2020 Fiscal Year Annual Research Report
Novel thermionic cooling effect in asymmetric double barrier semiconductor heterostructures
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19K21957
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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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2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 固体冷却素子 / 熱電子放出 / 共鳴トンネル効果 / 半導体へテロ構造 / 熱電子冷却 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現代のエレクトロニクスは、高密度集積、素子の高速動作を達成することにより大きな発展を遂げてきた。しかし、同時に素子の内部で発生する熱が、素子の動作や信頼性に大きな影響を与えはじめており、エレクトロニクスの発展を大きく阻んでいる。従って、素子の高効率な冷却技術は、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。
このような背景の下、我々は半導体へテロ構造のバンド構造を適切に設計し、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熱電子放出冷却技術に注目し、格段に高効率な固体冷却素子の実現に向けた原理実証を行うことを目標にしている。
特に本年度は、（１）素子構造を流れる電流の精密な温度依存性を測定することにより、非対称二重障壁トンネル構造を流れる電流の成分を分析し、有効に量子井戸中の電子温度を下げる共鳴トンネル効果と熱電子放出効果がシークエンシャルに働く電流成分の活性化エネルギーを詳細に調べ、予想に反して大きなバイアス電圧依存性や複雑な温度依存性を持つことを見出した。（２）量子井戸への共鳴トンネル電子注入と量子井戸からの熱電子放出がシークエンシャルに起きる過程を解析的に扱う理論を構築するとともに、電流の活性化エネルギーを定量的に説明することに成功した。この知見を活かし、冷却素子構造の最適化を行っている。（３）量子井戸と障壁を多層化した構造（量子カスケードクーラー構造）に対して数値計算を行い、さらなる冷却パワーの増大の可能性を検討している。特に隣接する量子井戸の量子準位間のエネルギー差がLOフォノンのエネルギーに等しくなる付近で冷却能力が最大になることを見出した。
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