JPWO2017141682A1 - 熱光変換素子および熱電変換素子 - Google Patents

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Abstract

熱光変換素子（２）は、基板（１０）と、基板（１０）上に配置された第１半導体層（１６）と、第１半導体層（１６）上に配置された多重量子井戸層（１４）と、多重量子井戸層（１４）上に配置された第２半導体層（１２）と、第１半導体層（１６）と多重量子井戸層（１４）と第２半導体層（１２）とからなる第１フォトニック結晶(ＰＣ)構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点（１２Ａ）とを備える。多重量子井戸層（１４）は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移により熱からエネルギー変換された光は、第１ＰＣ構造によって任意の方向に伝導可能である。光熱変換とＰＣを用いて熱の伝搬を制御可能、かつ取り扱いが容易な熱光変換素子および熱電変換素子を提供する。

Description

本実施の形態は、熱光変換素子および熱電変換素子に関する。
全てのエネルギーの６５％が、熱に変わることから、熱として捨てられていたエネルギーを再利用できる熱電変換技術や熱光変換技術の技術開発や研究が進められている。
また、熱伝導としては、一般的に、電子による伝導、フォノンによる伝導、および輻射による伝導が知られている。多くの電子機器においては、発熱の問題は信頼性を確保するための大きな要因の一つであり、主に電子による伝導とフォノンによる伝導が影響する。
ここで、電子やフォノンによる熱の伝導は、熱い領域から冷たい領域に移動し、その伝導を制御することは非常に困難である。
その熱の制御を試みる先行研究として、温度によって熱伝導率が変化する材料を組み合わせることで、一方向に熱が伝わりやすい熱整流器（熱ダイオード）の研究（特許文献１、２、３、４、非特許文献１、２、３、４、５）や、１０ｎｍ程度のフォノニック結晶構造を利用して、熱を音と同じように扱うことで熱伝導を小さくしようとする研究や、熱の分布を任意に制御しようとする研究（非特許文献５）が行われているが、特性が悪いか若しくは作製が困難であり、新しく熱を制御できる技術が強く望まれている。
一般的に、熱を音として扱った場合、非特許文献５に示されているように１０ｎｍオーダーのフォノニック結晶構造が必要とされる。これは、熱が、光のフォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）で扱われている横波と異なり、縦波であることに由来する。
その他にも、熱の制御を試みる研究は、行われており、スピンを利用した研究（非特許文献６）がある。しかし、スピンを介した熱の伝導は、外場としてマイクロ波の照射が必要となり、デバイス化には向いていない。
熱の伝導ではないが、物体からの熱輻射のエネルギーを、任意の狭帯域の光に、効率良く変換する技術が報告されている（非特許文献７）。
特開昭６１−２７２５９１号公報 特開昭６３−２６３３９３号公報 米国特許出願公開第２０１０／０１６７００４Ａ１号明細書 国際公開第ＷＯ２０１５／０３０２３９Ａ１号
C.W. Chang, D.Okawa, A.Majumdar, and A.Zettl, "Solid-State Thermal Rectifier", Science VOL314, 17 November (2006)1121 Wataru Kobayashi, Daisuke Sawaki, Tsubasa Omura, Takuro Katsufuji, Yutaka Moritomo, and Ichiro Terasaki, "Thermal Rectification in the Vicinity of a Structural Phase Transition", Appl. Phys. Exp., 5, (2012) 027302 M.Criado-Sancho, L.F.del Castillo, J.Casas-Vazquez, and D.Jou, "Theoretical analysis of thermal rectification in a bulk Si/nanoporous Si device", Phys. Lett., A 376, 1641 (2012) 1641-1644 中山隆介および竹内恒博著、「Ａｌ−Ｃｕ−Ｆｅ準結晶の異常電子熱伝導度を利用した熱整流効果」、2013年春期大会（第１５２回）日本金属学会講演大会概要, Vol.152nd, p.247 (2013) Martin Maldovan, "Sound and heat revolutions in phononics", 14 NOVEMBER 2013, VOL 503, Nature, 209 (2013) T.An, V.I.Vasyuchka, K.Uchida, A.V.Chumak, K.Yamaguchi, K.Harii, J. Ohe, M.B. Jungfleisch, Y. Kajiwara, H. Adachi, B. Hillebrands, S. Maekawa, and E. Saitoh, "Unidirectional spin-wave heat conveyer", Nature Materials, PUBLISHED ONLINE: 21 APRIL 2013, DOI:10.1038/NMAT3628 Menaka De Zoysa, Takashi Asano, Keita Mochizuki, Ardavan Oskooi, Takuya Inoue, and Susumu Noda, "Conversion of broadband to narrowband thermal emission through energy recycling" Nature Photonics LETTERS, PUBLISHED ONLINE: 8 JULY 2012, DOI:10.1038/NPHOTON.2012.146
熱は電子やフォノンによって材料中に拡散してしまい、熱の伝導を任意に制御することは困難である。また、熱を音として扱うことで、熱の伝導を制御する方法が研究されているが、１０ｎｍ程度の周期を持つフォノニック結晶構造を作製する必要があり、２次元、３次元のフォノニック結晶構造を作製することが困難なことは、ＬＳＩなどの最先端技術からも明らかである。現状の技術では、取り扱いが困難で性能が悪い、若しくは作製が難しく商業化が困難であるという技術的な課題がある。
本実施の形態は、光熱変換とフォトニック結晶(ＰＣ)を用いて熱の伝搬を制御可能、かつ取り扱いが容易な熱光変換素子および熱電変換素子を提供する。
本実施の形態の一態様によれば、第１材料層と、前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、前記第１材料層に前記第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造として繰り返し積層された構造と、前記第２材料層に配置され、少なくとも第２次の量子準位を備える量子構造と、周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造によって、熱によって前記量子構造から放出される光をフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１フォトニック結晶構造と、前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記量子構造から放出される光を伝播可能な第２フォトニック結晶構造とを備える熱光変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、第１材料層と、第２材料層と、前記第２材料層を前記第１材料層とで挟みこむように配置された第３材料層と、前記第１材料層と前記第３材料層に、前記第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造として繰り返し積層された構造と、前記第２材料層に配置され、少なくとも第２次の量子準位を備える量子構造と、周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造によって、熱によって前記量子構造から放出される光をフォトニック結晶構造内に閉じ込める第１フォトニック結晶構造と、前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記量子構造から放出される光を伝播する第２フォトニック結晶構造とを備える熱光変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された第２半導体層と、前記第１半導体層と前記多重量子井戸層と前記第２半導体層とからなる第１フォトニック結晶構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点とを備え、前記多重量子井戸層は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移により熱からエネルギー変換された光は、前記第１フォトニック結晶構造によって任意の方向に伝導可能である熱光変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された分布ブラッグ反射層とを備え、前記多重量子井戸層は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移による熱からエネルギー変換された光は、前記多重量子井戸層中を任意の方向に伝導可能である熱光変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、バルク基板と、前記バルク基板に配置され、周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造によって、自由キャリアによる熱輻射によって放出される光がフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１フォトニック結晶構造と、前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記熱輻射によって放出される光が伝播可能な第２フォトニック結晶構造とを備え、前記第２フォトニック結晶構造によって、前記熱輻射によって放出される光が任意の領域に移動し、熱に再変換されることで、熱伝導制御可能である熱光変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置されたノンドープ層と、前記ノンドープ層上に配置された第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記多重量子井戸層と前記ノンドープ層と前記第２半導体層とからなるフォトニック結晶構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点とを備え、前記多重量子井戸層は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移による熱からエネルギー変換された輻射光は、前記第２半導体層と前記第１半導体層間に逆バイアス電圧を印加することで、相対光強度を可変にし、熱伝導制御可能である熱電変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、熱源と、前記熱源により印加された熱から変換された光を周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１フォトニック結晶構造と、前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記熱から変換された光が伝播可能な第２フォトニック結晶構造と、前記第１フォトニック結晶構造の相対的に温度の高い領域に配置された第１電極と、前記第１フォトニック結晶構造の相対的に温度の低い領域に配置された第２電極とを備え、前記第１電極と前記第２電極間において熱起電力を発生する熱電変換素子が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、基板上に配置された第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された第２半導体層と、前記第１半導体層と前記多重量子井戸層と前記第２半導体層とからなる平板上の第１フォトニック結晶構造の平面内に周期的に配置された複数の格子点とを備え、前記多重量子井戸層は、第１材料層と、前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、前記第１材料層に前記第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造として繰り返し積層された積層構造を有する熱光変換素子が提供される。
本実施の形態によれば、光熱変換とフォトニック結晶(ＰＣ)を用いて熱の伝搬を制御可能、かつ取り扱いが容易な熱光変換素子および熱電変換素子を提供することができる。
(ａ)熱電変換素子の性能指数として、ゼーベック係数Ｓ、電気伝導率σとキャリア濃度ｎとの関係を表す模式図、（ｂ）熱電変換素子の性能指数として、熱伝導率κとキャリア濃度ｎとの関係を表す模式図。 （ａ）１次元（１Ｄ）ＰＣの模式的鳥瞰構造図、（ｂ）２次元（２Ｄ）ＰＣの模式的鳥瞰構造図、（ｃ）３次元（３Ｄ）ＰＣの模式的鳥瞰構造図。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、熱光変換の動作原理の説明図であって、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、熱で量子井戸（ＱＷ）の基底準位に存在する電子を第２次のサブバンドに励起させる様子を説明するエネルギーバンドダイヤグラム。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、デバイスの放射スペクトル例。 （ａ）第１の実施の形態に係る熱光変換素子の模式的鳥瞰構造図、（ｂ）図５（ａ）のＡ領域の拡大図、（ｃ）第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、熱で量子井戸（ＱＷ）の基底準位に存在する電子を第２次のサブバンドに励起させる様子および第２次のサブバンド間で発光させる様子を模式的に説明するエネルギーバンドダイヤグラム。 （ａ）第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、光を面直方向の回折や、光を輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、任意の方向に移動させて熱に戻したり、一方向に戻るように設計したりする様子を説明する２ＤＰＣの模式的鳥瞰構造図、（ｂ）熱光変換Ｔ−Ｐの表示の説明図。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、光を輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、任意の方向に移動させて熱に戻す様子を説明する２ＤＰＣの熱コントロール素子の模式的鳥瞰構造図。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、光を輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、一方向に戻るように設計したりする様子を説明する２ＤＰＣの熱ダイオードの模式的鳥瞰構造図。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、第１材料層に第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造ＵＡとして繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラム。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、第１材料層と、第２材料層と、第２材料層を第１材料層とで挟みこむように配置された第３材料層と、第１材料層と第３材料層に、第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造ＵＢとして繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラム。 第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、複数の単位構造ＵＡ、ＵＢ、ＵＣを繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラム。 （ａ）第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系ＰＣ構造において、第１材料層に第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造ＵＤとして繰り返し積層されたその他の構造のエネルギーバンドダイヤグラム、（ｂ）第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、複数の単位構造を繰り返し積層されたその他の構造のエネルギーバンドダイヤグラム。 第２の実施の形態に係る熱光変換素子において、量子準位のサブバンド間エネルギーが整数倍の関係になるように設計したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＭＱＷ構造のエネルギーバンドダイヤグラム。 第２の実施の形態に係る熱光変換素子において、図１３に対応するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣの格子点の配置の説明図。 第３の実施の形態に係る熱光変換素子において、１ＤＰＣを利用した熱ダイオードの模式的断面構造図。 第３の実施の形態に係る熱光変換素子において、１ＤＰＣを利用した熱ダイオードに熱を加えたときの動作説明であって、（ａ）熱源をＤＢＲ側に配置した例、（ｂ）熱源をＭＱＷ側に配置した例。 第４の実施の形態に係る熱光変換素子において、（ａ）ＰＣをある領域の周りに配置して、ＰＣに囲まれた領域だけ熱くする熱コントロール素子の模式的鳥瞰構造図、（ｂ）ＰＣをある領域の周りに配置して、ＰＣに囲まれた領域だけ熱を伝えにくくする熱コントロール素子の模式的鳥瞰構造図。 第５の実施の形態に係る熱光変換素子において、量子井戸（ＱＷ）を有しないバルク基板を適用した２ＤＰＣの熱コントロール素子若しくは熱ダイオードの模式的鳥瞰構造図。 第６の実施の形態において、（ａ）熱ダイオードを複合したＭＱＷ構造の熱電変換素子の模式的鳥瞰構造図、（ｂ）熱ダイオードが無い場合の熱流を表す模式図、（ｃ）熱ダイオードを複合した場合の熱流を表す模式図。 第６の実施の形態に係る熱電変換素子において、熱ダイオードを複合したバルク構造の熱電変換素子の模式的鳥瞰構造図。 第６の実施の形態に係る熱電変換素子のデバイス構造例１（２ＤＰＣ）。 （ａ）第６の実施の形態に係る熱電変換素子の構造例２（３ＤＰＣ）、（ｂ）第６の実施の形態に係る熱電変換素子の構造例３（３ＤＰＣ）。 （ａ）第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、熱伝導率コントロール素子の基本単位構造の模式的鳥瞰構造図、（ｂ）図２３（ａ）に示す基本単位構造において、逆バイアス電圧Ｖrをパラメータとする輻射する光強度の出力特性の模式図。 第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、熱伝導率コントロール素子の１×２アレイ構造の模式的鳥瞰構造図。 第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、（ａ）熱伝導率コントロール素子の３×３アレイ構造の模式的鳥瞰構造図、（ｂ）３×３アレイ構造を上から見たときの表示のイメージ図。 第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、（ａ）１×２アレイ構造の熱コントロールモジュールの模式的鳥瞰構造図、（ｂ）１×２アレイ構造の熱コントロールモジュールの動作説明図。 第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、マルチアレイ構造の熱コントロールモジュールの上から見たときの表示のイメージ図。
次に、図面を参照して、本実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(熱電変換素子の性能)
熱電変換素子の性能指数として、ゼーベック係数Ｓ、電気伝導率σとキャリア濃度ｎとの関係は図１（ａ）に示すように表され、熱伝導率κとキャリア濃度ｎとの関係は図１（ｂ）に示すように表される。
熱電変換素子の無次元性能指数ＺＴは、

ＺＴ＝Ｓ2σ／κ・Ｔ （１）

で表される。
ここで、Ｓはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率を表す。
また、一般的に用いられるｎ型のバルク材料におけるゼーベック係数Ｓは、

Ｓ＝８π2κB 2Ｔ／３ｅｈ2・ｍ*・(π／３ｎ)2/3 （２）

で、表される。ただし、κBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅは電子の電荷素量、ｈはプランク定数、ｍ*は電子の有効質量、ｎはキャリア濃度である。
また、電気伝導率σは、

σ＝ｎｅμ （３）

で表される。ただし、μは電子の移動度である。

また、熱伝導率κは、

κ＝κel＋κph （４）

で表される。ただし、κelは、電子(electron)による熱伝導率、κphは、フォノン(phonon)による熱伝導率を表す。
熱電変換の性能指数を用いて、熱電特性改善の障壁となる２重のトレードオフを説明する。
―ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフ―
熱電変換素子は、図１（ａ）に示すように、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σが、キャリア濃度ｎに対してトレードオフの関係にある。このことは、上記の式（１）、式（２）から明らかである。つまり、キャリア濃度ｎは、ゼーベック係数Ｓの式（２）の分母に入っており、一方電気伝導率σの式（３）の分子に入っており、キャリア濃度ｎが増えると、ゼーベック係数Ｓは小さくなるが、電気伝導率σは大きくなることを意味している。
また、キャリア濃度ｎは、図１（ｂ）に示すように、熱伝導率κにも影響を及ぼす。
特に、フォノン(phonon)による熱伝導率κphは、キャリア濃度ｎに対して一定であるが、電子(electron)による熱伝導率κelは、キャリア濃度ｎの増加と共に増大している。
―Ｓ2σと熱伝導率κのトレードオフ―
また、Ｓ2σとキャリア濃度ｎとの関係は図１（ａ）に示すように表され、熱伝導率κとキャリア濃度ｎとの関係は図１（ｂ）に示すように表される。このため、Ｓ2σと熱伝導率κは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、Ｓ2σと熱伝導率κがキャリア濃度ｎに対してトレードオフの関係にあることから、一般的に熱電変換素子においては、約１０18〜１０19(ｃｍ-3)の範囲のキャリア濃度ｎ３において最も性能が良くなるとされている。
Ｓ2σと熱伝導率κのトレードオフを解消するためには、熱伝導率κを下げることが望ましいが、熱電変換においてはＳ2σと熱伝導率κの関係から最適なキャリア濃度ｎ３が存在するため、構造的でしか熱伝導率κを下げることができない。
熱伝導率κを下げるための構造的な工夫としては、フォノン散乱を増加させることが注目される。すなわち、低次元構造によるフォノン散乱の増大による熱伝導率低減化、原子構造レベルでフォノンが伝わりにくい構造の材料選択による熱伝導率低減化、グレインの微粒子化によるフォノン散乱の増大による熱伝導率低減化等がある。
例えば、周波数１ＴＨｚを想定すると、フォノニック結晶構造は、１０ｎｍ程度の格子定数が必要である。フォノニック結晶構造の場合、扱うのはフォトンではなく、フォノンであるため、屈折率ではなく、材料の密度が重要となる。すなわち、フォノニック結晶構造を伝搬するフォノンの波長λphは、

λph＝ｖs／ｆph （５）

で表される。ここで、ｖsはフォノンの伝搬速度（フォトンの伝搬速度ではない）、
ｆphはフォノンの伝搬周波数を表す。

フォノンの伝搬速度ｖsは、

ｖs＝（Ｅ／ρ）1/2 （６）
で表される。ここで、Ｅはヤング率、ρは密度を表す。シリコンの場合、Ｅ＝１８５ＧＰａ、ρ＝２．３ｇ／ｃｍであり、フォノンの伝搬速度ｖs＝８４００ｍ／ｓ、フォノンの波長λph＝８．４ｎｍとなる。
熱を音として扱った場合、１０ｎｍオーダーのフォノニック結晶構造が必要となることがわかる。これは、熱が、光のＰＣで扱われている横波と異なり、縦波であることに由来する。１０ｎｍ程度のフォノニック結晶構造は、作製が困難である。
[第１の実施の形態]
（光の制御手法―ＰＣ―）
第１の実施の形態に係る熱光変換素子に適用可能な１次元（１Ｄ:One Dimensional）ＰＣの模式的鳥瞰構造は図２（ａ）に示すように表され、２次元（２Ｄ:Two Dimensional）ＰＣの模式的鳥瞰構造は図２（ｂ）に示すように表され、３次元（３Ｄ:Three Dimensional）ＰＣの模式的鳥瞰構造は図２（ｃ）に示すように表される。
ＰＣは、周期的な屈折率分布を持つ光の結晶構造である。ＰＣの格子点の格子定数ａは、光の波長λを材料の屈折率ｎrで割った間隔、すなわちａ＝λ／ｎrで表される。
１ＤＰＣは、例えば、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ:Distributed Bragg Reflector）層に適用可能であり、特定の波長の光だけを反射することができる。
２ＤＰＣおよび３ＤＰＣは、例えば、光導波路に適用可能であり、特定の波長の光だけを伝播したり、光を波長で分岐したりすることができる。また、２ＤＰＣおよび３ＤＰＣは、例えば、回折・反射技術に適用可能であり、 特定の光を閉じ込めることができ、面垂直方向に光を回折することができる。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、熱光変換の動作原理は、図３に示すように表される。すなわち、図３は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ系ＰＣ構造において、熱で量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）の基底準位に存在する電子を第２次のサブバンドに励起させる様子を説明するエネルギーバンドダイヤグラムである。
熱でＱＷの基底準位に存在する電子を第２次のサブバンドに励起させる。その電子が基底準位に戻る際に、サブバンド間エネルギーに相当する赤外光を放出する。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、デバイスの放射スペクトル例は、図４に示すように模式的に表される。曲線ＡＭが多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）＋ＰＣ構造のデバイスの放射スペクトル例、ＢＢは黒体放射スペクトル例である。ＰＣの影響で特定の波長だけが、面垂直方向に回折されて、放出されている。狭帯域になるのは、ＰＣの回折効果によるところもあるが、サブバンド間での発光によってＰＣ内を伝播する光自体が特定波長にロックされている成分のためである。尚、図４は、非特許文献７に開示されたFigure 3に基いて作成した図面である。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子２の模式的鳥瞰構造は、図５（ａ）に示すように表される。また、図５（ａ）のＡ領域の拡大図は、図５（ｂ）に示すように表される。また、第１の実施の形態に係る熱光変換素子２において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、熱で量子井戸（ＱＷ）の基底準位に存在する電子を第２次のサブバンドに励起させる様子および第２次のサブバンド間で発光させる様子を説明するエネルギーバンドダイヤグラムは、模式的に図５（ｃ）に示すように表される。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子２は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、基板１０と、基板１０上に配置された第１半導体層１６と、第１半導体層１６上に配置されたＭＱＷ層１４と、ＭＱＷ層１４上に配置された第２半導体層１２と、第１半導体層１６とＭＱＷ層１４と第２半導体層１２とからなる第１ＰＣ構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点１２Ａとを備える。
ここで、ＭＱＷ層１４は、例えば、図５（ｃ）に示すように、第１材料層２８と、第１材料層２８に接触し、かつ第１材料層２８に挟まれて配置された第２材料層３０とで形成される量子井戸（ＱＷ）構造の多重積層化構造により形成される。
第２材料層３０内には、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、そのサブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ：Intersubband-Transition）を利用することで、熱から光へとエネルギーが変換される。その光は、第１材料層２８と第２材料層３０の積層面と同一の面に形成され、第１半導体層１６・ＭＱＷ層１４・第２半導体層１２・格子点１２Ａからなる第１ＰＣ構造によって任意の方向に伝導可能である。
格子点１２Ａは、第１ＰＣ構造内に周期的に配置され、第２材料層３０の量子準位のサブバンド間エネルギーに相当する波長の光を回折させ、第１ＰＣ構造内に閉じ込め可能である。
格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。図５（ａ）には、格子点１２Ａが三角格子に配置されている例が示されている。
また、格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。図５（ａ）には、格子点１２Ａが円形の形状を備える例が示されている。
図５（ａ）において、基板１０は、例えば、厚さ約６５０μｍのＧａＡｓ基板からなり、シリコン（Ｓｉ）が約１×１０17ｃｍ-3にドープされている。
第１半導体層１６は、このＧａＡｓ基板を厚さ約６５０μｍから約０．６μｍまで薄層化することで形成される。したがって、ｎ型にドープされている。
第１半導体層１６上には、ＭＱＷ層１４および第２半導体層１２が順次形成される。
第２半導体層１２は、例えば、厚さ約０．８μｍを有し、ｐ型にドープされていても良い。
図５（ａ）において、第１半導体層１６・ＭＱＷ層１４・第２半導体層１２からなる３層構造の厚さＤは、例えば、約１．９ｍｍ、ＰＣの格子定数は、例えば、約６．５μｍ、格子点１２Ａが三角格子に配置されたＰＣの長さＬ１は、約２．４ｍｍである。ＰＣ領域のサイズは、約２．４ｍｍ×約２．４ｍｍである。
第１材料層２８は、例えば、厚さ約１３ｎｍを有し、ｎ型にドープされたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層で形成される。第２材料層３０は、例えば、厚さ約６．８ｎｍを有し、ノンドープのＧａＡｓ層で形成される。
ＭＱＷ層１４は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7ＡｓのＱＷ構造を６３周期備え、全体の厚さは、例えば、約１．２５μｍである。
サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）に伴い出力発光される赤外光の波長は、例えば、約９．７μｍである。
また、第２半導体層１２、ＭＱＷ層１４若しくは第１半導体層１６を構成する半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、さらに、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、若しくはＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の内、いずれかを適用可能である。
本来、黒体輻射であれば、熱エネルギーは幅広い波長の光に変換されるが、第１の実施の形態に係る熱光変換素子２は、ＰＣ構造を備えるため、このＰＣ構造によって導波できる波長が決まる。このため、サブバンド間遷移以外に遷移発光は起こらない。したがって、サブバンド間遷移に相当するエネルギー以外の熱エネルギーは光に変換されず、放出されないで、熱のままＰＣに留まる。
また、サブバンド間エネルギーに相当するエネルギーよりも小さい熱エネルギーは熱光変換に寄与しない。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子２において、光を面直方向の回折や、光を輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、任意の方向に移動させて熱に戻したり、一方向に戻るように設計したりする様子を説明する模式的鳥瞰構造は、図６（ａ）に示すように表される。また、熱光変換Ｔ−Ｐの表示の説明は、図６（ｂ）に示すように表される。図６の構造では、基板１０の薄層化は実施していない。
熱光変換Ｔ−Ｐの表示は、図６（ｂ）に示すように、熱に伴うフォノン波ＴＷが、光波ＰＷに変換される様子を表す。１８０ＰＷ１、１８０ＰＷ２は、１８０度回折される光波を模式的に示す。
熱から変換した光は、図６（ａ）の面直方向の光ＶＤに示すように、ＰＣによって面直方向に回折されて、面垂直方向に放射されるはずである。しかしながら、第１の実施の形態に係る熱光変換素子２においては、逆に、光を輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、任意の方向に移動させて熱に戻せれば、熱コントロール素子を実現することができる。また、一方向に戻るように設計できれば、熱ダイオードを実現することができる。また、これらの応用で熱ダイオードを複合した熱電変換素子の熱伝導率を小さくすることが可能となる。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子は、熱エネルギーを音（フォノン）としてではなく、光（フォトン）に変換することで、波の性質を、縦波から横波へ変えることで、１０ｎｍオーダーのフォノニック結晶から、１０μｍオーダーのＰＣ構造として、扱うことが出来るため製造も容易である。
（熱コントロール素子および熱ダイオード）
光を面垂直方向に放出せずに面内に閉じ込めたままで、ＰＣによる光導波路を組み合わせると、光の状態のまま熱を伝播させることが可能である。このため、熱の伝播自体を制御可能となる。最終的に任意の場所で吸収させて、熱に戻すことによって、熱コントロール素子を構成可能である。また、一方向に戻るように設計することによって、熱ダイオードを構成可能である。また、これらの応用で熱ダイオードを複合した熱電変換素子の熱伝導率を小さくすることが可能となり、熱伝導率コントロール素子を構成可能である。
―２ＤＰＣを利用したデバイス例―
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、光を面直方向に輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、任意の方向に移動させて熱に戻す様子を説明する２ＤＰＣの熱コントロール素子２Ｃの模式的鳥瞰構造は、図７に示すように表される。
第１の実施の形態に係る熱コントロール素子２Ｃにおいては、基板１０の薄層化は実施していない。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
第１の実施の形態に係る熱コントロール素子２Ｃは、図７に示すように、第１半導体層１６とＭＱＷ層１４と第２半導体層１２とからなる第１ＰＣ構造の中に、第１ＰＣ構造内を伝播する光が特定の方向に伝播可能な第２ＰＣ構造を備えていても良い。
ここで、第２ＰＣ構造は、図７に示すように、光導波路２２ＧＡ・２２ＧＢを備えていても良い。
また、光導波路２２Ｇを複数備えていても良い。
２次元ＰＣ光導波路は、格子点１２Ａの線欠陥により形成可能である。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子２において、第２ＰＣ構造によって、ＭＱＷ層から放出される光を任意の領域に移動し、熱に再変換されることで、熱伝導制御可能である。
第２ＰＣ構造が、量子構造から放出される光を、任意の領域に向けて伝播可能な熱コントロール素子を備えていても良い。
また、第２ＰＣ構造が、ＭＱＷ層から放出される光を、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝搬可能な熱ダイオードを備えていても良い。
第１の実施の形態に係る熱コントロール素子２Ｃにおいては、熱から変換された光は、ＰＣ内に閉じ込められて、同じＰＣで構成された光導波路２２Ｇを使って熱源側に戻したり、任意の領域に伝播させて、再び光が吸収されて熱に戻るようにすることができる。つまり、光で熱の伝播を制御することができる。
例えば、図７に示すように、熱から変換された光波ＰＷ５・ＰＷ６は、光導波路２２ＧＡを介して熱領域２６Ｈ、２７Ｈに伝搬される。ここで、光導波路２２ＧＡを伝搬する光波ＰＷ７・ＰＷ８は、例えば、互いに反対方向に伝搬して、それぞれ熱領域２６Ｈ、２７Ｈに集中されていても良い。また、熱から変換された光波ＰＷ１・ＰＷ２・ＰＷ３・ＰＷ４は、光導波路２２ＧＢを伝搬して、熱領域２８Ｈに集中されていても良い。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、輻射させずにＰＣの領域に閉じ込めて、一方向に戻るように設計したりする様子を説明する２ＤＰＣの熱ダイオード２Ｄの模式的鳥瞰構造は、図８に示すように表される。
第１の実施の形態に係る熱ダイオード２Ｄにおいては、基板１０の薄層化は実施していない。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
熱光変換Ｔ−Ｐの表示は、図６（ｂ）と同様である。１８０ＰＷ１、１８０ＰＷ２、１８０ＰＷ３は、１８０度回折される光波を模式的に示す。９０ＰＷは、９０度回折される光波を模式的に示す。図８中のＮＶＤで示すように、熱から変換した光は、面直方向には回折されていない。
第１の実施の形態に係る熱ダイオード２Ｄにおいては、熱から変換された光は、ＰＣ内に閉じ込められて、同じＰＣで構成された光導波路２２Ｇ１・２２Ｇ２を使って熱源（ＨＥＡＴ）側に戻したり、任意の領域に伝播させて、再び光が吸収されて熱に戻るようにすることができる。つまり、光で熱の伝播を制御することができる。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子においては、第２ＰＣ構造（光導波路）が、熱を伝えたくない方向とは異なる方向に、熱によって変換された光を伝播する構造を有することで、熱ダイオードが提供される。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子においては、熱コントロール素子や熱ダイオードを実現可能である。
また、第１の実施の形態に係る熱光変換素子においては、熱伝導率を小さくすることができる。このため、本実施の形態に係る熱光変換素子を熱電変換素子に適用した場合には、温度差を大きくすることができ、熱電変換効率を向上可能である。
熱をフォノンのまま取り扱うと、１０ｎｍオーダーのフォノニック結晶の格子定数が必要になるのに対し、光に変換して扱うことで、ミクロンオーダーのＰＣの格子定数で作製できるため、製造にも適している。
尚、光を熱に変換するために光を吸収させる手法としては、一つは半導体中のキャリアとの相互作用がある。メタルのような吸収体（伝播している光に対して透明でない材料）を形成しておくことや、イオン注入技術等で高濃度領域や結晶欠陥を形成しておき、フリーキャリア吸収や欠陥等によって吸収させる手法が可能である。
（層構造のエネルギーバンドダイヤグラム例）
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、第１材料層２８に第２材料層３０が挟まれるように配置された構造を、単位構造ＵＡとして繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラムは、図９に示すように表される。ここで、第１材料層２８はＡｌxＧａ1-xＡｓ層、第２材料層３０はＧａＡｓ層で形成可能である。図９に示すように、第２材料層３０内では、量子準位Ｅ1とＥ2との間で、サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）により、熱光変換が可能である。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、第１材料層２８と、第２材料層３０と、第２材料層３０を、第１材料層２８とで、挟みこむように配置された第３材料層３２と、第１材料層２８と第３材料層３２に、第２材料層３０が挟まれるように配置された構造を、単位構造ＵＢとして繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラムは、図１０に示すように表される。ここで、第１材料層２８はＡｌxＧａ1-xＡｓ層、第２材料層３０はＧａＡｓ層、第３材料層３２は、例えば、ＡｌyＧａ1-yＡｓ層で形成可能である。図１０に示すように、第２材料層３０内では、量子準位Ｅ1とＥ2との間で、サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）により、熱光変換が可能である。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、複数の単位構造ＵＡ、ＵＢ、ＵＣを繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラムは、図１１に示すように表される。ここで、第１材料層２８はＡｌxＧａ1-xＡｓ層、第２材料層３０はＧａＡｓ層、第３材料層３２は、例えば、ＡｌyＧａ1-yＡｓ層で形成可能である。図１１に示すように、第２材料層３０内では、量子準位Ｅ1とＥ2との間で、サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）により、熱光変換が可能である。
第１材料層２８と第２材料層３０の界面の面垂直方向に、必ずしも単位構造ＵＡ・ＵＢと同じ層構成ではなく、かつ主として熱を光に変換する量子構造を第２材料層３０に備える複数の単位構造ＵＡ、ＵＢ、ＵＣが、繰り返し積層されており、第１ＰＣ構造と第２ＰＣ構造によって、量子構造から放出される光を、任意の領域に向けて伝播可能な熱コントロール素子を備えていても良い。
また、第１材料層２８と第２材料層３０の界面の面垂直方向に、必ずしも単位構造ＵＡ・ＵＢと同じ層構成ではなく、かつ主として熱を光に変換する量子構造を第２材料層３０に備える複数の単位構造ＵＡ、ＵＢ、ＵＣが、繰り返し積層されており、第１ＰＣ構造と第２ＰＣ構造によって、量子構造から放出される光を、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝播可能な熱ダイオードを備えていても良い。
第１の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系ＰＣ構造において、第１材料層３４に第２材料層３６が挟まれるように配置された構造により、第１材料層３４と第２材料層３６の片方の界面に形成される三角ポテンシャル井戸構造を、単位構造ＵＤとして繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラムは、図１２（ａ）に示すように表される。第１材料層３４はＡｌＧａＮ層、第２材料層３６はＧａＮ層で形成可能である。図１２（ａ）に示すように、第１材料層３４との片方の界面近傍の第２材料層３６内に形成される量子構造は、三角ポテンシャル井戸構造を備え、量子準位Ｅ1とＥ2との間で、サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）により、熱光変換が可能である。
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣ構造において、第１材料層３４に第２材料層３６が挟まれるように配置された構造により、第１材料層２８と第２材料層３０の両方の界面に形成される三角ポテンシャル井戸構造を、単位構造ＵＥとして繰り返し積層された構造のエネルギーバンドダイヤグラムは、図１２（ｂ）に示すように表される。第１材料層２８はＡｌＧａＡｓ層、第２材料層３０はＧａＡｓ層で形成可能である。図１２（ｂ）に示すように、第１材料層２８との界面近傍の第２材料層３０内に形成される量子構造は、三角ポテンシャル井戸構造を備え、量子準位Ｅ1とＥ2との間で、サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）により、熱光変換が可能である。
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係る熱光変換素子において、量子準位のサブバンド間エネルギーが整数倍の関係になるように設計したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＭＱＷ構造のエネルギーバンドダイヤグラムは、図１３に示すように表される。第２の実施の形態に係る熱光変換素子においてもデバイス構造は、第１の実施の形態と同様の構成を備える。
また、第２の実施の形態に係る熱光変換素子において、図１３に対応するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣの格子点の配置例は、図１４に示すように表される。
図１３に示すように、量子準位のサブバンド間エネルギーが３０ｍｅＶと６０ｍｅＶのように整数倍の関係になるように量子井戸構造を設計することで、サブバンド間遷移によって放出される光の波長は、エネルギーの整数倍の逆数の関係となる。
ここで、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＰＣの格子定数ａは、物質中を伝搬する光の波長λに相当する。格子定数ａ＝４１．４／ｎ（μｍ）とすると、サブバンド間遷移によって放出される光の波長は、エネルギーの整数倍の逆数の関係となることから、図１４に示すように、物質中を伝搬する光の波長λの１／２倍で２０．７／ｎ（μｍ）、物質中を伝搬する光の波長λの１／３倍で１３．８／ｎ（μｍ）となる。ここで、ｎは屈折率を表す。
ＰＣでは、最も短くなる波長の整数倍でＰＣを配置すれば良いことから、もっともサブバンド間遷移のエネルギーが小さい光の波長に対応するＰＣを格子定数ａで形成することで、整数倍のエネルギーを持つ光なら一つのＰＣ構造で回折させることができる。ただし、波長の短い光を波長が長い光のためのＰＣで回折した場合は、回折効率は小さくなる。このため、ＰＣの面積と光がサブバンドで吸収される効率、および熱をどのようにコントロールするかにより、設計の最適値が存在する。
[第３の実施の形態]
第３の実施の形態に係る熱光変換素子において、１ＤＰＣを利用した熱ダイオード３Ｄの模式的断面構造は、図１５に示すように表される。
第３の実施の形態に係る熱光変換素子は、図１５に示すように、ＭＱＷ層２４０と、ＭＱＷ層２４０上に配置されたＤＢＲ層２８０とを備える。
ＤＢＲ層２８０は、一次元のＰＣ構造を備え、任意の材料層の積層化構造で形成可能である。すなわち、図１５に示すように、ＤＢＲ層２８０は、材料層２８０Ａ・２８０Ｂの積層化構造で形成可能である。ＤＢＲ層２８０は、例えば、屈折率の互いに異なる２層の絶縁層の多層化積層構造や、超格子構造などによっても形成可能である。
第３の実施の形態に係る熱光変換素子においても、ＭＱＷ層２４０は、第１の実施の形態におけるＭＱＷ層１４と同様の、層構造のエネルギーバンドダイヤグラムを備えていても良い。すなわち、例えば、図９〜図１２に示す層構造のエネルギーバンドダイヤグラムおよび材料系を備えていても良い。ここで、第２材料層３０内では、量子準位Ｅ1とＥ2との間で、サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）により、熱光変換が可能である。
ＭＱＷ層２４０内においては、図１５中の熱光変換Ｔ−Ｐに示すように、熱光変換動作が行われる。ＤＢＲ層２８０内においては、図１５中の熱光反射変換Ｔ−Ｐ（Ｒ）に示すように、熱を光として反射する動作が行われる。
さらに、第３の実施の形態に係る熱光変換素子においては、図１５に示すように、ＤＢＲ層２８０と対向するＭＱＷ層２４０の裏面側に、吸収層３００を配置しても良い。吸収層３００を配置することで、図１５中の光熱変換Ｐ−Ｔに示すように、光熱の変換効率を増やすことも可能である。また、一部の光は熱に戻らず、図１５中の矢印ＰＡに示すように、外部へ放射される。
―熱をくわえたときのイメージ―
第３の実施の形態に係る熱光変換素子において、１ＤＰＣを利用した熱ダイオード３Ｄに熱を加えたときの動作説明であって、熱源層（ＴＨＳ）３２０をＤＢＲ層２８０の表面側に配置した例は、図１６（ａ）に示すように表され、ＴＨＳ３２０をＤＢＲ層２８０と対向するＭＱＷ層２４０の裏面側に配置した例は、図１６（ｂ）に示すように表される。
ＴＨＳ３２０をＤＢＲ層２８０の表面側に配置した例においては、図１６（ａ）に示すように、ＭＱＷ層２４０は、ＴＨＳ３２０から相対的に遠くに配置されるため、ＭＱＷ層２４０の温度が熱光変換に必要なエネルギーより低くなり、熱光変換の割合が少なくなる。すなわち、図１６（ａ）の右側に配置された矢印内の濃淡で示すように、ＴＨＳ３２０からＤＢＲ層２８０・ＭＱＷ層２４０の裏面まで、ＴＨＳ３２０からの距離に応じて、略一定の温度勾配で、普通に熱が伝導する。
ＴＨＳ３２０をＤＢＲ層２８０と対向するＭＱＷ層２４０の裏面側に配置した例においては、図１６（ｂ）に示すように、ＭＱＷ層２４０は、ＴＨＳ３２０から相対的に近くに配置されるため、ＭＱＷ層２４０には、熱光変換に必要なエネルギーが与えられるため、熱光変換の割合が増える。変換された光は、ＤＢＲ層２８０で反射(回折)されて、熱源層ＴＨＳ３２０側に戻ってき、再び吸収されて熱に戻る。すなわち、図１６（ｂ）の右側に配置された矢印内の濃淡で示すように、熱は光の形で戻されるため、熱が伝わりにくいように見える。
以上の動作説明から明らかなように、第３の実施の形態に係る熱光変換素子は、一方向にだけ熱を伝える熱ダイオードとして振る舞うことがわかる。
[第４の実施の形態]
第４の実施の形態に係る熱コントロール素子４Ｃの構成は、図６（ａ）に示された第１の実施の形態に係る熱光変換素子２と同様である。
（相対熱集中領域ＴＡ）
第４の実施の形態に係る熱光変換素子において、ＰＣをある領域の周りに配置して、ＰＣに囲まれた領域だけ熱くする熱コントロール素子４Ｃの模式的鳥瞰構造は、図１７（ａ）に示すように表される。
第４の実施の形態に係る熱コントロール素子４Ｃは、図１７（ａ）に示すように、第１ＰＣ構造内に配置され、格子点１２Ａの欠陥により形成された相対熱集中領域ＴＡを備えていても良い。
相対熱集中領域ＴＡは、その部分だけ相対的に熱が集中している領域である。
（相対低熱領域ＴＢ）
ＰＣをある領域の周りに配置して、ＰＣに囲まれた領域だけ熱を伝えにくくする熱コントロール素子４Ｃの模式的鳥瞰構造は、図１７（ｂ）に示すように表される。
第４の実施の形態に係る熱コントロール素子４Ｃは、第１ＰＣ構造内に配置され、格子点１２Ａの欠陥により形成された相対低熱領域ＴＢを備えていても良い。
相対低熱領域ＴＢは、その部分だけ相対的に熱が冷えている領域である。
第４の実施の形態に係る熱光変換素子においては、第１ＰＣ構造と、第２ＰＣ構造によって、光が任意の領域に移動し、熱に再変換されることで、熱伝導を制御できる。
第４の実施の形態に係る熱コントロール素子４Ｃによれば、ＰＣをある領域の周りに配置して、ＰＣに囲まれた領域だけ熱くする、若しくは熱を伝えにくくすることができる。
[第５の実施の形態]
第５の実施の形態に係る熱光変換素子２Ｂにおいて、ＱＷを有しないバルク基板２０を適用した２ＤＰＣの熱コントロール素子若しくは熱ダイオードの模式的鳥瞰構造は、図１８に示すように表される。
第５の実施の形態に係る熱光変換素子２Ｂは、図１８に示すように、バルク基板２０と、バルク基板２０からなるＰＣ構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点１２Ａと、ＰＣ構造内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された光導波路２２Ｇ１・２２Ｇ２とを備える。
バルク基板２０には、ＱＷがなくても、自由キャリアにより熱輻射はしている(黒体輻射の原理)。
バルク基板２０を利用することで、熱から光へとエネルギーが変換される。その光は、バルク基板２０内に形成された第１ＰＣ構造によって任意の方向に伝導可能である。
格子点１２Ａは、第１ＰＣ構造内に周期的に配置され、バルク基板２０内で熱から光に変換された光波を回折させ、第１ＰＣ構造内に閉じ込め可能である。
さらに、第１ＰＣ構造の中に、第１ＰＣ構造内を伝播する光が特定の方向に伝播可能なように形成された第２ＰＣ構造を備えていても良い。
第２ＰＣ構造は、光導波路２２Ｇ１・２２Ｇ２を備えていても良い。
また、光導波路を複数備えていても良い。
光導波路は、格子点１２Ａの線欠陥により形成される。
図１８において、光導波路２２Ｇ１・２２Ｇ２中を伝搬する光波ＰＧ１・ＰＧ２は、矢印で示されている。また、バルク基板２０中における熱光変換Ｔ−Ｐを矢印で模式的に表す。
第１ＰＣ構造と、第２ＰＣ構造によって、光が任意の領域に移動し、熱に再変換されることで、熱伝導を制御できる。
熱コントロール素子の視点では、バルク基板２０内に、特定の波長の光波だけを導通可能なＰＣ光導波路を多数の波長の光波ごとに形成すれば(併用できる場合もある)、エネルギー毎にコントロールできる。このため、最終的に熱に戻るときに高い温度で戻るか、低めの温度で熱に戻るかを選択することができる。すなわち、任意の場所に、異なる温度状態を提供することができる。また、多く(幅広い波長)の熱エネルギーを同時に制御できるため、熱の制御に幅が拡げられる。
熱ダイオードの視点では、効率良く熱を伝播できるので、整流性が上がる。熱電変換素子応用を考えると、ＱＷなしの方が熱伝導率を小さく出来る可能性がある。実用面では、超格子構造によるフォノン散乱も関連するので、ＱＷなし構成と超格子構造の両方を組み合わせても良い。
バルク基板２０として、自由キャリアによる熱光変換だけでなく、熱輻射の放射率が高い、例えばセラミック材料のような材料を用いると、より効率的な熱コントロール素子や熱ダイオードをより簡便に作製可能である。この場合、バルク基板２０内に、屈折率差で光を材料中に閉じ込める構造を形成しても良い。
バルク材料であれば焼結などで作製可能であり、１０μｍ程度のＰＣを形成できるような微細な金型を用いれば、大量に作製することも可能になる。
また、自由キャリアによる熱光変換と熱輻射材料のどちらであっても、３ＤＰＣを作製した場合は、３Ｄの全ての方向で光を閉じ込められることから、より自在に熱を制御できるようになる。さらには熱を閉じ込める効果をさらに大きくできる。
ＰＣのマイクロキャビティを用いることで、熱輻射を特定波長で効率良く放出させる研究は、金属を用いた論文で多数ある。しかし、それを放出させずに面内で移動させようとする提案はない。熱コントロールや熱ダイオードの視点では、熱伝導率がより低いセラミックスをバルク基板２０として適用する方が効果は大きい。また、金属によるバルク基板２０では、放射率を非常に高くできる。
尚、上記において、バルク基板とは、基板、基板の上に形成された薄膜、または基板の上に形成された厚膜構造も含めても良い。基板の上の厚膜のことをバルク基板と称することもあるためである。構造自体は、基板だけでも良い。また、半導体系の基板を用いる場合、ＰＣを作成するのが難しいため（深すぎて穴が掘りきれない）、基板＋薄膜/厚膜構造をバルク基板として適用しても良い。セラミック基板の場合は、焼結で形成することもあるため、基板だけでのＰＣ作製も可能である。
[第６の実施の形態]
熱電変換素子において、熱ダイオードを複合したＭＱＷ構造の熱電変換素子８の模式的鳥瞰構造は、図１９（ａ）に示すように表される。各部の詳細は、図８に示す第１の実施の形態と同様である。
第６の実施の形態に係る熱電変換素子８においては、図１９（ａ）に示すように、熱源（ＨＥＡＴ）により印加された熱は、熱光変換Ｔ−Ｐで示されるように、熱から光に変換され、この光は、第１ＰＣ構造内に閉じ込められて、光導波路２２Ｇ１・２２Ｇ２を使って熱源側に戻したり、任意の領域に伝播させて、再び光が吸収されて熱に戻る。つまり、光で熱の伝播を制御可能である。１８０ＰＷ１・１８０ＰＷ２・１８０ＰＷ３は、熱から変換された光（Ｔ−Ｐ）を１８０度回折される光波を模式的に示す。
熱ダイオードが無い場合の熱流の様子は、模式的に図１９（ｂ）の矢印内の濃淡で表される。一方、熱ダイオードを複合した場合の熱流の様子は、模式的に図１９（ｃ）の矢印内の濃淡で表される。
第６の実施の形態に係る熱電変換素子８は、図１９（ｃ）の矢印で示されるように、右側へ運ばれるはずだった熱がなくなる。これは、矢印ＴＢＲで示すように、バケツリレーのように熱を光の形で戻すためである。このため、熱伝導率が小さくなったように見える。結果として、温度差が大きく取れる。すなわち、熱ダイオードを構成可能であり、熱伝導率を小さくすることができる。熱電変換素子としては、温度差が大きくなることに相当し、熱電変換出力を大きくすることができる。
―バルク構造(高キャリア濃度若しくは高放射率材料）―
第６の実施の形態に係る熱電変換素子において、熱ダイオードを複合したバルク構造の熱電変換素子８Ｂの模式的鳥瞰構造は、図２０に示すように表される。各部の詳細は、図１８に示す第５の実施の形態と同様である。
熱電変換素子の場合、材料系によって、ＭＱＷ構造が良いかバルク構造が良いか変わる。量子構造によるゼーベック係数の増大と薄膜多層化による熱伝導率の低減を併用する場合は、ＭＱＷ構造が良い。逆にＢｉＴｅ(またはＰｂＴｅ)系のようなバルク材料系では、微粒子化によるフォノン散乱の増大と併用することが出来る。
（デバイス構造例１：２ＤＰＣ）
第６の実施の形態に係る熱電変換素子８のデバイス構造例１（２ＤＰＣの場合）は、図２１に示すように表される。第６の実施の形態に係る熱電変換素子８のデバイス構造例１は、第２半導体層１２上に、電極ＥＨ・ＥＣを備え、電極ＥＨ・ＥＣ間において、熱起電力ＥＭＦを取り出すことができる。
第６の実施の形態に係る熱電変換素子８は、第２半導体層１２上の相対的に温度の高い領域に配置された電極ＥＨと、第２半導体層１２上の相対的に温度の低い領域に配置された電極ＥＣとを備え、電極ＥＨ・ＥＣ間において熱起電力を発生する。
第６の実施の形態に係る熱電変換素子８は、図２１に示すように、熱源（ＨＥＡＴ）と、熱源（ＨＥＡＴ）により印加された熱から変換された光を周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１ＰＣと、第１ＰＣ内に配置され、熱から変換された光が伝播可能な第２ＰＣと、第１ＰＣの相対的に温度の高い領域に配置されたＨＯＴ ＳＩＤＥ側の電極ＥＨと、第１ＰＣの相対的に温度の低い領域に配置されたＣＯＬＤ ＳＩＤＥ側の電極ＥＣとを備え、電極ＥＨと電極ＥＣ間において熱起電力ＥＭＦを発生する。
熱源（ＨＥＡＴ）により印加された熱は、熱から光に変換され、この光は、２ＤＰＣ構造内に閉じ込められて、例えば、光導波路２２Ｇ１・２２Ｇ２を導波して熱源側に戻され、再びこの光が吸収されて熱に戻る。
図２１に示されるデバイス構造例１（２ＤＰＣの場合）は、熱ダイオードを複合したＭＱＷ構造の熱電変換素子８として構成され、電極ＥＨ・ＥＣ間の温度差を相対的に大きく取ることができるため、電極ＥＨ・ＥＣ間において相対的に大きな出力を得ることができる。
（デバイス構造例２・３：３ＤＰＣ）
第６の実施の形態に係る熱電変換素子９のデバイス構造例２（３ＤＰＣの場合）は、図２２（ａ）に示すように表され、熱電変換素子９のデバイス構造例３（３ＤＰＣの場合）は、図２２（ｂ）に示すように表される。３ＤＰＣの場合は、バルク構造を備えるため、電極の配置は、熱源（ＨＥＡＴ）の位置によって変わる。例えば、熱源（ＨＥＡＴ）を３ＤＰＣの上面近傍に配置した場合には、図２２（ａ）に示すように、３ＤＰＣの熱源（ＨＥＡＴ）の配置される上面にＨＯＴ ＳＩＤＥ側の電極ＥＨを配置し、この上面に対向する下面にＣＯＬＤ ＳＩＤＥ側の電極ＥＣを配置すれば良い。
また、熱源（ＨＥＡＴ）を３ＤＰＣの左側側面に配置した場合には、図２２（ｂ）に示すように、３ＤＰＣのこの側面にＨＯＴ ＳＩＤＥ側の電極ＥＨを配置し、この側面に対向する側面にＣＯＬＤ ＳＩＤＥ側の電極ＥＣを配置すれば良い。
熱源（ＨＥＡＴ）により印加された熱は、熱から光に変換され、この光は、３ＤＰＣ構造内に閉じ込められて、例えば、光導波路を導波して熱源側に戻され、再びこの光が吸収されて熱に戻る。
デバイス構造例２・３（３ＤＰＣの場合）は、熱ダイオードを複合したＭＱＷ構造の熱電変換素子として構成され、電極ＥＨ・ＥＣ間の温度差を相対的に大きく取ることができるため、電極ＥＨ・ＥＣ間において相対的に大きな熱電変換出力を得ることができる。
[第７の実施の形態]
第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、熱伝導率コントロール素子８Ｃの基本単位構造の模式的鳥瞰構造は、図２３（ａ）に示すように表される。また、図２３（ａ）に示す基本単位構造において、逆バイアス電圧Ｖrをパラメータとする輻射する光強度の出力特性は、模式的に図２３（ｂ）に示すように表される。
第７の実施の形態に係る熱伝導率コントロール素子８Ｃは、ｐｉｎダイオード構造＋ＭＱＷ構造を備える。すなわち、図２３（ａ）に示すように、第１導電型の半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置された第１導電型の第１半導体層１６と、第１半導体層１６上に配置されたＭＱＷ層１４と、ＭＱＷ層１４上に配置されたノンドープ(ｉ層)のＧａＡｓ層１５と、ＧａＡｓ層１５上に配置された第２導電型の第２半導体層１２と、第１半導体層１６とＧａＡｓ層１５とＭＱＷ層１４と第２半導体層１２とからなる第１ＰＣ構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点１２Ａとを備える。
ＭＱＷ層１４は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移による熱からエネルギー変換された輻射光は、第２半導体層１２と第１半導体層１６間に逆バイアス電圧を印加することで、相対光強度を可変にし、熱伝導制御可能である。
第２半導体層１２上には、アノード側の電極ＥＡが配置され、第１半導体層１６に対向する半導体基板１０上には、カソード側の電極ＥＫが配置される。
第７の実施の形態においては、第２半導体層１２と接続される電極ＥＡと、第１導電型の半導体基板１０を介して第１半導体層１６と接続される電極ＥＫ間に逆バイアス電圧Ｖrを印加することで、図２３（ｂ）に示すように、熱輻射する光の相対光強度を可変にすることができる。逆バイアス電圧Ｖrの絶対値を増加すると、相対光強度は、減少する傾向が観測されている。
したがって、第７の実施の形態に係る熱伝導率コントロール素子８Ｃによれば、熱光変換の変換効率を可変にすることができ、熱伝導率の制御を行うことができる。
また、第７の実施の形態に係る熱伝導率コントロール素子８Ｃによれば、熱輻射量が多くなると、より多くの熱が移動するので熱伝導率が上がるように働く。セラミックヒータ等における熱輻射の技術を、人工的に創出することできる。
格子点１２Ａは、第１ＰＣ構造内に周期的に配置され、第２材料層３０の量子準位のサブバンド間エネルギーに相当する波長の光を回折させ、第１ＰＣ構造内に閉じ込め可能である。
格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。図２３（ａ）には、格子点１２Ａが正方格子に配置されている例が示されている。
また、格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。図２３（ａ）には、格子点１２Ａが円形の形状を備える例が示されている。
ここで、第７の実施の形態に係る熱伝導率コントロール素子８Ｃのデバイス構造の各層の材料例、数値例は、以下の通りである。
図２３（ａ）において、基板１０は、例えば、厚さ約６５０μｍのＧａＡｓ基板からなり、シリコン（Ｓｉ）が約１×１０17ｃｍ-3でドープされている。
第１半導体層１６は、このＧａＡｓ基板１０上に配置され、厚さ約０．８μｍを有する。第１半導体層１６は、ｎ型にドープされている（約1×１０17ｃｍ-3）。
第１半導体層１６上には、ＭＱＷ層１４が形成されている。
ＭＱＷ層１４は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7ＡｓのＱＷ構造を備え、全体の厚さは、例えば、約０．２μｍである。
第１材料層２８は、例えば、約１３ｎｍのｎ型にドープされたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層で形成され、第２材料層３０は、例えば、約６．８ｎｍの厚さのノンドープのＧａＡｓ層で形成される。
ＭＱＷ層１４上には、ノンドープ(ｉ層)のＧａＡｓ層１５が配置される。ＧａＡｓ層１５の厚さは、約０．２μｍである。
ノンドープ(ｉ層)のＧａＡｓ層１５上には、第２半導体層１２が形成される。
第２半導体層１２は、例えば、厚さ約０．８μｍを有し、ｐ型にドープされている（約１×１０17ｃｍ-3）。
ＰＣの格子定数ａは、例えば、約４．８μｍ、格子点１２Ａの直径は、約０．２ａである。また、格子点１２Ａが配置されたＰＣ領域のサイズは、約１．８ｍｍ×約１．８ｍｍである。
サブバンド間遷移（ＩＳＢ−Ｔ）に伴い出力発光される赤外光の中心波数は、例えば、約１０９０ｃｍ-1である。
（１×２アレイ構造）
第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、熱伝導率コントロール素子８Ｃの１×２アレイ構造の模式的鳥瞰構造は、図２４に示すように表される。
第７の実施の形態に係る熱電変換素子は、図２４に示すように、基本単位構造（図２３（ａ））を備えるデバイスＤＥＶ１およびデバイスＤＥＶ２を１×２アレイ構造に配置しても良い。
デバイスＤＥＶ１およびデバイスＤＥＶ２は、電極ＥＡ・ＥＫ間に０Ｖを印加したとき、矢印ＴＦ（０Ｖ）で示すように、熱はＰＣによって、外部に輻射熱として放射される。この結果、熱伝導率が相対的に上がるようになる。
電極ＥＡ・ＥＫ間に逆バイアス電圧Ｖrを印加していくと、熱輻射が減少していき、矢印ＴＦ（ＲＢＶ）で示すように、熱がＰＣ領域に篭る。この結果、熱伝導率が相対的に悪くなる。
デバイスＤＥＶ１およびデバイスＤＥＶ２に印加する逆バイアス電圧Ｖrを変えることで、熱輻射として放射される光の量が変わるので、それに伴い熱伝導率も変わる。それを利用して、印加する逆バイアス電圧Ｖrを変えることで、熱の伝わりを変化させることができる。
第７の実施の形態に係る熱電変換素子により、熱伝導率コントロール素子を提供することができる。
（熱輻射を利用した赤外線ディスプレイの構造例）
第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、熱伝導率コントロール素子８Ｃの３×３アレイ構造の模式的鳥瞰構造は、図２５（ａ）に示すように表される。また、３×３アレイ構造を上から見たときの表示のイメージ例は、図２５（ｂ）に示すように表される。
第７の実施の形態に係る熱電変換素子は、図２５に示すように、基本単位構造（図２３（ａ））を備えるデバイスＤＥＶを３×３アレイ構造に配置しても良い。
デバイスＤＥＶは、電極ＥＡ・ＥＫ間に０Ｖを印加したとき、矢印ＴＦ（０Ｖ）で示すように、熱はＰＣによって、外部に輻射熱として放射される。この結果、電極ＥＡ・ＥＫ間に０Ｖを印加したＤＥＶの熱伝導率が相対的に上がるようになる。
電極ＥＡ・ＥＫ間に逆バイアス電圧Ｖrを印加していくと、熱輻射が減少していき、熱がＰＣ領域に篭る。この結果、熱伝導率が相対的に悪くなる。
デバイスＤＥＶ１およびデバイスＤＥＶ２に印加する逆バイアス電圧Ｖrを変えることで、熱輻射として放射される光の量が変わるので、それに伴い熱伝導率も変わる。それを利用して、印加する逆バイアス電圧Ｖrを変えることで、熱の伝わりを変化させることができる。
逆バイアスを印加することで、熱輻射がされなくなり、逆バイアスを印加しないと熱輻射されるので、光が放出される。
したがって、第７の実施の形態に係る熱電変換素子により、熱輻射を利用した赤外線ディスプレイを提供することができる。
なお、赤外線ディスプレイの構造は、３×３アレイ構造に限定されず、さらに画素数を増加させても良く、或いは1×３以上のラインセンサを構成しても良い。
（熱コントロールモジュールとしての構造例）
第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、１×２アレイ構造の熱コントロールモジュールの模式的鳥瞰構造は、図２６（ａ）に示すように表される。また、１×２アレイ構造の熱コントロールモジュールの動作説明は、図２６（ｂ）に示すように表される。矢印ＴＦは、熱流（熱の伝わり方）を表している。
第７の実施の形態に係る熱電変換素子は、図２６(ａ)に示すように、基本単位構造（図２３（ａ））を備えるデバイスＤＥＶ１およびデバイスＤＥＶ２を１×２アレイ構造に配置しても良い。
デバイスＤＥＶ１およびデバイスＤＥＶ２は、図２６（ｂ）に示すように、電極Ｅ１・Ｅ２間に０Ｖを印加したとき、熱はＰＣによって、外部に輻射熱として放射される。この結果、熱伝導率が相対的に上がるようになる。
電極ＥＡ・ＥＫ間に逆バイアス電圧（ＲＢＶ）を印加したとき、図２６（ｂ）に示すように、熱輻射がされなくなるので熱がＰＣ領域に篭る。この結果、熱伝導率が相対的に悪くなる。
これらを組み合わせることで、熱流（熱の伝わり方）を変化させることができる。
このため、第７の実施の形態に係る熱電変換素子により、熱伝導率コントロール素子が形成できる。
第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、マルチアレイ構造の熱コントロールモジュールの上から見たときの表示のイメージ例は、図２７に示すように表される。
図２７において、斜線部分は、電極ＥＡ・ＥＫ間に逆バイアス電圧（ＲＢＶ）を印加されているセル領域である。熱輻射がされなくなるので熱がＰＣ領域に篭り、熱伝導率が相対的に悪くなっている。
一方、図２７において、白い部分として模式的に示される領域は、電極ＥＡ・ＥＫ間に０Ｖを印加されているセル領域に対応している。熱はＰＣによって、外部に輻射熱として放射されており、熱伝導率が相対的に上がるようになっている。この部分では、矢印ＴＦで示すような熱の流れが生じている。
第７の実施の形態に係る熱電変換素子であって、マルチアレイ構造の熱コントロールモジュールでは、アレイの数を増やすことで、より厳密に熱の流れＴＦをコントロールすることもできる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、光熱変換とＰＣを用いて熱の伝搬を制御可能、かつ取り扱いが容易な熱コントロール素子、熱ダイオード、熱電変換素子、および熱伝導率コントロール素子を提供することができる。
本実施の形態の熱光変換素子および熱電変換素子は、効率よく熱を伝搬可能であることから、パワーモジュールの放熱用の冷却装置に適用可能である。例えば、本実施の形態の熱光変換素子および熱電変換素子は、ＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール、ＭＯＳモジュール（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ）などの各種の半導体モジュール技術に利用することができ、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）／ＥＶ（Electric Vehicle）向けのインバータ、産業向けのインバータやコンバータなどの放熱用の冷却装置に適用可能である。
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
本実施の形態の熱光変換素子および熱電変換素子は、熱コントロール素子、熱ダイオード、熱起電力を発生する熱電変換素子、熱伝導率コントロール素子に適用可能であり、熱電発電装置、熱電発電システムなど、発電したエネルギーを効率よく供給する装置およびシステムに適用され、モバイル機器、車載機器、産業機器、医療機器などの幅広い分野に適用可能である。
２、２Ｂ…熱光変換素子
２Ｃ、４Ｃ…熱コントロール素子
２Ｄ、３Ｄ…熱ダイオード
８、９…熱電変換素子
８Ｃ…熱伝導率コントロール素子
１０…基板（半導体基板）
１２…第２半導体層
１２Ａ…格子点
１４、２４０…ＭＱＷ層
１５…ノンドープ層(ｉ層)
１６…第１半導体層
２０…バルク基板
２２Ｇ１、２２Ｇ２、２２ＧＡ・２２ＧＢ…光導波路
２６Ｈ、２７Ｈ、２８Ｈ…熱領域
２８、３４…第１材料層
３０、３６…第２材料層
３２…第３材料層
９０ＰＷ…９０度回折される光波
１８０ＰＷ１、１８０ＰＷ２、１８０ＰＷ３…１８０度回折される光波
２８０…ＤＢＲ層
２８０Ａ、２８０Ｂ…ＤＢＲ形成用積層膜
３００…吸収層
３２０…熱源層（ＴＨＳ）
ＴＡ…相対熱集中領域
ＴＢ…相対低熱領域
ＥＨ、ＥＣ、ＥＡ、ＥＫ…電極
Ｔ−Ｐ…熱光変換
Ｔ−Ｐ（Ｒ）…熱光反射変換
Ｐ−Ｔ…光熱変換
ＴＷ…フォノン波
ＰＷ、ＰＷ１、ＰＷ２、ＰＷ３、ＰＷ４、ＰＷ５、ＰＷ６、ＰＷ７、ＰＷ８、ＰＧ１、ＰＧ２…光波
ＨＥＡＴ…熱源
μ…移動度
ｎ…キャリア濃度
σ…電気伝導率
Ｓ…ゼーベック係数
ＺＴ…無次元性能指数
κ…熱伝導率
κel…電子による熱伝導率
κph…フォノンによる熱伝導率
ａ…格子定数

Claims (32)

  1. 第１材料層と、
    前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、
    前記第１材料層に前記第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造として繰り返し積層された構造と、
    前記第２材料層に配置され、少なくとも第２次の量子準位を備える量子構造と、
    周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造によって、熱によって前記量子構造から放出される光をフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１フォトニック結晶構造と、
    前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記量子構造から放出される光を伝播可能な第２フォトニック結晶構造と
    を備えることを特徴とする熱光変換素子。
  2. 第１材料層と、
    第２材料層と、
    前記第２材料層を前記第１材料層とで挟みこむように配置された第３材料層と、
    前記第１材料層と前記第３材料層に、前記第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造として繰り返し積層された構造と、
    前記第２材料層に配置され、少なくとも第２次の量子準位を備える量子構造と、
    周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造によって、熱によって前記量子構造から放出される光をフォトニック結晶構造内に閉じ込める第１フォトニック結晶構造と、
    前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記量子構造から放出される光を伝播する第２フォトニック結晶構造と
    を備えることを特徴とする熱光変換素子。
  3. 前記第１材料層と前記第２材料層の界面の面垂直方向に、かつ主として熱を光に変換する量子構造を前記第２材料層に備える単位構造が、繰り返し積層されており、前記第１フォトニック結晶構造と前記第２フォトニック結晶構造によって、前記量子構造から放出される光を、任意の領域に向けて伝播可能な熱コントロール素子を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱光変換素子。
  4. 前記第１材料層と前記第２材料層の界面の面垂直方向に、かつ主として熱を光に変換する前記量子構造を前記第２材料層に備える単位構造が、繰り返し積層されており、前記第１フォトニック結晶構造と前記第２フォトニック結晶構造によって、前記量子構造から放出される光を、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝播可能な熱ダイオードを備えることを特徴とする請求項３に記載の熱光変換素子。
  5. 前記第２フォトニック結晶構造が、前記量子構造から放出される光を、任意の領域に向けて伝播可能な熱コントロール素子を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱光変換素子。
  6. 前記第２フォトニック結晶構造が、前記量子構造から放出される光を、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝播可能な熱ダイオードを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱光変換素子。
  7. 前記量子構造が、量子井戸構造を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  8. 前記量子構造が、三角ポテンシャル井戸構造を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  9. 前記第２フォトニック結晶構造を複数備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  10. 前記第２フォトニック結晶構造は光導波路を備え、
    前記光導波路の外、もしくは前記光導波路中に、光を熱に変換する構造を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  11. 基板と、
    前記基板上に配置された第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に配置された多重量子井戸層と、
    前記多重量子井戸層上に配置された第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記多重量子井戸層と前記第２半導体層とからなる第１フォトニック結晶構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点と
    を備え、
    前記多重量子井戸層は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移により熱からエネルギー変換された光は、前記第１フォトニック結晶構造によって任意の方向に伝導可能であることを特徴とする熱光変換素子。
  12. 前記第１フォトニック結晶構造の中に、前記第１フォトニック結晶構造内を伝播する光が任意の方向に伝播可能な第２フォトニック結晶構造を備え、
    前記第２フォトニック結晶構造によって、前記多重量子井戸層から放出される光を任意の領域に移動し、熱に再変換されることで、熱伝導制御可能であることを特徴とする請求項１１に記載の熱光変換素子。
  13. 前記第２フォトニック結晶構造が、前記多重量子井戸層から放出される光を、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝搬可能な熱ダイオードを備えることを特徴とする請求項１２に記載の熱光変換素子。
  14. 前記量子準位のサブバンド間エネルギーが整数倍の関係を備え、サブバンド間遷移によって放出される光の波長は、前記整数倍の逆数の関係を備えることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  15. 前記第２フォトニック結晶構造は、光導波路を備えることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  16. 前記光導波路を複数備えることを特徴とする請求項１５に記載の熱光変換素子。
  17. 前記格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  18. 前記格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の熱光変換素子。
  19. 多重量子井戸層と、
    前記多重量子井戸層上に配置された分布ブラッグ反射層と
    を備え、
    前記多重量子井戸層は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移による熱からエネルギー変換された光は、前記多重量子井戸層中を任意の方向に伝導可能であることを特徴とする熱光変換素子。
  20. 前記多重量子井戸層は、前記分布ブラッグ反射層と対向する面に、光からエネルギー変換された熱の吸収層を備えることを特徴とする請求項１９に記載の熱光変換素子。
  21. 前記分布ブラッグ反射層が、前記多重量子井戸層から放出される光を反射すると共に、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝搬可能な熱ダイオードを備えることを特徴とする請求項１９または２０に記載の熱光変換素子。
  22. バルク基板と、
    前記バルク基板に配置され、自由キャリアによる熱輻射によって放出される光が周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１フォトニック結晶構造と、
    前記第１フォトニック結晶構造内に配置され、前記熱輻射によって放出される光が伝播可能な第２フォトニック結晶構造と
    を備え、前記第２フォトニック結晶構造によって、前記熱輻射によって放出される光が任意の領域に移動し、熱に再変換されることで、熱伝導制御可能であることを特徴とする熱光変換素子。
  23. 前記第２フォトニック結晶構造が、前記熱輻射によって放出される光を、熱を伝播させたくない領域と異なる方向に伝搬可能な熱ダイオードを備えることを特徴とする請求項２２に記載の熱光変換素子。
  24. 前記バルク基板は、セラミックス基板を備えることを特徴とする請求項２２または２３に記載の熱光変換素子。
  25. 前記第２半導体層上の相対的に温度の高い領域に配置された第１電極と、
    前記第２半導体層上の相対的に温度の低い領域に配置された第２電極と
    を備え、前記第１電極と前記第２電極間において熱起電力を発生する熱電変換素子を備えることを特徴とする請求項１３に記載の熱光変換素子。
  26. 第１導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に配置された第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に配置された多重量子井戸層と、
    前記多重量子井戸層上に配置されたノンドープ層と、
    前記ノンドープ層上に配置された第２導電型の第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記多重量子井戸層と前記ノンドープ層と前記第２半導体層とからなるフォトニック結晶構造内に周期的に配置され、フォトニックバンドの光波を回折可能な格子点と
    を備え、
    前記多重量子井戸層は、少なくとも第２次までの量子準位が形成され、サブバンド間遷移による熱からエネルギー変換された輻射光は、前記第２半導体層と前記第１半導体層間に逆バイアス電圧を印加することで、相対光強度を可変にし、熱伝導制御可能であることを特徴とする熱電変換素子。
  27. 請求項２６に記載の前記熱電変換素子を複数個ライン状に配置して熱伝導率コントロール素子を備えることを特徴とする熱電変換素子。
  28. 請求項２６に記載の前記熱電変換素子を複数個アレイ状に配置して赤外線ディスプレイを備えることを特徴とする熱電変換素子。
  29. 請求項２６に記載の前記熱電変換素子を複数個ライン状若しくはアレイ状に配置して熱コントロールモジュールを備えることを特徴とする熱電変換素子。
  30. 熱源と、
    前記熱源により印加された熱から変換された光を周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶構造内に閉じ込め可能な第１フォトニック結晶と、
    前記第１フォトニック結晶内に配置され、前記熱から変換された光が伝播可能な第２フォトニック結晶と、
    前記第１フォトニック結晶の相対的に温度の高い領域に配置された第１電極と、
    前記第１フォトニック結晶の相対的に温度の低い領域に配置された第２電極と
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極間において熱起電力を発生することを特徴とする熱電変換素子。
  31. 前記第１フォトニック結晶は、１次元フォトニック結晶、２次元フォトニック結晶若しくは３次元フォトニック結晶を備えることを特徴とする請求項３０に記載の熱電変換素子。
  32. 基板上に配置された第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に配置された多重量子井戸層と、
    前記多重量子井戸層上に配置された第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記多重量子井戸層と前記第２半導体層とからなる平板上の第１フォトニック結晶構造の平面内に周期的に配置された複数の格子点と
    を備え、
    前記多重量子井戸層は、第１材料層と、前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、前記第１材料層に前記第２材料層が挟まれるように配置された構造を、単位構造として繰り返し積層された積層構造を有することを特徴とする熱光変換素子。
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