2012 Fiscal Year Annual Research Report
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22221007
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村山 明宏 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (00333906)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末岡 和久 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (60250479)
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| Project Period (FY) |
2010-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | ナノ構造作製 / 量子ドット / ナノ光デバイス / スピンデバイス / ナノ表面・界面 |
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| Research Abstract |
電子スピン情報の光伝送を目指して、レーザー光発振中に電子スピン状態を維持することが可能な半導体量子ドットを活性領域とする「量子ドットスピンレーザー」を研究する。主な研究目的としては、量子ドットに対して室温動作可能な金属強磁性体ナノ構造による電子スピン電極を作製し、注入時のスピン緩和を十分抑制することが可能な金属磁性体と半導体の原子層制御界面の実現と超高速の準共鳴電子スピントンネルを利用して、磁性体スピン電極から半導体量子ドットにスピン偏極電子を高効率に注入することである。
平成24年度は、昨年度に引き続き、半導体量子ドット層と金属強磁性体の原子層制御エピタキシャル成長に関する研究を複合型超高真空エピタキシーシステムにより行った。InGaAs量子ドットと積層した高濃度n型AlGaAsバリア層表面におけるFe強磁性体超薄膜の結晶成長を検討し、電子線回折による結晶表面構造観察により、熱処理を援用した超高真空下での成膜により良好なbcc-Fe単結晶エピタキシャル成長を確認した。さらに、このようにして作製したFe/AlGaAsショットキー型トンネルバリアを用いて、量子ドットスピンレーザーに用いることが可能な電子スピン注入型量子ドット発光ダイオード素子を作製し、200Kまでの温度領域において電流注入発光に数%オーダーの円偏光度を観測した。すなわち、Fe電極から量子ドットへの電子スピンの電流注入を確認した。
また、半導体量子ドットに対する高効率電子スピン注入プロセスを確立するため、InGaAs量子ドットへの光スピン注入の手法を用いて、量子ドット励起状態に着目したピコ秒スピン分解発光分光を行った。その結果、量子ドットの高密度化によりスピン注入時のパウリブロッキングを回避することで、少数個の光学フォノン放出を利用した準共鳴トンネルによる量子ドットへの超高速電子スピン注入を可能にした。
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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
高品質の電子ドープAlGaAs層表面において原子レベルで平坦なFe超薄膜の単結晶エピタキシャル成長が可能になり、実際に作製したFeスピン電極を用いた電流注入型量子ドット発光ダイオード素子においてInGaAs量子ドットへの電子スピンの注入による発光の円偏光特性が確認できたため、おおむね順調に進展していると判断できる。また、本研究の推進に重要な各種のスピン計測も順調に進んでいる。
平成24年度中に、上述したように、本研究の中心的課題である量子ドットと積層したFe超薄膜の良好な単結晶エピタキシャル結晶成長を実現し、量子ドットスピンレーザーに応用可能なFeショットキーバリアを用いたトンネル注入型スピン発光ダイオード素子を作製した。リークのない良好な電流特性とInGaAs量子ドットからの高輝度発光を得るとともに円偏光特性が再現良く得られており、Feスピン電極からInGaAs量子ドットへの電子スピンの電流注入が確認された。
また、GaAsバリア準位より縦光学フォノンエネルギー程度ポテンシャルが低いInGaAs量子ドット中の電子励起状態に着目したピコ秒スピン分解発光分光により、スピン注入ダイナミクスを実時間計測した。そして、スピン注入時間と注入時のスピン保存率の温度や励起スピン密度依存性、量子ドット密度依存性を詳細に検討した。その結果、ドット面密度を現状可能な最高密度まで高めることで、スピン注入時の量子ドットにおけるパウリブロッキングを回避しつつ、数十psの時間領域でスピン状態をほぼ保持したままバリアから量子ドット励起状態にスピン注入できることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、当初の研究計画どおり、InGaAs量子ドットへのより高効率の電子スピン注入を実現するために、MgOなどの酸化物トンネルバリアを用いたスピン発光ダイオード素子の作製を進めていく。また、研究分担者を始めとする多くの共同研究者との共同研究により、高効率・超高速スピン注入を実現するために重要な物理機構の解明に向けた研究を推進する。
これまでの分光研究の結果より、トンネル後のバリア層から量子ドットへは非常に高効率の超高速スピン注入が実現されている。したがって、今後はトンネルバリアの検討が重要になる。現在用いているFeと高濃度n型AlGaAsのショットキーバリアには高濃度Siドーピングを用いているため、トンネルバリア自体の結晶性とSi原子の熱拡散の問題がある。そこで、ショットキーバリアの高さと厚さの最適化、およびAlGaAsショットキーバリア層へのSiドープ量の低減を図ると共に、新しいトンネルバリア材料としてMgOやFe3O4系の酸化物バリアの検討を行っていく。そして、このようにして作製する様々なトンネル型スピン注入電極を持つInGaAs量子ドットスピン発光ダイオード素子を作製し、電圧電流特性や電流注入発光とその円偏光特性などの詳細な温度依存性や注入電流量依存性、磁場依存性などを調べ、スピン電極作製プロセスへフィードバックしていく。
また、スピン注入ダイナミクスについて、引き続き量子ドットや二次元電子系とのトンネル結合型スピン注入試料を作製し、全てのスピン注入ダイナミクスパラメーターを含む独自のレート方程式解析を用いたピコ秒スピン分解発光分光により研究を進めていく。さらに、量子ドットにおける光学的モード利得の測定について研究を進め、端面取り出し円偏光レーザー発振メカニズムについて明らかにする。
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