2016 Fiscal Year Annual Research Report
Photoelectric conversion system of spin-information utilizing semiconductor quantum dots
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16H06359
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村山 明宏 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (00333906)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末岡 和久 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (60250479)
寒川 誠二 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30323108)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 半導体量子ドット / スピン注入 / 半導体ナノ構造 / スピンダイナミクス / スピン緩和 / 半導体微細加工 / 中性粒子ビームエッチング / 自己組織化量子ドット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超低消費電力光デバイスを実現するための必要な実用材料であるIII-V 族化合物半導体量子ドットにおいては、電子のスピン緩和時間が発光寿命より十分長く、量子ドットに注入された電子のスピン状態は光電変換により発光の円偏光特性に情報変換される。そこで、室温動作可能な金属強磁性体電極から電子スピンを高効率に電流輸送するため、量子ドットへの超高速スピン注入および半導体バリア層中のスピン輸送などを研究する。そして、量子ドットを用いた光電スピン情報変換システムの基盤を構築していく。
昨年度は、交付申請書記載の研究計画に沿って以下の実績を得た。
まず、スピンの捕獲に優れた二次元電子系である量子井戸と量子ドットからなる様々なエピタキシャル結晶構造を作製し、スピンの結合状態と注入ダイナミクスに関する研究を行った。特に、波長可変フェムト秒パルスレーザを導入し、励起エネルギー依存性や室温動作を目指した温度依存性の測定を行った。その結果、温度に依存しない量子井戸からドットへの超高速スピン保存トンネルと、LOフォノンエネルギーに相当する熱活性プロセスによりドット注入後のスピン緩和が支配されることを明らかにした。さらに、スピン結合ダイナミクスを制御する電界印加型素子の作製を行い、電界に依存したスピンの注入現象を研究した。
次に、光デバイスに不可欠な半導体誘電バリア層のスピン輸送を研究するため、電子スピンの散乱源となるSiドーピング量の最適化と結晶成長条件の検討を行った。その結果、基板温度に加えてAs分圧の制御が重要であることを見出した。また、スピン発光ダイオードを作製し、素子作製における微細加工プロセスの検討を行った。特に、スピン緩和を抑制可能なバリアや高効率の光共振器を作製するため、III-V族化合物半導体材料に対して無損傷の中性粒子ビームエッチングの適用に関する検討を行い、基本特性を把握した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の課題である金属強磁性体電極から量子ドットへの電子スピンの高効率輸送と注入に対しては、本研究で提案する二次元電子系と量子ドットの結合励起状態を活用した超高速スピン注入およびバリア層中のスピン輸送を研究し、以下のような成果を得て進捗している。
まず、量子ドット光電スピン活性層におけるスピンの高効率捕獲と超高速のスピン注入を実現するため、平面的に拡がる二次元量子井戸と量子ドットからなる世界的にも独自のスピン結合構造について、組成や膜厚を変えた様々なポテンシャル構造を持つエピタキシャル結晶成長を行った。励起エネルギー依存性や温度依存性の測定を行い、温度によらない超高速スピン保存トンネルや、ドット注入後のスピン緩和がLOフォノンエネルギーに相当する熱活性過程により支配されることを明らかにし、室温動作に向けた基本特性を明らかにした。さらに、スピン結合ダイナミクスを制御可能な電界印加型素子の作製を行い、スピン注入に対する電界効果を測定した。これはスピンダイナミクスの電界制御に繋がる可能性があり、また課題の一つであるスピン受光ダイオードの設計に対する知見を与えている。
次に、光デバイスに不可欠な半導体誘電バリア層におけるスピン輸送を実現するため、電子スピンの散乱源となるSiドーピング量の最適化と結晶成長条件の検討を行い、基板温度に加えてAs分圧の制御が重要であることを見出している。また、スピン発光ダイオードを作製し、その素子作製における微細加工プロセスの検討を行った。特に、III-V族化合物半導体材料に対して微細加工時に欠陥が生じない中性粒子ビームエッチングの適用を検討した。さらに、GaAs系のスピン制御を目指して、新たにラジカル水素ソースや窒素プラズマソースを既存の複合型分子線エピタキシー装置に設置するために装置の部分再設計と改造を行い、これらのセルを新たに増設した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の課題を推進するため、III-V 族化合物半導体量子ドットに対して、室温動作可能な金属強磁性体電極から電子スピンを高効率に電流輸送し注入するための研究を継続する。引き続き、二次元電子系から量子ドットへの超高速スピン注入および半導体バリア層中のスピン輸送などを研究し、量子ドットを用いた光電スピン情報変換システムの基盤を構築していく。
まず、量子ドットの高効率スピン捕獲とスピン緩和を十分抑制可能な超高速のスピン注入を目指して、引き続き二次元量子井戸と量子ドットからなるスピン結合エピタキシャル構造の研究を推進する。特に、スピンを十分保持した超高速スピン注入を実現する二次元系と量子ドット間のLOフォノン共鳴スピントンネルの描像を世界に先駆けて確立する。そして、スピン注入ダイナミクスの外部電界による制御を検討し、新しいスピン制御型電界効果素子の提案へと繋げていく。
半導体バリア層におけるスピン輸送に関しては、Siドーピング量や変調ドーピング、そのための結晶成長条件を最適化していく。また、増設した窒素プラズマソースを用いて、スピン輸送中のスピン分極率を高めることが可能な希薄窒化GaAsバリア層のエピタキシャル結晶成長に着手する。同時に、高いスピン分極率を持つハーフメタルなどの強磁性体電極材料と、金属から半導体への高効率スピン注入を実現するための酸化物トンネルバリア材料などの検討を行う。
以上の研究を踏まえて、強磁性体スピン電極を持つ量子ドットスピン発光ダイオードを作製していく。また、増設したラジカル水素ソースを用いて、微細加工時に欠陥が生じない中性粒子ビームエッチングによるスピン輸送バリアや光共振器構造の作製を推進していく。作製したスピン発光ダイオードの特性評価に関しては、室温までの温度依存性の測定を行い、実用的な室温動作に関する見通しを得ていく計画である。
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[Journal Article] Nanometer scale fabrication and optical response of InGaN/GaN quantum disks2016
Author(s)
Yi-Chun Lai, Akio Higo, Takayuki Kiba, Cedric Thomas, Shula Chen, Chang Yong Lee, Tomoyuki Tanikawa, Shigeyuki Kuboya, Ryuji Katayama, Kanako Shojiki, Junichi Takayama, Ichiro Yamashita, Akihiro Murayama, Gou-Chung Chi, Peichen Yu, Seiji Samukawa
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Journal Title
Nanotechnology
Volume: 27
Pages: 425401:1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Fabrication of GaAs quantum nanodisk by bio-template, neutral beam etching, and asymmetric AlGaAs barrier regrowth and its optical response2016
Author(s)
A. Higo, T. Kiba, C. Thomas, J. Takayama, M. Sugiyama, Y. Nakano, A. Murayama, S. Samukawa
Organizer
JSPS workshop on Japan-Sweden frontiers in spin and photon functionalities of semiconductor nanostructures
Place of Presentation
Jyozankei Grand Hotel, Sapporo, JAPAN
Year and Date
2016-08-30
Int'l Joint Research
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[Presentation] Transient photoluminescence in InGaN nano-disks fabricated by nano-scale neutral-beam etching utilizing bio-nano templates2016
Author(s)
Y. Chen, S.L. Chen, T. Kiba, C.Y. Lee, C. Thomas, Y.C. Lai, A. Higo, S. Samukawa, A. Murayama
Organizer
16th IEEE International Conference on Nanotechnology
Place of Presentation
Sendai International Center, Sendai, JAPAN
Year and Date
2016-08-23
Int'l Joint Research
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