(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）長波長の光により価電子帯から半導体のバンドギャップ内のアクセプター準位に電子が励起されて前記価電子帯内に正孔を生成する手段と、
（ｂ）前記正孔を生成した状態で半導体に電流を流し、伝導帯に電子を供給する手段と、
（ｃ）前記供給された電子と前記価電子帯内にある正孔との結合により、短波長の光を発生させる手段とを具備することを特徴とするアップ・コンバージョン素子。
【請求項２】
（ａ）半導体のバンドギャップ内のドナー準位に電子が存在し、長波長の光により該電子を伝導帯に励起する手段と、
（ｂ）前記電子を伝導帯に励起した状態で、電流により価電子帯に正孔を供給する手段と、
（ｃ）前記伝導帯内にある電子と供給された正孔との結合により、短波長の光を発生させる手段とを具備することを特徴とするアップ・コンバージョン素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載のアップ・コンバージョン素子において前記半導体中に量子井戸、量子細線、量子ドットなどの量子構造を形成することを特徴とするアップ・コンバージョン素子。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載のアップ・コンバージョン素子において、前記長波長の光を調整することにより、短波長の光を制御可能にすることを特徴とするアップ・コンバージョン素子。
【請求項５】
請求項１、２又は３記載のアップ・コンバージョン素子において、前記電流を調整することにより、短波長の光を制御可能にすることを特徴とするアップ・コンバージョン素子。
【請求項６】
請求項１、２又は３記載のアップ・コンバージョン素子において、前記長波長の光及び電流を調整することにより、短波長の光を制御可能にすることを特徴とするアップ・コンバージョン素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子に係り、特に長波長の光を吸収し、短波長の光を発生させる波長変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光体は、一般に短波長（高エネルギー）の光を吸収し、これより長波長（低エネルギー）の光を発光する。発光体が長波長（低エネルギー）の一光子を吸収して短波長（高エネルギー）の一光子を放出することは、エネルギー保存則から通常あり得ない。
【０００３】
しかし、もしこの発光体中にエネルギーが予め保持されていると、このエネルギーを使って長波長（低エネルギー）の一光子を吸収して、短波長（高エネルギー）の一光子を放出することがある。この現象を輝尽性発光という。かかる輝尽性発光素子として、本願発明者にかかる提案が、既に特願平１１−２４５７８号として出願されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような輝尽性発光現象を生成させることができても、制御性よく短波長の光を発生させることには難があった。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、光と電流を用いて、機能性、制御性に優れた長波長（低エネルギー）の光を吸収して短波長（高エネルギー）の光を発生させることができるアップ・コンバージョン素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕アップ・コンバージョン素子において、長波長の光により価電子帯から半導体のバンドギャップ内のアクセプター準位に電子が励起されて前記価電子帯内に正孔を生成する手段と、前記正孔を生成した状態で半導体に電流を流し、伝導帯に電子を供給する手段と、前記供給された電子と前記価電子帯内にある正孔との結合により短波長の光を発生させる手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕アップ・コンバージョン素子において、半導体のバンドギャップ内のドナー準位に電子が存在し、長波長の光によりこの電子を伝導帯に励起する手段と、前記電子を伝導帯に励起した状態で、電流により価電子帯に正孔を供給する手段と、前記伝導帯内にある電子と供給された正孔との結合により、短波長の光を発生させる手段とを具備することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のアップ・コンバージョン素子において前記半導体中に量子井戸、量子細線、量子ドットなどの量子構造を形成することを特徴とする。
【０００９】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のアップ・コンバージョン素子において、前記長波長の光を調整することにより、短波長の光を制御可能にすることを特徴とする。
【００１０】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のアップ・コンバージョン素子において、前記電流を調整することにより、短波長の光を制御可能にすることを特徴とする。
【００１１】
〔６〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のアップ・コンバージョン素子において、前記長波長の光及び電流を調整することにより、短波長の光を制御可能にすることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施例を示す光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の模式図である。
【００１４】
この図に示すように、半導体のバンドギャップ１内にアクセプター準位ａがあり、この準位ａに価電子帯２から光により電子４を励起する（１）と、価電子帯２内に正孔５が生成する。この状況下で、半導体に電流を流し（２）、伝導帯３中に電子６を供給すると、供給された電子６と価電子帯２内にある正孔５が結合する過程で光を発する（３）。
【００１５】
図２は本発明の第２実施例を示す光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の模式図である。
【００１６】
第１実施例とは反対に、バンドギャップ内にあるドナー準位に電子があると、この電子を伝導帯に光で励起し、かつ電流により価電子帯に正孔を供給すると、伝導帯内にある電子と供給された正孔が結合する過程で光を発する。ここで伝導帯内にある電子と価電子帯内にある正孔が結合するときの発光エネルギーは、バンドギャップ内にある準位と、価電子帯間およびバンドギャップ内にある準位と伝導帯間のエネルギーよりも高いので、バンドギャップエネルギー以下のエネルギーの光を半導体に与えて、バンドギャップに相当する高エネルギーの光を発光させるアップ・コンバージョン素子を作製することが可能である。
【００１７】
図２において、１１はｎ形半導体（例えば、ｎ形ＧａＡｓ）層、１２は量子ドット、１３はその量子ドット１２の母体からなる層（量子ドット／母体の組合せは例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ，ＩｎＰ／ＧａX Ｉｎ1-X Ｐ，ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ）、１４はｐ側透明電極または半透明電極、１５はｎ側電極、１６は直流電源、１７は長波長光である。
【００１８】
上記したように、アップ・コンバージョン素子は、長波長の光を吸収し、短波長の光を発するので、波長変換素子として応用が可能である。
【００１９】
図３は本発明の第３実施例を示す光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の模式図である。なお、上記した実施例と同じ部分については、同じ符号を付してこれらの説明は省略する。
【００２０】
この実施例では、図３に示すように、特に、高効率にアップ・コンバージョンを行うには、半導体中に量子井戸、量子細線、量子ドットなどの量子構造８を形成し、別個の過程で作製された電子と正孔を同じ場所に集めることにより、効率を高くするとよい。
【００２１】
例えば、ＩｎＰ／ＧａX Ｉｎ1-X Ｐ量子ドット／母体の組合せの場合、１．３〜１．６５ｅＶの長波長光に対し、１．７ｅＶの短波長の光を発生させることができる。
【００２２】
そこで、光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の特徴として、短波長発光強度が長波長照射強度と電流強度両方に比例するという点が挙げられる。
【００２３】
この特徴により、機能性、制御性に優れたアップ・コンバージョン素子を作製することができる。
【００２４】
このような量子構造を用いると、量子サイズ効果のために電子・正孔や励起子のエネルギー準位が離散化し、かつサイズによりこれらの準位のエネルギーを制御することが可能である。これらの準位は共鳴的に特定の波長の光を発光する。
【００２５】
例えば、ＩｎＰ／ＧａX Ｉｎ1-X Ｐ量子ドット／母体の組合せの場合、１．３〜１．６５ｅＶの長波長光に対し、電流が１ｍＡ／ｍｍ2 を流すことにより、１．７ｅＶの短波長の光を発生させることができる。
【００２６】
多様な半導体で実現できる量子構造は、半導体の種類とサイズにより準位間の光学遷移のエネルギーを赤外から可視、紫外の広い領域にわたって、自由に制御することが可能である。
【００２７】
このようにして半導体に電流を流しながら赤外から可視、紫外の広い領域にわたって長波長の光を吸収することで制御された特定の波長の光を高い効率で発することができる。IV族、III −Ｖ族、II−VI族、Ｉ− VII族等の半導体をこのような応用に用いることができる。
【００２８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３０】
（Ａ）長波長の光を吸収し、短波長の光を発するので、波長変換素子として応用が可能である。
【００３１】
（Ｂ）光と電流を用いて、機能性、制御性に優れた長波長（低エネルギー）の光を吸収して、短波長（高エネルギー）の光を発生させることができる。
【００３２】
（Ｃ）多様な半導体で実現できる量子構造は、半導体の種類とサイズにより準位間の光学遷移のエネルギーを赤外から可視、紫外の広い領域にわたって、自由に制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の模式図である。
【図２】  本発明の第２実施例を示す光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の模式図である。
【図３】  本発明の第３実施例を示す光と電流を用いたアップ・コンバージョン素子の模式図である。
【符号の説明】
１    半導体のバンドギャップ
２    価電子帯
３    伝導帯
４，６    電子
５    正孔
８    量子構造
１１    ｎ形半導体層
１２    量子ドット
１３    量子ドットの母体層
１４    ｐ側透明電極または半透明電極
１５    ｎ側電極
１６    直流電源
１７    長波長光
【図１】
0003789708.tif 000002
【図２】
0003789708.tif 000003
【図３】
0003789708.tif 000004