2017 Fiscal Year Annual Research Report
Photoelectric conversion system of spin-information utilizing semiconductor quantum dots
| Project/Area Number |
16H06359
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
村山 明宏 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (00333906)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寒川 誠二 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30323108)
末岡 和久 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (60250479)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
|
| 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 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
低消費電力光デバイスの実用材料であるIII-V 族化合物半導体量子ドットでは、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スピン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。今年度は、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、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、二次元量子井戸と量子ドットのスピン結合エピタキシャル構造からなる光電スピン変換活性層の研究を推進した。光学特性とスピン注入特性に優れる高密度量子ドットにおけるドット間のスピン結合と、その結果生じるスピン注入による円偏光発光特性を明らかにした。特に、量子井戸を介するドット間のスピン結合の影響を受けたスピン緩和現象を新たに研究した。また、高温動作を目指して、バリア障壁の高いAlGaAs/GaAs量子井戸に直接InGaAsドットを埋め込んだ量子構造を作製し、スピン緩和に対する熱的影響について明らかにした。さらに、二次元電子系から量子ドットへのスピン注入に対する電界印加効果を研究し、スピン注入発光の円偏光特性に対する電界依存性を明らかにした。
半導体バリア層のスピン輸送に関しては、結晶成長条件の最適化を進めている。特に、AlGaAs/GaAs超格子を用いたスピン輸送バリアの作製を行い、超格子の構造に依存したスピン輸送特性を得ることができた。量子ドットと金属強磁性体電極を用いるスピン注入型LEDの作製や、スピン輸送中のスピン分極率を高めることが期待される希薄窒化GaAsバリア層の結晶成長も行っている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の主要な課題である金属強磁性体スピン電極から量子ドットへの電子スピンの高効率の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スピン状態を利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、二次元量子井戸とゼロ次元量子ドットからなる独自の光電スピン変換活性層の研究を推進した。特に、高密度量子ドットの励起スピン状態においては、量子井戸を介してドット間に適切なスピン結合を導入することにより、多数個スピンから緩和する少数個スピンが選択的に除去され、結果的にドット集合体としてのスピン分極の過渡的な増幅やスピン緩和の抑制が可能であることを新たに見出した。さらに、量子井戸の膜厚という簡単な構造パラメータにより、このドット間スピン結合とその結果生じるスピン緩和の抑制を制御可能であることも明らかにした。また、光電スピン変換の高温動作を目指して、バリア障壁の高い量子井戸に直接ドットを埋め込んだ新たな量子構造を作製し、スピン緩和に対する熱的影響を抑えることが出来た。
二次元電子系から量子ドットへのスピン注入に対する外部電界印加による制御を検討し、量子井戸から量子ドットへのスピン注入とその結果生じる発光の円偏光特性の電界依存性を明らかにした。これは量子ドットに対するスピン注入の電界制御に繋がるとともに、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も与えている。
半導体バリア層におけるスピン輸送に関しても結晶成長条件の最適化を進めている。特に、超格子を用いたスピン輸送バリアの作製を新たに行い、超格子の構造パラメータに依存したスピン輸送特性を研究することで、バリア中のスピン輸送におけるスピン緩和の抑制効果を確認した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究の課題を推進するため、室温動作可能な金属強磁性体電極からIII-V 族化合物半導体量子ドットに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。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。
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。量子井戸を介したドット間のスピン結合によるスピン緩和の抑制については、その動的挙動の研究や励起スピン状態の積極的な活用を目指して検討を進めていく。さらに、バリア障壁の高い量子井戸に直接ドットを埋め込んだ量子構造に関しても引き続き構造の最適化を行い、高効率の光電スピン変換とその高温動作を目指した検討を継続する。
半導体バリア層におけるスピン輸送に関しては、超格子スピン輸送層をベースにした変調ドーピングや、欠陥生成を十分抑制したエッチングが可能な中性粒子ビームエッチングを生かした一次元スピン輸送チャネルの作製などの研究を推進する。希薄窒化GaAsバリア層についても、実際のスピン輸送におけるスピン増幅効果を研究していく。
以上の研究を踏まえて、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含めて、強磁性体スピン電極を持つ量子ドットのスピン注入型LEDを研究していく。また、高輝度の円偏光発光特性と光増幅のため、量子ドット光電スピン活性層への光共振器構造の設計と作製も行う。作製したスピンLED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。
|
Research Products
(27 results)
-
-
-
-
-
-
-
-
[Journal Article] Optical Study of Sub-10 nm In0.3Ga0.7N Quantum Nanodisks in GaN Nanopillars2017
Author(s)
Akio Higo, Takayuki Kiba, Shula Chen, Yafeng Chen, Tomoyuki Tanikawa, Cedric Thomas, Chang Yong Lee, Yi-Chun Lai, Takuya Ozaki, Junichi Takayama, Ichiro Yamashita, Akihiro Murayama, Seiji Samukawa
-
Journal Title
ACS Photonics
Volume: 4
Pages: 1851-1857
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
