2017 Fiscal Year Annual Research Report
Novel solid-state cooling device based on semiconductor quantum structures
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16F16783
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
YANGUI AYMEN 東京大学, 生産技術研究所, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2016-11-07 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱電子冷却 / 冷却素子 / 共鳴トンネル効果 / 熱電子放出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現代のLSIに代表されるエレクトロニクスの進歩を大きく阻んでいるのが発熱による問題であり、冷却技術は将来のエレクトロニクスの発展の鍵を握る技術と言っても過言ではない。我々は半導体へテロ構造のバンドを適切に設計し、熱電子放出と共鳴トンネル効果を同時に制御して実現できるサーミオニッククーリング技術に注目して研究を行っている。本サーミオニッククーリングにおいては、トンネル障壁を介して量子井戸に低エネルギーの電子が共鳴的に注入され、量子井戸を出るときには低くて厚い障壁を高エネルギーの熱電子が越えていく過程を用いる素子であり、電流を流すにつれて量子井戸層が冷却されていくデバイスである。
本年度は、作製した構造のフォトルミネセンスの高エネルギー側スペクトルの傾きを測定することにより、電子系の温度（電子温度）を求める実験を行った。試料からのフォトルミネセンスは、電極層からの発光と量子井戸層からの発光からなっており、バイアス電圧を印加しない状況ではいずれの層の電子温度もほぼ室温を示した。しかしバイアス電圧を増大させ、ほぼ共鳴トンネル状態にすると、量子井戸からの発光から求められる電子温度は約250 Kとなり、量子井戸中の電子系は約50 K冷却されることがわかった。一方、電極層からの発光から求めた電子温度はほぼ室温で変化はなかった。
さらに、我々は非平衡グリーン関数とフォノン分布を連立させた理論計算のプログラムを開発し、電流－電圧特性や電子温度を計算したところ、実験と非常によい一致を見た。このことにより、初めて共鳴トンネルヘテロ構造でサーミオニッククーリングにより電子冷却の効果を観測することに成功したと結論づけられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、理論提案にある非対称な障壁を有する共鳴トンネルダイオード構造を作製し、その電流－電圧特性の評価を開始した。当初、理論提案の論文にあった素子構造を試みたが、量子井戸と電極層の量子力学的結合が強く、量子井戸からの発光を電極と区別して測定することが不可能であった。そこで、量子井戸からの発光を分離して測定することを主目的に変更し、量子井戸幅やトンネル障壁幅を調整した。これにより、明瞭に量子井戸からの発光を測定することに成功し、電子温度の決定が可能になった。
共鳴トンネル効果を用いたヘテロ構造サーミオニッククーリング効果を電子温度の低下という形で証明できたのは世界で初めての大きな成果であり、能動冷却素子に新たな可能性を提供したと言うことで大いに意義がある。
一方、当初に計画した、我々が開発したMEMS温度計との集積に関しては、サーミオニッククーリング素子に流れる電流が非常に大きいので、単純な集積が困難であることがわかってきた。この問題に関しては、現在、検討中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下の方針で今後研究を進めていく予定である。
１）共鳴トンネルヘテロ構造を用いたサーミオニッククーリングの実証は世界で初めての成果であり、論文の執筆とともに、成果発表を行う。
２）我々は、MEMS両持ち梁構造が非常に高感度の温度計として機能することを見いだしている。このMEMS構造とヘテロ構造サーミオニッククーリング構造を集積化し、格子温度の低下を観測することを試みる。
３）非平衡グリーン関数法を用いた素子の理論計算を行い、より高効率化に向けた構造設計を行うとともに、性能の限界を明らかにする。
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Research Products
(6 results)
