| 研究課題/領域番号 |
19K05243
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
大野 裕三 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00282012)
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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | スピンレーザー / 超格子構造 / スピン緩和 / 時間分解PL測定 |
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| 研究実績の概要 |
今年度は、半導体スピンレーザーを構成するスピン注入電極、スピン輸送層、およびスピン発光再結合（活性）層について検討し、デバイス設計指針を建てた。具体的には、スピン活性層として歪(110)(In,Ga)As/(Al,Ga)As多重量子井戸構造、およびスピン輸送層としてトンネル結合した(110)GaAs/(Al,Ga)As量子井戸からなる超格子構造を作製し、それぞれスピン緩和時間を測定した。歪(110)(In,Ga)As/(Al,Ga)As量子井戸では、発光波長を変えずにIn組成と井戸幅を系統的に変化させて、その再結合寿命とスピン緩和時間を測定したところ、In0.04Ga0.96Asにおいて再結合寿命およびスピン緩和時間がともに室温で1nsを超える良質なものができた。また、In組成が15%まで上昇しても、再結合寿命は0.4ns、スピン緩和時間は0.8ns保持できることを明らかにした。スピン輸送層については、デバイスの形状上、スピン注入電極からスピン偏極電子を積層方向に注入でき、かつ5μm以上積層面内をスピンを保持して活性層に注入できなければならない。これを解決する手段として、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。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
スピンレーザー・スピン増幅器の作成において、スピン緩和時間が長く、光学的特性にも優れた半導体量子構造を作成することは本テーマの目標を達成するうえで不可欠なものである。本年度は前年度に最適化したMBE法による成膜条件のもと、(110)(In,Ga)As/(Al,Ga)As多重量子井戸構造や(110)GaAs/AlGaAs超格子を作製し、再結合寿命およびスピン緩和時間とその温度依存性の測定を行った。その結果、特定の波長での発光において最適な(In,Ga)As量子井戸におけるIn組成を得るなどの成果を得た。また、スピン輸送層として必要なスピン緩和時間を計算により示し、(110)GaAs/AlGaAs超格子は利用可能であることが示された。前者については論文化は遅れているため、早急に成果をまとめて公表する予定でいる。後者については論文化され、注目論文として取り上げられるなど一定の評価を得ている。一方、令和2年度実施予定であった面発光レーザー（VCSEL）構造の作製およびスピンダイナミクスの測定には、諸事情により実施できず、令和3年度に積み残しとなった。その理由としては、VCSELにおけるスピン輸送層の挿入と高いDBRミラーの反射率の保持、およびプロセス可能であることの両立があったため、その検討に時間を要した。
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| 今後の研究の推進方策 |
① スピン制御(In,Ga)As/(Al,Ga)As半導体量子構造の創生とスピンダイナミクスの解明 令和3年度は、令和2年度に引き続き(110)面方位 の(In,Ga)As/(Al,Ga)As量子井戸構造を作製し，スピン緩和時間を時間分解ポンププローブ法または時間分解フォトルミネッセンス分光法により調べ，より長い スピン緩和時間を実現するための成膜条件および構造設計の最適化を図る．特に，スピン依存レーザー発振の実現の観点からスピン緩和時間と同時にキャリア寿命も測定し、レーザー発振を引き起こすレベルでのキャリア注入水準でこれらを最適化する試料構造を明らかにする．
② (In,Ga)As/(Al,Ga)AsベースVCSEL構造の設計・作製 ・円偏光発振の実証 VCSEL構造を分子線エピタキシ装置で作製し，ピ コ秒モードロックレーザーを用いて円偏光パルス光で励起し，円偏光発振および閾値の減少を確かめる．
③スピン増幅の実証 VCSELを直線偏光で励起して閾値に近い状態下に置くと、微弱な円偏光照射によって発振し強い円偏光が放 出されると期待される．この原理に基づいてスピン増幅を実証する．
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