JP4073190B2 - Wavelength conversion element and wavelength conversion device - Google Patents
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Description
【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ＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）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５５０〜７８０ｎｍ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、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、積層された複数の単位素子から成り、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の透明導電膜に導き、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、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、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、生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する。
【００２０】
更に、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、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、積層された複数の単位素子から成り、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し、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、生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する。
【００２１】
更に、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、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、積層された複数の単位素子から成り、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の透明導電膜に導き、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。
【００２２】
更に、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、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、積層された複数の単位素子から成り、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し、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、ＩＴＯ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４４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（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）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（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、及びＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ）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。
【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１３，１４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２１〜２６が形成され、バリア層４１には、サブ準位２７，２８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Ｅｃ２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３１〜３ｎ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４２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４１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１５に存在する電子５１がサブ準位１７に存在する正孔５２と再結合することにより、サブ準位１５とサブ準位１７とのエネルギー差１．７８１ｅＶに相当する波長６９６ｎｍ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１７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４２，４２）により入射光を吸収して変換層（井戸層４４）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６９２〜７０６ｎｍ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〜７０６ｎｍ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（＝３１．１３Å）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１０Ａ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４０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、８１０ｎｍ〜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７１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Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８３と、ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８４と、単位素子３１〜３ｎと、ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８６と、ｎ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８７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Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８３の膜厚は、２０００Åであり、ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８４，８６の膜厚は、５００Åであり、ｎ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８７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λ１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４２，４４，４５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（ＡｌＮ）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１０，１０Ａ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，１０Ｂ，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１０，１０Ａにより変換した光をフォトダイオード、及びＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）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，１０Ｂ，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、４１，４３，４６ バリア層、４２，４４，４５ 井戸層、５１ 電子、５２ 正孔、８１ 櫛型電極、８１Ａ 電極、８２ ｐ+型ＧａＡｓ、８３ ｐ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5、８４，８６ ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5、８７ ｎ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5、８８ ｎ+型ＧａＡｓ、８９ ｎ型ＧａＡｓ基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion element that converts the wavelength of light, and more particularly to a wavelength conversion element that converts incident light into light having a wavelength shorter than the wavelength of incident light and a wavelength conversion device using the same.
[0002]
[Prior art]
An image converter having a photocathode made of Ag-O-Cs or the like converts incident light into an electrical signal. The wavelength of the incident light reaches the infrared region, and it is desired that the light in the infrared region can be converted into an electrical signal.
[0003]
Also, in solar cells, incident light is converted into electricity, but since solar cells are generally manufactured using a semiconductor having a band gap, the range from the ultraviolet region to the visible region is It can only convert light having a wavelength into electricity.
[0004]
As described above, in a device that converts light into electricity, only a part of the wavelength range of light can be effectively used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in devices that perform photoelectric conversion, such as image converters and solar cells, it is necessary to effectively use light in the infrared region and further improve device performance.
[0006]
In such a case, an image converter or a solar cell may be manufactured using a semiconductor with a narrow band gap in order to absorb light in the infrared region, but electrons and holes generated by light in the ultraviolet region are respectively The semiconductor is once excited to a high level in the conduction band and valence band of the semiconductor, and finally the energy level is lowered to the lower end of the conduction band or the upper end of the valence band. Therefore, the energy difference between the energy level excited first and the energy level at the lower end of the conduction band or the upper end of the valence band is released as heat. As a result, the efficiency of the entire device is reduced.
[0007]
For these reasons, when manufacturing devices with sensitivity up to the infrared region, the method of reducing the band gap of the semiconductor is not a good idea. It is very difficult to increase the sensitivity.
[0008]
Therefore, it is assumed that long wavelength light is effectively used by converting long wavelength light into short wavelength light. An IR (Infrared Radiation) phosphor is known as a device that converts light in the infrared region into visible light. This IR phosphor converts light having a wavelength in the range of 750 to 1450 nm into light having a wavelength of 550 to 780 nm.
[0009]
However, since IR phosphors convert light in the infrared region into visible light, when a region with low sensitivity is a region other than the infrared region in a photoelectric conversion device, such an IR phosphor is changed. It cannot be applied to a photoelectric conversion device.
[0010]
Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a wavelength conversion element capable of converting incident light having an arbitrary wavelength into light having a shorter wavelength, and wavelength conversion using the same. Is to provide a device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to this invention, the wavelength conversion element is a wavelength conversion element that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the incident light. First and second light absorbing parts that absorb electron and generate electron-hole pairs; a light emitting part that emits outgoing light by recombining the generated electrons and holes; and an electric field of a predetermined intensity A first supply unit that supplies electrons generated by the first light absorption unit to the light emission unit under application, and a hole generated by the second light absorption unit under application of an electric field. A second supply unit for supplying to the unit.
[0012]
According to the invention, the wavelength conversion element is a wavelength conversion element that converts incident light having the first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light. A light emitting part that emits outgoing light by recombining electrons and holes generated by absorbing incident light, and an electron-hole pair by absorbing incident light under application of an electric field of a predetermined intensity. A first light absorbing unit that generates and supplies the generated electrons to the light emitting unit; and under application of an electric field, absorbs incident light to generate an electron-hole pair, and the generated holes emit light. And a second light absorption unit supplied to the unit.
[0013]
Preferably, the first wavelength varies according to the strength of the applied electric field.
More preferably, the first light absorption unit includes a first thin film, a second thin film formed in contact with the first thin film, and a third thin film formed in contact with the second thin film. The light emitting portion includes a fourth thin film formed in contact with the third thin film; the second light absorbing portion includes a fifth thin film formed in contact with the fourth thin film; The sixth thin film formed in contact with the thin film and the seventh thin film formed in contact with the sixth thin film, and the holes in the first light absorbing portion are caused to enter the second thin film by incident light. The electrons in the first light absorption part are generated in the third thin film by incident light, the holes in the second light absorption part are generated in the sixth thin film by incident light, Electrons in the second light absorption unit are generated in the seventh thin film by incident light.
[0014]
More preferably, the first light absorption unit includes a first thin film and a second thin film formed in contact with the first thin film, and the first supply unit is in contact with the second thin film. The light emitting portion is formed of a fourth thin film formed in contact with the third thin film, and the second supply portion is formed in contact with the fourth thin film. The second light absorbing portion includes a sixth thin film formed in contact with the fifth thin film and a seventh thin film formed in contact with the sixth thin film.
[0015]
More preferably, the second thin film comprises a first semiconductor thin film having a conduction band in which the first sub-level is formed and a valence band in which the second sub-level is formed, The thin film has a second semiconductor thin film having a conduction band in which a third sub-level is formed, and the fourth thin film has a conduction band in which a fourth sub-level is formed and a fifth sub-level. And a sixth thin film comprising a conduction band in which a sixth sub-level is formed and a valence band in which a seventh sub-level is formed. The third sub-level is an energy level in which electrons can move from the first sub-level under application of an electric field, and the fourth sub-level is Under the application of an electric field, the energy level is lower than that of the third sub-level, and the fifth sub-level The energy level is lower than the sub-level, the first energy gap between the first sub-level and the second sub-level, and the second energy level between the third sub-level and the second sub-level. The energy gap and the third energy gap between the sixth sub-level and the seventh sub-level are substantially equal to the energy value of the incident light, and the fourth sub-level and the fifth sub-level Is larger than the first, second and third energy gaps and is substantially equal to the energy value of the emitted light.
[0016]
More preferably, the fifth thin film supplies holes generated in the sixth thin film to the fourth thin film by tunneling.
[0017]
More preferably, the first thin film comprises a fifth semiconductor thin film having a band gap larger than the first energy gap, and the third semiconductor thin film has a band gap larger than the first energy gap. The fifth thin film is composed of a sixth semiconductor thin film having a band gap larger than the fourth energy gap, and the seventh thin film is a seventh semiconductor thin film having a band gap larger than the third energy gap. Consists of.
[0018]
More preferably, the first, third, and fourth semiconductor thin films have the same band gap.
[0019]
According to the invention, the wavelength converter is a wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light. A predetermined voltage between a wavelength conversion element that absorbs incident light and converts it into outgoing light and emits it, first and second electrodes that sandwich the wavelength conversion element, and the first electrode and the second electrode Power supply circuit for applying The first and second electrodes are first and second transparent conductive films, respectively, the first transparent conductive film receives incident light, and the second transparent conductive film emits outgoing light. The wavelength conversion element is composed of a plurality of stacked unit elements, and absorbs the first light having the first wavelength transmitted through the first transparent conductive film into the second light having the second wavelength. And converting the converted second light as outgoing light to the second transparent conductive film. The unit element includes a first thin film, a second thin film formed in contact with the first thin film, A third thin film formed in contact with the second thin film and a fourth thin film formed in contact with the third thin film, wherein the second thin film absorbs the first light and emits electron holes. A fourth thin film that recombines the generated electrons with holes to generate a second light, and a third thin film that generates the electric current generated in the second thin film. Is supplied to the fourth thin film, and the second thin film included in another basic structure adjacent to the basic structure absorbs the first light to generate an electron-hole pair. The first thin film included in the structure supplies the generated holes to the fourth thin film. .
[0020]
Furthermore, according to this invention, the wavelength converter is a wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light. A predetermined voltage between a wavelength conversion element that absorbs incident light and converts it into outgoing light and emits it, first and second electrodes that sandwich the wavelength conversion element, and the first electrode and the second electrode And a power supply circuit for applying The first and second electrodes are first and second, respectively. Comb electrode And ,wave The long conversion element is Consists of a plurality of stacked unit elements, First The first light having the first wavelength received through the comb-shaped electrode is absorbed and converted to the second light having the second wavelength, and the converted second light is used as the outgoing light to generate the second light. The unit element is emitted through the comb-shaped electrode. The unit element includes a first thin film, a second thin film formed in contact with the first thin film, and a third thin film formed in contact with the second thin film. , A fourth thin film formed in contact with the third thin film, the second thin film absorbing the first light to generate an electron-hole pair, and the fourth thin film was generated. The electrons are recombined with holes to generate a second light, and the third thin film supplies the electrons generated in the second thin film to the fourth thin film, and another one adjacent to the basic structure. The second thin film included in the basic structure absorbs the first light to generate electron-hole pairs, and the first thin film included in the other basic structure transfers the generated holes to the above-described holes. Supplied to the 4 of the thin film .
[0021]
Furthermore, according to this invention, the wavelength converter is a wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light. A predetermined voltage between a wavelength conversion element that absorbs incident light and converts it into outgoing light and emits it, first and second electrodes that sandwich the wavelength conversion element, and the first electrode and the second electrode And a power supply circuit for applying The first and second electrodes are first and second, respectively. Transparent conductive film And The first transparent conductive film receives incident light, the second transparent conductive film emits outgoing light, The wavelength conversion element is Consists of a plurality of stacked unit elements, First The first light having the first wavelength transmitted through the transparent conductive film is absorbed and converted to the second light having the second wavelength, and the converted second light is used as the emitted light to form the second transparent conductive material. The unit element includes a first thin film, a second thin film formed in contact with the first thin film, a third thin film formed in contact with the second thin film, and a third thin film. A second thin film that absorbs the first light to generate an electron-hole pair, and supplies the generated electrons to the fourth thin film. The fourth thin film recombines the generated electrons with the holes to generate second light, and the second and third thin films included in another basic structure adjacent to the basic structure are The first light is absorbed to generate electron-hole pairs, and the generated holes are supplied to the fourth thin film. .
[0022]
Furthermore, according to this invention, the wavelength converter is a wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light. A predetermined voltage between a wavelength conversion element that absorbs incident light and converts it into outgoing light and emits it, first and second electrodes that sandwich the wavelength conversion element, and the first electrode and the second electrode And the first and second electrodes are first and second comb electrodes, respectively, The wavelength conversion element is composed of a plurality of stacked unit elements, The first light having the first wavelength received through the first comb electrode is absorbed and converted into the second light having the second wavelength, and the converted second light is used as the outgoing light. Exits through the second comb electrode, The unit element is formed in contact with the first thin film, the second thin film formed in contact with the first thin film, the third thin film formed in contact with the second thin film, and the third thin film. A fourth thin film formed, 2nd and 3rd The thin film absorbs the first light to generate electron-hole pairs, Supplying the generated electrons to the fourth thin film; The fourth thin film generates the second light by recombining the generated electrons with the holes. This A second included in another basic structure adjacent to the basic structure; And third The thin film absorbs the first light to generate electron-hole pairs, The generated holes are supplied to the fourth thin film. .
[0024]
More preferably, the first wavelength changes according to the voltage level of the predetermined voltage. More preferably, the second thin film comprises a first semiconductor thin film having a conduction band in which the first sub-level is formed and a valence band in which the second sub-level is formed, The thin film includes a second semiconductor thin film having a conduction band in which a third sub-level is formed, and the fourth thin film includes a conduction band in which a fourth sub-level is formed and a fifth sub-level. The third sub-level is an energy level at which electrons can move from the first sub-level under application of a predetermined voltage. The fourth sub-level has an energy level lower than that of the third sub-level under application of a predetermined voltage, and the fifth sub-level has another one under application of the predetermined voltage. Energy level is lower than the second sub-level of the second thin film included in one basic structure, and the first sub-level The first energy gap between the second sub-level or the second energy gap between the third sub-level and the second sub-level is substantially equal to the energy value of the first light, The third energy gap between the 4th sub-level and the fifth sub-level is larger than the first and second energy gaps, and is substantially equal to the energy value of the second light.
[0025]
More preferably, the fourth thin film receives holes by tunneling.
More preferably, the second semiconductor thin film has a band gap larger than the first energy gap, and the first thin film consists of a fourth semiconductor thin film having a band gap larger than the third energy gap. .
[0026]
More preferably, the first and third semiconductor thin films have the same band gap.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[0028]
FIG. 1 shows a perspective view of a wavelength converter according to the present invention. The
[0029]
The
[0030]
When a predetermined DC voltage is applied from the
[0031]
FIG. 2 is a single sectional view of the
[0032]
The
[0033]
The barrier layers 41 and 43 are made of aluminum arsenic (AlAs), and the well layers 42 and 44 are made of gallium arsenide (GaAs). The thickness of the
[0034]
The aluminum arsenic constituting the barrier layers 41 and 43 and the gallium arsenide constituting the well layers 42 and 44 are formed by crystal growth using MBE (Molecular Beam Epitaxy). Therefore, aluminum arsenide and gallium arsenide are crystal-grown by monolayer, and the surface is flat. As a result, the interface between the
[0035]
Note that aluminum arsenic and gallium arsenide are not limited to the MBE method, and may be grown by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) and ALE (Atomic Layer Epitaxy). Even when crystal growth is performed by these methods, the interface between the
[0036]
FIG. 3 shows an energy band diagram of two adjacent unit elements among the
[0037]
The band gap Eg1 of aluminum arsenic constituting the barrier layers 41 and 43 is 3.19 eV, and the band gap Eg2 of gallium arsenide constituting the well layers 42 and 44 is 1.512 eV. The energy difference between the lower end Ec1 of the conduction band of the barrier layers 41 and 43 and the lower end Ec2 of the conduction band of the well layers 42 and 44 is 1.108 eV, and the upper end Ev1 of the valence band of the barrier layers 41 and 43 and the well layer The energy difference from the upper end Ev2 of the valence band of 42 and 44 is 0.570 eV.
[0038]
Accordingly, electrons and holes in the
[0039]
The
[0040]
In addition, electrons and holes in the
[0041]
The
[0042]
As described above, since the film thickness of gallium arsenide constituting the
[0043]
FIG. 4 is a diagram showing the energy levels of the conduction band and the valence band of gallium arsenide and aluminum arsenic with respect to the wave number. The vertical axis is the energy level, and the horizontal axis is the wave number. The solid line is gallium arsenide, and the dotted line is aluminum arsenic. The energy band diagram (solid line) shown in FIG. 3 is a diagram drawn using the energy level at the Γ position in FIG. 4. At the Γ position, the lower end Ec1 of the conduction band of aluminum arsenic is located at a higher energy level than the lower end Ec2 of the conduction band of gallium arsenide, but at the X position, the lower end Ec3 of the conduction band of aluminum arsenic is , Located at a lower energy level than the lower end Ec4 of the conduction band of gallium arsenide.
[0044]
Therefore, the energy band diagram using the energy levels of aluminum arsenic and gallium arsenide at the X position is an energy band diagram indicated by a dotted line in FIG. In this case, since the lower end Ec3 of the conduction band of aluminum arsenic at the X position exists at a position lower in energy than the lower end Ec4 of the conduction band of gallium arsenide at the X position, the aluminum arsenic forms a well layer and gallium Arsenic constitutes a barrier layer.
[0045]
As a result,
[0046]
The sub-level 27 is formed at a position of 0.249 eV from the lower end Ec2 of the conduction band, and the sub-level 28 is formed at a position of 0.480 eV from the lower end Ec2 of the conduction band.
[0047]
Thus, the
FIG. 5 shows an energy band diagram of two adjacent unit elements when a DC voltage of about 5 V is applied between the transparent
[0048]
If the
[0049]
The generated
[0050]
The
[0051]
In this case, the
[0052]
As described above, in the
[0053]
The
[0054]
FIG. 6 is a diagram illustrating the reverse bias voltage dependency of the light emitted from the
[0055]
Light emission is observed in the wavelength range of 692 nm to 706 nm, and this light emission corresponds to an energy difference between the
[0056]
Further, even if the reverse bias voltage applied to the
[0057]
In the
[0058]
In the
[0059]
The wavelength conversion device according to the present invention may be a
[0060]
FIG. 8 is a single sectional view of the
[0061]
The
[0062]
FIG. 9 is an energy band diagram of the unit elements 62 and 63 when a predetermined DC voltage is applied. A solid line is an energy band diagram at the Γ position shown in FIG. 4, and a dotted line is an energy band diagram at the X position.
[0063]
When the unit elements 62 and 63 are irradiated with incident light, electrons are excited from the sub-level 71 of the
[0064]
The holes generated in the sub-level 71 of the
[0065]
As described above, in the
[0066]
FIG. 10 is a diagram illustrating an experimental result of wavelength conversion in the
[0067]
Light emission in the vicinity of a wavelength of 810 nm to 860 nm indicates incident light, and light emission in the vicinity of a wavelength of 680 nm indicates outgoing light.
[0068]
The light emission near the wavelength of 680 nm hardly changes depending on the reverse bias voltage. On the other hand, the wavelength of light emitted in the vicinity of 810 nm to 860 nm greatly depends on the reverse bias voltage, and the wavelength becomes longer as the reverse bias voltage becomes higher.
[0069]
In the
[0070]
The wavelength converter according to the present invention may be a
[0071]
The
[0072]
In the
[0073]
The wavelength converter according to the present invention may be a wavelength converter 10C shown in FIG. The wavelength conversion device 10C is the same as the
[0074]
In the
[0075]
In the above description, the case where gallium arsenide is used for the well layers 42, 44, 45 and aluminum arsenic is used for the barrier layers 41, 43, 46 has been described. Any of gallium nitride (GaN), aluminum gallium arsenide (AlGaAs) and indium gallium arsenide (InGaAs) may be applied to 44 and 45, and aluminum nitride (AlN) is applied to the barrier layers 41, 43 and 46. May be. Since each of these materials can be crystal-grown by MBE, MOCVD, and ALE, when the
[0076]
In the above description, the
[0077]
Further, the wavelength conversion device may be configured by providing first and second reflective layers on both sides of the
[0078]
By using the
[0079]
Moreover, the wavelength sensitivity of a solar cell can be extended to an infrared region by using the light converted by the
[0080]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
[0081]
【The invention's effect】
According to the present invention, the wavelength converter includes two quantum wells having different well widths, and electron-hole pairs generated by absorbing light by the quantum wells having a wide well width are regenerated in the quantum wells having the narrow well width. Since they are coupled, the wavelength of the absorbed light can be converted into light having a shorter wavelength.
[0082]
In addition, according to the present invention, the wavelength conversion device can be used as a substitute for an infrared light detection card used for optical adjustment in an experiment using infrared rays, and is more efficient and simple. It also has significance as a simple element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a wavelength converter according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional structure diagram of the unit element shown in FIG.
3 is an energy band diagram of two adjacent unit elements among the plurality of unit elements shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between energy levels and wave numbers in aluminum arsenic and gallium arsenide.
FIG. 5 is an energy band diagram of two adjacent unit elements when a bias voltage is applied to the plurality of unit elements shown in FIG.
6 is a diagram showing an experimental result of wavelength conversion in the wavelength conversion device shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 7 is another perspective view of the wavelength conversion device according to the present invention.
8 is a cross-sectional structure diagram of the unit element shown in FIG.
FIG. 9 is an energy band diagram of two adjacent unit elements when a bias voltage is applied to the plurality of unit elements shown in FIG.
FIG. 10 is a diagram showing an experimental result of wavelength conversion in the wavelength conversion device shown in FIG. 7;
FIG. 11 is still another perspective view of the wavelength conversion device according to the present invention.
FIG. 12 is still another perspective view of the wavelength conversion device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2 Transparent conductive film, 4 Power supply circuit, 10, 10A Wavelength converter, 11-18, 21-28, 71, 72 Sub-level, 31-3n, 61-6n Unit element, 41, 43, 46 Barrier layer , 42, 44, 45 well layer, 51 electrons, 52 holes, 81 comb electrode, 81A electrode, 82 p + Type GaAs, 83 p-type Al 0.5 (GaAs) 0.5 84,86 i-type Al 0.5 (GaAs) 0.5 87 n-type Al 0.5 (GaAs) 0.5 , 88 n + Type GaAs, 89 n type GaAs substrate.
Claims (18)
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。A wavelength conversion element that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light.
First and second light absorbing parts that absorb the incident light and generate electron-hole pairs;
A light emitting part for emitting the emitted light by recombining the generated electrons and holes;
A first supply unit that supplies electrons generated by the first light absorption unit to the light emitting unit under application of an electric field having a predetermined intensity, and the second light absorption unit under application of the electric field. And a second supply unit that supplies the holes generated in step 1 to the light emitting unit.
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。A wavelength conversion element that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light.
A light emitting part for emitting the emitted light by recombining electrons and holes generated by absorbing the incident light;
A first light absorption unit that absorbs the incident light to generate an electron-hole pair and supplies the generated electrons to the light emitting unit under application of an electric field having a predetermined intensity;
A wavelength conversion element comprising: a second light absorption unit that absorbs the incident light to generate an electron hole pair and supplies the generated hole to the light emitting unit under application of the electric field.
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。The first light absorber is
A first thin film;
A second thin film formed in contact with the first thin film;
A third thin film formed in contact with the second thin film,
The light emitting portion includes a fourth thin film formed in contact with the third thin film,
The second light absorbing portion includes a fifth thin film formed in contact with the fourth thin film,
A sixth thin film formed in contact with the fifth thin film;
A seventh thin film formed in contact with the sixth thin film,
Holes in the first light absorption part are generated in the second thin film by the incident light,
Electrons in the first light absorption unit are generated in the third thin film by the incident light,
Holes in the second light absorber are generated in the sixth thin film by the incident light,
4. The wavelength conversion element according to claim 3, wherein electrons in the second light absorption unit are generated in the seventh thin film by the incident light. 5.
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。The first light absorber is
A first thin film;
A second thin film formed in contact with the first thin film,
The first supply unit includes a third thin film formed in contact with the second thin film,
The light emitting portion includes a fourth thin film formed in contact with the third thin film,
The second supply unit includes a fifth thin film formed in contact with the fourth thin film,
The second light absorber is
A sixth thin film formed in contact with the fifth thin film;
The wavelength conversion element according to claim 1, further comprising a seventh thin film formed in contact with the sixth thin film.
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。The second thin film comprises a first semiconductor thin film having a conduction band in which a first sub-level is formed and a valence band in which a second sub-level is formed;
The third thin film includes a second semiconductor thin film having a conduction band in which a third sub-level is formed;
The fourth thin film is composed of a third semiconductor thin film having a conduction band in which a fourth sub-level is formed and a valence band in which a fifth sub-level is formed,
The sixth thin film is composed of a fourth semiconductor thin film having a conduction band in which a sixth sub-level is formed and a valence band in which a seventh sub-level is formed;
The third sub-level is an energy level at which the electrons can move from the first sub-level under application of the electric field,
The fourth sub-level has an energy level lower than that of the third sub-level under application of the electric field,
The fifth sub-level has an energy level lower than that of the seventh sub-level under application of the electric field,
A first energy gap between the first sub-level and the second sub-level; a second energy gap between the third sub-level and the second sub-level; A third energy gap between the sub-level and the seventh sub-level is substantially equal to an energy value of the incident light;
A fourth energy gap between the fourth sub-level and the fifth sub-level is larger than the first, second, and third energy gaps, and has an energy value that the emitted light has. The wavelength conversion element according to claim 4 or 5, which is substantially equal.
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。The first thin film comprises a fifth semiconductor thin film having a band gap larger than the first energy gap;
The third semiconductor thin film has a band gap larger than the first energy gap;
The fifth thin film comprises a sixth semiconductor thin film having a band gap larger than the fourth energy gap;
The wavelength conversion element according to claim 7, wherein the seventh thin film is formed of a seventh semiconductor thin film having a band gap larger than the third energy gap.
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、
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、積層された複数の単位素子から成り、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の透明導電膜に導き、
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、波長変換装置。A wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light.
A wavelength conversion element that absorbs the incident light, converts the light into the emitted light, and emits the converted light;
First and second electrodes sandwiching the wavelength conversion element;
A power supply circuit that applies a predetermined voltage between the first electrode and the second electrode ;
The first and second electrodes are first and second transparent conductive films, respectively.
The first transparent conductive film receives the incident light,
The second transparent conductive film emits the emitted light,
The wavelength conversion element includes a plurality of stacked unit elements, and absorbs the first light having the first wavelength transmitted through the first transparent conductive film and has the second wavelength. And the converted second light is led to the second transparent conductive film as the emitted light,
The unit element is
A first thin film;
A second thin film formed in contact with the first thin film;
A third thin film formed in contact with the second thin film;
A fourth thin film formed in contact with the third thin film,
The second thin film absorbs the first light to generate an electron-hole pair;
The fourth thin film recombines the generated electrons with holes to generate the second light,
The third thin film supplies electrons generated in the second thin film to the fourth thin film,
A second thin film included in another basic structure adjacent to the basic structure absorbs the first light to generate an electron-hole pair;
The wavelength conversion device , wherein the first thin film included in the another basic structure supplies the generated holes to the fourth thin film .
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、
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、積層された複数の単位素子から成り、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し、
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、波長変換装置。 A wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light.
A wavelength conversion element that absorbs the incident light, converts the light into the emitted light, and emits the converted light;
First and second electrodes sandwiching the wavelength conversion element;
A power supply circuit that applies a predetermined voltage between the first electrode and the second electrode;
The first and second electrodes are first and second comb electrodes , respectively.
Before SL wavelength converting element is comprised of a plurality of unit elements are laminated, the first of the first of said second wavelength by absorbing the light having the first wavelength received via the comb electrodes And converting the converted second light as the emitted light through the second comb electrode,
The unit element is
A first thin film;
A second thin film formed in contact with the first thin film;
A third thin film formed in contact with the second thin film;
A fourth thin film formed in contact with the third thin film,
The second thin film absorbs the first light to generate an electron-hole pair;
The fourth thin film recombines the generated electrons with holes to generate the second light,
The third thin film supplies electrons generated in the second thin film to the fourth thin film,
A second thin film included in another basic structure adjacent to the basic structure absorbs the first light to generate an electron-hole pair;
The wavelength conversion device , wherein the first thin film included in the another basic structure supplies the generated holes to the fourth thin film .
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、
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、積層された複数の単位素子から成り、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の透明導電膜に導き、
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、波長変換装置。 A wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light.
A wavelength conversion element that absorbs the incident light, converts the light into the emitted light, and emits the converted light;
First and second electrodes sandwiching the wavelength conversion element;
A power supply circuit that applies a predetermined voltage between the first electrode and the second electrode;
The first and second electrodes are first and second transparent conductive films , respectively.
The first transparent conductive film receives the incident light,
The second transparent conductive film emits the emitted light,
The wavelength conversion element includes a plurality of stacked unit elements, and absorbs the first light having the first wavelength transmitted through the first transparent conductive film and has the second wavelength. And the converted second light is led to the second transparent conductive film as the emitted light,
The unit element is
A first thin film;
A second thin film formed in contact with the first thin film;
A third thin film formed in contact with the second thin film;
A fourth thin film formed in contact with the third thin film,
The second and third thin films absorb the first light to generate electron-hole pairs, and supply the generated electrons to the fourth thin film,
The fourth thin film recombines the generated electrons with holes to generate the second light,
The second and third thin films included in another basic structure adjacent to the basic structure absorb the first light to generate electron-hole pairs, and the generated holes are converted into the fourth holes. A wavelength converter that supplies thin films .
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、
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、積層された複数の単位素子から成り、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し、
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、波長変換装置。 A wavelength converter that converts incident light having a first wavelength into outgoing light having a second wavelength shorter than the first wavelength, and emits the converted light.
A wavelength conversion element that absorbs the incident light, converts the light into the emitted light, and emits the converted light;
First and second electrodes sandwiching the wavelength conversion element;
A power supply circuit that applies a predetermined voltage between the first electrode and the second electrode;
The first and second electrodes are first and second comb electrodes, respectively.
The wavelength conversion element includes a plurality of stacked unit elements, and absorbs the first light having the first wavelength received through the first comb electrode and has the second wavelength. Converted into second light, and the converted second light is emitted as the emitted light through the second comb electrode,
The unit element is
A first thin film;
A second thin film formed in contact with the first thin film;
A third thin film formed in contact with the second thin film;
A fourth thin film formed in contact with the third thin film,
The second and third thin films absorb the first light to generate electron-hole pairs, and supply the generated electrons to the fourth thin film,
The fourth thin film recombines the generated electrons with holes to generate the second light,
Second and third thin film included in another base structure adjacent to those the basic structure, the first absorbs light to generate electron-hole pairs, the fourth and the generated holes Wavelength converter for supplying thin film .
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１０から請求項１４のいずれか１項に記載の波長変換装置。 The second thin film comprises a first semiconductor thin film having a conduction band in which a first sub-level is formed and a valence band in which a second sub-level is formed;
The third thin film comprises a second semiconductor thin film having a conduction band in which a third sub-level is formed,
The fourth thin film is composed of a third semiconductor thin film having a conduction band in which a fourth sub-level is formed and a valence band in which a fifth sub-level is formed,
The third sub-level is an energy level at which the electrons can move from the first sub-level under application of the predetermined voltage,
The fourth sub-level has an energy level lower than that of the third sub-level under application of the predetermined voltage,
The fifth sub-level has an energy level lower than the second sub-level of the second thin film included in the another basic structure under application of the predetermined voltage,
The first energy gap between the first sub-level and the second sub-level or the second energy gap between the third sub-level and the second sub-level is the first energy level. Substantially equal to the energy value of the light of
The third energy gap between the fourth sub-level and the fifth sub-level is larger than the first and second energy gaps, and substantially equal to the energy value of the second light. The wavelength converter according to any one of claims 10 to 14, which are equal to each other .
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１６に記載の波長変換装置。 The second semiconductor thin film has a band gap larger than the first energy gap;
The wavelength conversion device according to claim 16, wherein the first thin film is formed of a fourth semiconductor thin film having a larger band gap than the third energy gap .
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