2021 Fiscal Year Annual Research Report
Spin dynamics and realization of a spin laser in (110) semiconductor quantum structures
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19K05243
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
大野 裕三 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00282012)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
揖場 聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (90647059)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 半導体スピントロニクス / 面発光レーザ / スピン緩和 / 半導体超格子 / 歪量子井戸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
最終年度は，①分子線エピタキシ（MBE）法により(110)面(In,Ga)As歪量子井戸構造を成膜条件（基板温度，As圧）を変えながら作製し，キャリア寿命およびスピン緩和時間を時間分解フォトルミネッセンス分光法により調べた．その結果，V/III比が100以上の高いAs圧下で平坦かつ長寿命な歪InGaAs量子井戸のMBE成長に成功した．スピン緩和時間も1ナノ秒を超えるものが得られ，好適なMBE成長条件を確立した．②スピン増幅を実証するために，(110)面GaAs/AlGaAs垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）の発光円偏光度の励起光円偏光度依存性を調べた．その結果，励起光と発光の偏光度のあいだに非線形特性を計測し，円偏光度増強（スピン増幅）を確認した．
期間全体を通じての成果は，最終年度の成果に加えて以下のとおり．③スピンVCSELのスピン輸送層について検討し，トンネル結合した多重量子井戸からなる(110)超格子を提案した．実際にトンネル結合強さの違う(110)GaAs/AlGaAs多重量子井戸を作製しスピン緩和時間を測定したところ，結合強さが室温熱エネルギーと同等であっても0.7nsであることがわかった．また，簡単な数値計算によりスピン輸送距離と活性層におけるスピン偏極度の関係を調べた結果，スピン緩和時間が0.7nsより長ければ活性層でスピン依存発振に必要な偏極度(4%)を維持できることが示された．④(110)GaAs/AlGaAs多重量子井戸構造について，高As圧下で従来報告されている結晶成長温度（～450℃）よりはるかに高い540℃まで基板温度を系統的に上げて成膜したところ，室温での再結合寿命が40nsを超える非常に高品質な量子井戸構造を得ることがわかった．また，スピン緩和時間も500℃で成膜したものは室温で6nsになるなど，良好な結果が得られた．
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