量子情報を記憶する「明るい」長寿命励起子の創製

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本研究は，明るい励起子そのもののを長寿命化させる，というアイデアにより，従来の励起子において存在した寿命と制御性のトレードオフ問題を解決し，革新的量子デバイスを実現することを目的としている．昨年度は，長寿命な明るい励起子実現の鍵となる， サファイア基板上へのZnMgO/ZnO超高品質ヘテロ界面の形成を行うとともに，ZnMgOの室温での励起子発光を確認した．基板と膜との間の大きな格子不整合率（18%）がボトルネックとなったが、代表者が開発した逆Stranski-Krastanov (逆SK)法が単結晶膜の作製を可能にした．そこで本年度はまず，これら単結晶薄膜の励起子寿命ならびに励起子発光メカニズムを明らかにすることを目的とし、時間分解ルミネッセンス計測を行った．その結果、非輻射再結合寿命がpsecオーダーと短く、これがデバイス性能を支配する可能性が示唆された。非輻射再結合中心密度は10^18 /cm3と見積られたが，XRD測定結果からこれらは転位ではなく点欠陥に起因していることが分かった。そこで次に，上記逆SK法における結晶成長の前段階として，極性制御層としての極薄MgO膜を形成し，点欠陥の低密度化を試みた．結果，膜厚1-2 nmのMgO層の重畳は，ZnO膜およびZnMgO膜の表面平坦性および結晶品質の向上に極めて効果的であることが分かった．特に面外配向性は大きく向上し，本手法により作成したZnO膜の(0002) 面 X線ロッキングカーブ半値幅はサファイア基板直上に作製したZnO膜に比べて１桁低い，約0.03°の値を示した．これは，薄膜の極性を制御することで，成長表面におけるスパッタ粒子のマイグレーションが促進され, 欠陥発生が抑制されたためと考えられる. 今後は，上記手法をZnO/ZnMgO歪量子井戸に展開し，その効果を検証するとともに，量子ビットとしての機能発現を目指す．