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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熱損失なしに情報を高速伝送できる光との高効率な相互変換を実現するために、希薄窒化物半導体の室温スピンフィルタリング増幅を活用した半導体ナノ構造と半導体光スピン変換素子を開発した。今年度に得られた研究成果は以下のとおりである。
1. 希薄窒化GaNAs量子井戸とInAs量子ドットのトンネル結合構造において、井戸厚が異なることで量子ドットの発光円偏光度の時間変化に違いがあることを見出した。GaNAsの欠陥準位のスピン捕獲を考慮したレート方程式モデルを構築し、量子ドットにおける超高速スピン増幅ダイナミクスを定量的に明らかにした。
2. 400 Kの高温環境で高輝度発光を実現できる希薄窒化InGaNAs量子ドットを開発した。InGaAs量子ドットに微量の窒素を導入して伝導帯オフセットが大きくなることで、基底状態だけでなく励起状態の発光効率も極めて高くなることがわかった。
3. スピン偏極発光ダイオードの高性能化に向けて、スピン注入トンネル酸化膜の検討を行った。従来のMgOと比較してGaAsとの界面準位密度を大きく低減できることが期待されるGaOx薄膜の蒸着条件と蒸着後の加熱処理条件を探索した。
4. 室温で伝導電子のスピン偏極を増幅できる希薄窒化GaNAsを用いたスピン受光ダイオードを開発し、その動作特性の温度依存性を調べた。温度上昇とともに光電流が減少する一方でスピン依存光電流は増加した。この結果は、GaNAsのスピン増幅効果を利用したスピン受光ダイオードの高い実用性と有望性を示しており、スピン増幅効果はスピン受光ダイオードの室温性能の向上に寄与することがわかった。
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