(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便な構造で、熱を得て特定の波長の光を放出する熱光変換素子および熱光起電力装置を提供する。【解決手段】第１の導電型である第１層１４と、第１層１４の上に設けられ、第１の導電型とは異なる第２の導電型である第２層１８と、第１層１４と第２層１８との間に設けられ、第１層１４および第２層１８からキャリアが注入されることで発光する活性層１６と、を具備し、活性層１６の伝導帯の下端のエネルギーは第１層１４の伝導帯の下端のエネルギーより低く、活性層１６の価電子帯の下端のエネルギーは第２層１８の価電子帯の下端のエネルギーより高く、活性層１６のバンドギャップは、第１層１４および第２層１８のバンドギャップよりも大きい熱光変換素子。【選択図】図１
2019041057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型である第１層と、
前記第１層の上に設けられ、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型である第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に設けられ、前記第１層および前記第２層からキャリアが注入されることで発光する活性層と、を具備し、
前記活性層の伝導帯の下端のエネルギーは前記第１層の伝導帯の下端のエネルギーより低く、
前記活性層の価電子帯の下端のエネルギーは前記第２層の価電子帯の下端のエネルギーより高く、
前記活性層のバンドギャップは、前記第１層および前記第２層のバンドギャップよりも大きい熱光変換素子。
【請求項２】
前記第１の導電型はｐ型であり、
前記第２の導電型はｎ型である請求項１に記載の熱光変換素子。
【請求項３】
前記第１層は、ガリウムアンチモン層、インジウム砒素層およびインジウムアンチモン層を積層したｐ型超格子層である請求項１または２に記載の熱光変換素子。
【請求項４】
前記第２層は、インジウム砒素層およびインジウム砒素アンチモン層を積層したｎ型超格子層である請求項１から３のいずれか一項に記載の熱光変換素子。
【請求項５】
前記活性層はガリウムインジウム砒素アンチモンで形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の熱光変換素子。
【請求項６】
ｐ型ガリウムアンチモンで形成された半導体基板を具備し、
前記第１層は前記半導体基板の上に設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の熱光変換素子。
【請求項７】
前記第１層のバンドギャップは、前記第２層のバンドギャップとは異なる請求項１から６のいずれか一項に記載の熱光変換素子。
【請求項８】
前記第２層の上に設けられた反射防止膜を具備する請求項１から７のいずれか一項に記載の熱光変換素子。
【請求項９】
パッケージと、
前記パッケージに収納された、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱光変換素子と、
前記パッケージに設けられ、前記熱光変換素子を加熱するヒートシンクと、
前記パッケージに収納され、前記熱光変換素子が発する光を受光して電気に変換する光電変換素子と、を具備する熱光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱光変換素子および熱光起電力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱を光に変換する素子と、光を電気に変換する素子とを組み合わせた熱光起電力装置が開発されている（例えば特許文献１および２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第９１１６５３７号
【特許文献２】米国特許第６０８４１７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱から電気への変換効率（熱電変換効率）を高めるため、光電変換素子の光電変換効率が高くなる波長の光を、光電変換素子に照射することが好ましい。例えばフォトニック結晶を用いて、熱光変換素子の光から特定の波長の光を選択的に透過させることができるが、フォトニック結晶を設けるためのコストが高くなってしまう。したがって、熱光変換素子が特定の波長を有する光を放出することが好ましい。
【０００５】
そこで、簡便な構造で、熱を得て特定の波長の光を放出することが可能な熱光変換素子および熱光起電力装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱光変換素子は、第１の導電型である第１層と、前記第１層の上に設けられ、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型である第２層と、前記第１層と前記第２層との間に設けられ、前記第１層および前記第２層からキャリアが注入されることで発光する活性層と、を具備し、前記活性層の伝導帯の下端のエネルギーは前記第１層の伝導帯の下端のエネルギーより低く、前記活性層の価電子帯の下端のエネルギーは前記第２層の価電子帯の下端のエネルギーより高く、前記活性層のバンドギャップは、前記第１層および前記第２層のバンドギャップよりも大きいものである。
【発明の効果】
【０００７】
上記発明によれば、簡便な構造で、熱を得て特定の波長の光を放出する熱光変換素子および熱光起電力装置の実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は実施形態に係る熱光変換素子を例示する断面図である。図１（ｂ）は熱光変換素子のエネルギー準位を示す模式図である。
【図２】図２は光電変換素子を例示する斜視図である。
【図３】図３は熱光起電力装置を例示する断面図である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｃ）は熱光変換素子の製造方法を例示する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１０】
本願発明の一形態は、（１）第１の導電型である第１層と、前記第１層の上に設けられ、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型である第２層と、前記第１層と前記第２層との間に設けられ、前記第１層および前記第２層からキャリアが注入されることで発光する活性層と、を具備し、前記活性層の伝導帯の下端のエネルギーは前記第１層の伝導帯の下端のエネルギーより低く、前記活性層の価電子帯の下端のエネルギーは前記第２層の価電子帯の下端のエネルギーより高く、前記活性層のバンドギャップは、前記第１層および前記第２層のバンドギャップよりも大きい熱光変換素子である。第１層および第２層から活性層に注入されたキャリアが再結合することで、活性層のバンドギャップに対応した波長を有する光が放出される。この結果、熱光変換素子は特定の波長の光を放出することができる。
（２）前記第１の導電型はｐ型であり、前記第２の導電型はｎ型でもよい。ｐ型の第１層から活性層へと電子が注入され、ｎ型の第２層から活性層へと正孔が注入される。活性層において電子と正孔とが再結合することで、光が放出される。
（３）前記第１層は、ガリウムアンチモン層、インジウム砒素層およびインジウムアンチモン層を積層したｐ型超格子層でもよい。第１層から活性層へと電子が注入される。
（４）前記第２層は、インジウム砒素層およびインジウム砒素アンチモン層を積層したｎ型超格子層でもよい。第２層から活性層へと正孔が注入される。
（５）前記活性層はガリウムインジウム砒素アンチモンで形成されてもよい。活性層のバンドギャップが第１層および第２層よりも大きくなる。また活性層の伝導帯の下端のエネルギーが第１層より低く、価電子帯の下端のエネルギーが第２層より高くなる。
（６）ｐ型ガリウムアンチモンで形成された半導体基板を具備し、前記第１層は前記半導体基板の上に設けられてもよい。第２層の光の吸収率は第１層および半導体基板より小さいため、第２層の側から放出される光の減衰が抑制される。
（７）前記第１層のバンドギャップは、前記第２層のバンドギャップとは異なってもよい。これにより広い温度範囲においてキャリアの熱励起が発生する。
（８）前記第２層の上に設けられた反射防止膜を具備してもよい。これにより光の減衰を抑制することができる。
（９）パッケージと、前記パッケージに収納された、上記の熱光変換素子と、前記パッケージに設けられ、前記熱光変換素子を加熱するヒートシンクと、前記パッケージに収納され、前記熱光変換素子が発する光を受光して電気に変換する光電変換素子と、を具備する熱光起電力装置である。熱光変換素子は熱を効率的に特定の波長の光に変換し、光電変換素子はその光を効率的に電気に変換する。これにより、熱電変換効率が高くなる。
【００１１】
［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る熱光変換素子および熱光起電力装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１２】
（実施形態）
図１（ａ）は実施形態に係る熱光変換素子１００を例示する断面図である。図１（ａ）に示すように、熱光変換素子１００は半導体基板１０と半導体層１１とを備える。半導体層１１は、半導体基板１０に近い方から順に、バッファ層１２、ｐ型超格子層１４（第１層）、活性層１６（第３層）、およびｎ型超格子層１８（第２層）を積層したものである。活性層１６はｐ型超格子層１４の上面に接触し、ｎ型超格子層１８は活性層１６の上面に接触する。ｎ型超格子層１８の上面には反射防止膜１９が設けられている。熱光変換素子１００は例えば一辺が１ｃｍの矩形の半導体装置である。
【００１３】
半導体基板１０は、例えば厚さ数百μｍのｐ型ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）により形成されている。バッファ層１２は例えば厚さ５００ｎｍで、半導体基板１０と同じ材料のｐ型ＧａＳｂで形成されている。半導体基板１０およびバッファ層１２にはベリリウム（Ｂｅ）がドープされている。
【００１４】
ｐ型超格子層１４は、例えば厚さ３．６６ｎｍのＧａＳｂ層、厚さ２．１２ｎｍのインジウム砒素（ＩｎＡｓ）層、および厚さ０．２３ｎｍのインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）層を積層し、この積層体をさらに７００組積層したものである。ＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、およびＩｎＳｂ層にはいずれもＢｅがドープされている。ｐ型超格子層１４全体の厚さは例えば４２０７ｎｍである。活性層１６は、例えば厚さ２００ｎｍのガリウムインジウム砒素アンチモン（ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ、ｘ＝０．６、ｙ＝０．３６）で形成されている。
【００１５】
ｎ型超格子層１８は、例えば厚さ１０．６ｎｍのＩｎＡｓ層、および厚さ３．７４ｎｍのインジウム砒素アンチモン（ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ｘ＝０．５９）層を積層し、この積層体をさらに１１０組積層したものである。ＩｎＡｓ層およびＩｎＡｓＳｂ層にはいずれもシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型超格子層１８全体の厚さは例えば１５７７．４ｎｍである。反射防止膜１９は例えば酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などの絶縁体で形成されている。
【００１６】
図１（ｂ）は熱光変換素子１００のエネルギー準位を示す模式図であり、ｐ型超格子層１４、活性層１６およびｎ型超格子層１８のエネルギー準位を示している。図中の黒丸は電子２０、白丸は正孔２２を示す。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、活性層１６の伝導帯のエネルギー準位Ｅｃ３の下端のエネルギーは、ｐ型超格子層１４の伝導帯のエネルギー準位Ｅｃ１の下端のエネルギーより低く、ｎ型超格子層１８の伝導帯のエネルギー準位Ｅｃ２の下端のエネルギーより高い。つまりＥｃ１の下端のエネルギーはＥｃ３の下端より真空準位（不図示）に近く、Ｅｃ３の下端のエネルギーはＥｃ２の下端よりも真空準位に近い。活性層１６の価電子帯のエネルギー準位Ｅｖ３の下端のエネルギーは、ｐ型超格子層１４の価電子帯のエネルギー準位Ｅｖ１の下端のエネルギーより低く、ｎ型超格子層１８の価電子帯のエネルギー準位Ｅｖ２の下端のエネルギーより高い。つまりＥｖ１の下端のエネルギーはＥｖ３の下端より真空準位に近く、Ｅｖ３の下端のエネルギーはＥｖ２の下端よりも真空準位に近い。活性層１６のバンドギャップＥｇ３は、ｐ型超格子層１４のバンドギャップＥｇ１およびｎ型超格子層１８のバンドギャップＥｇ２よりも大きい。バンドギャップＥｇ１はバンドギャップＥｇ２よりも大きい。
【００１８】
熱光変換素子１００が例えば１００〜４００℃以上に加熱されると、ｐ型超格子層１４およびｎ型超格子層１８で電子２０が熱励起され、伝導帯において電子２０が多くなり、価電子帯に正孔２２が多くなる。ｐ型超格子層１４からｎ型超格子層１８にかけてポテンシャルの勾配が生じる。Ｅｃ１の下端のエネルギーはＥｃ３の下端のエネルギーより高いため、電子２０はｐ型超格子層１４の伝導帯から活性層１６の伝導帯へと流入する。Ｅｖ３の下端のエネルギーはＥｖ２の下端のエネルギーより高いため、正孔２２はｎ型超格子層１８の価電子帯から活性層１６の価電子帯へと流入する。電子２０と正孔２２とが活性層１６において再結合することで、バンドギャップＥｇ３に対応した波長の光が発生する。バンドギャップＥｇ３はバンドギャップＥｇ１およびＥｇ２よりも大きいため、再結合により生じる光の波長は短くなる。Ｅｇ３は例えば５３０ｍｅＶであり、光の波長は例えば２．３μｍである。
【００１９】
熱輻射の波長分布はウィーンの法則により定まり、例えば１００〜４００℃では波長およそ５μｍにおいて光の強度がピークになり、かつ数十μｍ程度まで光が分布する。一方、再結合による光の波長は、温度ではなく活性層１６のバンドギャップＥｇ３により定まる。このため、熱光変換素子１００の放出光のうち、波長が２．３μｍ程度の光の強度が大きく、他の波長の光の強度は小さい。すなわち熱光変換素子１００は熱を特定の波長の光に効率的に変換する。
【００２０】
（光電変換素子）
図２は光電変換素子３０を例示する斜視図である。図２に示すように、光電変換素子３０は、半導体基板３１、バッファ層３２、ｐ型光吸収層３４、ｎ型コンタクト層３６および反射防止膜３８を有するフォトダイオードである。バッファ層３２、ｐ型光吸収層３４、およびｎ型コンタクト層３６は、順に半導体基板３１上に積層されている。コンタクト層３６の上面には、櫛型電極３３および反射防止膜３８が接触している。半導体基板３１の下面には電極３５が接触している。光電変換素子３０は例えば一辺が１ｃｍの矩形の半導体装置である。
【００２１】
半導体基板３１は例えばＢｅが添加されたｐ型ＧａＳｂで形成されている。バッファ層３２は例えば半導体基板３１と同じ材料のｐ型ＧａＳｂで形成され、厚さは５００ｎｍである。ｐ型光吸収層３４は、例えばＢｅがドープされた厚さ３０００ｎｍのｐ型ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（ｘ＝０．５３、ｙ＝０．４３）で形成されている。ｐ型光吸収層３４のバンドギャップは例えば５１９ｍｅＶであり、図１（ｂ）に示した活性層１６のバンドギャップＥｇ３以下である。コンタクト層３６は、例えばＳｉがドープされた厚さ４００ｎｍのｎ型ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（ｘ＝０．５３、ｙ＝０．４３）で形成されている。櫛型電極３３および電極３５は例えばチタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／ＰＴ／Ａｕ）などの金属で形成されている。反射防止膜３８は例えばＳｉＯＮなどの絶縁体で形成されている。
【００２２】
（熱光起電力装置）
図３は熱光起電力装置１１０を例示する断面図である。図３に示すように、熱光起電力装置１１０は、熱光変換素子１００、光電変換素子３０、パッケージ４０、およびヒートシンク４２を備える。パッケージ４０は内部が空洞の容器であり、熱光変換素子１００および光電変換素子３０を収納する。パッケージ４０の一部にはヒートシンク４２が設けられている。パッケージ４０は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁体で形成され、熱伝導率は低い。ヒートシンク４２は例えばアルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ２Ｏ３）などパッケージ４０よりも熱伝導率が高く、かつ絶縁性の材質で形成されている。
【００２３】
ヒートシンク４２には、例えば銀（Ａｇ）ペーストなどを用いて熱光変換素子１００が固定されている。光電変換素子３０はパッケージ４０の内壁に固定され、熱光変換素子１００と対向し、ヒートシンク４２には接触しない。具体的には、熱光変換素子１００の半導体基板１０がヒートシンク４２に固定され、光電変換素子３０の半導体基板３１がパッケージ４０の内壁に固定される。熱光変換素子１００の反射防止膜１９と、光電変換素子３０の反射防止膜３８とが対向する。熱光変換素子１００と光電変換素子３０とは離間しており、距離ｄは例えば２ｍｍである。パッケージ４０の内側は真空引きされており、気圧は例えば１Ｐａ程度である。すなわち熱光変換素子１００および光電変換素子３０は真空状態で密封される。
【００２４】
パッケージ４０の外部にある熱源４４にヒートシンク４２を接触させる。熱源４４は室温より高温であり、例えば工場の炉および煙突の外壁などである。熱源４４からヒートシンク４２を通じて、熱光変換素子１００へと熱が伝導され、熱光変換素子１００の温度は熱源４４と同程度まで上昇する。例えば３００℃まで加熱された熱光変換素子１００は、図１（ｂ）において説明したキャリアの熱励起および再結合により、波長２．３μｍの光を集中的に放射する。光は反射防止膜１９および３８を透過して、光電変換素子３０のｐ型光吸収層３４に入射する。ｐ型光吸収層３４のバンドギャップはＥｇ３以下であるため、光によりフォトキャリアが生成される。このように、光電変換素子３０は、光を電気に変換することができる。例えば熱光起電力装置１１０の短絡電流は１．２Ａ／ｃｍ２、出力電力は０．２２Ｗ／ｃｍ２である。光電変換素子３０に配線を接続することで生じた電力を外部に出力することができる。
【００２５】
（製造方法）
図４（ａ）から図４（ｃ）は熱光変換素子１００の製造方法を例示する斜視図である。図４（ａ）に示すように、ウェハ状態の半導体基板１０の表面に、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により、半導体層１１をエピタキシャル成長する。図４（ｂ）に示すように、例えばプラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ）により、反射防止膜１９を形成する。図４（ｃ）に示すように、ウェハをダイシングし、熱光変換素子１００を形成する。
【００２６】
光電変換素子３０も、ウェハ状態の半導体基板３１の上にｐ型光吸収層３４などをエピタキシャル成長し、ダイシングすることで形成される。熱光変換素子１００と光電変換素子３０とをパッケージ４０に収納することで、図３に示した熱光起電力装置１１０が形成される。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、図１（ａ）に示すように、活性層１６がｐ型超格子層１４とｎ型超格子層１８との間に設けられている。図１（ｂ）に示すように、熱励起により電子２０および正孔２２が生成される。活性層１６の伝導帯の下端のエネルギーはｐ型超格子層１４の伝導帯の下端のエネルギーよりも低く、活性層１６の価電子帯の下端のエネルギーはｎ型超格子層１８の価電子帯の下端のエネルギーよりも高い。このため、電子２０はｐ型超格子層１４から活性層１６へと移動し、正孔２２はｎ型超格子層１８から活性層１６へと移動する。電子２０と正孔２２とが再結合することにより、熱光変換素子１００は活性層１６のバンドギャップＥｇ３に対応した特定の波長の光を放出することができる。
【００２８】
活性層１６のバンドギャップＥｇ３はＥｇ１およびＥｇ２より大きいため、再結合により発生する光はＥｇ３に対応する高いエネルギーを有し、波長は短くなる。すなわち熱光変換素子１００が放出する光は、黒体放射に比べて短波長の光が支配的になる。Ｅｇ３は例えば５３０ｍｅＶであり、光の波長は赤外領域に属する。Ｅｇ３の大きさに応じて赤外領域以外の波長の光を放出することもできる。
【００２９】
互いに異なる導電型のｐ型超格子層１４とｎ型超格子層１８とで活性層１６を挟むことで、図１（ｂ）のエネルギー準位が形成される。キャリアが活性層１６に流入し、再結合する。これによりバンドギャップＥｇ３に対応した波長の光が放出される。ｐ型超格子層１４とｎ型超格子層１８とで導電型を入れ替えてもよいが、図１（ｂ）のエネルギー準位を実現するためにｐ型超格子層１４、活性層１６およびｎ型超格子層１８の順に積層することが好ましい。
【００３０】
ｎ型超格子層１８のドーパントによる光の吸収率は、ｐ型超格子層１４および半導体基板１０よりも低い。このため、ｎ型超格子層１８側から放出される光の減衰が抑制される。また、反射防止膜１９をｎ型超格子層１８の上に設けることが好ましい。光が素子の表面で反射されると活性層１６に戻り、減衰してしまう。反射防止膜１９を設けることで、熱光変換素子１００から放出される光の減衰が抑制される。
【００３１】
ｐ型超格子層１４はＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層およびＩｎＳｂ層を積層したものである。ｎ型超格子層１８はＩｎＡｓ層およびＩｎＡｓＳｂ層を積層したものである。活性層１６はＧａＩｎＡｓＳｂで形成されている。これにより、図１（ｂ）に示したような、Ｅｃ３の下端のエネルギーがＥｃ１の下端のエネルギーより低く、Ｅｖ３の下端のエネルギーがＥｖ２の下端のエネルギーより高く、Ｅｇ３がＥｇ１およびＥｇ２より大きくなる。この結果、多数のキャリアが活性層１６へ流入し、再結合の発生確率が高くなる。したがって効率的に光を放出することができる。なお、半導体基板１０、バッファ層１２、ｐ型超格子層１４、活性層１６およびｎ型超格子層１８は他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層などの半導体で形成されてもよい。
【００３２】
ｐ型超格子層１４のバンドギャップＥｇ１はｎ型超格子層１８のバンドギャップＥｇ２とは異なる。これにより、広い温度範囲において熱励起が起き、光が放出される。例えば図１（ｂ）に示すようにＥｇ２＜Ｅｇ１である場合、低温ではｎ型超格子層１８の熱励起の発生確率はｐ型超格子層１４よりも高くなり、正孔２２が多く発生する。温度が高くなるとｐ型超格子層１４における熱励起の発生確率も上昇し、多数の電子２０が発生する。したがって広い温度範囲においてキャリアの再結合が起きやすく、効率的に光を発生させることができる。バンドギャップＥｇ１とＥｇ２とが等しい場合、バンドギャップに対応する温度では両方の層で熱励起が多く発生するが、当該温度未満では両方の層における熱励起の発生確率が低い。したがってＥｇ１とＥｇ２とが異なることが好ましい。
【００３３】
ｎ型超格子層１８の価電子帯の下端のエネルギーおよび伝導帯の下端のエネルギーは、活性層１６の価電子帯の下端のエネルギーより低くてもよい。Ｅｃ２とＥｃ３との差が大きくなり、活性層１６とｎ型超格子層１８との接合面にスパイク（図１（ｂ）では不図示）が形成される。スパイクは、伝導帯の電子２０が活性層１６からｎ型超格子層１８に流出することを抑制する。これにより活性層１６における電子２０の数が多くなり、再結合が起きやすくなり、発光効率が増大する。
【００３４】
図３に示すように、熱光変換素子１００と光電変換素子３０とをパッケージ４０に収納することで、熱光起電力装置１１０を形成する。熱光変換素子１００が熱源４４により加熱され、キャリアの熱励起および再結合が起こり、特定の波長の光が放出される。光電変換素子３０は、その光に対して高い光電変換効率を有する。すなわち、熱光変換素子１００は熱を効率的に特定の波長の光に変換し、光電変換素子３０はその光を効率的に電気に変換する。これにより、熱電変換効率が高くなる。
【００３５】
熱光変換素子１００に代えて金属の放射体などを用いると、放射体は熱輻射を発生させる。黒体輻射の波長分布はウィーンの法則により定まり、例えば３００℃では波長およそ５．０６μｍが強度のピークであり、かつ数十μｍ程度まで光が分布する。放射密度は０．６１Ｗ／ｃｍ２である。光電変換素子３０が効率的に電気に変換できる光の波長は、ｐ型光吸収層３４のバンドギャップにより定まる。すなわち光電変換素子３０が、熱輻射の長波長側の数十μｍの広い範囲の光を電気に変換することは難しい。このため熱電変換効率を高めることは困難である。
【００３６】
一方、本実施形態の熱光変換素子１００は、活性層１６のバンドギャップＥｇ３に対応したエネルギーの光を強く放出する。例えば熱光変換素子１００を３００℃まで加熱すると、波長２．３μｍの光を放出し、放射密度は１．３Ｗ／ｃｍ２である。光電変換素子３０のｐ型光吸収層３４のバンドギャップはＥｇ３以下であり、波長２．３μｍの光に対して光電変換効率が高い。したがって熱電変換効率が高くなる。例えば熱光起電力装置１１０の短絡電流は１．２Ａ／ｃｍ２、出力電力は０．２２Ｗ／ｃｍ２である。
【００３７】
熱光変換素子１００と光電変換素子３０とは例えば２ｍｍ程度の距離ｄをあけて離間している。またヒートシンク４２も光電変換素子３０から離間している。このため、熱光変換素子１００およびヒートシンク４２から光電変換素子３０への熱伝導は抑制される。光電変換素子３０の温度は例えば室温程度に維持されるため、熱による光電変換効率の低下および破損が抑制される。
【００３８】
距離ｄが小さいほど熱光変換素子１００から光電変換素子３０に入射する光は強くなり、距離ｄが大きくなるにつれて入射する光は減衰する。本実施形態によれば、前述のように、熱光変換素子１００は特定の波長の光を特に強く出力する。したがって、光電変換素子３０の断熱のために距離ｄを大きくしても、当該波長の光の強度は大きい。また距離ｄを大きくすることで、光電変換素子３０が断熱される。すなわち、光電変換素子３０の温度上昇の抑制と、高い熱電変換効率との両立とが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、３１    半導体基板
１１          半導体層
１２、３２    バッファ層
１４          ｐ型超格子層
１６          活性層
１８          ｎ型超格子層
１９、３８    反射防止膜
２０          電子
２２          正孔
３０          光電変換素子
３３          櫛型電極
３４          ｐ型光吸収層
３５          電極
３６          コンタクト層
４０          パッケージ
４２          ヒートシンク
４４          熱源
１００        熱光変換素子
１１０        熱光起電力装置
【図１】
2019041057.tif 000003
【図２】
2019041057.tif 000004
【図３】
2019041057.tif 000005
【図４】
2019041057.tif 000006