Room temperature spin-polarized light emission by excited spin engineering of size-modulated coupled quantum dots

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15380
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Hiura Satoshi 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (30799680)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 量子ドット / 電子スピン偏極 / スピンダイナミクス / スピン緩和 / スピン増幅 / 希薄窒化物半導体 / スピン光デバイス / 光スピントロニクス

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed a quantum dot active layer that can realize highly spin-polarized light emission at room temperature. First, we clarified the main factor that causes a sharp decrease in electron spin polarization with increasing temperature. We found that the spin polarization in quantum dots at room temperature can be improved by using p-doped capping layers. We have proposed a hybrid nanostructure of quantum wells and quantum dots, and demonstrated both strong luminescence and high spin polarization at room temperature. We also achieved the record-high spin polarizations of 90% at room temperature and 80% at 110°C using a tunnel-coupled nanostructure of dilute nitride semiconductor and quantum dots. We fabricated a spin-polarized light-emitting diode using p-doped quantum dots and achieved highly efficient operation at room temperature.

Free Research Field

半導体光物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光デバイスに必須の半導体では、室温で電子のスピン偏極が極短時間に失われてしまう。本研究では、スピン緩和が不可避な半導体において室温で電子スピン偏極を発光中に高める技術を確立し、半導体光スピントロニクスの室温動作に向けた新たな扉を開いた。その結果、電子スピン偏極の生成源に高スピン偏極材料を用いる必要なく、電子のスピン情報を半導体中に効率的に生成することが可能となった。また、110℃の高温環境でも高い電子スピン偏極率が維持されたことで、半導体量子ドットを用いた光スピン変換の高い実用性と有望性を示した。これにより、電子のスピン情報を光で伝送するスピン発光デバイスの実用研究が加速することが期待できる。