Room temperature operation of photoelectric spin conversion device with electron spin amplification function

具有电子自旋放大功能的光电自旋转换器件的室温操作

基本信息

批准号：
21H01356
负责人：
樋浦諭志
金额：
$ 11.48万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

为了构建利用光和电子的本质量子效应的节能信息平台，需要开发一种可以在不消耗功率的情况下保留信息的电子自旋态，并且可以在不产生能量热损失的情况下高速传输信息。需要开发能够直接利用光进行光电转换的光学半导体。然而，在光学器件必不可少的三维半导体介质势垒中，根本问题是传导电子自旋在室温下变得极其不稳定，自旋极化信息迅速丢失，光学自旋转换器件的性能大大降低还有很多挑战。因此，本研究重点关注稀砷化氮化镓（GaNAs），众所周知，它能够在室温下放大传导电子的自旋极化。通过将自旋偏振放大功能结合到作为实用光学器件材料的III-V族半导体量子点和半导体电介质势垒层中，实现了光学自旋转换器件实际应用中的瓶颈问题的稳定的室温操作。我们的目标就是做到这一点。今年，我们首先研究了施加外部电场对InAs量子点和GaNAs量子阱隧道耦合结构中电子自旋极化特性的影响。结果表明，GaN 中电子自旋极化的放大可以通过改变施加的电压来调节。接下来，我们开发了 GaNAs/GaAs 超晶格，并评估了其在室温下的电子自旋传输特性。研究发现，通过改变GaNAs量子阱的厚度，可以将高自旋极化电子有效地传输至量子点发光层。此外，我们在世界上第一个开发出自旋偏振发光二极管，该二极管在有源层中使用InAs量子点和GaNAs量子阱的隧道耦合结构。我们已经证明，在施加高速器件操作所需的高电压时不可避免地会损失的电子自旋极化在注入量子点的光学活性层后可以被放大和恢复。此外，我们开发了一种独特的自旋光电二极管，使用 InAs 量子点作为自旋过滤层，并在室温下检测自旋相关光电流。