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基本量子效应的光电融合型能量储能信息平台，有必要开发一个光学半导体，该光学半导体可以直接转换电子旋转电子状态，该电子状态可以在没有能源的情况下持有信息，该信息可以在没有能源损失的情况下以高速传输信息，而无需能够以高速传输信息。但是，在光学设备至关重要的三维半导体介电屏障中，存在一个基本问题，即在室温下传导电子自旋极为不稳定，从而导致自旋极化信息的快速丧失，从而导致光学自旋转换元件的性能严重恶化。因此，在这项研究中，我们将专注于硝化铝氮化甲苯甲苯（GANAS），该胆汁剂能够在室温下扩增导电电子的自旋极化。通过在III-V半导体量子点上安装自旋极化扩增函数和实用的光学设备材料的半导体介电屏障层，我们旨在实现稳定的室温运行，这是用于光学自旋转换元件的实用瓶颈。今年，我们首先研究了在INAS量子点和GANAS量子井的隧道耦合结构中应用外部电场对电子自旋极化特性的效果。结果，可以通过更改施加的电压来调节GANA中电子自旋极化的扩增程度。接下来，开发了GANAS/GAAS超晶格，并在室温下评估电子自旋传输特性。已经发现，通过更改GANAS量子的薄膜厚度很好，高度自旋极化电子可以有效地运输到量子点发光层。我们也是世界上第一个使用INAS量子点和GANAS量子孔的隧道偶联结构来开发自旋光二极管二极管的人。已经揭示了电子的自旋极化，当应用高电压时，这是高速设备操作所需的必不可少的，可以在注入量子点光学上活性层后进行放大和恢复。此外，开发了一种独特的自旋二极管，该二极管利用INAS量子点作为自旋滤波层，并在室温下检测到自旋依赖性光电流。