Novel solid-state cooling device based on semiconductor quantum structures

基于半导体量子结构的新型固态冷却装置

基本信息

批准号：
16F16783
负责人：
平川一彦
金额：
$ 1.41万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-11-07 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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、高効率冷却技術の開発はエレクトロニクスの発展の鍵を握る技術である。我々は、高い冷却効率を実現することを目指して、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熱電子放出冷却技術に注目して研究を行った。本素子構造では、トンネル障壁を介して量子井戸に低エネルギーの電子を共鳴的に注入し、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という過程で電子が伝導し、電流を流すにつれて量子井戸層の電子系が冷却されていく素子である。本研究では、非対称二重障壁ヘテロ構造において、量子井戸内の電子温度が低下することを観測し、熱電子放出冷却効果の原理を確認することを目的とした。バイアス電圧の関数として試料のフォトルミネセンス（PL）を測定したところ、GaAs電極層からの発光と量子井戸層からの発光を明瞭に区別して測定することに成功した。各PLピークの強度を対数表示して、高エネルギー側のテールの傾きより、電子温度をバイアス電圧の関数として求めた。その結果、１）電極からの発光に関しては、バイアス電圧の印加によらず、電子温度はほぼ300 Kで一定であること、２）一方、量子井戸中の電子温度は、バイアス電圧の印加とともに減少し、最大の共鳴トンネル電流が得られる条件では250 Kまで低下し、室温でも約50 Kと言う大きな電子冷却効果が得られることを明らかにした。共鳴トンネル効果を用いたヘテロ構造熱電子放出冷却効果を電子温度の低下という形で証明できたのは世界初の成果であり、固体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。本成果は、数件の国際会議発表とともに、論文にまとめて、Nature系姉妹誌において査読中である。

发热问题是现代LSI等电子学进步的一大障碍，而高效冷却技术的发展是电子学发展的关键技术。为了实现高冷却效率，我们正在研究热电子发射冷却技术，这可以通过适当设计半导体异质结构的能带并同时控制热电子发射和共振隧道效应来实现。在这种器件结构中，低能电子通过隧道势垒共振注入量子阱，当离开量子阱时，高能热电子穿过低而厚的势垒，电子系统处于量子势垒中。当电流通过时，阱层被冷却。在这项研究中，我们观察到不对称双势垒异质结构中量子阱内电子温度的降低，旨在证实热电子发射冷却效应的原理。通过测量样品的光致发光 (PL) 作为偏置电压的函数，他们能够清楚地区分来自 GaAs 电极层的光发射和来自量子阱层的光发射。每个 PL 峰的强度以对数表示，电子温度根据高能侧尾部的斜率确定为偏置电压的函数。结果，1)关于电极的发光，无论是否施加偏置电压，电子温度都保持恒定在大约300 K，2)另一方面，量子阱中的电子温度随着偏置电压的施加而降低。然而，在可以获得最大谐振隧道电流的条件下，温度降低至250K，并且表明即使在室温下也可以获得约50K的大电子冷却效果。这是世界上首次以电子温度降低的形式展示利用谐振隧道效应的异质结构热电子发射冷却效应，具有重要意义，因为它为固态冷却器件提供了新的可能性。这一结果以及在多个国际会议上的演讲已被汇编成一篇论文，目前正在《自然》系列的姊妹期刊上接受同行评审。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Thermionic refrigeration effect based on semiconductor heterostructurs

基于半导体异质结构的热电子制冷效应

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
T. Yan;A. Yangui;M. Bescond;N. Nagai;K. Hirakawa
通讯作者：
K. Hirakawa

マルセイユ大学/CNRS(フランス)

马赛大学/法国国家科学研究中心（法国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

マルセイユ大学(フランス)

马赛大学（法国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

"Evaporative cooling effect in AlGaAs/GaAs Heterostructures"

“AlGaAs/GaAs 异质结构中的蒸发冷却效应”

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
M. Bescond;A. Yangui;T.F. Yan;F. Michelini;N. Nagai;N. Cavassilas;M. Lannoo;and K. Hirakawa
通讯作者：
and K. Hirakawa

Thermionic cooling devices based on resonant-tunneling AlGaAs/GaAs heterostructure

基于谐振隧道 AlGaAs/GaAs 异质结构的热电子冷却装置

DOI：
10.1088/1361-648x/aaa4cf
发表时间：
2018
期刊：
Journal of Physics: Condensed Matter
影响因子：
0
作者：
M. Bescond;D. Logoteta;F. Michelini;N. Cavassilas;T. Yan;A. Yangui;M. Lannoo;and K. Hirakawa
通讯作者：
and K. Hirakawa