2019 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, 情報科学研究院, 教授 (00333906)
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| 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, 情報科学研究院, 教授 (60250479)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子ドット / ナノ材料 / スピンエレクトロニクス / 光物性 / 半導体超微細化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超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。
電流スピン注入型のスピン偏極発光ダイオード（スピンLED）の作製と評価を継続した。量子ドットへのスピン注入後のスピン緩和について室温までの温度依存性を研究し、電子スピンのバリアへの熱的再励起とバリア中で高速緩和したスピンのドットへの再注入を明らかにした。そして、この熱励起に伴うスピン緩和を抑制できるバリアと発光準位のエネルギー差を最適化した量子ドット結晶成長条件を確立した。さらに、GaAs上のMgOスピントンネルバリアの結晶成長条件の最適化と、InGaAs量子ドットに対して結晶性や光学特性を損なわないリモートpドーピングを行い、室温の電流注入発光において10%の円偏光度を得た。Fe強磁性電極中の電子スピン偏極率が40%であることから、この結果は、その電子スピン偏極の25%が量子ドット発光のスピン情報に室温で変換されたことを直接示しており、高い電流スピン注入効率を得たと判断できる。
また、室温において電子のスピン偏極度を高めるスピンフィルター効果を持つ希薄窒化GaAs量子井戸とトンネル結合したInAs量子ドットを用いて独自の結合構造を作製し、光スピン変換特性を研究した。その結果、室温において、GaAsバリアから量子ドットに注入した電子スピン偏極度が80%に及ぶ円偏光発光を観測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度に比べて以下の2点で大きな進展があり、本研究が目指す「量子ドットを用いた光電スピン情報変換システム基盤の構築」に向けて非常に重要かつ実用にも繋がるブレークススルーである、室温における光電スピン情報変換機能の確立に対する成果が得られている。
まず、本研究において主要な目標であった、室温において動作可能な電流注入型のスピンLED技術の確立に対しては、電流注入による量子ドット発光において10%の円偏光度を室温で確認した。Fe電極中の電子スピン偏極度が40%であることから、その電子スピン偏極の25%が半導体バリア層に注入・輸送された後に量子ドットにおける発光の光スピン情報に変換されたことを直接示しており、室温であることを考えると非常に高い効率であると判断している。室温における高いスピン注入効率は、GaAsバリア上のMgOスピントンネルバリアの結晶成長条件の最適化、バリアと発光準位のエネルギー差を最適化した量子ドット結晶成長、InGaAs量子ドットに対して結晶性や光学特性を損わないリモートpドーピング手法の確立が重要であった。
次に、室温においてスピンの偏極度を高めるスピンフィルター効果を持つ希薄窒化GaAs量子井戸とトンネル結合したInAs量子ドットを用いて、GaAsバリアから量子ドットに注入した電子スピンが80%まで偏極した円偏光特性を持つ発光を室温において観測した。この場合、GaAsバリア中に光生成した電子スピンの偏極度は50%であることから、室温において非常に効率的なスピン偏極の増幅効果が得られたことになる。
以上により、本研究の最終目標である、実用を目指した「光電スピン情報変換システム基盤の構築」が具体的に見込める成果が得られたと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究実績の概要と現在までの進捗状況に記載した研究成果をもとに、本研究の目的と計画に沿って、特に重要な室温での光スピン機能デバイスの高効率動作や新たな光スピン機能性光電変換の確立に向けた研究を推進していく。
まず、室温において動作可能な電流注入型のスピンLEDに対しては、そのスピン注入効率をさらに高めるため、これまでの研究成果であるスピンダイナミクスの研究成果を生かした光スピン特性に優れた世界的にも独自の量子構造を応用していく。具体的には、スピン捕獲に優れた量子井戸へのドットの埋め込み構造、バリアでの電子輸送中のスピン偏極を保持可能な超格子バリア、半導体エッチング時の損傷を十分抑制可能な中性粒子ビームエッチングを用いて作製するナノ構造スピン輸送バリアなどである。
また、希薄窒化量子井戸を用いた量子ドット結合構造と室温以上の高い温度領域におけるスピンダイナミクスや光スピン変換機能を引き続き研究し、室温動作可能な量子ドットの光スピン機能性の研究を世界的にもリードしたい。さらに、独自に見出した、量子井戸からドットへのスピン注入における電場によるスピン反転操作可能な電界効果光スピン素子の構造と特性改善の研究も昨年度に引き続き継続する。この研究と関係して、スピンLEDのデバイス構造を利用し、円偏光励起に伴う電流を検出する電界印加型のスピン偏極フォトダイオードの作製と特性評価を行う。
以上により、これまで多くの知見を得てきた量子ドットや井戸との結合構造におけるスピンダイナミクスや光スピン変換機能とそれらの温度依存性などの学問的基盤に立脚しつつ、室温で高効率に動作可能な光スピン機能性を確立することにより、室温動作可能な実用性を明確に主張できる光電スピン情報変換システムの基盤を構築していく。
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[Journal Article] Photoluminescence of InGaAs/GaAs Quantum Nanodisk in Pillar Fabricated by Biotemplate, Dry Etching, and MOVPE Regrowth2019
Author(s)
Higo Akio, Kiba Takayuki, Takayama Junichi, Lee C. Y., Thomas Cedric, Ozaki Takuya, Sodabanlu Hassanet, Sugiyama Masakazu, Nakano Yoshiaki, Yamashita Ichiro, Murayama Akihiro, Samukawa Seiji
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Journal Title
ACS Applied Electronic Materials
Volume: 1
Pages: 1945-1951
DOI
Peer Reviewed
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