2019 Fiscal Year Annual Research Report
Lanthanoid doped GaN quantum sensors electrically operated at room temperature
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18H01483
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐藤 真一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (40446414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西村 智朗 法政大学, イオンビーム工学研究所, 教授 (80388149)
出来 真斗 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (80757386)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム半導体 / ランタノイド / 量子センシング / 発光ダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、量子センシングの要となる光検出磁気共鳴(ODMR)の最適条件を見出すため、ダイオード構造を持たないGaNエピ膜中のナノスケール領域に注入したPr3+およびNd3+に対し、共鳴励起条件下でのODMR測定に挑戦した。まず、波長可変レーザーを用いて共鳴励起条件を詳細に調べ、Pr3+、Nd3+の高効率励起を達成するとともに、発光スペクトルの励起光波長依存性を明らかにした。Nd3+の発光スペクトルは0.9umおよび1.1umに鋭いピークを複数有するが、0.9um付近における支配的な発光ピークは、励起光波長が500nm以下の時に916nmから910nmへと変化することを見出した。これは短波長光励起の場合の発光メカニズムが共鳴励起とは異なるためであると考えられる。また、可視光用単一光子検出器(APD)と近赤外用APDの両方で観測し、その時のコントラスト（S/N比）や観測最小アンサンブル数を評価したが、どちらも同等の計測が可能であることがわかった。室温で観測可能なNd3+最小アンサンブル数はおよそ4000であり、実際はそのうちの一部のNd3+が発光中心としてはたらいていると考えられる。その後、共鳴励起条件下でRF信号を試料に印加し、室温でのODMR測定に挑戦したが、明確なODMRスペクトルを取得するには至らなかった。これは、スピン・フォノン緩和の影響が大きいためと考えられるため、今後は、低温でのODMR観測に着手すると共に、異なる手法での量子センシングについて検討する。
GaN:Lnダイオード量子センサーの作製・評価については、これまでに開発したカスタム共焦点顕微鏡を用いてエレクトロルミネッセンス(EL)観測を行うために必要となる追加のセットアップ等が完了した。また、Ndを微小領域に注入したGaN:Ndダイオード量子センサーの作製も現在進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2019年度では、Pr3+に加えて、Nd3+の共鳴励起条件や、発光スペクトルの励起光波長について明らかにしたが、室温ODMRの観測には至らなかったため。計測系の高感度化に加え、極低温での計測について検討する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず、開発した共焦点顕微鏡上で、GaN:PrダイオードからのPr3+微小アンサンブルEL発光を検出し、その発光スペクトルを取得する。また、GaN:Prダイオードに共鳴励起波長のレーザー光を入射させたときのダイオードの電流・電圧特性を調べ、これらの外部環境（温度、磁場、電場）に起因する変化を見出し、新たな量子センシング手法について検討する。同時に、GaN:Ndダイオードの作製を進め、その特性評価を行う。その後、得られた知見をもとに量子センサーダイオードの第2試作（設計、製作）を行う。
ODMR測定に関しては、測定系の高感度化や低温測定を行うための装置開発を進める。
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