JP2003121896A

JP2003121896A - 波長変換素子および波長変換装置

Info

Publication number: JP2003121896A
Application number: JP2001317895A
Authority: JP
Inventors: Taro Ando; 太郎安藤; Makoto Hosoda; 誠細田; Kota Nishimura; 剛太西村; Tadahito Aida; 田人會田
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP4073190B2

Abstract

(57)【要約】【課題】任意の波長を有する入射光をより短波長の光
に変換可能な波長変換素子及びそれを用いた波長変換装
置を提供する。【解決手段】波長変換素子は、単位素子３２及び単位
素子３３を含む。単位素子３２，３３は、バリア層４
１，４３と井戸層４２，４４とを含む。バリア層４１，
４３はアルミニウムヒ素から成り、井戸層４２，４４は
ガリウムヒ素から成る。単位素子３２の井戸層４２でサ
ブ準位１１に励起された電子５１は、バリア層４３のサ
ブ準位２１を介して井戸層４４のサブ準位１５へ到達す
る。また、単位素子３３の井戸層４２で生成された正孔
５２は、バリア層４１を介して単位素子３２の井戸層４
４に到達する。そして、サブ準位１５の電子５１は、サ
ブ準位１７の正孔と再結合することにより、出射光が出
射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光の波長を変換
する波長変換素子に関し、特に、入射光を入射光の波長
よりも短い波長を有する光に変換する波長変換素子およ
びそれを用いた波長変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ａｇ−Ｏ−Ｃｓ等から成る光電面を有す
るイメージコンバータは、入射した光を電気信号に変換
する。そして、入射する光の波長は赤外領域まで達して
おり、赤外領域の光を電気信号に変換できることが望ま
れる。

【０００３】また、太陽電池においても、入射した光を
電気に変換することが行なわれているが、太陽電池は、
一般的にバンドギャップを有する半導体を用いて作製さ
れるため、紫外領域から可視領域までの波長を有する光
を電気に変換できるに過ぎない。

【０００４】このように、光を電気に変換するデバイス
においては、光が有する波長範囲の一部しか有効に利用
できないのが現実である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、イメージコン
バータ及び太陽電池のように、光電変換を行なうデバイ
スにおいては、赤外領域の光を有効に利用し、さらにデ
バイス性能を向上させる必要がある。

【０００６】このような場合、赤外領域の光を吸収する
ためにバンドギャップの狭い半導体を用いてイメージコ
ンバータまたは太陽電池を作製すれば良いが、紫外領域
の光により生成された電子及び正孔は、それぞれ、半導
体の伝導帯及び価電子帯の高い準位まで一旦励起され、
最終的に伝導帯の下端または価電子帯の上端までエネル
ギー準位が下がる。従って、最初に励起されたエネルギ
ー準位と、伝導帯の下端または価電子帯の上端のエネル
ギー準位とのエネルギー差を熱として放出することにな
る。その結果、デバイス全体として効率が低下する。

【０００７】このような事情からも、赤外領域まで感度
のあるデバイスを作製する場合に、半導体のバンドギャ
ップを小さくするという方法は、得策ではなく、各デバ
イスのピーク感度を保持したままでは赤外領域の感度を
高くすることは非常に困難である。

【０００８】そこで、長波長の光を短波長の光に変換す
ることにより、長波長の光を有効に利用することが想定
される。赤外領域の光を可視光に変換するものとしてＩ
Ｒ（ＩｎｆｒａｒｅｄＲａｄｉａｔｉｏｎ）フォスフ
ァーが知られている。このＩＲフォスファーは、波長が
７５０〜１４５０ｎｍの範囲の光を波長５５０〜７８０
ｎｍの光に変換するものである。

【０００９】しかし、ＩＲフォスファーは、赤外領域の
光を可視光に変換するものであるため、光電変換装置に
おいて、感度が小さい領域が赤外領域以外の領域である
とき、このようなＩＲフォスファーを光電変換装置に適
用することはできない。

【００１０】そこで、本発明は、かかる問題を解決する
ためになされたものであり、その目的は、任意の波長を
有する入射光をより短波長の光に変換可能な波長変換素
子及びそれを用いた波長変換装置を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、波長
変換素子は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よ
りも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する
波長変換素子であって、入射光を吸収して電子正孔対を
生成する第１および第２の光吸収部と、生成された電子
と正孔とを再結合させて出射光を出射する光出射部と、
所定強度の電界の印加下において、第１の光吸収部で生
成された電子を光出射部へ供給する第１の供給部と、電
界の印加下において、第２の光吸収部で生成された正孔
を光出射部へ供給する第２の供給部とを備える。

【００１２】また、この発明によれば、波長変換素子
は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い
第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換
素子であって、入射光を吸収することにより生成された
電子と正孔とを再結合させて出射光を出射する光出射部
と、所定強度の電界の印加下において、入射光を吸収し
て電子正孔対を生成し、その生成した電子を光出射部へ
供給する第１の光吸収部と、電界の印加下において、入
射光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔
を光出射部へ供給する第２の光吸収部とを備える。

【００１３】好ましくは、第１の波長は、印加される電
界の強度に応じて変化する。より好ましくは、第１の光
吸収部は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成され
た第２の薄膜と、第２の薄膜に接して形成された第３の
薄膜とを含み、光出射部は、第３の薄膜に接して形成さ
れた第４の薄膜から成り、第２の光吸収部は、第４の薄
膜に接して形成された第５の薄膜と、第５の薄膜に接し
て形成された第６の薄膜と、第６の薄膜に接して形成さ
れた第７の薄膜とを含み、第１の光吸収部における正孔
は、入射光によって第２の薄膜中に生成され、第１の光
吸収部における電子は、入射光によって第３の薄膜中に
生成され、第２の光吸収部における正孔は、入射光によ
って第６の薄膜中に生成され、第２の光吸収部における
電子は、入射光によって第７の薄膜中に生成される。

【００１４】より好ましくは、第１の光吸収部は、第１
の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と
を含み、第１の供給部は、第２の薄膜に接して形成され
た第３の薄膜から成り、光出射部は、第３の薄膜に接し
て形成された第４の薄膜から成り、第２の供給部は、第
４の薄膜に接して形成された第５の薄膜から成り、第２
の光吸収部は、第５の薄膜に接して形成された第６の薄
膜と、第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含
む。

【００１５】より好ましくは、第２の薄膜は、第１のサ
ブ準位が形成された伝導帯と第２のサブ準位が形成され
た価電子帯とを有する第１の半導体薄膜から成り、第３
の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯を有する
第２の半導体薄膜と、第４の薄膜は、第４のサブ準位が
形成された伝導帯と第５のサブ準位が形成された価電子
帯とを有する第３の半導体薄膜から成り、第６の薄膜
は、第６のサブ準位が形成された伝導帯と第７のサブ準
位が形成された価電子帯とを有する第４の半導体薄膜か
ら成り、第３のサブ準位は、電界の印加下において、電
子が第１のサブ準位から移動可能なエネルギー準位であ
り、第４のサブ準位は、電界の印加下において、第３の
サブ準位よりもエネルギー準位が低く、第５のサブ準位
は、電界の印加下において、第７のサブ準位よりもエネ
ルギー準位が低く、第１のサブ準位と第２のサブ準位と
の第１のエネルギーギャップ、第３のサブ準位と第２の
サブ準位との第２のエネルギーギャップおよび第６のサ
ブ準位と第７のサブ準位との第３のエネルギーギャップ
は、入射光が有するエネルギー値に実質的に等しく、第
４のサブ準位と第５のサブ準位との第４のエネルギーギ
ャップは、第１、第２および第３のエネルギーギャップ
よりも大きく、かつ、出射光が有するエネルギー値に実
質的に等しい。

【００１６】より好ましくは、第５の薄膜は、第６の薄
膜において生成された正孔をトンネリングにより第４の
薄膜へ供給する。

【００１７】より好ましくは、第１の薄膜は、第１のエ
ネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する
第５の半導体薄膜から成り、第３の半導体薄膜は、第１
のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有
し、第５の薄膜は、第４のエネルギーギャップよりも大
きいバンドギャップを有する第６の半導体薄膜から成
り、第７の薄膜は、第３のエネルギーギャップよりも大
きいバンドギャップを有する第７の半導体薄膜から成
る。

【００１８】より好ましくは、第１、第３、および第４
の半導体薄膜は、同じバンドギャップを有する。

【００１９】また、この発明によれば、波長変換装置
は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い
第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換
装置であって、入射光を吸収して出射光に変換して出射
する波長変換素子と、波長変換素子を挟持する第１及び
第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に所定の
電圧を印加する電源回路とを備える。

【００２０】好ましくは、第１及び第２の電極は、それ
ぞれ、第１及び第２の透明導電膜であり、第１の透明導
電膜は、入射光を受け、第２の透明導電膜は、出射光を
出射し、波長変換素子は、第１の透明導電膜を透過した
第１の波長を有する第１の光を吸収して第２の波長を有
する第２の光に変換し、その変換した第２の光を出射光
として第２の透明導電膜に導く。

【００２１】好ましくは、第１及び第２の電極は、それ
ぞれ、第１及び第２の櫛型電極であり、波長変換素子
は、第１の櫛型電極を介して受けた第１の波長を有する
第１の光を吸収して第２の波長を有する第２の光に変換
し、その変換した第２の光を出射光として第２の櫛型電
極を介して出射する。

【００２２】より好ましくは、波長変換素子は、積層さ
れた複数の単位素子から成り、単位素子は、第１の薄膜
と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２
の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、第３の薄膜に
接して形成された第４の薄膜とを含み、第２の薄膜は、
第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、第４の薄膜
は、生成された電子を正孔と再結合させて第２の光を生
成し、第３の薄膜は、第２の薄膜において生成された電
子を第４の薄膜に供給し、当該基本構造に隣接するもう
１つの基本構造に含まれる第２の薄膜は、第１の光を吸
収して電子正孔対を生成し、もう１つの基本構造に含ま
れる第１の薄膜は、生成された正孔を第４の薄膜に供給
する。

【００２３】より好ましくは、波長変換素子は、積層さ
れた複数の単位素子から成り、単位素子は、第１の薄膜
と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２
の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、第３の薄膜に
接して形成された第４の薄膜とを含み、第２および第３
の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、そ
の生成した電子を第４の薄膜に供給し、第４の薄膜は、
生成された電子を正孔と再結合させて第２の光を生成
し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含ま
れる第２および第３の薄膜は、第１の光を吸収して電子
正孔対を生成し、その生成した正孔を第４の薄膜に供給
する。

【００２４】より好ましくは、第１の波長は、所定の電
圧の電圧レベルに応じて変化する。より好ましくは、第
２の薄膜は、第１のサブ準位が形成された伝導帯と第２
のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第１の半導
体薄膜から成り、第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成
された伝導帯を有する第２の半導体薄膜から成り、第４
の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯と第５の
サブ準位が形成された価電子帯とを有する第３の半導体
薄膜から成り、第３のサブ準位は、所定の電圧の印加下
において、電子が第１のサブ準位から移動可能なエネル
ギー準位であり、第４のサブ準位は、所定の電圧の印加
下において、第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低
く、第５のサブ準位は、所定の電圧の印加下において、
もう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜の第２のサブ
準位よりもエネルギー準位が低く、第１のサブ準位と第
２のサブ準位との第１のエネルギーギャップまたは第３
のサブ準位と第２のサブ準位との第２のエネルギーギャ
ップは、第１の光が有するエネルギー値に実質的に等し
く、第４のサブ準位と第５のサブ準位との第３のエネル
ギーギャップは、第１および第２のエネルギーギャップ
よりも大きく、かつ、第２の光が有するエネルギー値に
実質的に等しい。

【００２５】より好ましくは、第４の薄膜は、正孔をト
ンネリングにより受ける。より好ましくは、第２の半導
体薄膜は、第１のエネルギーギャップよりも大きいバン
ドギャップを有し、第１の薄膜は、第３のエネルギーギ
ャップよりも大きいバンドギャップを有する第４の半導
体薄膜から成る。

【００２６】より好ましくは、第１、および第３の半導
体薄膜は、同じバンドギャップを有する。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または
相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

【００２８】図１は、この発明による波長変換装置の斜
視図を示す。波長変換装置１０は、透明導電膜１，２
と、ｎ個の単位素子３１〜３ｎと、電源回路４とを備え
る。ｎ個の単位素子３１〜３ｎは、透明導電膜１と透明
導電膜２との間に狭持される。透明導電膜１，２は、Ｉ
ＴＯまたはＳｎＯ₂から成る。ＩＴＯ及びＳｎＯ₂は、ス
パッタリング法により形成される。

【００２９】電源回路４は、透明導電膜１と透明導電膜
２との間に単位素子の積層数に比例する直流電圧を印加
し、この実施の形態においては、２０周期の単位素子を
形成したときに印加する０〜１５Ｖの範囲の直流電圧を
印加する。

【００３０】単位素子３１〜３ｎの各々は、電源回路４
により所定の直流電圧が印加されると、後述する原理に
より、透明導電膜１から入射した波長λ１の入射光を、
波長λ１よりも短波長の波長λ２を有する出射光に変換
して透明導電膜２から出射する。

【００３１】図２は、図１に示す単位素子３１〜３ｎの
単一の断面構造図である。単位素子３１〜３ｎは、バリ
ア層４１，４３と、井戸層４２，４４とを含む。井戸層
４２は、バリア層４１に接して形成され、バリア層４３
は、井戸層４２に接して形成され、井戸層４４は、バリ
ア層４３に接して形成される。

【００３２】単位素子３１のバリア層４１は、透明導電
膜１に接し、単位素子３ｎの井戸層４４は、透明導電膜
２に接する。また、単位素子３１〜３ｎ−１の井戸層４
４には、それぞれ、隣接する単位素子３２〜３ｎのバリ
ア層４１が接する。

【００３３】バリア層４１，４３は、アルミニウムヒ素
（ＡｌＡｓ）から成り、井戸層４２，４４は、ガリウム
ヒ素（ＧａＡｓ）から成る。そして、バリア層４１の膜
厚は、４モノレイヤ、即ち、１１．３２Åであり、井戸
層４２の膜厚は、１５モノレイヤ、即ち、４２．４５Å
であり、バリア層４３の膜厚は、１８モノレイヤ、即
ち、５０．９４Åであり、井戸層４４の膜厚は、１１モ
ノレイヤ、即ち、３１．１３Åである。

【００３４】バリア層４１，４３を構成するアルミニウ
ムヒ素及び井戸層４２，４４を構成するガリウムヒ素
は、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔ
ａｘｙ）を用いた結晶成長により形成される。従って、
アルミニウムヒ素およびガリウムヒ素は、モノレイヤづ
つ結晶成長され、その表面は平坦である。その結果、バ
リア層４１と井戸層４２との界面、井戸層４２とバリア
層４３との界面、及びバリア層４３と井戸層４４との界
面は、急峻に形成される。

【００３５】なお、アルミニウムヒ素及びガリウムヒ素
は、ＭＢＥ法に限らず、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒ
ｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）、及びＡＬＥ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅ
ｒＥｐｉｔａｘｙ）によって結晶成長されてもよい。
これらの方法により結晶成長した場合にも、バリア層４
１と井戸層４２との界面、井戸層４２とバリア層４３と
の界面、及びバリア層４３と井戸層４４との界面は、急
峻に形成される。

【００３６】図３は、図２に示す単位素子３１〜３ｎの
うち、隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバン
ド図を示す。なお、図３に示すエネルギーバンド図は、
電源回路４により所定の直流電圧が印加されていないと
きのエネルギーバンド図である。

【００３７】バリア層４１，４３を構成するアルミニウ
ムヒ素のバンドギャップＥｇ１は３．１９ｅＶであり、
井戸層４２，４４を構成するガリウムヒ素のバンドギャ
ップＥｇ２は、１．５１２ｅＶである。バリア層４１，
４３の伝導帯の下端Ｅｃ１と井戸層４２，４４の伝導帯
の下端Ｅｃ２とのエネルギー差は、１．１０８ｅＶであ
り、バリア層４１，４３の価電子帯の上端Ｅｖ１と井戸
層４２，４４の価電子帯の上端Ｅｖ２とのエネルギー差
は、０．５７０ｅＶである。

【００３８】従って、井戸層４２中の電子及び正孔は、
バリア層４１，４３によって閉じ込められる。その結
果、井戸層４２を構成するガリウムヒ素の伝導帯中にサ
ブ準位１１，１２が形成され、価電子帯中にサブ準位１
３，１４が形成される。

【００３９】サブ準位１１は、伝導帯の下端Ｅｃ２から
０．１４３ｅＶの位置に形成され、サブ準位１２は、伝
導帯の下端Ｅｃ２から０．４３０ｅＶの位置に形成され
る。また、サブ準位１３は、価電子帯の上端Ｅｖ２から
０．０４０ｅＶの位置に形成され、サブ準位１４は、価
電子帯の上端Ｅｖ２から０．１５８ｅＶの位置に形成さ
れる。

【００４０】また、井戸層４４中の電子及び正孔は、バ
リア層４３，４１によって閉じ込められる。その結果、
井戸層４４を構成するガリウムヒ素の伝導帯中にサブ準
位１５，１６が形成され、価電子帯中にサブ準位１７，
１８が形成される。

【００４１】サブ準位１５は、伝導帯の下端Ｅｃ２から
０．２０５ｅＶの位置に形成され、サブ準位１６は、伝
導帯の下端Ｅｃ２から０．６１０ｅＶの位置に形成され
る。また、サブ準位１７は、価電子帯の上端Ｅｖ２から
０．０６４ｅＶの位置に形成され、サブ準位１８は、価
電子帯の上端Ｅｖ２から０．２５３ｅＶの位置に形成さ
れる。

【００４２】上述したように、井戸層４４を構成するガ
リウムヒ素の膜厚は、井戸層４２を構成するガリウムヒ
素の膜厚よりも薄いので、サブ準位１５，１６は、それ
ぞれ、サブ準位１１，１２よりもエネルギー的に高い位
置に存在し、サブ準位１７，１８は、それぞれ、サブ準
位１３，１４よりもエネルギー的に高い位置に存在す
る。

【００４３】図４は、ガリウムヒ素及びアルミニウムヒ
素の伝導帯と価電子帯とのエネルギー準位を波数に対し
て示した図である。縦軸がエネルギー準位であり、横軸
が波数である。また、実線がガリウムヒ素であり、点線
がアルミニウムヒ素である。図３に示すエネルギーバン
ド図（実線）は、図４のΓ位置におけるエネルギー準位
を用いて描いた図である。Γ位置においては、アルミニ
ウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ１は、ガリウムヒ素の伝導
帯の下端Ｅｃ２よりもエネルギー的に高い準位に位置す
るが、Ｘ位置においては、アルミニウムヒ素の伝導帯の
下端Ｅｃ３は、ガリウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ４より
もエネルギー的に低い準位に位置する。

【００４４】従って、Ｘ位置におけるアルミニウムヒ素
及びガリウムヒ素のエネルギー準位を用いたエネルギー
バンド図は、図３の点線で示すエネルギーバンド図にな
る。この場合、Ｘ位置におけるアルミニウムヒ素の伝導
帯の下端Ｅｃ３は、Ｘ位置におけるガリウムヒ素の伝導
帯の下端Ｅｃ４よりもエネルギー的に低い位置に存在す
るので、アルミニウムヒ素は、井戸層を構成し、ガリウ
ムヒ素は、バリア層を構成する。

【００４５】その結果、バリア層４３には、サブ準位２
１〜２６が形成され、バリア層４１には、サブ準位２
７，２８が形成される。サブ準位２１は、伝導帯の下端
Ｅｃ２から０．１７８ｅＶの位置に形成され、サブ準位
２２は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．２０１ｅＶの位置
に形成され、サブ準位２３は、伝導帯の下端Ｅｃ２から
０．２４５ｅＶの位置に形成され、サブ準位２４〜２６
は、伝導帯の下端Ｅｃ２から所定の位置に形成される。

【００４６】また、サブ準位２７は、伝導帯の下端Ｅｃ
２から０．２４９ｅＶの位置に形成され、サブ準位２８
は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．４８０ｅＶの位置に形
成される。

【００４７】このように、単位素子３１〜３ｎは、量子
井戸構造から成る。図５は、電源回路４により透明導電
膜１と透明導電膜２との間に約５Ｖの直流電圧を印加し
た場合の隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバ
ンド図を示す。この５Ｖの直流電圧は、２０周期の単位
素子を形成したときに印加する電圧であり、単位素子３
１〜３ｎに１６０ｋＶ／ｃｍの電界を印加する電圧に相
当する。

【００４８】５Ｖの直流電圧が印加された状態で、単位
素子３２，３３に波長７３０ｎｍを有する入射光が照射
されると、波長７３０ｎｍの入射光は、単位素子３２，
３３の井戸層４２に形成されたサブ準位１１とサブ準位
１３とのエネルギー差１．６９５ｅＶに相当するエネル
ギーを有するので、波長７３０ｎｍの入射光は井戸層４
２によって吸収される。その結果、電子５１がサブ準位
１１へ励起され、サブ準位１３には正孔５２が生成され
る。

【００４９】生成された電子５１及び正孔５２は、外部
から印加された電界によって移動され、電子５１はバリ
ア層４３の方向へ移動し、正孔５２はバリア層４１の方
向へ移動する。約１６０ｋＶ／ｃｍの電界が印加された
状態では、井戸層４２のサブ準位１１は、バリア層４３
のサブ準位２１および井戸層４４のサブ準位１５とエネ
ルギー的にほぼ同じであるので、バリア層４３に到達し
た電子５１は、サブ準位２１を介してバリア層４３中を
移動して井戸層４４のサブ準位１５に到達する。

【００５０】単位素子３２の井戸層４２のサブ準位１３
に生成された正孔５２は、トンネリングによりバリア層
４１を通過して隣接する単位素子の井戸層４４へ移動す
る。また、単位素子３３の井戸層４２のサブ準位１３に
生成された正孔５２は、トンネリングによりバリア層４
１を通過して単位素子３２の井戸層４４のサブ準位１７
へ移動する。そして、井戸層４４において、サブ準位１
５に存在する電子５１がサブ準位１７に存在する正孔５
２と再結合することにより、サブ準位１５とサブ準位１
７とのエネルギー差１．７８１ｅＶに相当する波長６９
６ｎｍの出射光が出射される。

【００５１】この場合、単位素子３３の井戸層４２から
バリア層４１を介して単位素子３２の井戸層４４に到達
した正孔５２は、バリア層４３が正孔のトンネリングを
阻害するのに十分な厚さを有するため、バリア層４３を
介して井戸層４２へ移動することはなく、サブ準位１７
に閉じ込められる。その結果、サブ準位１５に存在する
電子５１とサブ準位１７に存在する正孔５２との再結合
が促進される。

【００５２】このように、この発明による波長変換装置
１０においては、隣接する２つの単位素子において入射
光を吸収して電子正孔対が生成される。そして、一方の
単位素子３２において生成された電子がバリア層４３を
介して井戸層４４のサブ準位１５へ移動し、他方の単位
素子３３において生成された正孔がバリア層４１を介し
て一方の単位素子３２の井戸層４４へ移動して再結合す
ることにより、出射光を出射することを特徴とする。こ
の場合、入射光の吸収が生じた井戸層４２におけるサブ
準位１１とサブ準位１３とのエネルギー差は、出射光を
出射する井戸層４４におけるサブ準位１５とサブ準位１
７とのエネルギー差よりも小さいので、出射光の波長
は、入射光の波長よりも短くなる。つまり、波長変換装
置１０は、入射光を、より短波長の光に変換して出射す
る。

【００５３】波長変換装置１０は、ｎ個の単位素子３１
〜３ｎを積層して成るが、上述した波長変換の原理に基
づけば、単位素子３２のバリア層４１，４３及び井戸層
４２，４４と、単位素子３３のバリア層４１，４３及び
井戸層４２とにより、入射光の波長をより短波長な光に
変換する波長変換素子を構成することができる。この場
合、波長変換素子は、単位素子３２の井戸層４２と単位
素子３３の井戸層４２とを入射光の吸収層として有す
る。つまり、波長変換素子は、２つの吸収層（井戸層４
２，４２）により入射光を吸収して変換層（井戸層４
４）によって入射光をより短波長な光に変換して出射す
る。

【００５４】図６は、波長７３０ｎｍの光を波長変換装
置１０へ入射させたときの波長変換装置１０からの出射
光の逆バイアス電圧依存性性を示す図である。縦軸は波
長であり、横軸は波長変換装置１０の透明導電膜１と透
明導電膜２との間に印加される逆バイアス電圧である。

【００５５】波長６９２ｎｍ〜７０６ｎｍの範囲におい
て発光が観測され、この発光は、井戸層４４におけるサ
ブ準位１５とサブ準位１７とのエネルギー差に相当す
る。波長７３０ｎｍの光は、井戸層４２におけるサブ準
位１１とサブ準位１３とのエネルギー差に相当するエネ
ルギーを有するため、波長７３０ｎｍの光を波長変換装
置１０へ入射させたとき、波長７３０ｎｍの光は井戸層
４２により吸収される。そして、井戸層４２により吸収
された光は、井戸層４４によって波長６９２〜７０６ｎ
ｍの光に変換されて波長変換装置１０から出射される。
従って、図６に示す実験結果は、波長変換装置１０によ
って波長７３０ｎｍの光が波長６９２ｎｍ〜７０６ｎｍ
の光に変換されることを支持するものである。

【００５６】また、波長変換装置１０に印加する逆バイ
アス電圧が２〜１０Ｖの範囲で変化しても、発光波長は
６９２ｎｍ〜７０６ｎｍの範囲において変化しない。つ
まり、発光波長はバイアス依存性を有しない。従って、
波長変換装置１０は、電源回路４により２〜１０Ｖの範
囲の直流電圧を透明導電膜１と透明導電膜２との間に印
加すれば、波長７３０ｎｍの光を波長６９２ｎｍ〜７０
６ｎｍの範囲の光に変換できる。

【００５７】波長変換装置１０において、単位素子３１
〜３ｎの井戸層４２の膜厚を１５モノレイヤ（＝４２．
４５Å）から１６モノレイヤ（＝４５．２８Å）に変
え、井戸層４４の膜厚を１１モノレイヤ（＝３１．１３
Å）から１０モノレイヤ（＝２８．３０Å）に変えるこ
とにより、波長変換装置１０は、波長７３５ｎｍの入射
光を波長６８７ｎｍの出射光に変換して出射できる。

【００５８】また、波長変換装置１０において、単位素
子３１〜３ｎの井戸層４２の膜厚を１５モノレイヤ（＝
４２．４５Å）から１８モノレイヤ（＝５０．９４Å）
に変え、井戸層４４の膜厚を１１モノレイヤ（＝３１．
１３Å）から１０モノレイヤ（＝２８．３０Å）に変え
ることにより、波長変換装置１０は、波長７５０ｎｍの
入射光を波長６８７ｎｍの出射光に変換して出射でき
る。

【００５９】この発明による波長変換装置は、図７に示
す波長変換装置１０Ａであってもよい。波長変換装置１
０Ａは、波長変換装置１０の単位素子３１〜３ｎを単位
素子６１〜６ｎに代えたものであり、その他は波長変換
装置１０と同じである。

【００６０】図８は、図７に示す単位素子６１〜６ｎの
単一の断面構造図である。単位素子６１〜６ｎは、単位
素子３１〜３ｎの井戸層４２を井戸層４５に代え、バリ
ア層４３をバリア層４６に代えたものであり、その他は
単位素子３１〜３ｎと同じである。

【００６１】井戸層４５は、ガリウムヒ素から成り、膜
厚は７０モノレイヤ（＝１９８．１Å）である。また、
バリア層４６は、アルミニウムヒ素から成り、膜厚は４
０モノレイヤ（＝１１３．２Å）である。なお、井戸層
４５を構成するガリウムヒ素及びバリア層４６を構成す
るアルミニウムヒ素も、上述したＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、
及びＡＬＥにより形成される。従って、バリア層４１と
井戸層４５との界面、井戸層４５とバリア層４６との界
面、及びバリア層４６と井戸層４４との界面は、急峻に
形成される。

【００６２】図９は、所定の直流電圧が印加されたとき
の単位素子６２，６３のエネルギーバンド図である。実
線は、図４に示すΓ位置におけるエネルギーバンド図で
あり、点線は、Ｘ位置におけるエネルギーバンド図であ
る。

【００６３】単位素子６２，６３に入射光が照射される
と、井戸層４５のサブ準位７１からバリア層４６のサブ
準位７２へ電子が励起され、電子正孔対が生成される。
サブ準位７２に励起された電子は、約１６０ｋＶ／ｃｍ
の電界によりサブ準位７２を井戸層４４の方向へ移動
し、井戸層４４のサブ準位１５に到達する。また、井戸
層４５のサブ準位７１に生成された正孔は、電界により
バリア層４１の方向へ移動し、トンネリングによりバリ
ア層４１を介して隣接する単位素子の井戸層４４へ移動
する。

【００６４】単位素子６３の井戸層４５のサブ準位７１
に生成された正孔は、電界によりバリア層４１の方向へ
移動し、トンネリングによりバリア層４１を介して単位
素子６２の井戸層４４のサブ準位１７へ移動する。そし
て、サブ準位１５の電子がサブ準位１７の正孔と再結合
することにより出射光が出射される。

【００６５】このように、波長変換装置１０Ａにおいて
は、単位素子６１〜６ｎにおいて井戸層４５及びバリア
層４６によって電子正孔対が生成される点が波長変換装
置１０の単位素子３１〜３ｎにおける光吸収の機構と異
なる点であり、生成された電子及び正孔が井戸層４４へ
移動し、再結合する機構は単位素子３１〜３ｎの場合と
同じである。

【００６６】図１０は、波長変換装置１０Ａにおける波
長変換の実験結果を示す図である。縦軸は波長であり、
横軸は波長変換装置１０Ａの透明導電膜１と透明導電膜
２との間に印加される逆バイアス電圧である。

【００６７】波長８１０ｎｍ〜８６０ｎｍ付近の発光
は、入射光を示し、波長６８０ｎｍ付近の発光は出射光
を示す。

【００６８】波長６８０ｎｍ付近の発光は、その波長が
逆バイアス電圧によって殆ど変化しない。一方、８１０
ｎｍ〜８６０ｎｍ付近の発光は、その波長が逆バイアス
電圧に大きく依存し、逆バイアス電圧が高くなるに従っ
て波長は長くなる。

【００６９】波長変換装置１０Ａにおいては、上述した
ように、単位素子６１〜６ｎの井戸層４５のサブ準位７
１とバリア層４６のサブ準位７２との間で入射光が吸収
され、単位素子６１〜６ｎに印加される逆バイアス電圧
が高くなるに従ってサブ準位７１とサブ準位７２とのエ
ネルギー差は小さくなる。従って、図１０に示すよう
に、単位素子６１〜６ｎによる光吸収波長は、印加され
る直流電圧が高くなるに従って長波長側へシフトする。
その結果、図１０に示す実験結果は、図９に示す波長変
換の機構を支持する。

【００７０】この発明による波長変換装置は、図１１に
示す波長変換装置１０Ｂであってもよい。波長変換装置
１０Ｂは、櫛型電極８１と、ｐ⁺型ＧａＡｓ８２と、ｐ
型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5８３と、ｉ型Ａｌ_0.5（Ｇａ
Ａｓ）_0.5８４と、単位素子３１〜３ｎと、ｉ型Ａｌ_0.5
（ＧａＡｓ）_0.5８６と、ｎ型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5
８７と、ｎ⁺型ＧａＡｓ８８と、ｎ型ＧａＡｓ基板８９
と、電源回路４とを備える。

【００７１】櫛型電極８１は、例えば、アルミニウムか
ら成る。ｐ⁺型ＧａＡｓ８２の膜厚は、１０００Åであ
り、ｐ型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5８３の膜厚は、２００
０Åであり、ｉ型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5８４，８６の
膜厚は、５００Åであり、ｎ型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5
８７の膜厚は、８０００Åであり、ｎ⁺型ＧａＡｓ８８
の膜厚は、１０００Åである。単位素子３１〜３ｎにつ
いては上述した通りである。

【００７２】波長変換装置１０Ｂにおいては、入射光λ
１は、櫛型電極８１を介して単位素子３１〜３ｎへ入射
する。また、波長変換装置１０Ｂにおいては、電源回路
４は、櫛型電極８１とｎ型ＧａＡｓ基板８９との間に所
定の電圧を印加する。

【００７３】また、この発明による波長変換装置は、図
１２に示す波長変換装置１０Ｃであってもよい。波長変
換装置１０Ｃは、波長変換装置１０Ｂの櫛型電極８１を
電極８１Ａに代えたものであり、その他は波長変換装置
１０Ｂと同じである。電極８１Ａは、中央部に孔９０を
設けた電極であり、例えば、アルミニウムから成る。入
射光λ１は孔９０を介して単位素子３１〜３ｎへ入射す
る。また、波長変換装置１０Ｃにおいては、電源回路４
は、電極８１Ａとｎ型ＧａＡｓ基板８９との間に所定の
電圧を印加する。

【００７４】なお、波長変換装置１０Ｂ，１０Ｃにおい
ては、単位素子３１〜３ｎに代えて単位素子６１〜６ｎ
を用いることも可能である。

【００７５】上記においては、井戸層４２，４４，４５
にガリウムヒ素を用い、バリア層４１，４３，４６にア
ルミニウムヒ素を用いた場合について説明したが、この
発明においては、これに限らず、井戸層４２，４４，４
５にガリウムナイトライド（ＧａＮ）、アルミニウムガ
リウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）及びインジウムガリウムヒ
素（ＩｎＧａＡｓ）のいずれかを適用してもよく、バリ
ア層４１，４３，４６にアルミニウムナイトライド（Ａ
ｌＮ）を適用してもよい。これらの各材料は、上述した
ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、及びＡＬＥにより結晶成長可能で
あるので、これらの材料を用いて単位素子３１〜３ｎ，
６１〜６ｎを形成した場合、バリア層と井戸層との界面
は急峻である。

【００７６】また、上記においては、波長変換装置１
０，１０Ａは、光を透明導電膜１から入射し、その入射
した光の波長を短波長の光に変換して透明導電膜２から
出射すると説明したが、この発明においては、入射光及
び出射光の方向は、波長変換装置１０，１０Ａに対して
斜めであってもよく、その方向は特に特定されない。

【００７７】さらに、単位素子３１〜３ｎ，６１〜６ｎ
の両側に第１及び第２の反射層を設けて波長変換装置を
構成してもよい。この場合、第１の反射層は、波長λ１
を有する入射光を透過し、波長λ１よりも短波長である
波長λ２を有する出射光を反射する。また、第２の反射
層は、波長λ１を有する入射光を反射し、波長λ２を有
する出射光を透過する。このような構成にすることによ
り単位素子３１〜３ｎ，６１〜６ｎにおいて光を閉じ込
めることができ、光の利用効率と出力効率を高めること
ができる。

【００７８】上述した波長変換装置１０，１０Ａ，１０
Ｂ，１０Ｃを用いることにより、赤外領域の光を可視領
域の光に変換することができ、波長変換装置１０，１０
Ａにより変換した光をフォトダイオード、及びＣＣＤ
（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）によ
って検出することにより、赤外領域の光を高感度に検出
可能である。

【００７９】また、波長変換装置１０，１０Ａ，１０
Ｂ，１０Ｃによって変換した光を太陽電池の入射光に用
いることによって、太陽電池の波長感度を赤外領域まで
広げることができる。

【００８０】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明では
なくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲
と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる
ことが意図される。

【００８１】

【発明の効果】この発明によれば、波長変換装置は、井
戸幅の異なる２つの量子井戸を備え、井戸幅の広い量子
井戸により光を吸収して生成した電子正孔対を井戸幅の
狭い量子井戸内で再結合させるので、吸収した光の波長
をより短波長の光に変換できる。

【００８２】また、この発明によれば、波長変換装置
は、赤外線を用いた実験等の際、光学調整のために用い
られる赤外光検出カードの代用としても用いることがで
き、より高効率、かつ、簡便な素子としての意義も有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による波長変換装置の斜視図であ
る。

【図２】図１に示す単位素子の断面構造図である。

【図３】図１に示す複数の単位素子のうち、隣接する
２つの単位素子におけるエネルギーバンド図である。

【図４】アルミニウムヒ素及びガリウムヒ素における
エネルギー準位と波数との関係を示す図である。

【図５】図１に示す複数の単位素子にバイアス電圧を
印加したときの隣接する２つの単位素子におけるエネル
ギーバンド図である。

【図６】図１に示す波長変換装置における波長変換の
実験結果を示す図である。

【図７】この発明による波長変換装置の他の斜視図で
ある。

【図８】図７に示す単位素子の断面構造図である。

【図９】図７に示す複数の単位素子にバイアス電圧を
印加したときの隣接する２つの単位素子におけるエネル
ギーバンド図である。

【図１０】図７に示す波長変換装置における波長変換
の実験結果を示す図である。

【図１１】この発明による波長変換装置の更に他の斜
視図である。

【図１２】この発明による波長変換装置の更に他の斜
視図である。

【符号の説明】

１，２透明導電膜、４電源回路、１０，１０Ａ波
長変換装置、１１〜１８，２１〜２８，７１，７２サ
ブ準位、３１〜３ｎ，６１〜６ｎ単位素子、４１，４
３，４６バリア層、４２，４４，４５井戸層、５１
電子、５２正孔、８１櫛型電極、８１Ａ電極、８
２ｐ⁺型ＧａＡｓ、８３ｐ型Ａｌ₀ _.5（ＧａＡｓ）
_0.5、８４，８６ｉ型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5、８７
ｎ型Ａｌ_0.5（ＧａＡｓ）_0.5、８８ｎ⁺型ＧａＡ
ｓ、８９ｎ型ＧａＡｓ基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西村剛太京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２株式会社国際電気通信基礎技術研究所内 (72)発明者會田田人京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２株式会社国際電気通信基礎技術研究所内Ｆターム(参考） 2K002 AA07 AB12 BA01 CA13 DA12 EB08 FA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の波長を有する入射光を前記第１の
波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出
射する波長変換素子であって、前記入射光を吸収して電子正孔対を生成する第１および
第２の光吸収部と、前記生成された電子と正孔とを再結合させて前記出射光
を出射する光出射部と、所定強度の電界の印加下において、前記第１の光吸収部
で生成された電子を前記光出射部へ供給する第１の供給
部と、前記電界の印加下において、前記第２の光吸収部で生成
された正孔を前記光出射部へ供給する第２の供給部とを
備える波長変換素子。
【請求項２】第１の波長を有する入射光を前記第１の
波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出
射する波長変換素子であって、前記入射光を吸収することにより生成された電子と正孔
とを再結合させて前記出射光を出射する光出射部と、所定強度の電界の印加下において、前記入射光を吸収し
て電子正孔対を生成し、その生成した電子を前記光出射
部へ供給する第１の光吸収部と、前記電界の印加下において、前記入射光を吸収して電子
正孔対を生成し、その生成した正孔を前記光出射部へ供
給する第２の光吸収部とを備える波長変換素子。
【請求項３】前記第１の波長は、前記印加される電界
の強度に応じて変化する、請求項２に記載の波長変換素
子。
【請求項４】前記第１の光吸収部は、第１の薄膜と、前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜とを含
み、前記光出射部は、前記第３の薄膜に接して形成された第
４の薄膜から成り、前記第２の光吸収部は、前記第４の薄膜に接して形成された第５の薄膜と、前記第５の薄膜に接して形成された第６の薄膜と、前記第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含
み、前記第１の光吸収部における正孔は、前記入射光によっ
て前記第２の薄膜中に生成され、前記第１の光吸収部における電子は、前記入射光によっ
て前記第３の薄膜中に生成され、前記第２の光吸収部における正孔は、前記入射光によっ
て前記第６の薄膜中に生成され、前記第２の光吸収部における電子は、前記入射光によっ
て前記第７の薄膜中に生成される、請求項３に記載の波
長変換素子。
【請求項５】前記第１の光吸収部は、第１の薄膜と、前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜とを含
み、前記第１の供給部は、前記第２の薄膜に接して形成され
た第３の薄膜から成り、前記光出射部は、前記第３の薄膜に接して形成された第
４の薄膜から成り、前記第２の供給部は、前記第４の薄膜に接して形成され
た第５の薄膜から成り、前記第２の光吸収部は、前記第５の薄膜に接して形成された第６の薄膜と、前記第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含
む、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項６】前記第２の薄膜は、第１のサブ準位が形
成された伝導帯と第２のサブ準位が形成された価電子帯
とを有する第１の半導体薄膜から成り、前記第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯
を有する第２の半導体薄膜と、前記第４の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯
と第５のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第３
の半導体薄膜から成り、前記第６の薄膜は、第６のサブ準位が形成された伝導帯
と第７のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第４
の半導体薄膜から成り、前記第３のサブ準位は、前記電界の印加下において、前
記電子が前記第１のサブ準位から移動可能なエネルギー
準位であり、前記第４のサブ準位は、前記電界の印加下において、前
記第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、前記第５のサブ準位は、前記電界の印加下において、前
記第７のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、前記第１のサブ準位と前記第２のサブ準位との第１のエ
ネルギーギャップ、前記第３のサブ準位と前記第２のサ
ブ準位との第２のエネルギーギャップおよび前記第６の
サブ準位と前記第７のサブ準位との第３のエネルギーギ
ャップは、前記入射光が有するエネルギー値に実質的に
等しく、前記第４のサブ準位と前記第５のサブ準位との第４のエ
ネルギーギャップは、前記第１、第２および第３のエネ
ルギーギャップよりも大きく、かつ、前記出射光が有す
るエネルギー値に実質的に等しい、請求項４または請求
項５に記載の波長変換素子。
【請求項７】前記第５の薄膜は、前記第６の薄膜にお
いて生成された正孔をトンネリングにより前記第４の薄
膜へ供給する、請求項６に記載の波長変換素子。
【請求項８】前記第１の薄膜は、前記第１のエネルギ
ーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第５の
半導体薄膜から成り、前記第３の半導体薄膜は、前記第１のエネルギーギャッ
プよりも大きいバンドギャップを有し、前記第５の薄膜は、前記第４のエネルギーギャップより
も大きいバンドギャップを有する第６の半導体薄膜から
成り、前記第７の薄膜は、前記第３のエネルギーギャップより
も大きいバンドギャップを有する第７の半導体薄膜から
成る、請求項７に記載の波長変換素子。
【請求項９】前記第１、第３、および第４の半導体薄
膜は、同じバンドギャップを有する、請求項６から請求
項８のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項１０】第１の波長を有する入射光を前記第１
の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して
出射する波長変換装置であって、前記入射光を吸収して前記出射光に変換して出射する波
長変換素子と、前記波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を
印加する電源回路とを備える波長変換装置。
【請求項１１】前記第１及び第２の電極は、それぞ
れ、第１及び第２の透明導電膜であり、前記第１の透明導電膜は、前記入射光を受け、前記第２の透明導電膜は、前記出射光を出射し、前記波長変換素子は、前記第１の透明導電膜を透過した
前記第１の波長を有する第１の光を吸収して前記第２の
波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光
を前記出射光として前記第２の透明導電膜に導く、請求
項１０に記載の波長変換装置。
【請求項１２】前記第１及び第２の電極は、それぞ
れ、第１及び第２の櫛型電極であり、前記波長変換素子は、前記第１の櫛型電極を介して受け
た前記第１の波長を有する第１の光を吸収して前記第２
の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の
光を前記出射光として前記第２の櫛型電極を介して出射
する、請求項１０に記載の波長変換装置。
【請求項１３】前記波長変換素子は、積層された複数
の単位素子から成り、前記単位素子は、第１の薄膜と、前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含
み、前記第２の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対
を生成し、前記第４の薄膜は、前記生成された電子を正孔と再結合
させて前記第２の光を生成し、前記第３の薄膜は、前記第２の薄膜において生成された
電子を前記第４の薄膜に供給し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる
第２の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生
成し、前記もう１つの基本構造に含まれる第１の薄膜は、前記
生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する、請求項１
１又は請求項１２に記載の波長変換装置。
【請求項１４】前記波長変換素子は、積層された複数
の単位素子から成り、前記単位素子は、第１の薄膜と、前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含
み、前記第２および第３の薄膜は、前記第１の光を吸収して
電子正孔対を生成し、その生成した電子を前記第４の薄
膜に供給し、前記第４の薄膜は、前記生成された電子を正孔と再結合
させて前記第２の光を生成し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる
第２および第３の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子
正孔対を生成し、その生成した正孔を前記第４の薄膜に
供給する、請求項１１又は請求項１２に記載の波長変換
装置。
【請求項１５】前記第１の波長は、前記所定の電圧の
電圧レベルに応じて変化する、請求項１４に記載の波長
変換装置。
【請求項１６】前記第２の薄膜は、第１のサブ準位が
形成された伝導帯と第２のサブ準位が形成された価電子
帯とを有する第１の半導体薄膜から成り、前記第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯
を有する第２の半導体薄膜から成り、前記第４の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯
と第５のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第３
の半導体薄膜から成り、前記第３のサブ準位は、前記所定の電圧の印加下におい
て、前記電子が前記第１のサブ準位から移動可能なエネ
ルギー準位であり、前記第４のサブ準位は、前記所定の電圧の印加下におい
て、前記第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、前記第５のサブ準位は、前記所定の電圧の印加下におい
て、前記もう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜の第
２のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、前記第１のサブ準位と前記第２のサブ準位との第１のエ
ネルギーギャップまたは前記第３のサブ準位と前記第２
のサブ準位との第２のエネルギーギャップは、前記第１
の光が有するエネルギー値に実質的に等しく、前記第４のサブ準位と前記第５のサブ準位との第３のエ
ネルギーギャップは、前記第１および第２のエネルギー
ギャップよりも大きく、かつ、前記第２の光が有するエ
ネルギー値に実質的に等しい、請求項１３から請求項１
５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１７】前記第４の薄膜は、前記正孔をトンネ
リングにより受ける、請求項１６に記載の波長変換装
置。
【請求項１８】前記第２の半導体薄膜は、前記第１の
エネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有
し、前記第１の薄膜は、前記第３のエネルギーギャップより
も大きいバンドギャップを有する第４の半導体薄膜から
成る、請求項１７に記載の波長変換装置。
【請求項１９】前記第１、および第３の半導体薄膜
は、同じバンドギャップを有する、請求項１６から請求
項１８のいずれか１項に記載の波長変換装置。