Novel cooling phenomena in semiconductor quantum heterostructures

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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の問題であり、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。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冷却技術に注目している。熱電子冷却においては、エミッタ側のトンネル障壁を介して量子井戸に低エネルギーの電子が共鳴的にトンネル注入され、量子井戸を出るときにはコレクタ側の低くて厚い障壁を高エネルギーの熱電子が熱的に越えていく過程を用いるような素子であり、電流を流すにつれて量子井戸層が冷却されていく素子である。本研究では、大きな冷却効果を得るための多層構造化など新しい素子構造の探索を行っている。本年度は、より大きな電子冷却効果を目指して、量子準位の位置を上り階段のようになるように設計した２量子井戸の量子カスケードクーラー構造を作製し、そのフォトルミネセンスの強度やスペクトルの形状を評価した。その結果、２つの量子井戸内の量子準位の差が光学フォノンエネルギーに等しくなると、上位の量子井戸の電子数が減少するとともに、室温においても電子温度が400 K程度まで上昇するという顕著な効果を見出した。このことは、カソード側から熱的に障壁を越えていく高エネルギー電子が、電子温度を上昇させているものと思われ、その抑制が効果的な電子冷却に不可欠であると言う知見が得られた。