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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。

Modern LSI represents the development of high efficiency cooling technology, the key to the development of high efficiency cooling technology. We are focusing on the development of high efficiency semiconductor cooling technologies, the design of semiconductor structures, and the simultaneous control of thermal electron emission and resonance effects. The electron structure is composed of a quantum well, a low energy layer, an electron resonance layer, an electron conduction layer, a current flow layer, an electron system, and a quantum well. The purpose of this study is to measure the electron temperature drop in quantum wells and confirm the principle of thermal electron emission cooling effect in asymmetric double barrier structures. The measurement of the voltage dependence of the GaAs electrode layer on the emission of light from the quantum well layer was successful. The intensity of each PL is expressed in terms of temperature, temperature and voltage. The results are as follows: 1) The electron temperature in the quantum well is constant at 300 K, and 2) The electron temperature in the quantum well is constant at 300 K, and the maximum resonance current is low at 250 K. The room temperature is about 50 K, and the electron cooling effect is obtained. The results of resonance and thermal electron emission cooling prove that the world's first achievements and the possibility of solid cooling elements provide great significance. This paper is published in several international conferences.

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

Evaporative electron cooling in asymmetric double barrier semiconductor heterostructures

DOI：
10.1038/s41467-019-12488-9
发表时间：
2019-10
期刊：
Nature Communications
影响因子：
16.6
作者：
A. Yangui;M. Bescond;T. Yan;N. Nagai;K. Hirakawa
通讯作者：
A. Yangui;M. Bescond;T. Yan;N. Nagai;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：

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