GaN/AlGaN量子井戸の3準位を用いた超高速光-光変調デバイスの試作研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11555014
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 野田 進 京都大学, 工学研究科, 助教授 (10208358)
• 研究分担者: 飯塚 紀夫 (株)東芝, 研究開発センター, 研究員
• キーワード: GaN / AlGaN量子井戸 / サブバンド間遷移 / 光制御光変調 / 超高速緩和 / 歪み緩和 / フェムト秒

研究概要

(1)本研究の目標は、GaN/AlGaN量子井戸におけるサブバンド間遷移を用いて超高速(テラビット/s級)の光-光変調を実現することである。昨年度の研究においては、サブバンド間遷移特性の測定が可能になる程度の層数まで、量子井戸を多層化しうる成長条件を検討した。その結果、GaN中間バッファ層の導入により、歪みによるクラックの導入を避けることが可能であり、200層程度までの良好な多重量子井戸が作製できることが分かった。これにより、表面入射で30-40%程度のサブバンド間吸収を持つ試料の作製に成功した。
(2)昨年度の研究で十分な吸収量を持つ多重量子井戸が実現されたことを受けて、本年度の研究では、実際にサブバンド間励起電子の緩和時間を測定することを試みた。これは本方式による変調デバイスの動作速度を決定する非常に重要なパラメータであり、理論的には100フェムト秒代という非常に短い時間が予測されていたものの、実験的にこれを測定した例はなかった。
(3)測定では、単色ポンプ・プローブ法によってサブバンド間吸収飽和の回復時間から励起電子の緩和時間を評価する手法を用いた。また、パルス光源としてはフェムト秒光パラメトリック・アンプ・システムを利用した。サブバンド間吸収ピーク波長が約4.5μmにあるGaN(3.8nm)/Al_<0.65>Ga_<0.35>N(1.8nm)からなる多重量子井戸(200層)に対して測定を行ったところ、励起電子の緩和時間が100-200フェムト秒程度と非常に短いという結果が得られた。これはGaN/AlGaN量子井戸におけるサブバンド間緩和を実験的に示したはじめての結果であり、本変調方式の動作速度が100フェムト秒代になり得ることを示している。
(4)以上の成果により、国際会議ではthe 2000 Conference on Lasers and Electro-Opticsおよび25th International Conference on the Physics of Semiconductorsにおいて講演を行った。次年度はいよいよGaN/AlGaN量子井戸を用いた光-光変調デバイスを作製し、その特性を測定する予定である。

研究成果

• [文献書誌] N.Iizuka,K.Kaneko and N.Suzuki,T.Asano,S.Noda,and O.Wada: "Ultrashort (<150 fs) carrier relaxation time of intersubband transition in AlGaN/GaN multiple quantum wells"Technical Digest of the 2000 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO'00). CWP2 (2000)
• [文献書誌] N.Iizuka,K.Kaneko and N.Suzuki,^*T.Asano,S Noda,and O.Wada: "Ultrafast Intersubband Relaxation (<150 fs) in AlGaN/GaN Multiple Quantum Wells"Applied Physics Letters. Vol.77 No.5. 648-650 (2000)
• [文献書誌] 野田進,浅野卓: "サブバンド間遷移を用いた超高速光スイッチ"光学. Vol.29 No.8. 492-493 (2000)
• [文献書誌] T.Asano,S.Yoshizawa,S.Noda,N.Iizuka,K.Kaneko,N.Suzaki,and O.Wada: "Comparison of intersubband relaxation times in GaN/AlGaN and in InGaAs/AlGaAs quantum wells"Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. (2000)
• [文献書誌] T.Asano,S.Yoshizawa,and S.Noda: "Pump-probe measurement of ultrafast all-optical modulation based on intersubband transition in n-doped quantum wells"Applied Physics Letters. Vol.77 No.1. 19-21 (2000)
• [文献書誌] T.Asano,S.Noda,N.Iizuka,K.Kaneko and N.Suzuki,and O.Wada: "Ultrafast all optical modulation based on intersubband transition in semiconductor quantum wells"Optical and Quantum Electronics. (In printing). (2001)