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

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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。