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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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