(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長を有する入射光を前記第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換素子であって、
前記入射光を吸収して電子正孔対を生成する第１および第２の光吸収部と、
前記生成された電子と正孔とを再結合させて前記出射光を出射する光出射部と、
所定強度の電界の印加下において、前記第１の光吸収部で生成された電子を前記光出射部へ供給する第１の供給部と、前記電界の印加下において、前記第２の光吸収部で生成された正孔を前記光出射部へ供給する第２の供給部とを備える波長変換素子。
【請求項２】
第１の波長を有する入射光を前記第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換素子であって、
前記入射光を吸収することにより生成された電子と正孔とを再結合させて前記出射光を出射する光出射部と、
所定強度の電界の印加下において、前記入射光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した電子を前記光出射部へ供給する第１の光吸収部と、
前記電界の印加下において、前記入射光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔を前記光出射部へ供給する第２の光吸収部とを備える波長変換素子。
【請求項３】
前記第１の波長は、前記印加される電界の強度に応じて変化する、請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記第１の光吸収部は、
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、
前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜とを含み、
前記光出射部は、前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜から成り、
前記第２の光吸収部は、前記第４の薄膜に接して形成された第５の薄膜と、
前記第５の薄膜に接して形成された第６の薄膜と、
前記第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含み、
前記第１の光吸収部における正孔は、前記入射光によって前記第２の薄膜中に生成され、
前記第１の光吸収部における電子は、前記入射光によって前記第３の薄膜中に生成され、
前記第２の光吸収部における正孔は、前記入射光によって前記第６の薄膜中に生成され、
前記第２の光吸収部における電子は、前記入射光によって前記第７の薄膜中に生成される、請求項３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１の光吸収部は、
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜とを含み、
前記第１の供給部は、前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜から成り、
前記光出射部は、前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜から成り、
前記第２の供給部は、前記第４の薄膜に接して形成された第５の薄膜から成り、
前記第２の光吸収部は、
前記第５の薄膜に接して形成された第６の薄膜と、
前記第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含む、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記第２の薄膜は、第１のサブ準位が形成された伝導帯と第２のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第１の半導体薄膜から成り、
前記第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯を有する第２の半導体薄膜と、
前記第４の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯と第５のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第３の半導体薄膜から成り、
前記第６の薄膜は、第６のサブ準位が形成された伝導帯と第７のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第４の半導体薄膜から成り、
前記第３のサブ準位は、前記電界の印加下において、前記電子が前記第１のサブ準位から移動可能なエネルギー準位であり、
前記第４のサブ準位は、前記電界の印加下において、前記第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、
前記第５のサブ準位は、前記電界の印加下において、前記第７のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、
前記第１のサブ準位と前記第２のサブ準位との第１のエネルギーギャップ、前記第３のサブ準位と前記第２のサブ準位との第２のエネルギーギャップおよび前記第６のサブ準位と前記第７のサブ準位との第３のエネルギーギャップは、前記入射光が有するエネルギー値に実質的に等しく、
前記第４のサブ準位と前記第５のサブ準位との第４のエネルギーギャップは、前記第１、第２および第３のエネルギーギャップよりも大きく、かつ、前記出射光が有するエネルギー値に実質的に等しい、請求項４または請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記第５の薄膜は、前記第６の薄膜において生成された正孔をトンネリングにより前記第４の薄膜へ供給する、請求項６に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記第１の薄膜は、前記第１のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第５の半導体薄膜から成り、
前記第３の半導体薄膜は、前記第１のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有し、
前記第５の薄膜は、前記第４のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第６の半導体薄膜から成り、
前記第７の薄膜は、前記第３のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第７の半導体薄膜から成る、請求項７に記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記第１、第３、および第４の半導体薄膜は、同じバンドギャップを有する、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の波長変換素子。
【請求項１０】
第１の波長を有する入射光を前記第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、
前記入射光を吸収して前記出射光に変換して出射する波長変換素子と、
前記波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、
前記第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の透明導電膜であり、
前記第１の透明導電膜は、前記入射光を受け、
前記第２の透明導電膜は、前記出射光を出射し、
前記波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、前記第１の透明導電膜を透過した前記第１の波長を有する第１の光を吸収して前記第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を前記出射光として前記第２の透明導電膜に導き、
前記単位素子は、
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、
前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、
前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、
前記第２の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、
前記第４の薄膜は、前記生成された電子を正孔と再結合させて前記第２の光を生成し、
前記第３の薄膜は、前記第２の薄膜において生成された電子を前記第４の薄膜に供給し、
当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、
前記もう１つの基本構造に含まれる第１の薄膜は、前記生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する、波長変換装置。
【請求項１１】
第１の波長を有する入射光を前記第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、
前記入射光を吸収して前記出射光に変換して出射する波長変換素子と、
前記波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、
前記第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の櫛型電極であり、
前記波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、前記第１の櫛型電極を介して受けた前記第１の波長を有する第１の光を吸収して前記第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を前記出射光として前記第２の櫛型電極を介して出射し、
前記単位素子は、
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、
前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、
前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、
前記第２の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、
前記第４の薄膜は、前記生成された電子を正孔と再結合させて前記第２の光を生成し、
前記第３の薄膜は、前記第２の薄膜において生成された電子を前記第４の薄膜に供給し、
当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、
前記もう１つの基本構造に含まれる第１の薄膜は、前記生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する、波長変換装置。
【請求項１２】
第１の波長を有する入射光を前記第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、
前記入射光を吸収して前記出射光に変換して出射する波長変換素子と、
前記波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、
前記第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の透明導電膜であり、
前記第１の透明導電膜は、前記入射光を受け、
前記第２の透明導電膜は、前記出射光を出射し、
前記波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、前記第１の透明導電膜を透過した前記第１の波長を有する第１の光を吸収して前記第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を前記出射光として前記第２の透明導電膜に導き、
前記単位素子は、
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、
前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、
前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、
前記第２および第３の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した電子を前記第４の薄膜に供給し、
前記第４の薄膜は、前記生成された電子を正孔と再結合させて前記第２の光を生成し、
当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２および第３の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔を前記第４の薄膜に供給する、波長変換装置。
【請求項１３】
第１の波長を有する入射光を前記第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、
前記入射光を吸収して前記出射光に変換して出射する波長変換素子と、
前記波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、
前記第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の櫛型電極であり、
前記波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、前記第１の櫛型電極を介して受けた前記第１の波長を有する第１の光を吸収して前記第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を前記出射光として前記第２の櫛型電極を介して出射し、
前記単位素子は、
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、
前記第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、
前記第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、
前記第２および第３の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した電子を前記第４の薄膜に供給し、
前記第４の薄膜は、前記生成された電子を正孔と再結合させて前記第２の光を生成し、
当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２および第３の薄膜は、前記第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔を前記第４の薄膜に供給する、波長変換装置。
【請求項１４】
前記第１の波長は、前記所定の電圧の電圧レベルに応じて変化する、請求項１２又は１３に記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記第２の薄膜は、第１のサブ準位が形成された伝導帯と第２のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第１の半導体薄膜から成り、
前記第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯を有する第２の半導体薄膜から成り、
前記第４の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯と第５のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第３の半導体薄膜から成り、
前記第３のサブ準位は、前記所定の電圧の印加下において、前記電子が前記第１のサブ準位から移動可能なエネルギー準位であり、
前記第４のサブ準位は、前記所定の電圧の印加下において、前記第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、
前記第５のサブ準位は、前記所定の電圧の印加下において、前記もう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜の第２のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、
前記第１のサブ準位と前記第２のサブ準位との第１のエネルギーギャップまたは前記第３のサブ準位と前記第２のサブ準位との第２のエネルギーギャップは、前記第１の光が有するエネルギー値に実質的に等しく、
前記第４のサブ準位と前記第５のサブ準位との第３のエネルギーギャップは、前記第１および第２のエネルギーギャップよりも大きく、かつ、前記第２の光が有するエネルギー値に実質的に等しい、請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記第４の薄膜は、前記正孔をトンネリングにより受ける、請求項１５に記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記第２の半導体薄膜は、前記第１のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有し、
前記第１の薄膜は、前記第３のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第４の半導体薄膜から成る、請求項１６に記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記第１、および第３の半導体薄膜は、同じバンドギャップを有する、請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光の波長を変換する波長変換素子に関し、特に、入射光を入射光の波長よりも短い波長を有する光に変換する波長変換素子およびそれを用いた波長変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｇ−Ｏ−Ｃｓ等から成る光電面を有するイメージコンバータは、入射した光を電気信号に変換する。そして、入射する光の波長は赤外領域まで達しており、赤外領域の光を電気信号に変換できることが望まれる。
【０００３】
また、太陽電池においても、入射した光を電気に変換することが行なわれているが、太陽電池は、一般的にバンドギャップを有する半導体を用いて作製されるため、紫外領域から可視領域までの波長を有する光を電気に変換できるに過ぎない。
【０００４】
このように、光を電気に変換するデバイスにおいては、光が有する波長範囲の一部しか有効に利用できないのが現実である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、イメージコンバータ及び太陽電池のように、光電変換を行なうデバイスにおいては、赤外領域の光を有効に利用し、さらにデバイス性能を向上させる必要がある。
【０００６】
このような場合、赤外領域の光を吸収するためにバンドギャップの狭い半導体を用いてイメージコンバータまたは太陽電池を作製すれば良いが、紫外領域の光により生成された電子及び正孔は、それぞれ、半導体の伝導帯及び価電子帯の高い準位まで一旦励起され、最終的に伝導帯の下端または価電子帯の上端までエネルギー準位が下がる。従って、最初に励起されたエネルギー準位と、伝導帯の下端または価電子帯の上端のエネルギー準位とのエネルギー差を熱として放出することになる。その結果、デバイス全体として効率が低下する。
【０００７】
このような事情からも、赤外領域まで感度のあるデバイスを作製する場合に、半導体のバンドギャップを小さくするという方法は、得策ではなく、各デバイスのピーク感度を保持したままでは赤外領域の感度を高くすることは非常に困難である。
【０００８】
そこで、長波長の光を短波長の光に変換することにより、長波長の光を有効に利用することが想定される。赤外領域の光を可視光に変換するものとしてＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）フォスファーが知られている。このＩＲフォスファーは、波長が７５０〜１４５０ｎｍの範囲の光を波長５５０〜７８０ｎｍの光に変換するものである。
【０００９】
しかし、ＩＲフォスファーは、赤外領域の光を可視光に変換するものであるため、光電変換装置において、感度が小さい領域が赤外領域以外の領域であるとき、このようなＩＲフォスファーを光電変換装置に適用することはできない。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、任意の波長を有する入射光をより短波長の光に変換可能な波長変換素子及びそれを用いた波長変換装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、波長変換素子は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換素子であって、入射光を吸収して電子正孔対を生成する第１および第２の光吸収部と、生成された電子と正孔とを再結合させて出射光を出射する光出射部と、所定強度の電界の印加下において、第１の光吸収部で生成された電子を光出射部へ供給する第１の供給部と、電界の印加下において、第２の光吸収部で生成された正孔を光出射部へ供給する第２の供給部とを備える。
【００１２】
また、この発明によれば、波長変換素子は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換素子であって、入射光を吸収することにより生成された電子と正孔とを再結合させて出射光を出射する光出射部と、所定強度の電界の印加下において、入射光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した電子を光出射部へ供給する第１の光吸収部と、電界の印加下において、入射光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔を光出射部へ供給する第２の光吸収部とを備える。
【００１３】
好ましくは、第１の波長は、印加される電界の強度に応じて変化する。
より好ましくは、第１の光吸収部は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜とを含み、光出射部は、第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜から成り、第２の光吸収部は、第４の薄膜に接して形成された第５の薄膜と、第５の薄膜に接して形成された第６の薄膜と、第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含み、第１の光吸収部における正孔は、入射光によって第２の薄膜中に生成され、第１の光吸収部における電子は、入射光によって第３の薄膜中に生成され、第２の光吸収部における正孔は、入射光によって第６の薄膜中に生成され、第２の光吸収部における電子は、入射光によって第７の薄膜中に生成される。
【００１４】
より好ましくは、第１の光吸収部は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜とを含み、第１の供給部は、第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜から成り、光出射部は、第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜から成り、第２の供給部は、第４の薄膜に接して形成された第５の薄膜から成り、第２の光吸収部は、第５の薄膜に接して形成された第６の薄膜と、第６の薄膜に接して形成された第７の薄膜とを含む。
【００１５】
より好ましくは、第２の薄膜は、第１のサブ準位が形成された伝導帯と第２のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第１の半導体薄膜から成り、第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯を有する第２の半導体薄膜と、第４の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯と第５のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第３の半導体薄膜から成り、第６の薄膜は、第６のサブ準位が形成された伝導帯と第７のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第４の半導体薄膜から成り、第３のサブ準位は、電界の印加下において、電子が第１のサブ準位から移動可能なエネルギー準位であり、第４のサブ準位は、電界の印加下において、第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、第５のサブ準位は、電界の印加下において、第７のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、第１のサブ準位と第２のサブ準位との第１のエネルギーギャップ、第３のサブ準位と第２のサブ準位との第２のエネルギーギャップおよび第６のサブ準位と第７のサブ準位との第３のエネルギーギャップは、入射光が有するエネルギー値に実質的に等しく、第４のサブ準位と第５のサブ準位との第４のエネルギーギャップは、第１、第２および第３のエネルギーギャップよりも大きく、かつ、出射光が有するエネルギー値に実質的に等しい。
【００１６】
より好ましくは、第５の薄膜は、第６の薄膜において生成された正孔をトンネリングにより第４の薄膜へ供給する。
【００１７】
より好ましくは、第１の薄膜は、第１のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第５の半導体薄膜から成り、第３の半導体薄膜は、第１のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有し、第５の薄膜は、第４のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第６の半導体薄膜から成り、第７の薄膜は、第３のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第７の半導体薄膜から成る。
【００１８】
より好ましくは、第１、第３、および第４の半導体薄膜は、同じバンドギャップを有する。
【００１９】
また、この発明によれば、波長変換装置は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、入射光を吸収して出射光に変換して出射する波長変換素子と、波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の透明導電膜であり、第１の透明導電膜は、入射光を受け、第２の透明導電膜は、出射光を出射し、波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、第１の透明導電膜を透過した第１の波長を有する第１の光を吸収して第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を出射光として第２の透明導電膜に導き、単位素子は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、第２の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、第４の薄膜は、生成された電子を正孔と再結合させて第２の光を生成し、第３の薄膜は、前記第２の薄膜において生成された電子を前記第４の薄膜に供給し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、もう１つの基本構造に含まれる第１の薄膜は、生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する。
【００２０】
更に、この発明によれば、波長変換装置は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、入射光を吸収して出射光に変換して出射する波長変換素子と、波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の櫛型電極であり、波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、第１の櫛型電極を介して受けた第１の波長を有する第１の光を吸収して第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を出射光として第２の櫛型電極を介して出射し、単位素子は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、第２の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、第４の薄膜は、生成された電子を正孔と再結合させて第２の光を生成し、第３の薄膜は、第２の薄膜において生成された電子を第４の薄膜に供給し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、もう１つの基本構造に含まれる第１の薄膜は、生成された正孔を前記第４の薄膜に供給する。
【００２１】
更に、この発明によれば、波長変換装置は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、入射光を吸収して出射光に変換して出射する波長変換素子と、波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の透明導電膜であり、第１の透明導電膜は、入射光を受け、第２の透明導電膜は、出射光を出射し、波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、第１の透明導電膜を透過した第１の波長を有する第１の光を吸収して第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を出射光として第２の透明導電膜に導き、単位素子は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、第２および第３の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した電子を第４の薄膜に供給し、第４の薄膜は、生成された電子を正孔と再結合させて第２の光を生成し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２および第３の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔を第４の薄膜に供給する。
【００２２】
更に、この発明によれば、波長変換装置は、第１の波長を有する入射光を第１の波長よりも短い第２の波長を有する出射光に変換して出射する波長変換装置であって、入射光を吸収して出射光に変換して出射する波長変換素子と、波長変換素子を挟持する第１及び第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印加する電源回路とを備え、第１及び第２の電極は、それぞれ、第１及び第２の櫛型電極であり、波長変換素子は、積層された複数の単位素子から成り、第１の櫛型電極を介して受けた第１の波長を有する第１の光を吸収して第２の波長を有する第２の光に変換し、その変換した第２の光を出射光として第２の櫛型電極を介して出射し、単位素子は、第１の薄膜と、第１の薄膜に接して形成された第２の薄膜と、第２の薄膜に接して形成された第３の薄膜と、第３の薄膜に接して形成された第４の薄膜とを含み、第２および第３の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した電子を第４の薄膜に供給し、第４の薄膜は、生成された電子を正孔と再結合させて第２の光を生成し、当該基本構造に隣接するもう１つの基本構造に含まれる第２および第３の薄膜は、第１の光を吸収して電子正孔対を生成し、その生成した正孔を第４の薄膜に供給する。
【００２４】
より好ましくは、第１の波長は、所定の電圧の電圧レベルに応じて変化する。より好ましくは、第２の薄膜は、第１のサブ準位が形成された伝導帯と第２のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第１の半導体薄膜から成り、第３の薄膜は、第３のサブ準位が形成された伝導帯を有する第２の半導体薄膜から成り、第４の薄膜は、第４のサブ準位が形成された伝導帯と第５のサブ準位が形成された価電子帯とを有する第３の半導体薄膜から成り、第３のサブ準位は、所定の電圧の印加下において、電子が第１のサブ準位から移動可能なエネルギー準位であり、第４のサブ準位は、所定の電圧の印加下において、第３のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、第５のサブ準位は、所定の電圧の印加下において、もう１つの基本構造に含まれる第２の薄膜の第２のサブ準位よりもエネルギー準位が低く、第１のサブ準位と第２のサブ準位との第１のエネルギーギャップまたは第３のサブ準位と第２のサブ準位との第２のエネルギーギャップは、第１の光が有するエネルギー値に実質的に等しく、第４のサブ準位と第５のサブ準位との第３のエネルギーギャップは、第１および第２のエネルギーギャップよりも大きく、かつ、第２の光が有するエネルギー値に実質的に等しい。
【００２５】
より好ましくは、第４の薄膜は、正孔をトンネリングにより受ける。
より好ましくは、第２の半導体薄膜は、第１のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有し、第１の薄膜は、第３のエネルギーギャップよりも大きいバンドギャップを有する第４の半導体薄膜から成る。
【００２６】
より好ましくは、第１、および第３の半導体薄膜は、同じバンドギャップを有する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２８】
図１は、この発明による波長変換装置の斜視図を示す。波長変換装置１０は、透明導電膜１，２と、ｎ個の単位素子３１〜３ｎと、電源回路４とを備える。ｎ個の単位素子３１〜３ｎは、透明導電膜１と透明導電膜２との間に狭持される。透明導電膜１，２は、ＩＴＯまたはＳｎＯ2から成る。ＩＴＯ及びＳｎＯ2は、スパッタリング法により形成される。
【００２９】
電源回路４は、透明導電膜１と透明導電膜２との間に単位素子の積層数に比例する直流電圧を印加し、この実施の形態においては、２０周期の単位素子を形成したときに印加する０〜１５Ｖの範囲の直流電圧を印加する。
【００３０】
単位素子３１〜３ｎの各々は、電源回路４により所定の直流電圧が印加されると、後述する原理により、透明導電膜１から入射した波長λ１の入射光を、波長λ１よりも短波長の波長λ２を有する出射光に変換して透明導電膜２から出射する。
【００３１】
図２は、図１に示す単位素子３１〜３ｎの単一の断面構造図である。単位素子３１〜３ｎは、バリア層４１，４３と、井戸層４２，４４とを含む。井戸層４２は、バリア層４１に接して形成され、バリア層４３は、井戸層４２に接して形成され、井戸層４４は、バリア層４３に接して形成される。
【００３２】
単位素子３１のバリア層４１は、透明導電膜１に接し、単位素子３ｎの井戸層４４は、透明導電膜２に接する。また、単位素子３１〜３ｎ−１の井戸層４４には、それぞれ、隣接する単位素子３２〜３ｎのバリア層４１が接する。
【００３３】
バリア層４１，４３は、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）から成り、井戸層４２，４４は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から成る。そして、バリア層４１の膜厚は、４モノレイヤ、即ち、１１．３２Åであり、井戸層４２の膜厚は、１５モノレイヤ、即ち、４２．４５Åであり、バリア層４３の膜厚は、１８モノレイヤ、即ち、５０．９４Åであり、井戸層４４の膜厚は、１１モノレイヤ、即ち、３１．１３Åである。
【００３４】
バリア層４１，４３を構成するアルミニウムヒ素及び井戸層４２，４４を構成するガリウムヒ素は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いた結晶成長により形成される。従って、アルミニウムヒ素およびガリウムヒ素は、モノレイヤづつ結晶成長され、その表面は平坦である。その結果、バリア層４１と井戸層４２との界面、井戸層４２とバリア層４３との界面、及びバリア層４３と井戸層４４との界面は、急峻に形成される。
【００３５】
なお、アルミニウムヒ素及びガリウムヒ素は、ＭＢＥ法に限らず、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、及びＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ）によって結晶成長されてもよい。これらの方法により結晶成長した場合にも、バリア層４１と井戸層４２との界面、井戸層４２とバリア層４３との界面、及びバリア層４３と井戸層４４との界面は、急峻に形成される。
【００３６】
図３は、図２に示す単位素子３１〜３ｎのうち、隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバンド図を示す。なお、図３に示すエネルギーバンド図は、電源回路４により所定の直流電圧が印加されていないときのエネルギーバンド図である。
【００３７】
バリア層４１，４３を構成するアルミニウムヒ素のバンドギャップＥｇ１は３．１９ｅＶであり、井戸層４２，４４を構成するガリウムヒ素のバンドギャップＥｇ２は、１．５１２ｅＶである。バリア層４１，４３の伝導帯の下端Ｅｃ１と井戸層４２，４４の伝導帯の下端Ｅｃ２とのエネルギー差は、１．１０８ｅＶであり、バリア層４１，４３の価電子帯の上端Ｅｖ１と井戸層４２，４４の価電子帯の上端Ｅｖ２とのエネルギー差は、０．５７０ｅＶである。
【００３８】
従って、井戸層４２中の電子及び正孔は、バリア層４１，４３によって閉じ込められる。その結果、井戸層４２を構成するガリウムヒ素の伝導帯中にサブ準位１１，１２が形成され、価電子帯中にサブ準位１３，１４が形成される。
【００３９】
サブ準位１１は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．１４３ｅＶの位置に形成され、サブ準位１２は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．４３０ｅＶの位置に形成される。また、サブ準位１３は、価電子帯の上端Ｅｖ２から０．０４０ｅＶの位置に形成され、サブ準位１４は、価電子帯の上端Ｅｖ２から０．１５８ｅＶの位置に形成される。
【００４０】
また、井戸層４４中の電子及び正孔は、バリア層４３，４１によって閉じ込められる。その結果、井戸層４４を構成するガリウムヒ素の伝導帯中にサブ準位１５，１６が形成され、価電子帯中にサブ準位１７，１８が形成される。
【００４１】
サブ準位１５は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．２０５ｅＶの位置に形成され、サブ準位１６は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．６１０ｅＶの位置に形成される。また、サブ準位１７は、価電子帯の上端Ｅｖ２から０．０６４ｅＶの位置に形成され、サブ準位１８は、価電子帯の上端Ｅｖ２から０．２５３ｅＶの位置に形成される。
【００４２】
上述したように、井戸層４４を構成するガリウムヒ素の膜厚は、井戸層４２を構成するガリウムヒ素の膜厚よりも薄いので、サブ準位１５，１６は、それぞれ、サブ準位１１，１２よりもエネルギー的に高い位置に存在し、サブ準位１７，１８は、それぞれ、サブ準位１３，１４よりもエネルギー的に高い位置に存在する。
【００４３】
図４は、ガリウムヒ素及びアルミニウムヒ素の伝導帯と価電子帯とのエネルギー準位を波数に対して示した図である。縦軸がエネルギー準位であり、横軸が波数である。また、実線がガリウムヒ素であり、点線がアルミニウムヒ素である。図３に示すエネルギーバンド図（実線）は、図４のΓ位置におけるエネルギー準位を用いて描いた図である。Γ位置においては、アルミニウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ１は、ガリウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ２よりもエネルギー的に高い準位に位置するが、Ｘ位置においては、アルミニウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ３は、ガリウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ４よりもエネルギー的に低い準位に位置する。
【００４４】
従って、Ｘ位置におけるアルミニウムヒ素及びガリウムヒ素のエネルギー準位を用いたエネルギーバンド図は、図３の点線で示すエネルギーバンド図になる。この場合、Ｘ位置におけるアルミニウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ３は、Ｘ位置におけるガリウムヒ素の伝導帯の下端Ｅｃ４よりもエネルギー的に低い位置に存在するので、アルミニウムヒ素は、井戸層を構成し、ガリウムヒ素は、バリア層を構成する。
【００４５】
その結果、バリア層４３には、サブ準位２１〜２６が形成され、バリア層４１には、サブ準位２７，２８が形成される。サブ準位２１は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．１７８ｅＶの位置に形成され、サブ準位２２は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．２０１ｅＶの位置に形成され、サブ準位２３は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．２４５ｅＶの位置に形成され、サブ準位２４〜２６は、伝導帯の下端Ｅｃ２から所定の位置に形成される。
【００４６】
また、サブ準位２７は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．２４９ｅＶの位置に形成され、サブ準位２８は、伝導帯の下端Ｅｃ２から０．４８０ｅＶの位置に形成される。
【００４７】
このように、単位素子３１〜３ｎは、量子井戸構造から成る。
図５は、電源回路４により透明導電膜１と透明導電膜２との間に約５Ｖの直流電圧を印加した場合の隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバンド図を示す。この５Ｖの直流電圧は、２０周期の単位素子を形成したときに印加する電圧であり、単位素子３１〜３ｎに１６０ｋＶ／ｃｍの電界を印加する電圧に相当する。
【００４８】
５Ｖの直流電圧が印加された状態で、単位素子３２，３３に波長７３０ｎｍを有する入射光が照射されると、波長７３０ｎｍの入射光は、単位素子３２，３３の井戸層４２に形成されたサブ準位１１とサブ準位１３とのエネルギー差１．６９５ｅＶに相当するエネルギーを有するので、波長７３０ｎｍの入射光は井戸層４２によって吸収される。その結果、電子５１がサブ準位１１へ励起され、サブ準位１３には正孔５２が生成される。
【００４９】
生成された電子５１及び正孔５２は、外部から印加された電界によって移動され、電子５１はバリア層４３の方向へ移動し、正孔５２はバリア層４１の方向へ移動する。約１６０ｋＶ／ｃｍの電界が印加された状態では、井戸層４２のサブ準位１１は、バリア層４３のサブ準位２１および井戸層４４のサブ準位１５とエネルギー的にほぼ同じであるので、バリア層４３に到達した電子５１は、サブ準位２１を介してバリア層４３中を移動して井戸層４４のサブ準位１５に到達する。
【００５０】
単位素子３２の井戸層４２のサブ準位１３に生成された正孔５２は、トンネリングによりバリア層４１を通過して隣接する単位素子の井戸層４４へ移動する。また、単位素子３３の井戸層４２のサブ準位１３に生成された正孔５２は、トンネリングによりバリア層４１を通過して単位素子３２の井戸層４４のサブ準位１７へ移動する。そして、井戸層４４において、サブ準位１５に存在する電子５１がサブ準位１７に存在する正孔５２と再結合することにより、サブ準位１５とサブ準位１７とのエネルギー差１．７８１ｅＶに相当する波長６９６ｎｍの出射光が出射される。
【００５１】
この場合、単位素子３３の井戸層４２からバリア層４１を介して単位素子３２の井戸層４４に到達した正孔５２は、バリア層４３が正孔のトンネリングを阻害するのに十分な厚さを有するため、バリア層４３を介して井戸層４２へ移動することはなく、サブ準位１７に閉じ込められる。その結果、サブ準位１５に存在する電子５１とサブ準位１７に存在する正孔５２との再結合が促進される。
【００５２】
このように、この発明による波長変換装置１０においては、隣接する２つの単位素子において入射光を吸収して電子正孔対が生成される。そして、一方の単位素子３２において生成された電子がバリア層４３を介して井戸層４４のサブ準位１５へ移動し、他方の単位素子３３において生成された正孔がバリア層４１を介して一方の単位素子３２の井戸層４４へ移動して再結合することにより、出射光を出射することを特徴とする。この場合、入射光の吸収が生じた井戸層４２におけるサブ準位１１とサブ準位１３とのエネルギー差は、出射光を出射する井戸層４４におけるサブ準位１５とサブ準位１７とのエネルギー差よりも小さいので、出射光の波長は、入射光の波長よりも短くなる。つまり、波長変換装置１０は、入射光を、より短波長の光に変換して出射する。
【００５３】
波長変換装置１０は、ｎ個の単位素子３１〜３ｎを積層して成るが、上述した波長変換の原理に基づけば、単位素子３２のバリア層４１，４３及び井戸層４２，４４と、単位素子３３のバリア層４１，４３及び井戸層４２とにより、入射光の波長をより短波長な光に変換する波長変換素子を構成することができる。この場合、波長変換素子は、単位素子３２の井戸層４２と単位素子３３の井戸層４２とを入射光の吸収層として有する。つまり、波長変換素子は、２つの吸収層（井戸層４２，４２）により入射光を吸収して変換層（井戸層４４）によって入射光をより短波長な光に変換して出射する。
【００５４】
図６は、波長７３０ｎｍの光を波長変換装置１０へ入射させたときの波長変換装置１０からの出射光の逆バイアス電圧依存性性を示す図である。縦軸は波長であり、横軸は波長変換装置１０の透明導電膜１と透明導電膜２との間に印加される逆バイアス電圧である。
【００５５】
波長６９２ｎｍ〜７０６ｎｍの範囲において発光が観測され、この発光は、井戸層４４におけるサブ準位１５とサブ準位１７とのエネルギー差に相当する。波長７３０ｎｍの光は、井戸層４２におけるサブ準位１１とサブ準位１３とのエネルギー差に相当するエネルギーを有するため、波長７３０ｎｍの光を波長変換装置１０へ入射させたとき、波長７３０ｎｍの光は井戸層４２により吸収される。そして、井戸層４２により吸収された光は、井戸層４４によって波長６９２〜７０６ｎｍの光に変換されて波長変換装置１０から出射される。従って、図６に示す実験結果は、波長変換装置１０によって波長７３０ｎｍの光が波長６９２ｎｍ〜７０６ｎｍの光に変換されることを支持するものである。
【００５６】
また、波長変換装置１０に印加する逆バイアス電圧が２〜１０Ｖの範囲で変化しても、発光波長は６９２ｎｍ〜７０６ｎｍの範囲において変化しない。つまり、発光波長はバイアス依存性を有しない。従って、波長変換装置１０は、電源回路４により２〜１０Ｖの範囲の直流電圧を透明導電膜１と透明導電膜２との間に印加すれば、波長７３０ｎｍの光を波長６９２ｎｍ〜７０６ｎｍの範囲の光に変換できる。
【００５７】
波長変換装置１０において、単位素子３１〜３ｎの井戸層４２の膜厚を１５モノレイヤ（＝４２．４５Å）から１６モノレイヤ（＝４５．２８Å）に変え、井戸層４４の膜厚を１１モノレイヤ（＝３１．１３Å）から１０モノレイヤ（＝２８．３０Å）に変えることにより、波長変換装置１０は、波長７３５ｎｍの入射光を波長６８７ｎｍの出射光に変換して出射できる。
【００５８】
また、波長変換装置１０において、単位素子３１〜３ｎの井戸層４２の膜厚を１５モノレイヤ（＝４２．４５Å）から１８モノレイヤ（＝５０．９４Å）に変え、井戸層４４の膜厚を１１モノレイヤ（＝３１．１３Å）から１０モノレイヤ（＝２８．３０Å）に変えることにより、波長変換装置１０は、波長７５０ｎｍの入射光を波長６８７ｎｍの出射光に変換して出射できる。
【００５９】
この発明による波長変換装置は、図７に示す波長変換装置１０Ａであってもよい。波長変換装置１０Ａは、波長変換装置１０の単位素子３１〜３ｎを単位素子６１〜６ｎに代えたものであり、その他は波長変換装置１０と同じである。
【００６０】
図８は、図７に示す単位素子６１〜６ｎの単一の断面構造図である。単位素子６１〜６ｎは、単位素子３１〜３ｎの井戸層４２を井戸層４５に代え、バリア層４３をバリア層４６に代えたものであり、その他は単位素子３１〜３ｎと同じである。
【００６１】
井戸層４５は、ガリウムヒ素から成り、膜厚は７０モノレイヤ（＝１９８．１Å）である。また、バリア層４６は、アルミニウムヒ素から成り、膜厚は４０モノレイヤ（＝１１３．２Å）である。なお、井戸層４５を構成するガリウムヒ素及びバリア層４６を構成するアルミニウムヒ素も、上述したＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、及びＡＬＥにより形成される。従って、バリア層４１と井戸層４５との界面、井戸層４５とバリア層４６との界面、及びバリア層４６と井戸層４４との界面は、急峻に形成される。
【００６２】
図９は、所定の直流電圧が印加されたときの単位素子６２，６３のエネルギーバンド図である。実線は、図４に示すΓ位置におけるエネルギーバンド図であり、点線は、Ｘ位置におけるエネルギーバンド図である。
【００６３】
単位素子６２，６３に入射光が照射されると、井戸層４５のサブ準位７１からバリア層４６のサブ準位７２へ電子が励起され、電子正孔対が生成される。サブ準位７２に励起された電子は、約１６０ｋＶ／ｃｍの電界によりサブ準位７２を井戸層４４の方向へ移動し、井戸層４４のサブ準位１５に到達する。また、井戸層４５のサブ準位７１に生成された正孔は、電界によりバリア層４１の方向へ移動し、トンネリングによりバリア層４１を介して隣接する単位素子の井戸層４４へ移動する。
【００６４】
単位素子６３の井戸層４５のサブ準位７１に生成された正孔は、電界によりバリア層４１の方向へ移動し、トンネリングによりバリア層４１を介して単位素子６２の井戸層４４のサブ準位１７へ移動する。そして、サブ準位１５の電子がサブ準位１７の正孔と再結合することにより出射光が出射される。
【００６５】
このように、波長変換装置１０Ａにおいては、単位素子６１〜６ｎにおいて井戸層４５及びバリア層４６によって電子正孔対が生成される点が波長変換装置１０の単位素子３１〜３ｎにおける光吸収の機構と異なる点であり、生成された電子及び正孔が井戸層４４へ移動し、再結合する機構は単位素子３１〜３ｎの場合と同じである。
【００６６】
図１０は、波長変換装置１０Ａにおける波長変換の実験結果を示す図である。縦軸は波長であり、横軸は波長変換装置１０Ａの透明導電膜１と透明導電膜２との間に印加される逆バイアス電圧である。
【００６７】
波長８１０ｎｍ〜８６０ｎｍ付近の発光は、入射光を示し、波長６８０ｎｍ付近の発光は出射光を示す。
【００６８】
波長６８０ｎｍ付近の発光は、その波長が逆バイアス電圧によって殆ど変化しない。一方、８１０ｎｍ〜８６０ｎｍ付近の発光は、その波長が逆バイアス電圧に大きく依存し、逆バイアス電圧が高くなるに従って波長は長くなる。
【００６９】
波長変換装置１０Ａにおいては、上述したように、単位素子６１〜６ｎの井戸層４５のサブ準位７１とバリア層４６のサブ準位７２との間で入射光が吸収され、単位素子６１〜６ｎに印加される逆バイアス電圧が高くなるに従ってサブ準位７１とサブ準位７２とのエネルギー差は小さくなる。従って、図１０に示すように、単位素子６１〜６ｎによる光吸収波長は、印加される直流電圧が高くなるに従って長波長側へシフトする。その結果、図１０に示す実験結果は、図９に示す波長変換の機構を支持する。
【００７０】
この発明による波長変換装置は、図１１に示す波長変換装置１０Ｂであってもよい。波長変換装置１０Ｂは、櫛型電極８１と、ｐ+型ＧａＡｓ８２と、ｐ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８３と、ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８４と、単位素子３１〜３ｎと、ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８６と、ｎ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８７と、ｎ+型ＧａＡｓ８８と、ｎ型ＧａＡｓ基板８９と、電源回路４とを備える。
【００７１】
櫛型電極８１は、例えば、アルミニウムから成る。ｐ+型ＧａＡｓ８２の膜厚は、１０００Åであり、ｐ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８３の膜厚は、２０００Åであり、ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８４，８６の膜厚は、５００Åであり、ｎ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5８７の膜厚は、８０００Åであり、ｎ+型ＧａＡｓ８８の膜厚は、１０００Åである。単位素子３１〜３ｎについては上述した通りである。
【００７２】
波長変換装置１０Ｂにおいては、入射光λ１は、櫛型電極８１を介して単位素子３１〜３ｎへ入射する。また、波長変換装置１０Ｂにおいては、電源回路４は、櫛型電極８１とｎ型ＧａＡｓ基板８９との間に所定の電圧を印加する。
【００７３】
また、この発明による波長変換装置は、図１２に示す波長変換装置１０Ｃであってもよい。波長変換装置１０Ｃは、波長変換装置１０Ｂの櫛型電極８１を電極８１Ａに代えたものであり、その他は波長変換装置１０Ｂと同じである。電極８１Ａは、中央部に孔９０を設けた電極であり、例えば、アルミニウムから成る。入射光λ１は孔９０を介して単位素子３１〜３ｎへ入射する。また、波長変換装置１０Ｃにおいては、電源回路４は、電極８１Ａとｎ型ＧａＡｓ基板８９との間に所定の電圧を印加する。
【００７４】
なお、波長変換装置１０Ｂ，１０Ｃにおいては、単位素子３１〜３ｎに代えて単位素子６１〜６ｎを用いることも可能である。
【００７５】
上記においては、井戸層４２，４４，４５にガリウムヒ素を用い、バリア層４１，４３，４６にアルミニウムヒ素を用いた場合について説明したが、この発明においては、これに限らず、井戸層４２，４４，４５にガリウムナイトライド（ＧａＮ）、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）及びインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）のいずれかを適用してもよく、バリア層４１，４３，４６にアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）を適用してもよい。これらの各材料は、上述したＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、及びＡＬＥにより結晶成長可能であるので、これらの材料を用いて単位素子３１〜３ｎ，６１〜６ｎを形成した場合、バリア層と井戸層との界面は急峻である。
【００７６】
また、上記においては、波長変換装置１０，１０Ａは、光を透明導電膜１から入射し、その入射した光の波長を短波長の光に変換して透明導電膜２から出射すると説明したが、この発明においては、入射光及び出射光の方向は、波長変換装置１０，１０Ａに対して斜めであってもよく、その方向は特に特定されない。
【００７７】
さらに、単位素子３１〜３ｎ，６１〜６ｎの両側に第１及び第２の反射層を設けて波長変換装置を構成してもよい。この場合、第１の反射層は、波長λ１を有する入射光を透過し、波長λ１よりも短波長である波長λ２を有する出射光を反射する。また、第２の反射層は、波長λ１を有する入射光を反射し、波長λ２を有する出射光を透過する。このような構成にすることにより単位素子３１〜３ｎ，６１〜６ｎにおいて光を閉じ込めることができ、光の利用効率と出力効率を高めることができる。
【００７８】
上述した波長変換装置１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを用いることにより、赤外領域の光を可視領域の光に変換することができ、波長変換装置１０，１０Ａにより変換した光をフォトダイオード、及びＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）によって検出することにより、赤外領域の光を高感度に検出可能である。
【００７９】
また、波長変換装置１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによって変換した光を太陽電池の入射光に用いることによって、太陽電池の波長感度を赤外領域まで広げることができる。
【００８０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて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。
【００８１】
【発明の効果】
この発明によれば、波長変換装置は、井戸幅の異なる２つの量子井戸を備え、井戸幅の広い量子井戸により光を吸収して生成した電子正孔対を井戸幅の狭い量子井戸内で再結合させるので、吸収した光の波長をより短波長の光に変換できる。
【００８２】
また、この発明によれば、波長変換装置は、赤外線を用いた実験等の際、光学調整のために用いられる赤外光検出カードの代用としても用いることができ、より高効率、かつ、簡便な素子としての意義も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による波長変換装置の斜視図である。
【図２】  図１に示す単位素子の断面構造図である。
【図３】  図１に示す複数の単位素子のうち、隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバンド図である。
【図４】  アルミニウムヒ素及びガリウムヒ素におけるエネルギー準位と波数との関係を示す図である。
【図５】  図１に示す複数の単位素子にバイアス電圧を印加したときの隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバンド図である。
【図６】  図１に示す波長変換装置における波長変換の実験結果を示す図である。
【図７】  この発明による波長変換装置の他の斜視図である。
【図８】  図７に示す単位素子の断面構造図である。
【図９】  図７に示す複数の単位素子にバイアス電圧を印加したときの隣接する２つの単位素子におけるエネルギーバンド図である。
【図１０】  図７に示す波長変換装置における波長変換の実験結果を示す図である。
【図１１】  この発明による波長変換装置の更に他の斜視図である。
【図１２】  この発明による波長変換装置の更に他の斜視図である。
【符号の説明】
１，２  透明導電膜、４  電源回路、１０，１０Ａ  波長変換装置、１１〜１８，２１〜２８，７１，７２  サブ準位、３１〜３ｎ，６１〜６ｎ  単位素子、４１，４３，４６  バリア層、４２，４４，４５  井戸層、５１  電子、５２  正孔、８１  櫛型電極、８１Ａ  電極、８２  ｐ+型ＧａＡｓ、８３  ｐ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5、８４，８６  ｉ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5、８７  ｎ型Ａｌ0.5（ＧａＡｓ）0.5、８８  ｎ+型ＧａＡｓ、８９  ｎ型ＧａＡｓ基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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