2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of device emitting pure circularly polarized light by injecting spin-polarized electrons and elucidation of its emission mechanism
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17K14104
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
西沢 望 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (80511261)
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2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 円偏光 / 発光ダイオード / 酸化膜 / 光源開発 / 半導体光デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、申請者が近年実証した室温で100％円偏光発光する端面発光型スピン発光ダイオード(Spin-LED)において完全偏極した円偏光の安定的発光を実現し、円偏光応用のための光源素子を開発することを目的とした。具体的には（1）安定的な円偏光発光の実証、（2）円偏光発光メカニズムの解明 の２点を克服課題とした。各項目に関して以下に成果を述べる。
（1）トンネル絶縁膜として用いている結晶性酸化アルミニウム（x-AlOx）層の高品質化目指し、その形成表面であるGaAs表面お原子配列依存性、および酸化前のエピタキシャルAl層の成長基板温度依存性を系統的に調査した。結果、絶縁破壊の起点になると考えられる界面トラップ密度の大幅な低減に成功した。しかしながら、Spin-LEDにおける大きな歩留まり改善には至らなかった。続いて、絶縁安定性向上と素子間のばらつき低減のためにx-AlOx層と半導体LED構造上にAlAs層を挿入したHybrid型トンネルバリアを採用した。その結果、作製した素子全体に対して室温で100％円偏光を発する素子の割合がこれまでの5％から67％へ大幅に改善した。
（2）円偏光発光のメカニズムに関して、上記のHybrid型トンネルバリアを有する素子を用いてスピン注入されたGaAsにおける光学効果の有無を調査したが、有意な結果は得られなかった。しかしながら、円偏光が増強される帰還回路である導波路の長さや幅は円偏光発光にほとんど寄与しないこと、円偏光度増強には電圧ではなく電流密度が誘因であることが明らかとなった。この実験結果をもとに理論的解釈として、活性層内を導波する円偏光が作る円偏光場なるものが電子スピンの緩和に不均一性を生じさせ、これが円偏光増強の正帰還回路として働くというメカニズムの着想を得た。
今後として上記のメカニズムを実験的に示すことを目指す。
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