2022 Fiscal Year Annual Research Report
Room temperature operation of photoelectric spin conversion device with electron spin amplification function
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21H01356
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
樋浦 諭志 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (30799680)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | スピン光デバイス / 半導体量子ドット / スピン増幅 / 希薄窒化ガリウムヒ素 / スピン輸送 / 超格子 / スピンダイナミクス / 光スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光と電子の持つ本質的な量子効果を活用した光電融合型の省エネルギー情報基盤を構築するには、電力消費なしに情報を保持できる電子のスピン状態と、エネルギーの熱損失なしに情報を高速伝送できる光との直接の光電変換が可能な光半導体の開発が必要である。しかしながら、光デバイスに必須の三次元半導体誘電バリアでは、室温で伝導電子スピンが極めて不安定になりスピン偏極情報が急速に失われ、光スピン変換素子の性能が大きく低下してしまうという根本的な課題が存在する。そこで、本研究では室温で伝導電子のスピン偏極を増幅できることが知られている希薄窒化ガリウムヒ素（GaNAs）に注目する。スピン偏極の増幅機能を実用光デバイス材料であるIII-V族半導体量子ドットや半導体誘電バリア層に搭載することによって、光スピン変換素子の実用上のボトルネックとなっている室温安定動作を実現することを目指す。
今年度はまずInAs量子ドットとGaNAs量子井戸のトンネル結合構造において、外部電界を印加することによる電子スピン偏極特性への影響を調べた。その結果、印加電圧を変えることでGaNAsにおける電子スピン偏極の増幅度を変調できることを明らかにした。次に、GaNAs/GaAs超格子を開発し、電子スピン輸送特性を室温で評価した。GaNAs量子井戸の膜厚を変えることで、高スピン偏極電子を量子ドット発光層に効率的に輸送できることがわかった。また、InAs量子ドットとGaNAs量子井戸のトンネル結合構造を活性層に用いたスピン偏極発光ダイオードを世界に先駆けて開発した。高速デバイス動作に必要な高電圧の印加時に不可避的に失われる電子のスピン偏極を量子ドット光学活性層への注入後に増幅し復元できることを明らかにした。さらに、InAs量子ドットをスピンフィルタ層として活用した独自のスピン受光ダイオードを開発し、室温でスピン依存光電流を検出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
現在までに本研究課題を達成するためのキーテクノロジーである、室温で高スピン偏極電子を量子ドット発光層まで効率的に輸送するGaNAs/GaAs超格子の開発に成功している。この成果は本研究課題の最終目標である光スピン変換素子の室温安定動作を実現するための基盤技術につながるとともに、新規な電子スピン輸送技術を開拓したという観点から学術的意義も大きい。昨年度に室温で高輝度発光と高スピン偏極発光を同時に実現できるInAs量子ドットとGaNAs量子井戸のトンネル結合構造を開発しており、これと今年度の成果を組み合わせることによって、GaNAsのスピンフィルタリング増幅を半導体誘電バリア層や量子ドット光学活性層にインテグレートするという本研究課題の目的を達成することができる。さらに、昨年度に最適化した上記のトンネル結合構造を活性層に用いたスピン偏極発光ダイオードを世界に先駆けて開発し、実用上重要な室温環境、かつ高速デバイス動作に必要な高電圧下で高効率に動作することを実証した。今後、前述したGaNAs/GaAs超格子を半導体誘電バリア層に用いることによって更なる性能向上が期待できる。
スピン受光ダイオードの研究においては、昨年度に構築した磁場中光学電気測定システムを用いて、InAs量子ドットをスピンフィルタ層として活用した独自のスピン受光ダイオードの動作特性を室温で評価した。磁場中で入射光波長や印加電圧に依存した円偏光受光特性を測定し、InAs量子ドットが伝導電子のスピン偏極を高めるスピンフィルタ層として機能することを示唆する結果が得られている。
上記のとおり、GaNAsのスピンフィルタリング増幅を搭載した電子スピン輸送層と光スピン変換層、ならびに光スピン変換素子という材料・デバイス開発の両観点から良好な結果が当初の予定よりも早く得られており、本研究課題は当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、室温での量子ドットの発光強度と発光円偏光度を更に向上させるために、GaNAs量子井戸にInAs量子ドットを埋め込んだ独自のDot-in-Wellナノ構造を開発する。これにより、0次元構造である量子ドットへのキャリア注入効率が飛躍的に向上するとともに、量子ドットへ熱的に再注入する電子スピンの偏極が高まることが期待できる。また、InGaAs量子ドットに窒素を薄く添加したInGaNAs量子ドットの開発にも同時に取り組む。量子ドットの材料に窒素元素を加えることで伝導帯のバンドオフセットを大きくできるため、温度上昇に伴う電子の熱脱離が抑制され、室温以上の高温環境での高輝度発光が期待できる。量子ドットの成長条件を最適化することで電子スピン偏極を増幅するスピンフィルタリング欠陥を生成させ、室温での高スピン偏極発光も同時に達成することを目指す。
スピン偏極発光ダイオードの研究においては、室温での発光円偏光度を向上させるために、半導体誘電バリア層にGaAs/AlGaAs超格子あるいはGaNAs/GaAs超格子を用いて、量子ドット光学活性層への輸送中の電子スピン緩和を抑制する。また、スピン注入源に垂直磁化CoFeB/MgO薄膜を用いて無磁場あるいは弱磁場下での動作を目指す。一方で、電流注入発光強度を増大させるためには、トンネル酸化膜とGaAsの界面準位密度の低減が必須である。そこで、MgOに対して界面準位密度を大きく低減できることが期待されているGaOxについても検討する。
スピン受光ダイオードの研究においては、GaNAsのスピン増幅機能を搭載したスピン受光ダイオードを開発し、室温での動作性能を向上させるとともに、動作原理とそのデバイス基礎となる物性を詳細に明らかにする。特に、温度依存性や入射光強度依存性に注目し、GaNAsのスピンフィルタリング増幅が効果的に機能する動作条件について調べる。
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