積層成長可能（SOIでは困難）
– 3次元光配線が可能
•
結晶シリコンなみの低吸収損失
– 水素化（a‐Si:H）によるダングリン
グボンドの終端
– 成長条件を最適化する必要あり
•
Optical Circuits
Electric Wiring
産業応用実績あり
– 液晶用TFT
– 太陽電池
電子光技術研究部門
Device Layer
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アモルファスシリコンフォトニクス【ﾃﾞﾊﾞｲｽ・ﾌﾟﾛｾｽ】
ﾅﾉﾃﾞﾊﾞｲｽｾﾝﾀｰ（森総括主幹）
a‐Si:H 光導波路の作成プロセス
As depo.
Surface roughness (rms) :
0.739nm
a-Si:H
SiO2
Si Substrate
a‐Si:H deposition
After wet etching
Surface roughness (rms) :
0.891nm
( Thickness Control
by Wet Etching,
If Needed )
Electron Beam Litho.
or i‐line Litho.
電子光技術研究部門
AFM images of the a‐
Si:H surface
a‐Si:H ICP‐Etching
SiO2 over clad deposition
K. Furuya, et al., GFP 2011 (P1.18)
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アモルファスシリコンフォトニクス【ﾃﾞﾊﾞｲｽ・ﾌﾟﾛｾｽ】
ﾅﾉﾃﾞﾊﾞｲｽｾﾝﾀｰ（森総括主幹）
積層型方向性結合器の試作（1）
• 上下層間で光信号を
伝達するための基本
モジュール
Output Light
a‐Si Wire
• 二つの光導波路間を
厳密に、小さな値で
制御可能
– デバイスの微小化
に有効
電子光技術研究部門
Si Substrate
Input Light
SiO2 Clad
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アモルファスシリコンフォトニクス【ﾃﾞﾊﾞｲｽ・ﾌﾟﾛｾｽ】
ﾅﾉﾃﾞﾊﾞｲｽｾﾝﾀｰ（森総括主幹）
積層型方向性結合器の試作（2）
Wavelength(nm)
出力光の波長依存性
電子光技術研究部門
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レーザー超短パルスＸ線源【装置・ｼｽﾃﾑ】
技術
電子ビームと
レーザー
パルスの衝突
産総研：
(レーザー
超短
パルス
レーザー
技術
研究組合
FESTA
+住友
重機械：
加速器
技術
コンプトン散乱)
電子光技術研究部門（鳥塚ＧＬ）
住友重機械工業（株）
応用
医療イメージング
・骨組織イ
メージング
・血管造影
学術利用
電子光
融合
・超高速現象解明
産総研：
国プロによる
装置・シス
テム開発
電子光技術研究部門
他の方法では得
られなかった
超短パルスX線源
計測フロンティア
研究部門
加速器・
X線計測技術
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電子光技術研究部門（鳥塚ＧＬ）
住友重機械工業（株）
レーザー超短パルスＸ線源【装置・ｼｽﾃﾑ】
高輝度Ｘ線パルス発生システムの構想
加速器（マイクロ波）と精密に
同期したレーザーシステム
安定化フェムト秒
発振器
低ジッター
前段増幅器
高輝度Ｘ線パルス
高出力超短パルス増幅器
（X線パルス高輝度化）
マイクロ波時間基準信号
紫外ピコ秒
レーザー
フォト
カソード
前段加速器
フォトカソード：
高品質な電子パルス源
レーザー
パルス
電子線
パルス
主加速器
レーザー技術
電子光融合のポイント
電子技術
電子光技術研究部門
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レーザー超短パルスＸ線源【装置・ｼｽﾃﾑ】
電子光技術研究部門（鳥塚ＧＬ）
住友重機械工業（株）
開発装置
性能と特徴
高精度
RF/
レーザー
制御
技術
高強度
フェムト秒
レーザー
UVピコ秒
レーザー
フォト
カソードRF
電子銃
Sバンド
加速器技術
電子光技術研究部門
150fs
20keV(max)
106/s@10Hz
3ps
40keV(max)
107/s@10Hz
・SORに比べ
コンパクト
・単色性
(幅〜４％)
・エネルギー
可変
・超短パルス
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レーザー超短パルスＸ線源【装置・ｼｽﾃﾑ】
電子光技術研究部門（鳥塚ＧＬ）
住友重機械工業（株）
産業技術総合研究所計測フロンティア研究部門
応用展開
血管造影
骨組織イメージング
マウス後肢：
初期症状観察
家兎の耳（ヨウ素）
国立循環器病センター研究所
（盛先生（現東海大）グループ）と共同研究
東海大医学部、名古屋大医学部と連携
茨城県立医療大学（森先生）と共同研究
さらなる高輝度化と
応用研究の蓄積
電子光技術研究部門
→
地域、病院レベルに
設置のX線源へ
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アウトライン
1. 当研究部門設立の背景と趣旨
2. 電子と光の技術トレンド
3. 産総研における電子光融合研究
4. 今後に向けて
電子光技術研究部門
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今後に向けて
大学・他独法
光産業
産総研
電子光技術ＲＩ
ｸﾞﾘｰﾝ
ﾗｲﾌ
ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ
光インターコネクション
レーザー加工
高感度センシング
電子光融合技術
持続可能
な社会
酸化物エレクトロニクス
安全・安心
な社会
海外
研究機関
電子光技術研究部門
電子産業
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ご静聴ありがとうございました
電子光技術研究部門HP
http://unit.aist.go.jp/esprit/
電子光技術研究部門
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