室温で高輝度かつ高円偏光度を示す半導体ナノ材料を開発~電子スピンのフィルタリング機能を発光層に直接搭載し、スピン-光変換素子の実用化へ前進~

2026-09-02 北海道大学,科学技術振興機構

北海道大学と科学技術振興機構(JST)などの研究グループは、室温で高輝度発光と高い円偏光度を両立する半導体ナノ材料を開発した。電子スピンと光を利用する情報記憶・伝送では、発光層における高いスピン偏極率が重要だが、従来技術ではスピンフィルタリングと高い発光効率の両立が課題だった。研究グループは、希薄窒化InGaAsN量子ドットを通常より低温の420℃で成長させ、スピンフィルタリング機能を持つ欠陥を発光層に直接導入した。その結果、従来の量子ドットと同程度の発光強度を維持しながら、50%を超える高い円偏光度を実現。発光準位から不要なスピンを選択的に除去することで、発光時のスピン偏極率が増幅されることも確認した。室温で動作するスピン―光変換材料の設計指針として、将来の光スピン配線や省エネルギー情報技術への応用が期待される。

室温で高輝度かつ高円偏光度を示す半導体ナノ材料を開発~電子スピンのフィルタリング機能を発光層に直接搭載し、スピン-光変換素子の実用化へ前進~
開発したスピンフィルタリング欠陥を持つ半導体ナノ材料の模式図と今回の研究成果

<関連情報>

欠陥を利用したスピンフィルタリング機能を統合した高スピン偏極発光量子ナノ材料 Highly Spin-Polarized Luminescent Quantum Nanomaterials Integrated with a Defect-Enabled Spin-Filtering Function

Ayano Morita, Mattias Jansson, Junichi Takayama, Irina A. Buyanova, Weimin M. Chen, Akihiro Murayama, Satoshi Hiura
Advanced Optical Materials  Published: 01 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adom.71622

ABSTRACT

Highly spin-polarized luminescence at room temperature is essential for active layers in practical opto-spintronic devices. Although this has been achieved in existing studies, a spatial separation of electrons and holes occurs, which typically reduces radiative recombination efficiency. As such, incorporating a defect-enabled spin-filtering function into semiconductor quantum dots (QDs) with 3D quantum confinement is necessary. This study introduces spin-filtering defects and primarily investigates the electron spin dynamics in dilute nitride InGaAsN QDs using time-resolved circularly polarized photoluminescence. InGaAsN QDs exhibit suppressed electron thermal escape and a wide tunability of the emission wavelength through nitrogen incorporation. However, their potential for opto-spintronic applications has not yet been explored. Here, the QDs integrated with a spin-filtering function are found to coexist with conventional QDs. The circularly polarized luminescence properties of the novel QDs are extracted via rate equation analysis, considering spin-dependent electron capture by the defect states. The QDs exhibit a high circular polarization exceeding 50% at room temperature (295 K) owing to the suppressed state-filling effect and the selective capture of minority spins from the QD emissive to defect states. These findings pave the way for developing practical opto-spintronics nanomaterials that combine high luminescence intensity with highly spin-polarized luminescence.

0403電子応用
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