Intersubband transition （ISBT） in multiple quantum wells （MQW） has drawn much attention for ultrafast optoelectronic devices owing to its wide wavelength-tunability and extremely fast energy relaxation process. Recently, the extension of ISBT wavelength to near-infrared wavelength, especially 1.55 μm, is of particular interest because such wavelength is vital for the development of ultrafast photonic devices for silica-fiber-based optical-communication networks. Among various materials proposed for intersubband transition at 1.55 μm, GaN/AlN MQW structures are promising due to their large conduction band offset of approximately 2 eV. Furthermore, the large electron effective mass and the large LO phonon energy in nitrides make their intersubband relaxation extremely fast in the order of sub-picoseconds. This makes intersubband transition in nitrides immensely interesting for the development of ultrafast photonic devices operating at a bit rate higher than 1 Tb/s.

The intersubband transition at 1.55 μm and shorter wavelengths have been achieved by molecular beam epitaxy （MBE） with the shortest wavelength of 1.08 μm. On the other hand, growth by metalorganic vapor phase epitaxy （MOVPE） has not yielded satisfactory results as the shortest ISBT wavelength reported is merely 2.4 μm. The demonstration of 1.55-μm ISBT by MOVPE, however, is still attractive since much better crystalline quality for device fabrication can be achieved. Moreover, MOVPE also has another advantage over MBE in industrial point of view. Indeed, the ultrafast optical switching utilizing intersubband transition has been demonstrated by MBE-grown GaN ridge waveguide structure with a bit rate higher than 1 Tb/s. However, such device requires optical-pulse switching energy higher than 10pJ/μm2 to utilize the saturable intersubband absorption, which is still too large for the applications in conventional optical communication networks. Reduction of the switching energy is therefore another important issue for the intersubband transition devices. In order to reduce the switching energy, not only the waveguide fabrication process, but also the epitaxial growth technique and the device structure have to be improved.

In this dissertation, the GaN/AlN multiple quantum wells and nitride-based waveguide structures are studied and fabricated for the applications of ultrafast all-optical switch utilizing intersubband transition. The ultrafast intersubband transition device is realized by using AlN waveguide structure with GaN/AlN quantum wells. This AlN-waveguide-based intersubband transition device can operate in the optical communication wavelength range, covering 1.3 μm, the shortest wavelength ever demonstrated for the intersubband transition devices.

In order to perform epitaxial growth of such structure with high quality, MOVPE is more preferable than MBE because the AlN layer can be grown with much better quality by the MOVPE. However, since the MOVPE growth of GaN/AlN MQW for the 1.55-μm ISBT is very difficult, the AlN waveguide structure was fabricated with a combination of both MOVPE and MBE growth techniques: MOVPE growth for AlN buffer layer and MBE re-growth for GaN/AlN multiple quantum wells. With this combination, the high quality waveguide with intersubband absorption in a wavelength range of 1.3-1.55 μm is achieved.

In addition to the improvement in the epitaxial growth technique, this dissertation also discusses on the problems in growing the waveguide structure of both MOVPE and MBE. Moreover, the design and fabrication of nitride-based waveguide structures are studied in details to improve the waveguide quality. The high-optical-confinement waveguide structures are proposed and successfully fabricated for the first time thanks to the successful demonstration of epitaxial growth and the improvement of fabrication process. Additionally, a new waveguide characterization method using the supercontinuum light source is also proposed and demonstrated. With this new characterization method, not only are the direct measurements of intersubband absorption in waveguides realized, but the problems in waveguide quality of the MBE-grown waveguide are also revealed. This provides very useful information for the improvement of fabrication process, especially the epitaxial growth process. The achievements in each area of epitaxial growth, waveguide fabrication process, and characterization, have made contributions to the improvement of waveguide characteristic, leading to the successful demonstration of the first AlN-waveguide-based intersubband transition devices with high performance.

本論文は，"GaN/AlN Multiple Quantum Wells and Nitride-Based Waveguide Structures for Ultrafast All-Optical Switch Utilizing Intersubband Transition（サブバンド間遷移超高速全光スイッチに向けたGaN/AlN多重量子井戸及び窒化物系導波路構造に関する研究）"と題し，窒化物系の光ファイバ通信波長帯サブバンド間遷移（intersubband transition, ISBT）デバイスに向けた量子井戸の成長，導波路構造の作製，超高速全光スイッチ動作の評価検証を行った結果について英文で纏めたもので，7章より構成されている．

第1章は序論であって，研究の背景，動機，目的と，論文の構成が述べられている．量子カスケードレーザ等，量子井戸のサブバンド間遷移を利用したデバイスは光エレクトロニクスに新たな可能性をもたらしているが，光ファイバ通信に適用するためには，サブバンド間エネルギー差の大きな材料系を使う必要がある．窒化ガリウム（GaN），窒化アルミニウム（AlN）をベースとする量子井戸構造は，1.3〜1.55μm帯のサブバンド間遷移波長を実現することのできる有力候補である．本論文の目的は，窒化物系ISBT量子井戸の形成技術を確立するとともに，GaN/AlN導波路構造を研究し，その結果をもとに窒化物系光ファイバ通信帯サブバンド間遷移超高速全光スイッチを実現することにある．

第2章は"Epitaxial growth of GaN/AlN multiple quantum wells"と題し，本研究の基盤となるGaN/AlN多重量子井戸構造のエピタキシャル成長について論じている．GaNバッファー，シリコンドープGaN，GaN/AlN多重量子井戸の有機金属気相エピタキシー（MOVPE）と特性評価について述べた後，GaN中間層の挿入によるGaN/AlN多重量子井戸の高品質化，分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy, MBE）により成長されたGaN/AlN多重量子井戸の評価について論じ，最後にMOVPE成長とMBE成長のヘテロ界面急峻性の比較検討を行っている．

第3章は"Measurements of intersubband absorption in GaN/AlN multiple quantum wells"と題し，2章で作製された各種GaN/AlN多重量子井戸においてサブバンド間吸収を観測したことについて論じている．まず初めにサブバンド吸収の観測に用いたいくつかの計測技術について述べた後，MOVPEで成長したGaN/AlN多重量子井戸におけるサブバンド間吸収の井戸幅依存性，内部電界の効果，低V/III比による多重量子井戸品質の向上，MOVPE成長GaN/AlN多重量子井戸における最短吸収波長（2.3μm）を記録したことについて述べている．次に，MBE成長GaN/AlN多重量子井戸サンプルにおける1.55μm光吸収と低キャリア濃度の場合の光吸収の挙動について論じた．

第4章は"Fabrication and characterization of GaN-based waveguide structures"と題し，全光スイッチの基礎としてGaNをベースとした導波路構造の設計と試作について論じている．GaNをクラッドとした多重量子井戸の場合，AlGaNをクラッドとした多重量子井戸の場合について，リッジ導波路，ハイメサ導波路のそれぞれについて，十分な光閉じ込めを実現する構造を設計した．次に導波路を作製するドライエッチングプロセス技術を確立し，これを適用してハイメサ導波路構造を作製したことにつき述べている．さらに，作製された導波路をスーパーコンティニューム光源を用いた新たな方法で特性評価した結果について記している．その結果，MOVPE成長による導波路ではMBE成長のものに比べTM偏光に対する損失が相当小さくなること，MOVPEバッファー層の上にMBE成長でコアを形成した場合には，MOVPE成長導波路と同程度までTM偏光損失を低減できること，内部電界の低下による吸収波長のレッドシフトが生じること，等がわかった．

第5章は"Fabrication and characterization of AlN-based waveguide structures"と題し，本研究の特徴であるAlNベース導波路構造の設計，成長，作製について述べている．まず本研究でなぜAlNベース導波路を提唱するかの理由について述べた後，AlNベース導波路構造の設計について論じ，高い光閉じ込めの実現できることが示されている．さらに，MOVPEによる高品質AlNの結晶成長技術について論じた後，AlNのドライエッチング技術を確立して低損失のハイメサ導波路の作製に成功したことについて記している．

第6章は"Fabrication and characterization of ultrafast all-optical switch utilizing intersubband transition"と題し，本研究の目的であるサブバンド間遷移超高速全光スイッチを2-5章の結果をもとに作製したことについて述べている．まずMOVPE成長AlN上のMBE成長GaN/AlN多重量子井戸の形成と評価について記し，そのような多重量子井戸を内包するAlN導波路におけるサブバンド間吸収を観測したことについて述べている．AlN上に量子井戸を形成することにより内部電界が変化し，吸収波長シフトが消失した．同素子において波長1.3μm帯のサブバンド間遷移光スイッチ動作が初めて得られ，7dBの消光比が120pJの制御光パルスエネルギーで達成された．さらに，AlN上に成長されたGaN/AlN多重量子井戸の吸収波長を井戸・障壁層幅をチューニングして1.55μm帯にあわせこみ，波長1.55μmでの超高速全光スイッチ動作に成功した．3dBの消光比を得るのに必要な制御光パルスパワーは8pJ，10dB時には90pJと，従来のGaN導波路ベースの全光スイッチに勝る値を得ている．

第7章は結論であって，本研究で得られた成果を総括している．

以上のように本論文は，窒化物系サブバンド間遷移に関し，MOVPE結晶成長技術によるGaN/AlN多重量子井戸サブバンド間吸収の最短波長を記録するとともに，厚膜AlNをベースとした光導波路を有する超高速全光スイッチをMOVPE/MBEハイブリッド成長により世界で初めて作製し，1.3および1.55μm帯におけるサブバンド間遷移全光スイッチ動作を，これまでで最小の制御光パルスエネルギーで達成したもので，電子工学分野に貢献するところが多大である．

よって本論文は博士（工学）の学位請求論文として合格と認められる．