【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.09】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24HK0030
利用課題名 / Title
歪み印加デバイスを用いた半導体スピン物性の変調と実証
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学 / Hokkaido Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
化合物半導体/ Compound semiconductor, 半導体微細構造/ Semiconductor microstructure,量子効果デバイス/ Quantum effect device,スピン制御/ Spin control,スピントロニクス/ Spintronics,スピントロニクスデバイス/ Spintronics device,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
鍜治 怜奈
所属名 / Affiliation
北海道大学大学院 工学研究院 応用物理学部門
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
田端孝成
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
量子情報分野への展開を駆動力としてナノ構造半導体中のスピンに関する研究が世界的に推し進められているが、外部歪みの利用はスピン自由度のチューニングノブとして有望である。本研究では、圧電特性を有するPMN-PT単結晶をベースとした歪み印加デバイスを作製して、外部歪みによるスピン物性の制御を目指した。昨年度（ARIM課題番号：23HK0052）はナノピラー加工を施したGaAs量子ドット (QD)を中心にデバイス作製を進めたが、今年度は新たに、バルクAlGaAs試料の薄膜化とデバイス作製を行った。
実験 / Experimental
QDナノピラーの作製と電極成膜は23HK0052にて行ったため、本報告書では詳細を割愛する。新たに用いた試料はGaAs基板上にMBE成長したバルクAlGaAs (膜厚1 um) である。圧電素子で発生した歪みを標的のAlGaAs層に伝えるには、GaAs基板の除去が不可欠である。本研究ではウェットエッチング（精製水75 gに対しクエン酸水和物75 gと過酸化水素水 15 g）を採用、10 um程度まで薄膜化することに成功した。研磨後の膜厚は、微細形状測定機（段差計、HK-602）で評価した。圧電素子の電極上に加工後の半導体試料を固定した後、サファイア基板上の電極と圧電素子を導電性エポキシで接着した。
結果と考察 / Results and Discussion
まずはバルクAlGaAs搭載デバイスでの結果を述べる。時間分解カー回転（TRKR）分光を実施し、外部歪みに対する歳差周波数変化を調べた。信号の例を図1(a)に示す。電子スピン分極の指標であるカー回転信号が、遅延時間の増加に伴って振動減衰する様子が見られるが、デバイスに電圧を加える（歪を発生させる）と周波数に変化が生じた。図1(b)は周波数変化のまとめである。印加電場の変化に対して、歳差周波数は系統的に変化した。更に、核スピン分極が生じる実験条件（斜め磁場配置、プレポンプ光の導入）では、より大きい周波数変化が観られた。今後は周波数変化の起源を突き止めるとともに、エッチング条件を見直して更なる薄膜化を実現、より効率的な歪み伝播を目指す。
次に、QDナノピラーデバイス（23HK0052からの継続）の実験結果について述べる。6 Kで顕微PL測定を行い、発光エネルギーの変化を調べた。図2(a)にデバイスの概要を示す。圧電素子上にQDナノピラーを散布し、ALD法で成膜したAl2O3で固定した。図2(b) は歪みによる発光スペクトル変化のまとめである。印加電圧の変化に伴い、発光エネルギーが連続的に変化する。今回の実験では、最大で23.5 meVのエネルギーシフトが観測された。また、発光の偏光状態も外部歪みによって変化する様子が確認されており、理論計算による解析を進めている。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 バルクAlGaAs搭載デバイスの測定変化。(a) TRKR信号の例 (上：横磁場配置、下：斜め磁場配置)。(b) 外部歪みによる歳差周波数変化 (赤・青：核スピン分極有り、黒：核スピン分極無し)。
図2 (a) QDナノピラー搭載デバイスの概要。(b) 歪みによる発光スペクトルの変化 (@ 6 K)。最大で23.5 meVのエネルギーシフトを確認した (星印のピーク)。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 田端孝成，鍜治 怜奈，小田島 聡，笹倉 弘理，足立 智, "外部歪みによる量子ドット発光エネルギーと偏光状態の制御 (口頭発表：17a-K302-5)", 第72回応用物理学会春季学術講演会 (2025年3月14‐17日，東京理科大野田キャンパス)
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件