WO2017141682A1 - 熱光変換素子および熱電変換素子 - Google Patents

熱光変換素子および熱電変換素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2017141682A1
WO2017141682A1 PCT/JP2017/003277 JP2017003277W WO2017141682A1 WO 2017141682 A1 WO2017141682 A1 WO 2017141682A1 JP 2017003277 W JP2017003277 W JP 2017003277W WO 2017141682 A1 WO2017141682 A1 WO 2017141682A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
conversion element
light
photonic crystal
layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/003277
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和也 長瀬
國美 岡本
Original Assignee
ローム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ローム株式会社 filed Critical ローム株式会社
Priority to JP2018500016A priority Critical patent/JPWO2017141682A1/ja
Publication of WO2017141682A1 publication Critical patent/WO2017141682A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/857—Thermoelectric active materials comprising compositions changing continuously or discontinuously inside the material

Definitions

  • the present embodiment relates to a heat-light conversion element and a thermoelectric conversion element.
  • thermoelectric conversion technology Since 65% of all energy is converted to heat, technological development and research on thermoelectric conversion technology and heat-light conversion technology that can recycle energy that has been discarded as heat is being promoted.
  • heat conduction conduction by electrons, conduction by phonons, and conduction by radiation are generally known.
  • the problem of heat generation is one of the major factors for ensuring reliability, and is mainly influenced by conduction by electrons and conduction by phonons.
  • Non-Patent Document 5 As a previous study to try to control the heat, research on thermal rectifiers (thermal diodes) that easily transmit heat in one direction by combining materials whose thermal conductivity changes with temperature (Patent Documents 1, 2, 3, 4, Non-Patent Documents 1, 2, 3, 4, 5), research that attempts to reduce heat conduction by using heat in the same way as sound using phononic crystal structures of about 10 nm, and distribution of heat Although research to be arbitrarily controlled (Non-Patent Document 5) has been carried out, a new technology that can control heat is strongly desired because the characteristics are poor or fabrication is difficult.
  • Non-Patent Document 5 when heat is treated as sound, a phononic crystal structure of the order of 10 nm is required as shown in Non-Patent Document 5. This is due to the fact that heat is a longitudinal wave, unlike a transverse wave that is handled by a photonic crystal (PC) of light.
  • PC photonic crystal
  • Non-Patent Document 6 heat conduction via spin requires microwave irradiation as an external field and is not suitable for device formation.
  • Non-Patent Document 7 Although it is not heat conduction, a technique for efficiently converting the energy of heat radiation from an object into arbitrary narrow-band light has been reported (Non-Patent Document 7).
  • the heat is diffused into the material by electrons and phonons, and it is difficult to arbitrarily control the heat conduction.
  • methods for controlling heat conduction by treating heat as sound have been studied.
  • LSI state-of-the-art technology
  • This embodiment provides a heat-light conversion element and a thermoelectric conversion element that can control heat propagation using photothermal conversion and a photonic crystal (PC) and are easy to handle.
  • PC photonic crystal
  • a photonic structure having a periodic refractive index distribution a structure in which a structure arranged in a unit structure is repeatedly stacked as a unit structure, a quantum structure arranged in the second material layer and having at least a second-order quantum level
  • a thermal-light conversion element comprising a second photonic crystal structure capable of propagating light.
  • a thermo-optic conversion element comprising a second photonic crystal structure disposed within the first photonic crystal structure and propagating light emitted from the quantum structure.
  • a substrate, a first semiconductor layer disposed on the substrate, a multiple quantum well layer disposed on the first semiconductor layer, and the multiple quantum well layer Are periodically disposed in a first photonic crystal structure comprising a second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer, the first semiconductor layer, the multiple quantum well layer, and the second semiconductor layer.
  • the multi-quantum well layer includes at least second-order quantum levels, and light converted from heat by intersubband transition has the first photonic crystal structure. Provides a thermo-optic conversion element that can conduct in any direction.
  • a multi-quantum well layer and a distributed Bragg reflector layer disposed on the multi-quantum well layer are provided, and the multi-quantum well layer includes at least second order quantum wells.
  • a thermo-optic conversion element in which a level is formed and light converted from heat due to intersubband transition can be conducted in any direction in the multiple quantum well layer.
  • light emitted by thermal radiation from free carriers is photonic by the bulk substrate and the photonic crystal structure disposed on the bulk substrate and having a periodic refractive index distribution.
  • a first photonic crystal structure that can be confined in a crystal structure; and a second photonic crystal structure that is disposed in the first photonic crystal structure and capable of propagating light emitted by the thermal radiation, With the second photonic crystal structure, the light emitted by the heat radiation moves to an arbitrary region and is converted back to heat, thereby providing a heat-light conversion element capable of controlling heat conduction.
  • a multiple quantum well layer; a non-doped layer disposed on the multiple quantum well layer; a second semiconductor layer of a second conductivity type disposed on the non-doped layer; the first semiconductor layer; and the multiple quantum well layer And a lattice point periodically arranged in a photonic crystal structure composed of the non-doped layer and the second semiconductor layer and capable of diffracting a photonic band light wave, wherein the multiple quantum well layer includes at least a second quantum well layer.
  • the radiant light in which quantum levels up to the next are formed and energy converted from heat due to the transition between subbands, is applied with a reverse bias voltage between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer, thereby reducing the relative light intensity.
  • Variable and heat conduction Thermoelectric conversion element is provided a control possible.
  • a heat source and a first photonic crystal capable of confining light converted from heat applied by the heat source in a photonic crystal structure having a periodic refractive index distribution A structure, a second photonic crystal structure disposed in the first photonic crystal structure and capable of propagating light converted from the heat, and a relatively high temperature region of the first photonic crystal structure.
  • a first electrode disposed; and a second electrode disposed in a relatively low temperature region of the first photonic crystal structure, wherein a thermoelectromotive force is generated between the first electrode and the second electrode.
  • a thermoelectric conversion element is provided.
  • the first semiconductor layer disposed on the substrate, the multiple quantum well layer disposed on the first semiconductor layer, and the multiple quantum well layer are disposed.
  • the multiple quantum well layer includes a first material layer, a second material layer disposed in contact with the first material layer, and the second material layer sandwiched between the first material layers.
  • a thermo-optic conversion element having a laminated structure in which the arranged structure is repeatedly laminated as a unit structure is provided.
  • thermoelectric conversion element that can control heat propagation using photothermal conversion and a photonic crystal (PC) and are easy to handle.
  • thermoelectric conversion element (a) Schematic diagram showing the relationship between Seebeck coefficient S, electrical conductivity ⁇ , and carrier concentration n as the performance index of the thermoelectric conversion element, (b) Thermal conductivity ⁇ and carrier concentration n as the performance index of the thermoelectric conversion element The schematic diagram showing the relationship.
  • A Typical bird's-eye view structure diagram of one-dimensional (1D) PC, (b) Two-dimensional (2D) PC diagrammatic bird's-eye view structure diagram, (c) Three-dimensional (3D) PC diagrammatic bird's-eye view structure diagram.
  • thermo-optic conversion element In the thermo-optic conversion element according to the first embodiment, it is an explanatory diagram of the principle of thermo-optic conversion, and exists in the ground level of the quantum well (QW) due to heat in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure An energy band diagram for explaining a state in which electrons to be excited are excited in the secondary subband.
  • QW quantum well
  • thermo-optic conversion element in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure, the electrons existing in the ground level of the quantum well (QW) are thermally excited to the second subband and light is emitted between the second subbands.
  • QW quantum well
  • FIG. 2 is a schematic bird's-eye view structural diagram of 2DPC for explaining a state of designing so as to return in one direction, and (b) an explanatory diagram of display of heat-light conversion TP.
  • FIG. 2 is a schematic bird's-eye view of a 2DPC thermal control element for explaining how the thermal-light conversion element according to the first embodiment is confined in a PC area without radiating light, moved in an arbitrary direction, and returned to heat. Structural drawing. Schematic bird's-eye view structure of a 2DPC thermal diode for explaining how the thermal-light conversion element according to the first embodiment is designed to be confined in a PC region without radiating light and to return to one direction. Figure.
  • thermo-optic conversion device in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure, a structure in which the second material layer is sandwiched between the first material layers is repeatedly stacked as the unit structure UA. Energy band diagram of the constructed structure.
  • thermo-optic conversion device in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure, the first material layer, the second material layer, and the second material layer are sandwiched between the first material layers.
  • 4 is an energy band diagram of a structure in which a plurality of unit structures UA, UB, and UC are repeatedly stacked in an AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure in the thermo-optic conversion device according to the first embodiment.
  • thermo-optic conversion element in the AlGaN / GaN / AlGaN-based PC structure, the structure arranged so that the second material layer is sandwiched between the first material layers is a unit structure UD.
  • B Others in which a plurality of unit structures are repeatedly laminated in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure in the thermo-optic conversion device according to the first embodiment.
  • Energy band diagram of the structure FIG. 6 is an energy band diagram of an AlGaAs / GaAs / AlGaAs MQW structure designed so that the energy between subbands of quantum levels has an integer multiple relationship in the thermo-optic conversion device according to the second embodiment.
  • thermo-optic conversion element 14 is an explanatory diagram of an arrangement of lattice points of an AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC corresponding to FIG. 13 in the thermo-optic conversion element according to the second embodiment.
  • movement description when heat is added to the thermal diode using 1DPC Comprising: (a) The example which has arrange
  • FIG. 10 is a schematic bird's-eye view of a 2DPC thermal control element or a thermal diode to which a bulk substrate having no quantum well (QW) is applied in the thermo-optic conversion element according to the fifth embodiment.
  • QW quantum well
  • thermoelectric conversion element having an MQW structure combined with a thermal diode
  • thermoelectric conversion element which concerns on 6th Embodiment
  • thermoelectric conversion element according to a seventh embodiment which is a schematic bird's-eye view of the basic unit structure of the thermal conductivity control element
  • thermoelectric conversion element which concerns on 7th Embodiment, Comprising: The typical bird's-eye view structure figure of 1x2 array structure of a thermal conductivity control element.
  • thermoelectric conversion element which concerns on 7th Embodiment, Comprising: (a) Typical bird's-eye view structure figure of 3x3 array structure of thermal conductivity control element, (b) When seeing 3x3 array structure from the top Image of the display. It is a thermoelectric conversion element which concerns on 7th Embodiment, Comprising: (a) Typical bird's-eye view structure figure of thermal control module of 1x2 array structure, (b) Operation explanatory drawing of thermal control module of 1x2 array structure . It is a thermoelectric conversion element which concerns on 7th Embodiment, Comprising: The image figure of a display when it sees from the top of the thermal control module of a multi-array structure.
  • thermoelectric conversion element As a figure of merit of the thermoelectric conversion element, the relationship between Seebeck coefficient S, electrical conductivity ⁇ , and carrier concentration n is expressed as shown in FIG. 1A, and the relationship between thermal conductivity ⁇ and carrier concentration n is shown in FIG. It is expressed as shown in (b).
  • ⁇ B is the Boltzmann constant
  • T is the absolute temperature
  • e is the elementary charge of electrons
  • h is the Planck constant
  • m * is the effective mass of electrons
  • n is the carrier concentration.
  • thermoelectric conversion figure of merit we will explain the double trade-off that becomes a barrier to improving thermoelectric properties.
  • the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity ⁇ are in a trade-off relationship with the carrier concentration n.
  • the carrier concentration n is in the denominator of the equation (2) of the Seebeck coefficient S, while it is in the numerator of the equation (3) of the electrical conductivity ⁇ , and when the carrier concentration n is increased, the Seebeck coefficient S is Although it becomes small, it means that the electric conductivity ⁇ becomes large.
  • the carrier concentration n also affects the thermal conductivity ⁇ as shown in FIG.
  • the thermal conductivity ⁇ ph due to phonons is constant with respect to the carrier concentration n, but the thermal conductivity ⁇ el due to electrons increases as the carrier concentration n increases.
  • thermoelectric conversion element has the best performance at a carrier concentration n3 in the range of about 10 18 to 10 19 (cm ⁇ 3 ).
  • the thermal conductivity ⁇ In order to eliminate the trade-off between S 2 ⁇ and thermal conductivity ⁇ , it is desirable to lower the thermal conductivity ⁇ .
  • the optimum carrier concentration n3 is determined from the relationship between S 2 ⁇ and thermal conductivity ⁇ . Since it exists, the thermal conductivity ⁇ can be lowered only by the structure.
  • thermal conductivity is reduced by increasing phonon scattering due to the low-dimensional structure
  • thermal conductivity is reduced by selecting a material that is difficult to transmit phonons at the atomic structure level
  • thermal conductivity is reduced by increasing phonon scattering due to finer grains.
  • the phononic crystal structure needs a lattice constant of about 10 nm.
  • a phononic crystal structure of the order of 10 nm is required when heat is treated as sound. This is due to the fact that the heat is a longitudinal wave, unlike the transverse wave that is handled by an optical PC. A phononic crystal structure of about 10 nm is difficult to produce.
  • FIG. 2A A schematic bird's-eye view structure of a one-dimensional (1D: One Dimensional) PC applicable to the heat-light conversion element according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. 2A, and is two-dimensional (2D: Two Dimensional).
  • FIG. 2B A schematic bird's-eye view structure of a PC is represented as shown in FIG. 2B, and a schematic bird's-eye structure of a three-dimensional (3D) PC is represented as shown in FIG. 2C.
  • PC is a crystal structure of light having a periodic refractive index distribution.
  • 1DPC can be applied to, for example, a distributed Bragg reflection (DBR) layer, and can reflect only light of a specific wavelength.
  • DBR distributed Bragg reflection
  • 2DPC and 3DPC can be applied to, for example, an optical waveguide, and can propagate only light of a specific wavelength or branch light by wavelength.
  • 2DPC and 3DPC can be applied to, for example, a diffraction / reflection technique, can confine specific light, and can diffract light in the direction perpendicular to the surface.
  • FIG. 3 shows that in the Al 0.3 Ga 0.7 As / GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As-based PC structure, electrons existing in the ground level of a quantum well (QW) are thermally converted into secondary subbands. It is an energy band diagram explaining a mode to be excited.
  • QW quantum well
  • the electrons in the ground level of QW are excited to the secondary subband by heat.
  • infrared light corresponding to intersubband energy is emitted.
  • thermo-optic conversion element an example of the emission spectrum of the device is schematically represented as shown in FIG.
  • the curve AM is an example of a radiation spectrum of a device having a multi-quantum well (MQW) + PC structure
  • BB is an example of a black body radiation spectrum. Only a specific wavelength is diffracted and emitted in the direction perpendicular to the plane due to the influence of PC.
  • the narrow band is due to a component in which the light propagating in the PC by light emission between the subbands is locked to a specific wavelength, although there is a place due to the diffraction effect of the PC.
  • 4 is a drawing created based on FIG. 3 disclosed in Non-Patent Document 7.
  • FIG. 7 Non-Patent Document 7.
  • thermo-optic conversion element 2 in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure, electrons existing in the ground level of the quantum well (QW) due to heat are converted into the secondary subband.
  • QW quantum well
  • the thermal-light conversion element 2 includes a substrate 10, a first semiconductor layer 16 disposed on the substrate 10, 1st PC structure which consists of MQW layer 14 arrange
  • the MQW layer 14 is in contact with the first material layer 28 and the first material layer 28, and is disposed between the first material layers 28. It is formed by a multi-layered structure having a quantum well (QW) structure formed by two material layers 30.
  • QW quantum well
  • the second material layer 30 quantum levels up to the second order are formed, and energy is converted from heat to light by utilizing the intersubband-transition (ISB-T). Is done.
  • the light is formed on the same plane as the laminated surface of the first material layer 28 and the second material layer 30, and has a first PC structure comprising the first semiconductor layer 16, the MQW layer 14, the second semiconductor layer 12, and the lattice points 12A. Can conduct in any direction.
  • the lattice points 12A are periodically arranged in the first PC structure, can diffract light having a wavelength corresponding to the intersubband energy of the quantum level of the second material layer 30, and can be confined in the first PC structure.
  • the lattice points 12A may be arranged in any of a square lattice, a rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice, or a triangular lattice.
  • FIG. 5A shows an example in which the lattice points 12A are arranged in a triangular lattice.
  • the lattice point 12A may have any shape of a polygon, a circle, an ellipse, or an oval.
  • FIG. 5A shows an example in which the lattice point 12A has a circular shape.
  • the substrate 10 is made of, for example, a GaAs substrate having a thickness of about 650 ⁇ m, and silicon (Si) is doped to about 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the first semiconductor layer 16 is formed by thinning the GaAs substrate from about 650 ⁇ m to about 0.6 ⁇ m. Therefore, it is doped n-type.
  • the MQW layer 14 and the second semiconductor layer 12 are sequentially formed on the first semiconductor layer 16.
  • the second semiconductor layer 12 has, for example, a thickness of about 0.8 ⁇ m and may be doped p-type.
  • the thickness D of the three-layer structure including the first semiconductor layer 16, the MQW layer 14, and the second semiconductor layer 12 is about 1.9 mm, for example, and the lattice constant of PC is about 6 for example.
  • the length L1 of the PC in which .5 ⁇ m and the lattice points 12A are arranged in a triangular lattice is about 2.4 mm.
  • the size of the PC area is about 2.4 mm ⁇ about 2.4 mm.
  • the first material layer 28 has, for example, a thickness of about 13 nm and is formed of an n 0.3 doped Al 0.3 Ga 0.7 As layer.
  • the second material layer 30 has, for example, a thickness of about 6.8 nm and is formed of a non-doped GaAs layer.
  • the MQW layer 14 includes 63 periods of a QW structure of Al 0.3 Ga 0.7 As / GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As, and the total thickness is, for example, about 1.25 ⁇ m.
  • the wavelength of the infrared light emitted by the intersubband transition (ISB-T) is, for example, about 9.7 ⁇ m.
  • the semiconductor material constituting the second semiconductor layer 12, the MQW layer 14, or the first semiconductor layer 16 is silicon (Si), GaAs, GaN, InP, SiGe / Si system, AlGaAs / GaAs system, AlGaN / GaN. Any one of the system, GaInAsP / InP system, InGaAs / GaAs system, GaInNAs / GaAs system, GaAlInAs / InP system, AlGaInP / GaAs system, or GaInN / GaN system is applicable.
  • thermo-optic conversion element 2 in the case of black body radiation, thermal energy is converted into light having a wide range of wavelengths.
  • thermo-optic conversion element 2 since the thermo-optic conversion element 2 according to the first embodiment has a PC structure, it can be guided by this PC structure. The wavelength is determined. For this reason, no transition emission occurs other than the transition between subbands. Therefore, thermal energy other than the energy corresponding to the transition between subbands is not converted into light and is not emitted, but remains in the PC with heat.
  • thermal energy smaller than the energy corresponding to intersubband energy does not contribute to heat-light conversion.
  • the light is confined in the area of the PC without being diffracted in the direction perpendicular to the plane, or the light is radiated, and the light is moved in an arbitrary direction and returned to heat.
  • a schematic bird's-eye view structure for explaining how to design to return to the direction is represented as shown in FIG.
  • the description of the display of the heat-light conversion TP is expressed as shown in FIG. In the structure of FIG. 6, the substrate 10 is not thinned.
  • the display of the heat-light conversion TP represents a state where the phonon wave TW accompanying heat is converted into the light wave PW, as shown in FIG. 6B.
  • 180PW1 and 180PW2 schematically show light waves diffracted by 180 degrees.
  • the light converted from heat should be diffracted by the PC in the direction perpendicular to the plane and emitted in the direction perpendicular to the plane, as shown by the light VD in the direction perpendicular to the plane of FIG.
  • the heat control element Can be realized.
  • a thermal diode can be realized.
  • the heat-light conversion element converts the thermal energy from light (photons), not as sound (phonons), to change the wave properties from longitudinal waves to transverse waves, thereby increasing the wavelength to 10 nm.
  • Manufacture is also easy because it can be handled as a 10 ⁇ m order PC structure from an order phononic crystal.
  • thermoelectric control element and thermal diode If light waveguides are confined in the plane without emitting light in the direction perpendicular to the plane, and an optical waveguide based on PC is combined, heat can be propagated in the light state. For this reason, the propagation of heat itself can be controlled.
  • the thermal control element can be constructed by finally absorbing it at an arbitrary place and returning it to heat.
  • a thermal diode can be constructed by designing it to return in one direction.
  • the substrate 10 is not thinned.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the thermal control element 2 ⁇ / b> C includes a first PC structure including a first semiconductor layer 16, an MQW layer 14, and a second semiconductor layer 12.
  • the 2nd PC structure in which the light which propagates can propagate in a specific direction may be provided.
  • the second PC structure may include optical waveguides 22GA and 22GB.
  • a plurality of optical waveguides 22G may be provided.
  • the two-dimensional PC optical waveguide can be formed by a line defect at the lattice point 12A.
  • the heat conduction can be controlled by moving the light emitted from the MQW layer to an arbitrary region by the second PC structure and reconverting it into heat. .
  • the second PC structure may include a thermal control element capable of propagating light emitted from the quantum structure toward an arbitrary region.
  • the second PC structure may include a thermal diode capable of propagating light emitted from the MQW layer in a direction different from a region where heat is not desired to propagate.
  • the light converted from heat is confined in the PC and returned to the heat source side using the optical waveguide 22G configured by the same PC, or an arbitrary It can be propagated to the region so that light is again absorbed and returned to heat. That is, the propagation of heat can be controlled by light.
  • the light waves PW5 and PW6 converted from heat are propagated to the heat regions 26H and 27H through the optical waveguide 22GA.
  • the light waves PW7 and PW8 propagating through the optical waveguide 22GA may propagate in opposite directions to be concentrated in the heat regions 26H and 27H, respectively.
  • the light waves PW1, PW2, PW3, and PW4 converted from heat may propagate through the optical waveguide 22GB and be concentrated in the heat region 28H.
  • thermo-optic conversion element In the thermo-optic conversion element according to the first embodiment, a schematic bird's-eye view structure of a 2DPC thermal diode 2D for explaining a state of being designed to be confined in a PC region without being radiated and returned in one direction is as follows: , As shown in FIG.
  • the substrate 10 is not thinned.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the display of the heat-light conversion TP is the same as in FIG. 180PW1, 180PW2, and 180PW3 schematically represent light waves that are diffracted by 180 degrees.
  • 90PW schematically shows a light wave diffracted by 90 degrees.
  • NVD As indicated by NVD in FIG. 8, light converted from heat is not diffracted in the direction perpendicular to the plane.
  • thermal diode 2D In the thermal diode 2D according to the first embodiment, light converted from heat is confined in the PC and returned to the heat source (HEAT) side using the optical waveguides 22G1 and 22G2 configured by the same PC. Or, it can be propagated to an arbitrary region so that light is absorbed again and returned to heat. That is, the propagation of heat can be controlled by light.
  • HEAT heat source
  • the second PC structure (optical waveguide) has a structure for propagating light converted by heat in a direction different from the direction in which heat is not desired to be transmitted.
  • a thermal diode is provided.
  • thermo light conversion element In the thermal light conversion element according to the first embodiment, a thermal control element or a thermal diode can be realized.
  • thermo-optic conversion element according to the first embodiment, the thermal conductivity can be reduced. For this reason, when the thermo-optic conversion element concerning this Embodiment is applied to a thermoelectric conversion element, a temperature difference can be enlarged and thermoelectric conversion efficiency can be improved.
  • the lattice constant of a phononic crystal on the order of 10 nm is required, but by converting it to light, it can be produced with the lattice constant of a micron order PC, making it suitable for manufacturing. Yes.
  • One method for absorbing light in order to convert light into heat is interaction with carriers in the semiconductor.
  • Form an absorber such as metal (a material that is not transparent to propagating light), or form high-concentration regions or crystal defects using ion implantation techniques, etc. Can be absorbed by
  • thermo-optic conversion device in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure, a structure in which the second material layer 30 is sandwiched between the first material layers 28 is defined as a unit structure UA.
  • An energy band diagram of a structure in which the layers are repeatedly stacked is expressed as shown in FIG.
  • the first material layer 28 can be formed of an Al x Ga 1-x As layer
  • the second material layer 30 can be formed of a GaAs layer.
  • heat-light conversion is possible between the quantum levels E 1 and E 2 by the intersubband transition (ISB-T).
  • thermo-optic conversion device in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure, the first material layer 28, the second material layer 30, the second material layer 30 are replaced with the first material layer 28.
  • the structure in which the second material layer 30 is sandwiched between the third material layer 32 disposed so as to be sandwiched between the first material layer 28 and the third material layer 32 is repeated as a unit structure UB.
  • the energy band diagram of the laminated structure is expressed as shown in FIG.
  • the first material layer 28 can be formed of an Al x Ga 1-x As layer
  • the second material layer 30 can be formed of a GaAs layer
  • the third material layer 32 can be formed of, for example, an Al y Ga 1-y As layer.
  • heat-light conversion is possible between quantum levels E 1 and E 2 by intersubband transition (ISB-T).
  • FIG. 11 shows an energy band diagram of a structure in which a plurality of unit structures UA, UB, and UC are repeatedly stacked in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC structure in the thermo-optic conversion element according to the first embodiment.
  • the first material layer 28 can be formed of an Al x Ga 1-x As layer
  • the second material layer 30 can be formed of a GaAs layer
  • the third material layer 32 can be formed of, for example, an Al y Ga 1-y As layer.
  • heat-light conversion is possible between quantum levels E 1 and E 2 by intersubband transition (ISB-T).
  • the second material layer 30 has a quantum structure that does not necessarily have the same layer structure as the unit structures UA and UB and mainly converts heat into light.
  • a plurality of unit structures UA, UB, and UC are repeatedly stacked, and the first PC structure and the second PC structure include a thermal control element capable of propagating light emitted from the quantum structure toward an arbitrary region. May be.
  • the quantum structure that mainly converts heat into light is not necessarily formed in the same layer configuration as the unit structures UA and UB.
  • a plurality of unit structures UA, UB, and UC are prepared and repeatedly stacked, and the first PC structure and the second PC structure allow light emitted from the quantum structure to propagate in a different direction from the region where heat is not desired to propagate.
  • An appropriate thermal diode may be provided.
  • the first material layer in the AlGaN / GaN / AlGaN-based PC structure, has a structure in which the second material layer 36 is sandwiched between the first material layers 34.
  • An energy band diagram of a structure in which a triangular potential well structure formed at one interface of the second material layer 36 and the second material layer 36 is repeatedly stacked as a unit structure UD is expressed as shown in FIG.
  • the first material layer 34 can be formed of an AlGaN layer
  • the second material layer 36 can be formed of a GaN layer.
  • the quantum structure formed in the second material layer 36 near one interface with the first material layer 34 has a triangular potential well structure, and has quantum levels E 1 and E 1. between 2, the intersubband transition (ISB-T), can be heat light conversion.
  • ISB-T intersubband transition
  • the first material layer 34 is sandwiched between the first material layers 34 in the AlGaAs / GaAs / AlGaAs-based PC structure.
  • An energy band diagram of a structure in which the triangular potential well structure formed at the interface between both the layer 28 and the second material layer 30 is repeatedly stacked as the unit structure UE is expressed as shown in FIG.
  • the first material layer 28 can be formed of an AlGaAs layer
  • the second material layer 30 can be formed of a GaAs layer.
  • the quantum structure formed in the second material layer 30 in the vicinity of the interface with the first material layer 28 has a triangular potential well structure, and includes quantum levels E 1 and E 2 . In between, heat-light conversion is possible by intersubband transition (ISB-T).
  • ISB-T intersubband transition
  • FIG. 13 shows an energy band diagram of an AlGaAs / GaAs / AlGaAs MQW structure designed so that the inter-subband energy of the quantum level has an integer multiple relationship in the thermo-optic conversion device according to the second embodiment. Represented as shown. Also in the thermal-light conversion element according to the second embodiment, the device structure has the same configuration as that of the first embodiment.
  • thermo-optic conversion element according to the second embodiment, an arrangement example of lattice points of AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC corresponding to FIG. 13 is expressed as shown in FIG.
  • the wavelength of light emitted by the intersubband transition is designed by designing the quantum well structure so that the intersubband energy of the quantum level has an integer multiple relationship such as 30 meV and 60 meV. Is a reciprocal relationship of an integral multiple of energy.
  • the lattice constant a of AlGaAs / GaAs / AlGaAs PC corresponds to the wavelength ⁇ of light propagating in the material.
  • the lattice constant a 41.4 / n ( ⁇ m)
  • the wavelength of the light emitted by the intersubband transition has a reciprocal relationship that is an integral multiple of the energy. Therefore, as shown in FIG. 20.7 / n ( ⁇ m) at 1/2 times the wavelength ⁇ of light propagating through the material, and 13.8 / n ( ⁇ m) at 1/3 times the wavelength ⁇ of light propagating in the substance.
  • n represents a refractive index.
  • thermo-optic conversion element In the thermo-optic conversion element according to the third embodiment, a schematic cross-sectional structure of a thermal diode 3D using 1DPC is expressed as shown in FIG.
  • thermo-optic conversion element includes an MQW layer 240 and a DBR layer 280 disposed on the MQW layer 240.
  • the DBR layer 280 has a one-dimensional PC structure and can be formed by a laminated structure of arbitrary material layers. That is, as shown in FIG. 15, the DBR layer 280 can be formed with a stacked structure of material layers 280A and 280B.
  • the DBR layer 280 can also be formed by, for example, a multilayered laminated structure of two insulating layers having different refractive indexes or a superlattice structure.
  • the MQW layer 240 may include an energy band diagram of a layer structure similar to the MQW layer 14 in the first embodiment. That is, for example, the energy band diagram and material system having the layer structure shown in FIGS. 9 to 12 may be provided.
  • the second material layer 30 heat-light conversion is possible between the quantum levels E 1 and E 2 by intersubband transition (ISB-T).
  • a heat-light conversion operation is performed as indicated by heat-light conversion TP in FIG.
  • an operation of reflecting heat as light is performed as shown in the heat-light reflection conversion TP (R) in FIG.
  • the absorption layer 300 may be disposed on the back side of the MQW layer 240 facing the DBR layer 280.
  • the absorption layer 300 it is also possible to increase the photothermal conversion efficiency as shown by the photothermal conversion PT in FIG. Further, a part of the light does not return to heat but is emitted to the outside as indicated by an arrow PA in FIG.
  • thermo-optic conversion element the operation is described when heat is applied to the thermal diode 3D using 1DPC, and the heat source layer (THS) 320 is disposed on the surface side of the DBR layer 280.
  • THS heat source layer
  • An example is represented as shown in FIG. 16A, and an example in which THS 320 is disposed on the back side of the MQW layer 240 facing the DBR layer 280 is represented as shown in FIG.
  • the MQW layer 240 is disposed relatively far from the THS 320 as shown in FIG.
  • the energy required for conversion is lower, and the rate of heat-light conversion is reduced. That is, as shown by the shading in the arrows arranged on the right side of FIG. 16A, from the THS 320 to the back surface of the DBR layer 280 / MQW layer 240, with a substantially constant temperature gradient, depending on the distance from the THS 320, Heat conducts normally.
  • the MQW layer 240 is disposed relatively close to the THS 320, as shown in FIG. Since the energy required for heat-light conversion is given to 240, the rate of heat-light conversion increases. The converted light is reflected (diffracted) by the DBR layer 280, returns to the heat source layer THS320 side, is absorbed again, and returns to heat. That is, as shown by the shading in the arrows arranged on the right side of FIG. 16B, the heat is returned in the form of light, so that it seems that the heat is not easily transmitted.
  • thermo-optic conversion element according to the third embodiment behaves as a thermal diode that conducts heat only in one direction.
  • thermo-optic conversion element (Relative heat concentration area TA)
  • a schematic bird's-eye view structure of a thermal control element 4C that arranges a PC around a certain area and heats only the area surrounded by the PC is shown in FIG. It is expressed as shown in
  • the thermal control element 4C according to the fourth embodiment is disposed in the first PC structure and includes a relative heat concentration area TA formed by defects at the lattice points 12A. Also good.
  • the relative heat concentration area TA is an area where heat is relatively concentrated only in that portion.
  • the thermal control element 4C according to the fourth embodiment may include a relative low heat region TB that is disposed in the first PC structure and formed by defects at the lattice points 12A.
  • the relative low heat region TB is a region where only the portion is relatively cool.
  • the heat conduction can be controlled by the light moving to an arbitrary region and reconverted into heat by the first PC structure and the second PC structure.
  • the PC can be arranged around a certain area, and only the area surrounded by the PC can be heated, or the heat can be hardly transmitted.
  • thermo-optic conversion element 2B In the thermo-optic conversion element 2B according to the fifth embodiment, a schematic bird's-eye view structure of a 2DPC thermal control element or a thermal diode to which a bulk substrate 20 having no QW is applied is expressed as shown in FIG.
  • thermo-optic conversion element 2 ⁇ / b> B is periodically arranged in a PC structure composed of a bulk substrate 20 and the bulk substrate 20, and can diffract a photonic band light wave.
  • Grid points 12A and optical waveguides 22G1 and 22G2 that are arranged in the PC structure and formed by line defects at the grid points 12A.
  • the bulk substrate 20 is thermally radiated by free carriers (the principle of black body radiation).
  • the energy is converted from heat to light by using the bulk substrate 20.
  • the light can be conducted in any direction by the first PC structure formed in the bulk substrate 20.
  • the lattice points 12A are periodically arranged in the first PC structure, can diffract light waves converted from heat into light in the bulk substrate 20, and can be confined in the first PC structure.
  • the first PC structure may include a second PC structure formed so that light propagating in the first PC structure can propagate in a specific direction.
  • the second PC structure may include optical waveguides 22G1 and 22G2.
  • a plurality of optical waveguides may be provided.
  • the optical waveguide is formed by a line defect at the lattice point 12A.
  • the first PC structure and the second PC structure allow light to move to an arbitrary region and be converted back to heat, thereby controlling heat conduction.
  • a PC optical waveguide capable of conducting only light waves of a specific wavelength is formed in the bulk substrate 20 for each light wave of many wavelengths (in some cases, it can be used in combination), it can be controlled for each energy. . For this reason, when returning to heat finally, it can be selected whether to return to high temperature or to return to heat at a lower temperature. That is, a different temperature state can be provided at any place. In addition, since many (wide wavelength) thermal energy can be controlled simultaneously, the range of heat control can be expanded.
  • thermoelectric conversion element From the viewpoint of a thermal diode, heat can be efficiently propagated, so that rectification is improved.
  • thermoelectric conversion element application there is a possibility that the thermal conductivity can be reduced without QW.
  • phonon scattering due to the superlattice structure is also relevant, so both the QW-free configuration and the superlattice structure may be combined.
  • the bulk substrate 20 not only heat-light conversion by free carriers but also a material such as a ceramic material having high emissivity of heat radiation can be used to more easily produce a more efficient thermal control element and thermal diode. It is. In this case, a structure in which light is confined in the material by a refractive index difference may be formed in the bulk substrate 20.
  • it is a bulk material, it can be produced by sintering or the like, and if a fine mold capable of forming a PC of about 10 ⁇ m is used, it can be produced in large quantities.
  • the bulk substrate may include a substrate, a thin film formed on the substrate, or a thick film structure formed on the substrate. This is because the thick film on the substrate is sometimes referred to as a bulk substrate.
  • the structure itself may be a substrate alone.
  • a semiconductor substrate it is difficult to create a PC (it is too deep to dig a hole), so that a substrate + thin film / thick film structure may be applied as a bulk substrate.
  • a ceramic substrate since it may be formed by sintering, it is possible to produce a PC using only the substrate.
  • thermoelectric conversion element a schematic bird's-eye view structure of the thermoelectric conversion element 8 having an MQW structure in which a thermal diode is combined is expressed as shown in FIG. The details of each part are the same as those in the first embodiment shown in FIG.
  • thermoelectric conversion element 8 As shown in FIG. 19A, the heat applied by the heat source (HEAT) is converted from the heat as indicated by the heat-light conversion TP.
  • the light is converted into light, and the light is confined in the first PC structure, returned to the heat source side using the optical waveguides 22G1 and 22G2, or propagated to an arbitrary region, and the light is again absorbed and returned to heat. That is, the propagation of heat can be controlled by light.
  • 180PW1, 180PW2, and 180PW3 schematically show light waves that are diffracted by 180 degrees from light converted from heat (TP).
  • the state of heat flow when there is no thermal diode is schematically represented by the shading in the arrows in FIG.
  • the state of heat flow when a thermal diode is combined is schematically represented by the shading in the arrows in FIG.
  • thermoelectric conversion element 8 As shown by the arrow in FIG. 19C, the thermoelectric conversion element 8 according to the sixth embodiment has no heat that should have been transferred to the right side. This is for returning heat in the form of light like a bucket relay, as indicated by an arrow TBR. For this reason, it seems that the thermal conductivity is reduced. As a result, a large temperature difference can be obtained. That is, a thermal diode can be configured, and the thermal conductivity can be reduced. As a thermoelectric conversion element, it corresponds to an increase in temperature difference, and the thermoelectric conversion output can be increased.
  • thermoelectric conversion element (high carrier concentration or high emissivity material)-
  • a schematic bird's-eye view structure of a bulk structure thermoelectric conversion element 8B in which a thermal diode is combined is expressed as shown in FIG. Details of each part are the same as those of the fifth embodiment shown in FIG.
  • thermoelectric conversion element In the case of a thermoelectric conversion element, whether the MQW structure is good or the bulk structure is good depends on the material system.
  • the MQW structure is preferable when the increase in the Seebeck coefficient due to the quantum structure and the decrease in the thermal conductivity due to thin film multilayering are used in combination.
  • a bulk material system such as BiTe (or PbTe) system, it can be used in combination with an increase in phonon scattering by micronization.
  • thermoelectric conversion element 8 (Device structure example 1: 2DPC)
  • Device structure example 1 (in the case of 2DPC) of the thermoelectric conversion element 8 according to the sixth embodiment is expressed as shown in FIG.
  • the device structure example 1 of the thermoelectric conversion element 8 according to the sixth embodiment includes the electrodes EH and EC on the second semiconductor layer 12, and can extract the thermoelectromotive force EMF between the electrodes EH and EC. .
  • thermoelectric conversion element 8 includes an electrode EH disposed in a relatively high temperature region on the second semiconductor layer 12 and a relatively low temperature region on the second semiconductor layer 12. And an electromotive force generated between the electrodes EH and EC.
  • thermoelectric conversion element 8 has a heat source (HEAT) and periodic refractive index distribution of light converted from heat applied by the heat source (HEAT).
  • HEAT heat source
  • a first PC that can be confined in the photonic crystal structure
  • a second PC that is disposed in the first PC and that can transmit light converted from heat
  • a HOT SIDE that is disposed in a relatively high temperature region of the first PC.
  • Side electrode EH and COLD SIDE side electrode EC disposed in a relatively low temperature region of the first PC, and generates thermoelectromotive force EMF between electrode EH and electrode EC.
  • the heat applied by the heat source (HEAT) is converted from heat to light, and this light is confined in the 2DPC structure and guided back to the heat source side through the optical waveguides 22G1 and 22G2, for example. Light is absorbed and returns to heat.
  • Device structure example 1 shown in FIG. 21 is configured as a thermoelectric conversion element 8 having an MQW structure in which a thermal diode is combined, and the temperature difference between the electrodes EH and EC can be relatively large. A relatively large output can be obtained between the electrodes EH and EC.
  • thermoelectric conversion element 9 (Device structure example 2/3: 3DPC)
  • device structure example 3 of thermoelectric conversion element 9 (in the case of 3DPC) Is expressed as shown in FIG.
  • the arrangement of the electrodes varies depending on the position of the heat source (HEAT).
  • HEAT heat source
  • the electrode EH on the HOT SIDE side is arranged on the upper surface where the heat source (HEAT) of the 3DPC is arranged
  • the electrode EC on the COLD SIDE side may be disposed on the lower surface facing the upper surface.
  • the electrode EH on the HOT SIDE side is arranged on this side surface of the 3DPC, and on the side surface facing this side surface.
  • the electrode EC on the COLD SIDE side may be arranged.
  • the heat applied by the heat source (HEAT) is converted from heat to light, and this light is confined in the 3DPC structure, for example, guided through the optical waveguide and returned to the heat source side, and this light is absorbed again. To return to heat.
  • Device structure examples 2 and 3 are configured as a thermoelectric conversion element having an MQW structure in which thermal diodes are combined, and the temperature difference between the electrodes EH and EC can be relatively large. A relatively large thermoelectric conversion output can be obtained between ECs.
  • FIG. 23A A schematic bird's-eye view structure of the basic unit structure of the thermal conductivity control element 8C, which is a thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment, is expressed as shown in FIG. Further, in the basic unit structure shown in FIG. 23A, the output characteristic of the radiated light intensity using the reverse bias voltage V r as a parameter is schematically represented as shown in FIG.
  • the thermal conductivity control element 8C includes a pin diode structure + MQW structure. That is, as shown in FIG. 23A, the first conductivity type semiconductor substrate 10, the first conductivity type first semiconductor layer 16 disposed on the semiconductor substrate 10, and the first semiconductor layer 16 are disposed. MQW layer 14, non-doped (i-layer) GaAs layer 15 disposed on MQW layer 14, second conductivity type second semiconductor layer 12 disposed on GaAs layer 15, and first semiconductor layer 16, a lattice point 12 ⁇ / b> A that is periodically arranged in the first PC structure including the GaAs layer 15, the MQW layer 14, and the second semiconductor layer 12 and capable of diffracting a photonic band light wave.
  • quantum levels up to at least the second order are formed, and the radiation light converted from the heat due to the transition between subbands has a reverse bias voltage between the second semiconductor layer 12 and the first semiconductor layer 16.
  • the relative light intensity can be varied and the heat conduction can be controlled.
  • the anode-side electrode EA is disposed on the second semiconductor layer 12, and the cathode-side electrode EK is disposed on the semiconductor substrate 10 facing the first semiconductor layer 16.
  • a reverse bias voltage V is applied between the electrode EA connected to the second semiconductor layer 12 and the electrode EK connected to the first semiconductor layer 16 via the first conductivity type semiconductor substrate 10.
  • the thermal conductivity control element 8C according to the seventh embodiment the conversion efficiency of the heat-light conversion can be made variable, and the thermal conductivity can be controlled.
  • thermal conductivity control element 8C when the amount of heat radiation increases, more heat moves, so that the thermal conductivity increases.
  • Technology for thermal radiation in ceramic heaters can be created artificially.
  • the lattice points 12A are periodically arranged in the first PC structure, can diffract light having a wavelength corresponding to the intersubband energy of the quantum level of the second material layer 30, and can be confined in the first PC structure.
  • the lattice points 12A may be arranged in any of a square lattice, a rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice, or a triangular lattice.
  • FIG. 23A shows an example in which the lattice points 12A are arranged in a square lattice.
  • the lattice point 12A may have any shape of a polygon, a circle, an ellipse, or an oval.
  • FIG. 23A shows an example in which the lattice point 12A has a circular shape.
  • material examples and numerical examples of each layer of the device structure of the thermal conductivity control element 8C according to the seventh embodiment are as follows.
  • the substrate 10 is made of, for example, a GaAs substrate having a thickness of about 650 ⁇ m and doped with silicon (Si) at about 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the first semiconductor layer 16 is disposed on the GaAs substrate 10 and has a thickness of about 0.8 ⁇ m.
  • the first semiconductor layer 16 is doped n-type (about 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 ).
  • An MQW layer 14 is formed on the first semiconductor layer 16.
  • the MQW layer 14 has a QW structure of Al 0.3 Ga 0.7 As / GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As, and has an overall thickness of, for example, about 0.2 ⁇ m.
  • the first material layer 28 is formed of, for example, an n-type doped Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of about 13 nm
  • the second material layer 30 is a non-doped GaAs layer having a thickness of about 6.8 nm, for example. It is formed.
  • a non-doped (i layer) GaAs layer 15 is disposed on the MQW layer 14.
  • the thickness of the GaAs layer 15 is about 0.2 ⁇ m.
  • a second semiconductor layer 12 is formed on the non-doped (i layer) GaAs layer 15.
  • the second semiconductor layer 12 has, for example, a thickness of about 0.8 ⁇ m and is doped p-type (about 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 ).
  • the lattice constant a of the PC is about 4.8 ⁇ m, for example, and the diameter of the lattice point 12A is about 0.2a.
  • the size of the PC area where the lattice points 12A are arranged is about 1.8 mm ⁇ about 1.8 mm.
  • the center wave number of the infrared light emitted by the intersubband transition is, for example, about 1090 cm ⁇ 1 .
  • thermoelectric conversion element 8C (1x2 array structure)
  • FIG. 8C A schematic bird's-eye view structure of the 1 ⁇ 2 array structure of the thermal conductivity control element 8C, which is the thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment, is expressed as shown in FIG.
  • thermoelectric conversion element in the thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment, as shown in FIG. 24, the device DEV1 and the device DEV2 having a basic unit structure (FIG. 23 (a)) may be arranged in a 1 ⁇ 2 array structure.
  • the reverse bias voltage V r By varying the reverse bias voltage V r is applied to the device DEV1 and device DEV2, the amount of light emitted as a thermal radiation is changed, also changes the thermal conductivity accordingly. By utilizing this, the transfer of heat can be changed by changing the applied reverse bias voltage V r .
  • thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment can provide a thermal conductivity control element.
  • FIG. 8C (Structure example of infrared display using thermal radiation)
  • FIG. 8C A schematic bird's-eye view structure of a 3 ⁇ 3 array structure of the thermal conductivity control element 8C, which is the thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment, is expressed as shown in FIG.
  • FIG. 8C An example of the display image when the 3 ⁇ 3 array structure is viewed from above is represented as shown in FIG.
  • thermoelectric conversion element in the thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment, as shown in FIG. 25, device DEVs having a basic unit structure (FIG. 23 (a)) may be arranged in a 3 ⁇ 3 array structure.
  • the reverse bias voltage V r By varying the reverse bias voltage V r is applied to the device DEV1 and device DEV2, the amount of light emitted as a thermal radiation is changed, also changes the thermal conductivity accordingly. By utilizing this, the transfer of heat can be changed by changing the applied reverse bias voltage V r .
  • thermoelectric conversion element According to the seventh embodiment.
  • the structure of the infrared display is not limited to the 3 ⁇ 3 array structure, and the number of pixels may be further increased, or a line sensor of 1 ⁇ 3 or more may be configured.
  • Example structure as a thermal control module A schematic bird's-eye view structure of a heat control module having a 1 ⁇ 2 array structure, which is a thermoelectric conversion element according to a seventh embodiment, is expressed as shown in FIG. Further, the operation description of the thermal control module having the 1 ⁇ 2 array structure is expressed as shown in FIG. Arrow TF represents heat flow (how heat is transferred).
  • thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment includes a device DEV1 and a device DEV2 each having a basic unit structure (FIG. 23A) arranged in a 1 ⁇ 2 array structure. Also good.
  • the thermal conductivity control element can be formed by the thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment.
  • FIG. 27 shows an example of a display image of the thermoelectric conversion element according to the seventh embodiment when viewed from above the thermal control module having a multi-array structure.
  • the hatched portion is a cell region to which a reverse bias voltage (RBV) is applied between the electrodes EA and EK. Since heat radiation is not performed, heat is transferred to the PC region, and the thermal conductivity is relatively deteriorated.
  • RBV reverse bias voltage
  • a region schematically shown as a white portion corresponds to a cell region to which 0 V is applied between the electrodes EA and EK.
  • the heat is radiated to the outside as radiant heat by the PC, so that the thermal conductivity is relatively increased.
  • a heat flow as indicated by an arrow TF is generated.
  • the heat control module having a multi-array structure can control the heat flow TF more strictly by increasing the number of arrays.
  • thermal control elements thermal diodes, thermoelectric conversion elements, and thermal conductivity control elements that can control heat propagation using photothermal conversion and PC and that are easy to handle. Can be provided.
  • thermo-optic conversion element and thermoelectric conversion element of the present embodiment can be used for various semiconductor module technologies such as IGBT modules, diode modules, and MOS modules (Si, SiC, GaN), and HEV (Hybrid Electric
  • the present invention can be applied to a cooling device for heat dissipation such as an inverter for a vehicle (vehicle) / EV (electric vehicle), an inverter or a converter for industrial use.
  • the present embodiment includes various embodiments that are not described here.
  • thermo-optical conversion element and thermoelectric conversion element of the present embodiment can be applied to a thermal control element, a thermal diode, a thermoelectric conversion element that generates a thermoelectromotive force, and a thermal conductivity control element. Etc., and can be applied to a wide range of fields such as mobile devices, in-vehicle devices, industrial devices, and medical devices.
  • 3rd material layer 90PW Light waves 180PW1, 180PW2, 180PW3 diffracted by 90 degrees ... Light waves 280 diffracted by 180 degrees ... DBR layer 280A, 280B ... DBR forming laminated film 300 ... Absorbing layer 320 ... Heat source layer (THS) TA ... Relative heat concentration region TB ... Relative low heat region EH, EC, EA, EK ... Electrode TP ... Heat-light conversion TP (R) ... Heat-light reflection conversion PT ... Photo-heat conversion TW ... Phonon wave PW, PW1, PW2, PW3, PW4, PW5, PW6, PW7, PW8, PG1, PG2 ...

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

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

熱光変換素子および熱電変換素子
　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。
PCT/JP2017/003277 2016-02-16 2017-01-31 熱光変換素子および熱電変換素子 WO2017141682A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018500016A JPWO2017141682A1 (ja) 2016-02-16 2017-01-31 熱光変換素子および熱電変換素子

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-026574 2016-02-16
JP2016026574 2016-02-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017141682A1 true WO2017141682A1 (ja) 2017-08-24

Family

ID=59625060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/003277 WO2017141682A1 (ja) 2016-02-16 2017-01-31 熱光変換素子および熱電変換素子

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2017141682A1 (ja)
WO (1) WO2017141682A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019047023A (ja) * 2017-09-05 2019-03-22 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
JP2019197933A (ja) * 2019-08-23 2019-11-14 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
CN111223983A (zh) * 2020-02-28 2020-06-02 广东先导稀材股份有限公司 宽禁带薄膜激光探测元件
WO2020158826A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 日立化成株式会社 異方熱伝導性樹脂部材及び熱伝送基板
US11814568B2 (en) 2018-03-01 2023-11-14 Resonac Corporation Anisotropic thermal conductive resin member and manufacturing method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008053134A (ja) * 2006-08-28 2008-03-06 Kyoto Univ ２次元フォトニック結晶熱輻射光源
WO2008117533A1 (ja) * 2007-03-26 2008-10-02 Kyoto University ２次元フォトニック結晶
WO2014136671A1 (ja) * 2013-03-08 2014-09-12 国立大学法人京都大学 熱輻射光源
WO2015129668A1 (ja) * 2014-02-28 2015-09-03 国立研究開発法人科学技術振興機構 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008053134A (ja) * 2006-08-28 2008-03-06 Kyoto Univ ２次元フォトニック結晶熱輻射光源
WO2008117533A1 (ja) * 2007-03-26 2008-10-02 Kyoto University ２次元フォトニック結晶
WO2014136671A1 (ja) * 2013-03-08 2014-09-12 国立大学法人京都大学 熱輻射光源
WO2015129668A1 (ja) * 2014-02-28 2015-09-03 国立研究開発法人科学技術振興機構 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE ZOYSA, MENAKA ET AL.: "Conversion of broadband to narrowband thermal emission through energy recycling", NATURE PHOTONICS, vol. 6, no. 8, August 2012 (2012-08-01), pages 535 - 539, XP055219891 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019047023A (ja) * 2017-09-05 2019-03-22 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
US11814568B2 (en) 2018-03-01 2023-11-14 Resonac Corporation Anisotropic thermal conductive resin member and manufacturing method thereof
WO2020158826A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 日立化成株式会社 異方熱伝導性樹脂部材及び熱伝送基板
JP7495062B2 (ja) 2019-01-30 2024-06-04 株式会社レゾナック 異方熱伝導性樹脂部材及び熱伝送基板
JP2019197933A (ja) * 2019-08-23 2019-11-14 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
JP7076414B2 (ja) 2019-08-23 2022-05-27 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
CN111223983A (zh) * 2020-02-28 2020-06-02 广东先导稀材股份有限公司 宽禁带薄膜激光探测元件
CN111223983B (zh) * 2020-02-28 2023-01-06 昆明先导新材料科技有限责任公司 宽禁带薄膜激光探测元件

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2017141682A1 (ja) 2018-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017141682A1 (ja) 熱光変換素子および熱電変換素子
US20200264048A1 (en) Photoconductive Detector Device with Plasmonic Electrodes
Kim et al. Overcoming the fundamental light-extraction efficiency limitations of deep ultraviolet light-emitting diodes by utilizing transverse-magnetic-dominant emission
Chen et al. Heat transfer in nanostructures for solid-state energy conversion
Bhattacharya et al. Quantum dot opto-electronic devices
Chen Nanoscale heat transfer and nanostructured thermoelectrics
Evans et al. Investigation of thermal effects in quantum-cascade lasers
JPH03265827A (ja) 量子井戸光学デバイス
JP6949850B2 (ja) 熱電変換材料、熱電変換素子および熱電変換モジュール
JPH08279647A (ja) 単極性半導体レーザ
Bleuse et al. Laser emission in HgCdTe in the 2–3.5 μm range
EP2966773B1 (en) Thermal emission source
CN103682073B (zh) 热电元件
Ishida et al. 2 W high efficiency PbS mid-infrared surface emitting laser
JP5575253B2 (ja) 調整可能な量子光源
EP3404731B1 (en) Electric field control element for phonons
JP5268090B2 (ja) 電磁波放射素子
Yang et al. Recent progress in 2D material van der Waals heterostructure-based luminescence devices towards the infrared wavelength range
Ryzhii et al. Comparison of intersubband quantum-well and interband graphene-layer infrared photodetectors
US20130247951A1 (en) Thermoelectric material with high cross-plane electrical conductivity in the presence of a potential barrier
JP4910079B2 (ja) テラヘルツ波発生ダイオードおよびこれを用いたテラヘルツ波放射装置
Penello et al. Photocurrent calculation of intersubband transitions to continuum-localized states in GaAs/AlGaAs multiquantum wells for mid-infrared photodetector
Tang et al. AlGaAs/GaAs Triple Quantum Well Photodetector at $5~\mu\text {m} $ Wavelength—A Simulation Study
Polischuk et al. Electrical tunability of terahertz amplification in a periodic plasmon graphene structure with charge-carrier injection
Ohtani et al. Mid-infrared InAs∕ AlGaSb superlattice quantum-cascade lasers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17752945

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018500016

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17752945

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1