Dramatic growth in fiber-optical network traffic demand is driving the need for new high-bandwidth optical components including optical switches. Many technologies; for example, microelectro mechanical systems (MEMS), silica-on-silicon planar lightwave circuit (PLC), polymer optical waveguide, intersubband transition (ISBT) in quantum nanostructure, optical non-linearity in semiconductor optical amplifier (SOA), have been proposed as a candidate for a solution of high optical traffic demand. Each technology possesses unique advantage and disadvantage properties. Among these competitors, intersubband transition in semiconductor multiple quantum wells (MQWs) has an outstanding merit which is the ultrafast response. In the fiber-optic communications, the conventional wavelength window, known as the C band, covers the wavelength range 1.53-1.57 μm, and the new dry fiber has a low-loss window promising an extension of that range to 1.30-1.65 μm. Hence, material systems with large enough conduction band offset to accommodate intersubband transitions at these relatively short wavelengths include InGaAs/AlAsSb, (CdS/ZnSe)/BeTe, GaInNAs/AlAs, and GaN/Al(Ga,In)N MQWs. Among these materials, GaN/AlN MQW structures are promising owing to their large conduction band offset allowing a short intersubband transition wavelength in a simple quantum well structure. Moreover, the extremely fast intersubband relaxation in the order of sub-picoseconds due to the large longitudinal optical phonon energy and the large electron effective mass promotes intersubband transition in nitrides immensely interesting for the development of ultrafast photonic devices capable for 0.1-1 Tb/s bit rate.

However, in the past few years, the number of publications of all-optical switches using intersubband transition in nitride MQWs is not as much as that of GaN-based light emitting devices and high electron mobility transistors. It has also been overwhelmed by fiber-based and phosphide-based optical switches. This is because of the growth of GaN/AlN MQWs realizing short intersubband transition wavelength is not an easy task, especially the growth by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) technique which is a large-scale fabrication system. The short intersubband transition in GaN/AlN MQWs has been long for only realized by molecular beam epitaxy (MBE) technique. Furthermore, the issue of high power consumption for operating nitride-based all-optical switches is considerably one of major obstructions. Due to these reasons, the research of intersubband transition in GaN/AlN MQWs as well as their applications has been developed in a slow manner.

In this work, the MOVPE growth and fabrication of all-optical switches utilizing intersubband transition in GaN/AlN MQWs have been investigated. The issue of the realizing of short intersubband transition wavelength in MOVPE grown GaN/AlN MQWs has been first conducted by extracting the factors that hinder the short wavelength. A growth method called pulse injection method has been investigated and used for suppressed the problem caused by the conventional MOVPE growth. By tailoring the strain in GaN/AlN MQWs using AlGaN interlayer inserted between GaN/AlN MQWs and AlN buffer layer, 1.5-μm-range intersubband transition has been fully realized using pulse injection MOVPE. The properties of intersubband transition are excellent in terms of transition wavelength, absorption intensity and full-width at half-maximum of absorption peak.

Later in this dissertation, AlN-based waveguides with GaN/AlN MQWs grown by MOVPE have been designed and fabricated. The measurement and characterization of fabricated AlN-based waveguide has demonstrated the existence of intersubband absorption in waveguide structure which is an important step toward the fabrication of all-optical switches. The propagation loss in AlN-based waveguide has been investigated and analyzed by comparing with MBE fabricated samples. Later, the spot-size converter has also been introduced as an answer for high coupling loss issue in the plane waveguide structure. The as-fabricated AlN-based waveguide with integrated spot-size converter exhibited the saturable absorption indicating the functionality of all-optical switch.

This dissertation has demonstrated the potential of all-optical switch application in MOVPE grown AlN-based waveguide with GaN/AlN MQWs absorption core. This achievement is an important milestone in the development of optical devices utilizing intersubband transition in MOVPE grown GaN/AlN MQWs. Furthermore, the succeed in the growth procedure indicates the capability of MOVPE system for the growth of high quality GaN/AlN MQWs and may renew the interest of intersubband transition in nitride semiconductors.

本論文は,"Metalorganic vapor phase epitaxy and fabrication of 1.5 μm GaN/AlN MQWs intersubband all-optical switches (1.5 μm GaN/AlN 多重量子井戸サブバンド間遷移全光スイッチの有機金属気相エピタクシーと作製)"と題し,有機金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)による光通信波長帯でのGaN/AlN量子井戸サブバンド間遷移実現とその全光スイッチ素子への応用を目指して行った研究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.

第2章は"GaN/AlN MQWs by conventional MOVPE"と題し,通常のMOVPEでは,GaN/AlN量子井戸におけるサブバンド間遷移(ISBT)は2.4μmまでしか短波長化できないこと,その原因が高温成長による界面の劣化であること,これを改善するために成長温度を下げると今度は十分なキャリア密度を得られなくなりサブバンド間吸収自体が観測されなくなること等,従来のMOVPE技術の限界について,実験的に得られた結果を用いて論じている.

第3章は"GaN/AlN MQWs grown by pulse injection method on AlN buffer"と題し,上記の問題を解決する新たなMOVPE技術について論じている.低温成長でキャリア密度を確保するためにパルスインジェクション法が有効であることを示した後,成長温度とAlGaN中間層が与える影響を調べ,多重量子井戸界面の急峻性向上がISBTの短波長化に,GaN井戸の圧縮歪みがISBTの強化に夫々繋がることを明らかにした.また界面の急峻性と均一性がISBT吸収線幅の狭窄化に,反応炉圧力の増加がISBTの強化に夫々有効であることも分かった.これより,成長温度として800~860℃,圧力として100mbarが最適で,AlN障壁層は極力格子緩和させるかGaN井戸を圧縮するかした構造にし,下地となるAlGaN中間層のAl組成は多重量子井戸の平均Al組成より若干小さくした構造が最適であると結論した.

第4章は"Optimization of MQWs structure for fabrication of AlN waveguide with GaN/AlN MQWs core"と題し,GaN/AlN量子井戸をコアとする導波路を作製するに必須の上側クラッド層構造の最適化について論じている.上側クラッド層に用いる窒化シリコン膜の誘因する伸張歪みがピエゾ電界の変化をもたらしISBT特性を劣化させること,この歪みを補償するために,格子定数の小さいAlN層を量子井戸と窒化シリコン膜の間に挿入することが有効であること,その厚さおよび成長条件としては100 nm,V/III比500,850℃が最適であること,等を見いだした.

第5章は"Fabrication of AlN-based waveguide with GaN/AlN MQWs absorption core"と題し,前章までの結果に基づいて実際にGaN/AlN多重量子井戸コアを有するAlNベースのリッジ導波路およびハイメサ導波路を設計・試作した結果について論じている.400μm長の試作素子において,波長1.5μm帯における21dBの強いISBT吸収を達成した.さらに,光パルス幅0.4psのパルスレーザを用いてISBT吸収飽和を測定し,リッジ導波路素子において消光比14dB,挿入損失15dB,115pJの入射光パルスに対し吸収飽和量5dBを,またハイメサ導波路素子において消光比13dB,挿入損失24dB,145pJの入射光パルスに対し吸収飽和量3dBを,夫々観測した..

第6章は"Fabrication of AlN-based optical waveguide integrated with spot-size converter"と題し,導波路結合効率を高めるために水平方向のスポットサイズ変換器を集積した素子を設計,試作した結果について論じている.125pJの入射光パルスに対し5dBの吸収飽和量が得られたが,エッチング時の損傷に起因する過剰損失の影響で,前章のリッジ導波路素子の性能を上回ることはできていない.しかし光閉じ込めが向上していることによって吸収飽和の立ち上がりは早く,より大きな入射エネルギー下ではリッジ導波路素子の性能を上回ることが予測された.さらなる高性能化のためには,垂直方向のスポットサイズ変換器を同時に備える必要のあることを指摘している.

第7章は結論であって,得られた成果を総括するとともに将来展望について述べている.

以上のように本論文は,有機金属気相エピタキシャル成長によるGaN/AlN量子井戸の光通信波長帯でのサブバンド間遷移の実現が困難である原因を究明し,低温パルスインジェクション成長とAlGaN中間層の導入によって1.5μm帯の強いサブバンド間遷移光吸収を達成し,さらに素子試作上必要な窒化シリコンクラッド層の歪みがサブバンド間遷移光吸収に及ぼす影響と解決策を見いだし,最後にこれらを総合したスポットサイズ変換器付きAlN導波路全光スイッチの設計と試作を行って,実際にサブバンド間遷移光吸収飽和を観測したものであって,電子工学分野に貢献するところが少なくない.

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.