室温スピン偏極半導体ナノ材料の実現によるスピン光デバイスの開発

通过实现室温自旋极化半导体纳米材料开发自旋光学器件

基本信息

批准号：
22KJ0008
负责人：
佐藤紫乃
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電子のスピン偏極状態を反映した円偏光を発するスピン発光デバイスの実現には，室温で高い電子スピン偏極率と十分な発光強度を両立する必要がある．上記の光スピントロニクスデバイスの発展には，金属では原理的に難しい光電変換や電界操作が可能な半導体中で電子のスピン偏極を保持する必要があるが，従来のバルクや量子井戸では，実用に必須の室温においてスピン偏極が急速に失われてしまうという課題がある．そこで本研究では，電子のスピン偏極を長時間保持できるとともに，電子を高い効率で光へと変換可能なⅢ-Ⅴ族半導体量子ドット(QD)に，室温でスピンフィルターとして機能する欠陥準位をもつ希薄窒化ガリウムヒ素(GaNAs)を組み合わせ，室温で高輝度発光と高スピン偏極発光を同時に達成する半導体光デバイスの実現を目指している．2年目である本年度は，前年度に引き続きGaNAs量子井戸(QW)とInAs QDの複合構造の模索に加え，GaNAs QWとトンネル結合したInAs QDにおける電子スピンダイナミクスの定性的な理解に努めた．トンネルバリア厚のみを変えた試料やGaNAs QWの厚さのみを変えた試料など，すでに作製した様々な構造における結果を併せて考察することにより，QD中やGaNAs層および周辺バリア層での電子スピンダイナミクスを明らかにし，GaAs QD系に対するGaNAsの影響を研究する予定である．次年度は，InAs QD―GaNAs QW結合系について得られた知見を基に，AlGaAsやInGaNAsなどのエネルギー障壁を高くすることが出来る材料を導入することで，室温以上の高温においても高輝度・高円偏光発光を目指す.

为了实现发射反映电子自旋极化状态的圆偏振光的自旋发射器件，需要在室温下同时实现高电子自旋极化和足够的发射强度。上述光学自旋电子器件的发展需要在能够进行光电转换和电场操控的半导体中保持电子的自旋极化，这在金属中理论上是困难的，但传统的体和量子阱是不实用的问题。自旋极化在室温下迅速消失，这是至关重要的。因此，在这项研究中，我们在III-V族半导体量子点（QD）中开发了在室温下充当自旋过滤器的缺陷能级，它可以长时间保持电子的自旋极化，并将电子高效地转换为光。通过结合具有高亮度的稀释砷化镓氮化物（GaNAs），我们的目标是实现一种在室温下同时实现高亮度发光和高自旋偏振发光的半导体光学器件。今年是第二年，继去年的基础上，除了探索GaNA量子阱（QW）和InAs量子点的复合结构外，我们还致力于定性理解InAs量子点与GaNAs QW隧道耦合的电子自旋动力学。通过考虑已制造的各种结构的结果，例如仅改变隧道势垒厚度的样品和仅改变 GaN QW 厚度的样品，可以确定 QD 中的电子自旋我们计划阐明动力学并研究 GaNA 对 GaAs QD 系统的影响。明年，基于有关InAs QD-GaNAs QW耦合系统的知识，我们将推出可以提高能垒的材料，例如AlGaAs和InGaNAs，以实现即使在室温以上的高温下也能实现高亮度和高亮度旨在实现圆偏振光发射。