2020 Fiscal Year Research-status Report
Optical spin-functional transistor
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20K20433
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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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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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | スピントランジスタ / 光スピンダイナミクス / 半導体量子ドット / スピン増幅 / スピン位相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現代の情報社会を支える電子情報処理や光通信においてはエネルギー熱損失の解決が大きな課題である。この問題を解決するためには、光電融合エレクトロニクスと不揮発性の電子スピンメモリを活用する研究が重要である。特に、電子スピンと光のスピン情報である円偏光の間の光電変換素子が必要となり、スピン偏極電子の電流注入により円偏光を発するスピン発光ダイオードやレーザ等の二端子素子が研究されている。
そこで、新しい光スピン機能の開拓に向けて、円偏光の入力により生成する電子のスピン状態を外部電界により制御可能な光スピントランジスタを研究する。電子や円偏光のスピン極性を電界により切り替え、さらに電子スピンや円偏光特性の偏り度合いで与えられるスピン偏極の増幅を実現する。そして、最終目標として、スピンの持つ本質的な情報であるスピン位相の電界制御にも挑戦する。
昨年度の引き続き、二次元電子系であるInGaAs量子井戸と量子ドットからなる独自の結合量子構造を用いて、量子井戸に円偏光励起により生成したスピン偏極電子をトンネル効果により量子ドットに注入する電界効果型スピン注入発光素子を作製した。素子構造の詳しい検討を行い、特に、量子ドットに正孔を供給するリモートpドーピングの詳しい濃度依存性を研究した。その結果、素子の本質的で重要な特性である、ドットの発光強度と電界により反転可能な電子スピン偏極度の両者を最大化することができた。
さらに、量子井戸からの電子スピン注入直後の量子ドットにおける励起状態に対して、スピンダイナミクスを検出可能な円偏光発光の時間分解測定を行い、電子・正孔スピン散乱によるスピンの非対称反転に対する電界効果である、電界によるスピン反転速度の増強現象を直接観測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
二次元電子系であるInGaAs量子井戸と量子ドットからなる独自の結合構造を用いた光学活性層を持つ電界効果型スピン機能発光デバイスを作製している。今年度は、スピン反転のための電子・正孔スピン散乱を増強するため、量子ドットに正孔を供給するリモートpドーピングとその系統的なドーピング濃度依存性を研究した。その結果、素子の本質的な機能である発光強度と電界により反転可能なスピン偏極度の両者を最大化することができ、論文発表を行った。併せて、量子ドットの励起状態において、井戸から注入された電子スピン特性を検出可能な円偏光発光の時間分解測定を行い、電子・正孔スピン散乱によるドット中の電子スピンの非対称反転速度が特定のバイアス印加により増加するスピン反転ダイナミクスを明らかにした。そして同時に、ドット基底状態においてスピンと円偏光の電界による反転が生じていることがわかった。
次に希薄窒化GaNAs半導体試料を分子線エピタキシーにより作製し、その組成や結晶成長条件の検討を行い、発光強度やスピン偏極特性を最適化している。今年度は、添加する窒素量の精密制御を図り、窒素添加により生じるGa空孔の持つ選択的スピン緩和機能によるGaNAs伝導帯の多数個スピン偏極率の増幅効果を、室温で確認した。
さらに発光円偏光特性の測定に関しては、上記のように電界印加型の微細素子に対して、円偏光励起による電子スピンの生成と量子ドットのスピン状態と円偏光特性の時間分解測定を行っている。円偏光を用いる顕微発光分光では、赤外領域の発光を持つ量子ドット基底状態における電子スピン状態や円偏光特性の研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
InGaAs量子井戸とドットの結合量子構造を用いる電界効果型スピン制御発光デバイスについては、実用に繋がる室温動作を目指して、詳しい温度依存性の研究を進める。温度の上昇に伴い2次元電子系である量子井戸中のスピン緩和が促進されるため、井戸からドットへの非常に速いスピン注入を実現する必要がある。そのため、高温動作に適した井戸厚や組成、トンネルバリア膜厚などの設計を進め、室温動作に向けた結合ポテンシャルの検討を進める。また、ドットに注入した電子スピンの励起準位間さらには2次元濡れ層への熱励起に伴うスピン緩和を抑制するため、ドット組成の検討による閉じ込めポテンシャルの強化やpドーピングのさらなる最適化を進める。
希薄窒化GaNAs量子井戸とInAs系ドットを組み合わせて、量子ドットに注入する電子スピンの偏極特性、特に高温動作特性を向上させることで、実用を目指した光スピン機能素子への応用を検討して行く。また、GaNAs中の電子スピンの歳差運動による伝導電子スピンの位相振動を、円偏光を用いる時間分解発光分光により計測する。そしてGaNAs量子井戸とドットの結合構造を用いる電界効果型光スピン制御素子を作製して行く。
さらに、微細素子構造のスピン・時間分解発光測定や顕微発光分光を推進する。そして、GaNAs中のスピン歳差運動を反映する伝導電子スピンの位相振動について、時間分解スピン発光分光やハンル効果によるスピン位相緩和の測定を行っていく。
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[Journal Article] Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering2021
Author(s)
Yuqing Huang, Ville Polojarvi, Satoshi Hiura, Pontus Hojer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova, Weimin M. Chen
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Journal Title
Nature Photonics
Volume: 15
Pages: 1-9
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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