集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム，太陽エネルギー変換システム，集光器および光導波路
【課題】光化学システム，電気化学システム，光エネルギー変換システム，発光デバイス，集光器，光導波路などの小型・低コスト・高性能・高機能化する。
【解決手段】薄膜ソーラーセル／光合成セルが光導波路，流路と集積化された集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム（ＩＰＥＣＳ）は，太陽エネルギー変換システム，光化学・電気化学などケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現できた。また，２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触させてｐｎ接合発光デバイスは，低コスト化，微細化，効率の向上ができた。また，多層光導波路集光器は光エネルギー変換システムのコンパクト・高効率化ができた。また，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路および多層・スカート型コア構造光導波路は，光閉じ込め効果の増大化，低コスト化，およびミラー部の光リーク・散乱の低下ができた。
【解決手段】薄膜ソーラーセル／光合成セルが光導波路，流路と集積化された集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム（ＩＰＥＣＳ）は，太陽エネルギー変換システム，光化学・電気化学などケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現できた。また，２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触させてｐｎ接合発光デバイスは，低コスト化，微細化，効率の向上ができた。また，多層光導波路集光器は光エネルギー変換システムのコンパクト・高効率化ができた。また，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路および多層・スカート型コア構造光導波路は，光閉じ込め効果の増大化，低コスト化，およびミラー部の光リーク・散乱の低下ができた。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム（ＩＰＥＣＳ），太陽エネルギー変換システム，集光器，光導波路に係り，特に，半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセルおよび／または薄膜光合成セルが光導波路と集積化されているようなＩＰＥＣＳ，液体および／または気体の流路が光導波路と集積化されているようなＩＰＥＣＳ，光デバイス，電子デバイスが搭載および／または埋め込みにより集積化されているようなＩＰＥＣＳ，多層構造をもち，薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セル，流路，光導波路の中の少なくとも一つが異なる層に配置されているようなＩＰＥＣＳ，半導体薄膜を含む領域に光を導波させるような導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，半導体薄膜に２種類以上の分子を配列吸着させるような色素増感型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，流路が複数の光導波路の出射端で挟まれているようなＩＰＥＣＳ，その際，光導波路の少なくとも一つが４５°ミラーを備えているようなＩＰＥＣＳ，光導波路と流路の間に光照射により屈折率が変化するフォトリフラクティブ（ＰＲ）材料を配置し，光導波路から出射した光と流路からの光により光導波路と流路を連結する自己組織化光導波路を形成するようなＩＰＥＣＳ，特定の分子に対する捕獲機能をもつレセプタを表面または表面近傍に配した光導波路を光回路に組み込み，光回路への入力光波長をスイープしたときの出力光パワーの変化を検知し，レセプタに捕獲された分子の存在を認識するようなＩＰＥＣＳ，２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触または近接させ，接触または近接領域近傍に半導体層よりホール・電子を注入し，接触または近接領域近傍から光を発生させるような平面型発光デバイス，ミラーまたは波長フィルタを備えた光導波路を多層に重ねてなるような多層導波路集光器，スペーサを配置した基体上に光導波路コアを移植してなるようなエアクラッディング型光導波路，光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製するような省資源化光導波路，光導波路コアアレイ中のコアがミラーおよび／または波長フィルタおよび／または薄膜デバイスを備えているような省資源化光導波路，コアを基体に選択的に移植した後に薄膜デバイスを集積化するステップを含むプロセスを用いて作製するような省資源化光導波路，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，屈折率の異なる２つ以上の層からなるような多層コア光導波路，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，他のコア部分のコア幅より広いコア幅をもち，かつ該広いコア幅を持つコア部分の光伝播方向の長さが該他のコア部分のコア幅の２倍以内であるようなスカート型光導波路，多層コア・スカート型光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近にミラー用のメタル薄膜または波長フィルタ用の誘電体薄膜を形成したような多層コア・スカート型光導波路，光導波路の少なくとも一部がエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であるような多層導波路集光器，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置し，ソーラーセルに連結する電極・配線および／または流路を光集光器に設けたような集積型太陽エネルギー変換システム，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，多層導波路集光器，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア・スカート型光導波路から選ばれた少なくとも一つを構成要素として含むような集積型太陽エネルギー変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を用いたソーラーセル，光合成セルなどの光エネルギー変換デバイスや，蓄電池などの光化学・電気化学的なプロセスを含むデバイスは，通常，個別部品として扱われており，小型・集積化・高効率化・高機能化が困難という問題がある。ソーラーセルでは，半導体への光照射は半導体面外方向から行われている。このため，高価な透明電極が必要になるという問題がある。また，光吸収効率を上げるために表面をポーラス化する場合があり，半導体としての特性を犠牲にせざるを得ないという問題がある。光合成セルにおいても，光照射はセル面外方向から行うため，ソーラーセルと類似の問題が生じる。発光デバイスでは，通常，積層構造をとっているため，透明電極が必須，発光領域の微細化が困難，光取り出し効率が不十分という問題がある。導波路集光器では，レンズのアシストが必要で構造が複雑になるという問題がある。光導波路では，コアとクラッディング領域との屈折率差が不十分で光の閉じ込めが弱くなる場合があるという問題がある。コア幅に比べてコアピッチが広いような用途の場合，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスなどの材料・プロセスが無駄になるという問題がある。また，４５°ミラー・波長フィルタとして用いられるコア端ファセットにおける光リーク・散乱が生じるという問題がある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の一つの目的は，太陽エネルギー変換システムや光化学・電気化学などのケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することにある。また，本発明の他の目的は，ソーラーセルや光合成セルの光エネルギー変換効率の向上，および低コスト化を実現することにある。また，本発明の他の目的は，発光デバイスの低コスト化，発光領域の微細化，光取り出し効率の向上を実現することにある。また，本発明の他の目的は，レンズ不要のシンプル化された構造を持つ導波路集光器を実現することにある。また，本発明の他の目的は，光閉じ込めの強い光導波路を実現することにある。また，本発明の他の目的は，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した光導波路を実現することにある。また，本発明の他の目的は，光導波路４５°ミラー・波長フィルタとして用いられるコア端ファセットにおける光リーク・散乱の低下を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様に係るＩＰＥＣＳは，半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセルおよび／または薄膜光合成セルが光導波路と集積化されてなることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００５】
本発明の第１の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，液体および／または気体の流路が光導波路と集積化されてなることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００６】
本発明の第１の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，光デバイス，電子デバイスが搭載および／または埋め込みにより集積化されていることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００７】
本発明の第１の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，ＩＰＥＣＳが層を重ねた多層構造をもち，薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セル，流路，光導波路の中の少なくとも一つが異なる層に配置されていることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルは，光を，半導体薄膜を含む領域に導波させることを特徴とする。これにより，光エネルギー変換効率の向上を実現することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様に係るもう一つの薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルは，半導体薄膜に２種類以上の分子を配列吸着させることを特徴とする。これにより，光エネルギー変換効率の向上を実現することができる。
【００１０】
本発明の第３の態様に係るＩＰＥＣＳは，流路が複数の光導波路の出射端で挟まれていることを特徴とする。これにより，マイクロ分光システムなどが可能となり，ケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，上記光導波路の少なくとも一つが４５°ミラーを備えていることを特徴とする。これにより，ケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【００１２】
本発明の第４の態様に係るＩＰＥＣＳは，光導波路と単一または複数の流路の間に，光が照射されると屈折率が変化する性質をもつＰＲ材料を配置し，光導波路から出射した光と該流路からの光により，該光導波路と該流路の間を連結する自己組織化光導波路を形成することを特徴とする。これにより，材料センシティブＳｅｌｆ−Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＳＯＬＮＥＴ）などが可能となり，ＩＰＥＣＳの高機能化を実現することができる。
【００１３】
本発明の第５の態様に係るＩＰＥＣＳは，特定の分子に対する捕獲機能をもつレセプタを表面または表面近傍に配した光導波路を光回路に組み込み，該光回路への入力光波長をスイープしたときの出力光パワーの変化を検知し，レセプタに捕獲された分子の存在を認識することを特徴とする。これにより，分子認識マイクロシステムなどが可能となり，ＩＰＥＣＳの高機能化を実現することができる。
【００１４】
本発明の第６の態様に係るＩＰＥＣＳは，２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触または近接させ，接触または近接領域近傍に半導体層よりホール・電子を注入し，接触または近接領域近傍から光を発生させることを特徴とする。これにより，発光デバイスの低コスト化，発光領域の微細化，光取り出し効率の向上を実現することができる。
【００１５】
本発明の第７の態様に係る集光器は，ミラーまたは波長フィルタを備えた光導波路を多層に重ねてなることを特徴とする。これにより，太陽光などの光の高効率でシンプル化された集光を実現することができる。
【００１６】
本発明の第８の態様に係る光導波路は，スペーサを配置した基体上に光導波路コアを移植してなることを特徴とする。これにより，光閉じ込めの強いエアクラッディング型光導波路を実現することができる。
【００１７】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した省資源化光導波路を実現することができる。
【００１８】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路コアアレイ中のコアがミラーおよび／または波長フィルタおよび／または薄膜デバイスを備えていることを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した省資源化光導波路を実現することができる。
【００１９】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，コアを基体に選択的に移植した後に薄膜デバイスを集積化するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した省資源化光導波路を実現することができる。
【００２０】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，屈折率の異なる２つ以上の層からなることを特徴とする。これにより，コア端ファセットにおける光リーク・散乱の低下を実現することができる。
【００２１】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，他のコア部分のコア幅より広いコア幅をもち，かつ該広いコア幅を持つ部分の光伝播方向の長さが該他の部分のコア幅の２倍以内であることを特徴とする。これにより，コア端ファセットにおける光リーク・散乱の低下を実現することができる。
【００２２】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，多層コア・スカート型光導波路の光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストの低減，およびコア端ファセットにおける光リーク・散乱の低減を実現することができる。
【００２３】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，多層コア・スカート型光導波路において，コア端ファセット部および／またはその付近にミラー用のメタル薄膜または波長フィルタ用の誘電体薄膜を形成したことを特徴とする。これにより，より高効率なミラー・波長フィルタを備えた光導波路を実現することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様に係る多層導波路集光器は，光導波路の少なくとも一部がエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とする。これにより，より高効率な集光器を実現することができる。
【００２５】
本発明の第９の態様に係るＩＰＥＣＳおよび導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セルは，光導波路の少なくとも一部がエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とする。これにより，より高効率なＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セルを実現することができる。
【００２６】
本発明の第１０の態様に係る集積型太陽エネルギー変換システムは，集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置し，該ソーラーセルに連結する電極・配線および／または流路を該集光器に設けたことを特徴とする。これにより，低コスト・高効率な太陽エネルギー変換を実現することができる。
【００２７】
本発明の第１０の態様に係るもう一つの集積型太陽エネルギー変換システムは，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，多層導波路集光器，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア・スカート型光導波路から選ばれた少なくとも一つを構成要素として含むことを特徴とする。これにより，低コスト・高効率な太陽エネルギー変換を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に，本実施の形態を，図面を参照して説明する。各図において，同一の符号をふされたものは同様の要素を示しており，重複した説明は省略される。以下の記載は本発明が適用可能な実施形態を説明するものであって，本発明の範囲がこの記載に限定されるものではない。説明の明確化のため，以下の記載は，適宜，省略及び簡略化がなされている。また，当業者であれば，以下の実施形態の各要素を，本発明の範囲において容易に変更，追加，変換することが可能であろう。
【００２９】
［第１実施形態］
図１は本発明に先駆け考案した従来発明による太陽光エネルギー変換用のＩＰＥＣＳの構造例である（特許文献１）。薄膜ソーラーセル１と薄膜光合成セル２は薄膜の半導体３からなる。この例では，分光感度特性の異なる３種類の半導体Ａ，Ｂ，Ｃが使用されている。それらの特性に応じて，波長フィルタ４により分光された光が照射される。光は光導波路５により波長フィルタまで導かれる。集光効率向上のためにレンズ６が使用される。これにより，半導体の消費量が格段に減らせ，低コスト化が可能となる。
【００３０】
図１に示したシステムを拡張発展させたものとして，図２に，本発明の第１実施形態によるＩＰＥＣＳの構造例を示す。薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルが光導波路とともに集積化されている。薄膜ソーラーセルの場合，外部から入った光を，例えば，３つの波長フィルタで分波し，半導体Ａ３ａ，半導体Ｂ３ｂ，半導体Ｃ３ｃ，に導入する。この例では，半導体Ａに対しては通常通り面外方向から光を入射させている。一方，半導体Ｂ，Ｃに対しては，いったん４５°ミラーで受けて，導波光とし，半導体層に光を入射させている。分波された光の波長は，各半導体の分光感度スペクトルに合わせてある。その結果，高変換効率で電力を取り出すことができるようになる。薄膜光合成セルの場合は，薄膜化し流路７に挿入された半導体Ｄ３ｄの両面から分波された光を照射する。この例ではＨ２とＯ２が合成され，外部に取り出される。半導体Ｄは，単層構造を有していてもよいし，複数種類の半導体が積層されたかまたは並んだ複数層構造を有していてもよい（非特許文献１）。
【００３１】
このシステムは，平面光導波路内の２次元的な光伝播に加え，平面から出た縦方向の光伝播も使用していることから，３次元光回路をベースとしているといえる。基本的構造は，３次元集積化光インタコネクトの構造に類似している（非特許文献１）。このため，３次元集積化光インタコネクトと同様に，薄膜化した種々の光デバイス，電子デバイスをフィルムに埋め込み，これらのフィルムを積層して高機能化することができる。４５°ミラーつき光導波路フィルムの作製，デバイス埋め込みには，既に知られているプロセスを用いることができる。例えば，前者については，感光性材料への垂直・斜め露光で４５°ミラー付き光導波路フィルムを複製するＢｕｉｌｔ−ｉｎ Ｍａｓｋ法（非特許文献１），インプリント法などがある。また後者については，薄膜デバイス片の多段一括選択的移植を利用したＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴ法（非特許文献１）などがある。フィルムには，薄膜デバイスと連結した電極・配線が形成されている。ビアによりフィルムと垂直方向の電気接続を行う。また，フィルム間電気接続は，フィルムにパッドを形成し，パッド間をメタル接合などにより接続することにより可能となる。
【００３２】
［第２実施形態］
図３に，本発明の第２実施形態による導波型薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルの構造例を示す。（ａ）はｐｎ接合型薄膜ソーラーセルである。電極Ａ８ａと電極Ｂ８ｂの間にｐ型半導体３ｅとｎ型半導体３ｆの薄膜が積層され，挿入されている。ｐｎ構造のかわりにｐｉｎ構造を用いることもできる。光９を，これらの半導体薄膜積層構造内に導波させる。半導体内に光キャリアが生成し，電流・起電力が発生する。導波型のメリットとして，半導体層を，１００ｎｍオーダ（場合によってはそれ以下）にまで薄くできることが挙げられる。このため，ｐｎ接合面と電極との距離をせばめ，セル抵抗を低下させることができる。従来の面外入射方式の場合，半導体層を薄くしすぎると光吸収が不十分となり，変換効率の低下をまねく。これに対し導波型では，伝播距離で厚さの不十分さをカバーすることができるため，半導体層が薄くても十分な光吸収が可能となり，変換効率の向上が期待できる。もう一つのメリットとして，透明電極が必須でないことが挙げられる。透明電極は，金属電極に比べて高価であり，またシート抵抗が高い。これを金属電極で置き換えることにより，低コスト化とセル抵抗の低下が期待できる。ただし，この場合，半導体層の薄層化は，光導波が可能な薄さにまでしか行えない。
【００３３】
図３（ｂ）は，電解質型薄膜ソーラーセルである。対向電極８ｃ，電解質１０，半導体，電極８ｄのような層構成である。厚さは１００ｎｍ−１ｍｍの範囲が適当である。光を電解質／半導体層構造内に導波させると半導体内に光キャリアが生成し，電解質を通して電流・起電力が発生する。メリットは，ｐｎ接合型の場合と同様である。（ｃ）は，半導体に色素１１を吸着させた構造である。これにより，セルの分光感度を，半導体そのもの分光感度より長波長領域にまで広げることが可能になる。さらに，複数種類の分子を半導体表面に配列吸着させることにより，セルの分光感度スペクトルを大幅に広げることができる。例えば，電子受容性分子，電子供与性分子をｎ半導体表面に配列吸着させた場合，分子はｎ型半導体−電子受容性分子−電子供与性分子のような配列で吸着し，両分子を合わせた分光感度スペクトルが得られる（非特許文献１）。複数種類の分子の配列吸着による増感は，導波型セルのみならず，従来の面外入射型セルにも有効である。（ｄ）は，相補型薄膜ソーラーセルである。（ｂ）の構成において，一方の電極にｐ型半導体薄膜，他方の電極にｎ型半導体薄膜を積層し，両半導体の間に電解質を挿入した構成である。両電極を連結して光を導波させると，ｎ型半導体側にプロトンと電子が，ｐ型半導体側にＯＨ−とホールが蓄積され，充電状態となる。両電極をオーブンにすると，充電状態が保たれ，バッテリ機能が付与される。
【００３４】
図３（ｅ）は，導波型薄膜光合成セルの一例である。半導体Ｅ３ｇおよび半導体Ｆ３ｈの薄膜が積層され，その両面が電解質に接している。半導体ＥとしてＷＯｘ，半導体ＦとしてＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ−Ｔａを用いた場合，光を導波させると，半導体Ｅ側でＯ２が発生し，半導体Ｆ側でＨ２が発生する。このとき，半導体表面にＰｔなどを分布させることにより，反応の活性化が図れる。ｎ型半導体にＷＯｘ，ｐ型半導体にＣｒ２Ｏ３を用いてｐｎ構造を形成した場合，光キャリアの生成にともない，一方からＯ２，他方からＨ２の発生が期待できる。（ｆ）は，半導体に色素を吸着させた構造で，（ｃ）の場合と同様の効果が得られる。（ｇ）はｐ型／ｎ型積層半導体薄膜を多層に配置した構造である。これにより，より多量のＯ２，Ｈ２を発生させることが可能となる。（ｅ）−（ｇ）において，半導体Ｅと半導体Ｆを分離し，それらの間に電解質を挿入することもできる。あるいは，ＴｉＯｘなどの単層膜を用い，電解質のかわりに液体やガスを導入して，光触媒反応により光合成（分解反応も合成の一種と考える）することもできる。
【００３５】
上記の導波型薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルは，ＩＰＥＣＳの一部として組み込むことができる。図２の例では，半導体Ｂ，Ｃを用いた薄膜ソーラーセル，半導体Ｄを用いた薄膜光合成セルが適用対象となる。半導体材料としては，例えば，ＴｉＯｘ，ＺｎＯ，ＷＯｘ，ＣｒＯｘ，ＩｒＯｘ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ−Ｔａなとの酸化物半導体，Ｓｉ，Ｇｅ，ＣなどのＩＶ族半導体，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体，カーボンナノチューブ，ポリアゾメチン，ポリチオフェン，ポリオキサジアゾール，ペンタセン，フタロシアニンなどの有機材料を用いることができる。製膜法としては，スパッタリング，蒸着，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ），Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ），Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＭＬＤ），有機ＣＶＤなどがある。上記半導体の薄膜は，成長基板上に作製したのち，ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ（ＥＬＯ）またはそれに類似の手法により基板から剥離することにより得られる（非特許文献１）。図３（ａ）−（ｄ）では，薄膜の片面または両面に電極を形成する。（ｅ）−（ｇ）では，薄膜の片面または両面に，必要に応じてＰｔなどの反応活性化エージェントを分布させる。薄膜は，必要に応じて，スペーサを介して所望のギャップをもって保持される（非特許文献１）。電解質としては，ポピュラーな既存材料から選んで用いることができる。液体であっても固体であってもよい。また，先に述べたように，電解質のかわりに他の液体・気体，場合によっては固体を用いることもできる。
【００３６】
色素としては，例えば，ルテニウム錯体誘導体，クマリンなどの有機色素などが使用できる。複数種類の色素を用いる多色素増感としては，一例として，ＺｎＯのローズベンガル／クリスタルバイオレット，エオシン／マラカイトグリーンによる増感が知られている（非特許文献１）。
【００３７】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態によるマイクロ分光システムの構造例を図４に示す。タイプＡでは，４５°ミラーつき光導波路を２つ重ね，その間に流路７を配置する。一方の光導波路５に，例えば励起光１２を導波させると，４５°ミラーから反射し流路に入る。流路には，液体またはガスを注入する。流路に発光性の物質が存在する場合，発光１３が生じ，その一部は他方の光導波路に入り，導波する。この光をフォトディテクタ（ＰＤ）などで受けることにより，発光が検知できる。ＰＤはマイクロシステムの外部に置いても良いし，内部に埋め込み，または搭載してもよい。ＰＤに光が入る前に波長フィルタ４を設置し，励起光をカットして所望の波長の光を取り出すことが望ましい。この構造で，発光のかわりに光吸収を測定することもできる。タイプＢのように，一方の光導波路が，４５°ミラーではなく通常のコア端面を持つような構造の場合もある。いずれにおいても，３次元光回路と流路の集積システムとみなすことができる。光導波路が発光部近傍にあるため，集光効率の向上とシステムの小型化が図れる。
【００３８】
図４右図に，流路を複数個設け，励起光用光導波路を複数に分岐させた場合の例を示す。この例では，流路１７ａ，流路２７ｂ，流路３７ｃ，流路４７ｄを設け，それそれに波長λＥ１，λＥ２，λＥ３，λＥ４の励起光を照射する。例えば，λＥｍの励起光を流路ｎ７ｅに照射した場合，波長λＬｎｍの発光が導波路を通って出力される。これにより，多数の物質の発光スペクトルが分光器なしで一度に測定できることになる。
【００３９】
流路は，例えば，一方の光導波路のフィルム面に溝を形成し，他方の光導波路のフィルム面でカバーするなどの方法により形成できる。４５°ミラーつき光導波路としては，アクリル，エポキシ，ポリイミド，シリコーンなどのポリマでできたフィルム形状のものが望ましいが，ガラス，半導体からできた光導波路，基板つき形状のものでも使用可能である。
【００４０】
［第４実施形態］
図５に，本発明の第４実施形態による材料センシティブＳＯＬＮＥＴの構造例を示す。光導波路と流路１７ｆ，流路２７ｇ，流路３７ｈを配置し，それらの先端にレンズ１４を，またそれらの間に，フォトポリマ，光硬化性材料などのＰＲ材料１５を配置する。流路１，２，３には，それぞれ，材料１ １６ａ，材料２ １６ｂ，材料３ １６ｃを挿入する。例えば，流路１と流路３に発光性の物質が存在している場合，ＰＲ材料が感光する波長の書き込み光１７を光導波路から出射すると，これが流路１，流路３に励起光として照射され，これらの流路から発光が生じる。発光の波長がＰＲ材料の感光波長領域内にある場合，発光と光導波路からの書き込み光とが重なってセルフフォーカスが生じ，光導波路と流路をセルファライン連結するＳＯＬＮＥＴ１８が形成される。これにより，流路中の材料に依存してＳＯＬＮＥＴの光結合路の有無が生じ，材料センシティブなＳＯＬＮＥＴが実現される。流路１，流路３に，発光性物質のかわりに反射性物質が存在する場合，反射光と書き込み光により，上記と同様の材料センシティブＳＯＬＮＥＴが形成される。材料センシティブＳＯＬＮＥＴは，例えば，材料分析，人工神経回路網，パターン認識，自動調整システムなど広い応用が期待できる。ＰＲ材料としては，これまでに知られているエポキシ／アクリル系材料などを用いることができる。発光スペクトルとのマッチングを取るために，必要に応じてＰＲ材料の分光増感を行う。
【００４１】
［第５実施形態］
図６は，本発明の第５実施形態による分子認識マイクロシステムの構造例である。分子認識デバイスとして導波路リング共振器型波長フィルタを用い，３種類の分子（分子１ １９ａ，分子２ １９ｂ，分子４ １９ｃ）が存在している場合を例にとって説明する。リング部に分子センシティブ導波路ＭＳＷ１ ２０ａ，ＭＳＷ２ ２０ｂ，ＭＳＷ３ ２０ｃ，ＭＳＷ４ ２０ｄ，・・・を形成する。ＭＳＷｎは，分子ｎに対するレセプタ２１を有する。分子ｎが存在する場合，これがレセプタに捕獲され，導波光２２に対する屈折率が変調される。屈折率変調の原理としては，「分子ｎの吸着に起因する屈折率変化を導波光が感じる」および「分子ｎの吸着で表面電位の変化が生じ，ＭＳＷの電気光学効果に起因する屈折率変化を導波光が感じる」がある。
【００４２】
初めに，分子が存在しないイニシャル状態を考える。Ｉｎｐｕｔ側の光導波路に波長可変ＬＤ２３から光を入射させる。入射波長をスイープすると，各リング共振器の共振波長においてＯｕｔｐｕｔ側光導波路に光が伝播し，光導波路に接続したＰＤ（ＰＤ１ ２４ａ，ＰＤ２ ２４ｂ，ＰＤ３ ２４ｃ，ＰＤ４ ２４ｄ）の出力パワーがピークを示す。各共振器の共振波長は，リング直径を少しずつ変化させるなどして，ずらしておくことが望ましい（ＬＤを各共振器に一つずつ配置する場合は，このような工夫は不要となる）。つぎに，分子１，２，４を導入する。ＭＳＷ１，２，４には分子が捕獲される。ＭＳＷ３には分子は捕獲されない。このため，ＭＳＷ１，２，４の共振器の共振波長はシフトし，ＭＳＷ３の共振器の共振波長はシフトしない。このような，共振波長のシフトの有無から分子認識が可能となる。共振波長のシフトは，例えば，出力光パワーまたはその変化率が極大または極小となる波長の変化から検出できる。
【００４３】
リング導波路の直径は，１０μｍ前後，光導波路幅は１μｍ前後，Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ導波路とリング導波路の間のキャップは１００ｎｍオーダが普通であるが，これらのパラメータ範囲には限定されない。リング直径およびギャップを大きくするにしたがって，感度が上がる。レセプタとしては，従来報告されている分子を使用することができる。導波路表面に自己組織化単分子層（ＳＡＭ）として形成することができる。また，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＭＬＤ）や有機ＣＶＤを用いて，基板からポリマワイヤを成長させ（非特許文献１），その先端にレセプタを付加することもできる。
【００４４】
［第６実施形態］
図７は，本発明の第６実施形態による平面型発光デバイスの構造例である。有機半導体Ａ３０ａと有機半導体Ｂ３０ｂがｐｎ接合を形成している。さらに，有機半導体Ａは，薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）としても働いている。電極は，ソース３１が有機半導体Ａ領域に，ドレイン３２が有機半導体Ｂ領域に，ゲート３３がゲート絶縁膜３４を介して形成されている。ソースードレイン間の電流をゲート電圧で制御する。ｏｎ状態ではｐｎ接合領域近傍から発光３５を生じる。ゲートを省き，ＴＦＴ機能をなくすこともできる。この場合は，通常の２端子のダイオード構造となる。ｐｎ接合部は，完全には接触せず，隣接した状態でも動作可能である。
【００４５】
電極としては，ｐ型半導体に対してはＡｕ，ＩＴＯなど，ｎ型半導体に対してはＡｌ，ＬｉドープＡｌ，Ｍｇなどを用いることができる。電極サイズは，１０ｎｍ−１０μｍオーダが適正である。発光強度を増大させる場合は，発光部を多数並べることが有効である。その際，図７に示すように，各有機半導体の両側を光らせることが有効である。電極はストライプ形状には限定されず，櫛形，矩形，円形など多様な形とすることが可能である。この場合，電極を外部に取り出すために，多層配線を使用することもできる。
【００４６】
有機半導体の形成には，ＭＬＤ，有機ＣＶＤなどを使用する（非特許文献１）。膜厚は１−１０００ｎｍオーダが適正である。材料としては，例えば，カーボンナノチューブ，ポリアゾメチン，ポリチオフェン，ポリオキサジアゾール，ペンタセン，ＴＰＤ，フタロシアニン，Ａｌｑ３などがある。平面方向のｐｎ接合は，選択成長により作製できる。例えば，最初に，有機半導体Ａとして，ペンタセン，ＴＰＤ，共役ポリマｐｏｌｙ−ａｚｏｍｅｔｈｉｎｅ（ＡＭ）などの疎水性の薄膜をパターン化して成長させる。つぎに，有機半導体Ｂとして，ｐｏｌｙ−ＡＭを，キャリアガスタイプＭＬＤ（ＣＧ−ＭＬＤ）またはキャリアガスタイプ有機ＣＶＤ（ＣＧ−ＯＣＶＤ）により，ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ（ＰＰＤＡ）とｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｌｄｅｈｙｄｅ（ＴＰＡ）を原料分子に用いて成長させる。ここで，有機半導体Ａとしてｐｏｌｙ−ＡＭを用いる場合は，有機半導体Ａのｐｏｌｙ−ＡＭは有機半導体Ｂのｐｏｌｙ−ＡＭと異なる構造を持たせることが必要である。これは，置換基の種類やベンゼン環の数を変えることで容易に可能となる。有機半導体Ｂとして成長させたｐｏｌｙ−ＡＭは，疎水性膜上には成長せず，その他の領域に選択的に成長する。その結果，平面方向の接合が形成できる。場合によっては，電極の側面にアミノアルカンチオールなどのＳＡＭを形成し，ポリマ鎖の配向制御を行い（非特許文献１），キャリアモビリティを向上させることができる。斜め蒸着下地膜を用いたポリマ鎖配向成長（非特許文献１）もモビリティ増大化に有効である。
【００４７】
このような平面構造により，透明電極が必須でなくなり，低コスト化が可能となる。また，発光が微小領域から生じるため，微細パターン発光が可能となる。さらに，有機半導体の膜厚が波長以下に設定できるため，薄膜内部の導波効果が抑制でき，光取り出し効率を向上できる。
【００４８】
［第７実施形態］
図８は，本発明の第７実施形態による多層導波路集光器の構造例である。図１に示した太陽光エネルギー変換用のＩＰＥＣＳにおいては，集光部にレンズと光導波路が用いられている。図８の構造は，レンズと光導波路の組み合わせにかえて，導波路を主体とした集光を行おうというもので，ミラー（または波長フィルタ）つきの光導波路層が多層化されてできている。集光器を上から見るとミラー位置４０が２次元アレイ状に並んでいる。各ミラー位置の番号は，そのミラーが何層目にあるかを表している。図８の例では，上から層１，層２，層３，層４，層５，層６と６層積層されている。ミラー４１により，上方から入射した光４２は光導波路５に導入され，集光される。図８下側２つの模式図は，それぞれ，層１，２の積層位置関係，および層１，３，５の積層位置関係を示したものである。前者の場合，上下の平行移動，後者の場合，左右の平行移動を行って積層されている。
【００４９】
図９（ａ）に，各層の構造例を模式的に示した。ミラーからの光が合波されてガイドされている。左側の模式図では，直線導波路が使用されている。右側の模式図では，合流する導波路コアが湾曲し，またミラー部付近のコア幅が広くなっている。これは，後述するスカート型コア構造（図１３）を適用したものである。垂直入射に近い角度の光に対しては，４５°ミラーが適当である。斜め入射の光に対しては，図９（ｂ）に示すように，４５°から角度をずらしたミラーが適当である。これらのミラー付き光導波路を４５°ミラー付き光導波路とともに積層することにより，幅広い入射角の光を集光することが可能になる。さらに，光導波路の向きを９０°または，それ以外の適当な角度に回転させた層を加えて積層することにより，より高効率な集光できるようになる。導波光は，導波路端面，ミラーなどから直接ソーラーセル・光合成セルに導入してもよいし，光ファイバ・光回路などのデバイスに導入してもよい。各光導波路をさらに合流させ，ソーラーセル・光合成セルの数を減らすこともできる。異なる層の光導波路を光Ｚ−コネクションにより合流させることも可能である。
【００５０】
光導波路コア径は１μｍオーダからｍｍオーダまで用途によってバリエーションがある。材料としては，典型的には，ポリマ，ガラスがある。４５°ミラー付き光導波路形状の空孔に液体を入れた構成も可能である。光閉じ込めを強くするために，エアクラッディング型光導波路を用いることもできる。導波路作製方法としては，光硬化性樹脂を用いた光露光法（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｍａｓｋ法など），スタンプ法，インプリント法，エッチング法，射出成形法，ダイシング法などを用いることができる。光導波路層の積層は，光導波路フィルムを作製し，それらを積層する方法，あるいは，ビルトアップ方式で積み重ねる方法などにより行う。
【００５１】
多層導波路集光器では，構造シンプル化のため，基本的にはレンズと組合さないが，場合によっては，レンズを上面付近または層間に配置し，集光効率の向上を図ることもできる。また，直射日光下で集光する場合，集光器前面に水などの赤外線吸収フィルタを配置することが有効である。吸収した熱は，お湯として回収し，熱エネルギーとして活用することができる。また，ワイドギャップ半導体（ＴｉＯｘ，ＺｎＯ，ＷＯｘなど）を用いたソーラーセル・光合成器を集光器前面に配し，青・紫外の光のエネルギー変換を行い，残りの長波長の光を集光することもできる。この場合，光導波路材料は，青・紫外の光を導波する必要がなくなり，低価格導波路材料が使用できることになる。
【００５２】
多層導波路集光器は，太陽エネルギー変換システムへの応用のみならず，高効率集光器として様々な分野への応用が可能なことは言うまでもない。また，光の向きを逆転し，導波光がミラーから出射するようにすることにより，照明，ディスプレイなどに応用することも可能である。
【００５３】
［第８実施形態］
図１０は，本発明の第８実施形態によるエアクラッディング型光導波路である。光導波路コア４３をスペーサ４４の上に配置し，光導波路とする。全体がエアで囲まれているため光閉じ込めを強くすることができる。超微細な光導波路が必要なチップ内光配線，太陽電池用の集光器などにおいて特に有用となる。スペーサは，基体の上に搭載するか，または，基体に凹凸をつけることなどにより形成できる。
【００５４】
図１１は，省資源化光導波路の作製プロセスと構造である。作製プロセスとしては，従来から知られているＰｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｒｅｐｅａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴ）（非特許文献１）を用いることができる。基体４５の上に光導波路コアを高密度に配置する。また，最終基体４６上にはキャッチアップサイト４７を形成する。キャッチアップサイトは，光導波路コアとの間に，光導波路コアと基体との間の密着力より強い密着力を生じるサイトである。基体を最終基体とアタッチ，デタッチすることにより，光導波路コアが基体から最終基体のキャッチアップサイトに選択的に移植される。例えば，基体上のコアピッチ，最終基体上のコアピッチが，それぞれ５０μｍ，３００μｍである場合，基体上のコアアレイ中のコアが６本ごとに移植される。基体上に残ったコアは他の最終基板に移植される。１枚の基体から６枚の光導波路が作製できるので，コア材料の消費量とプロセスコストは従来の約１／６にまで低減できることになる。図１１の例では，４５°ミラーがコアに形成されている。したがって，ミラー材料の消費量とプロセスコストも約１／６にまで低減化できる。図１１の例では，４５°ミラーはｄｏｗｎ−ｔａｐｅｒ型となっている。途中に移植ステップを入れて最終移植時でのコアの上下を反転させることにより，ｕｐ−ｔａｐｅｒ型の４５°ミラーとすることもできる。ミラーの代わりに，誘電体多層膜からなる波長フィルタなどを形成することもできる。この場合は，波長フィルタ材料の消費量とプロセスコストが約１／６にまで低減できる。
【００５５】
図１２の例では，面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ），フォトディテクタ（ＰＤ），光変調器などの薄膜デバイス４８，４９がコアに集積化されている。キャッチアップサイトをコアのミラー（または波長フィルタ）部分に形成し，ＳＯＲＴを用いてこれらの薄膜デバイスを配置することにより，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストが低減できる。この例では，移植前，後いずれの場合もｕｐ−ｔａｐｅｒ型４５°ミラーとなっている。これは，２段階のアタッチ／デタッチにより可能となる。この後，オーバクラッディング層の形成により薄膜デバイスを埋め込むことも可能である。この場合，電極の取り出し，配線など後工程が必要となる。また，薄膜デバイスは，ミラー（または波長フィルタ）付きコアを移植した後，ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴなどにより配置し，埋め込むこともできる。
【００５６】
図１１，図１２いずれの例の場合も，最終基板にコアを移植した後，オーバクラッディング層を形成し，埋め込み型光導波路とすることができる。この場合，ミラーまたは波長フィルタ面となるコア端ファセット部にメタル薄膜または多層誘電体薄膜を形成し，反射率を上げることが望ましい。また，最終基体上にあらかじめクラッディングフィルムを配し，プロセス終了後最終基体から分離することにより，光導波路フィルムとすることもできる。
【００５７】
図１３は，最終基体５０の上に配置されたコアを３層構造（高屈折率コア５１を低屈折率コア５２ではさんだ構造）とし，さらに４５°ミラー・波長フィルタとなるコア端ファセット部においてコアの幅を広げ，スカート型とした例である。スカート型部５３には，ミラー用のメタル薄膜５４または波長フィルタ用の誘電体薄膜５４が形成されている。３層構造は，例えば，光硬化材料を用いた場合，Ｂｕｉｌｔ−ｉｎ Ｍａｓｋ法や通常のマスク露光法などにより作製できる。低屈折率コア層，高屈折率コア層，低屈折率コア層の順にコーティングした後，垂直露光，斜め露光により導波路コアと４５°ミラー部分を硬化させ，現像して３層構造コアを得る。インプリント法など他の方法を用いることも可能である。
【００５８】
３層構造により，導波光の最終基体（クラッドとして使用）へのトンネリングが抑制され，ミラー部でのリークが抑制される。また，スカート型構造により，コア端コーナーパターンの不完全性の影響を回避することができる。コアパターンを作製する際，コーナー部分に丸まりを生じる場合がある。この場合でも，スカート型としておけば，導波光の光路からコーナー部分を遠ざけることができ，コーナーパターンの不完全性の影響を受けずにすむ。スカート部の長さを長くしすぎると，光の広がりが顕著になる。長さとしてはもともとのコア幅の２倍程度以下にすることが適当である。
【００５９】
３層・スカート型構造では，コア端ファセット部にメタル・誘電体薄膜を形成する際，位置合わせ精度を緩和できるという利点も期待できる。すなわち，通常の構成では，傾斜面と薄膜形成位置にずれがあると，コアの側面，上面に薄膜が付着し，導波光の散乱を誘発する。これに対して，３層・スカート型構造では，ある程度ずれてもそのようなことは起こらない。コアの層数は３層とは限らず，低屈折率コアと高屈折率コアの２層構造，あるいは，４層以上の構造などを採用することもできる。低屈折率コアの屈折率を，クラッディング領域の屈折率より低くすることもできる。
【００６０】
ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴなどにより，オーバクラッディングつきの光回路とすることもできる。最終基板にコアを移植した後，オーバクラッディング層を形成し，埋め込み型光導波路とすることができる。また，最終基体上にあらかじめクラッディングフィルムを配し，プロセス終了後最終基体から分離することにより，光導波路フィルムとすることもできる。
【００６１】
図１０で述べた省資源化プロセスを多層・スカート型コアに適用すること，エアクラッディング導波路の作製に省資源化プロセスを適用すること，さらにエアクラッディング導波路のコアとして多層・スカート型コアを用いることが可能であることは言うまでもない。光導波路材料としては，アクリル，エポキシ，ポリイミド，シリコーンなどのポリマがあるが，ガラス，ゾルゲル材料なども使用可能である。
【００６２】
［第９実施形態］
第８実施形態では，光導波路の用途は限らず，エアクラッディンング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア光導波路，スカート型光導波路について述べた。これらは，本明細で述べてきたＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，および多層導波路集光器における光導波路部に適用することができる。
【００６３】
［第１０実施形態］
図１４は，本発明の第１０実施形態による集積型太陽エネルギー変換システムの構造例である。ここでは，レンズで集光した光をミラー付き光導波路に入射させ，合流光導波路を通してソーラーセルおよび／または光合成器６０にガイドし，光エネルギー変換を行う例を示した。本実施形態では，集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置することにより，光導波路内での光伝播ロスによる光エネルギーの散逸を最小限にとどめている。ソーラーセルからの電気エネルギー取出しは，集光器に形成した電極・配線６１により行う。光合成器からの生成物の取り出しは，流路を通して行う。領域のサイズは，１００μｍオーダから１０ｃｍオーダ程度までが適切である。
【００６４】
図１５は，多層導波路集光器を用いた場合の各層の構造例である。分割された領域内にソーラーセルおよび／または光合成器が配置されている。ソーラーセルからの電気エネルギー取出しは，集光器に形成した電極・配線により，各層ごと，または最終的に多層配線によりまとめて行う。光合成器からの生成物の取り出しは，集光器に形成した流路により，各層ごと，または多層流路により最終的にまとめて行う。
【００６５】
さらに，集積型太陽エネルギー変換システムにおいて，これまで述べてきたＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア・スカート型光導波路を導入することも可能である。ソーラーセル・光合成器の集積化には，ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴの適用が有効である。
【００６６】
以上述べたようなＩＰＥＣＳにより，太陽エネルギー変換システムや光化学・電気化学などのケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。ＩＰＥＣＳは，光／電気／化学／液体／気体／固体が融合した集積回路みなすことができ，ケミカルシステム，光エネルギー変換システムなどの小型・低コスト・高性能化の有力手段となる。また，バイオテクノロジー，物質合成，反応化学などにおいても有効である。また，導波型薄膜ソーラーセル／光合成セルおよび複数分子による分光増感により，光エネルギー変換効率の向上，および低コスト化を実現することができる。また，平面型発光デバイスにより，発光デバイスの低コスト化，発光領域の微細化，光取り出し効率の向上を実現することができる。また，多層導波路集光器により，太陽光などの光の高効率でシンプル化された集光を実現することができる。また，エアクラッディング型光導波路により，光閉じ込めの強い光導波路を実現することができる。また，省資源化光導波路により，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減できる。また，多層コア光導波路，スカート型光導波路により，ミラー，波長フィルタにおける光リーク・散乱の低下を実現することができる。さらに，低コスト・高性能な集光器，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，太陽エネルギー変換システムを実現することができる。さらに
【００６７】
【特許文献１】吉村徹三，浅間邦彦：特開２００７−１０７０８５「集積化ケミカルシステムと集積化光エネルギー変換システム」。
【非特許文献１】吉村徹三：分子ナノシステム−光化コンピュータと太陽エネルギー変換への応用−，コロナ社（２００７）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来発明によるＩＰＥＣＳの構造例。
【図２】 本発明の第１実施形態によるＩＰＥＣＳの構造例。
【図３】 本発明の第２実施形態による導波型薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルの構造例。
【図４】 本発明の第３実施形態によるマイクロ分光システムの構造例。
【図５】 本発明の第４実施形態による材料センシティブＳＯＬＮＥＴの構造例。
【図６】 本発明の第５実施形態による分子認識マイクロシステムの構造例。
【図７】 本発明の第６実施形態による平面型発光デバイスの構造例。
【図８】 本発明の第７実施形態による多層導波路集光器の構造例。
【図９】 本発明の第７実施形態による多層導波路集光器の各層の構造例。
【図１０】 本発明の第８実施形態によるエアクラッディング型導波路の構造例。
【図１１】 本発明の第８実施形態による省資源化光導波路の作製プロセスと構造例。
【図１２】 本発明の第８実施形態による省資源化光導波路の作製プロセスと構造例。
【図１３】 本発明の第８実施形態による多層コア・スカートスカート型コアの構造例。
【図１４】 本発明の第１０実施形態による集積型太陽エネルギー変換システムの構造例。
【図１５】 本発明の第１０実施形態による多層導波路集光器を適用した集積型太陽エネルギー変換システムの各層の構造例。
【符号の説明】
薄膜ソーラーセル１，薄膜光合成セル２，半導体３，半導体Ａ ３ａ，半導体Ｂ ３ｂ，半導体Ｃ ３ｃ，半導体Ｄ ３ｄ，ｐ型半導体３ｅ，ｎ型半導体３ｆ，半導体Ｅ ３ｇ，半導体Ｆ ３ｈ，波長フィルタ４，光導波路５，レンズ６，流路７，流路１ ７ａ，流路２ ７ｂ，流路３ ７ｃ，流路４ ７ｄ，流路ｎ ７ｅ，流路１ ７ｆ，流路２ ７ｇ，流路３ ７ｈ，電極Ａ ８ａ，電極Ｂ ８ｂ，対向電極８ｃ，電極８ｄ，光９，電解質１０，色素１１，励起光１２，発光１３，レンズ１４，ＰＲ材料１５，材料１ １６ａ，材料２ １６ｂ，材料３ １６ｃ，書き込み光１７，ＳＯＬＮＥＴ１８，分子１ １９ａ，分子２ １９ｂ，分子４ １９ｃ，分子センシティブ導波路ＭＳＷ１ ２０ａ，ＭＳＷ２ ２０ｂ，ＭＳＷ３ ２０ｃ，ＭＳＷ４ ２０ｄ，レセプタ２１，導波光２２，波長可変ＬＤ２３，ＰＤ１ ２４ａ，ＰＤ２ ２４ｂ，ＰＤ３ ２４ｃ，ＰＤ４ ２４ｄ，有機半導体Ａ ３０ａ，有機半導体Ａ ３０ｂ，ソース３１，ドレイン３２，ゲート３３，ゲート絶縁膜３４，発光３５，ミラー位置４０，ミラー４１，光４２，光導波路コア４３，スペーサ４４，基体４５，最終基体４６，キャッチアップサイト４７，薄膜デバイス４８，４９，最終基体５０，高屈折率コア層５１，低屈折率コア層５２，スカート型部５３，メタル・誘電体薄膜５４，ソーラーセル・光合成器６０，電極・配線６１
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム（ＩＰＥＣＳ），太陽エネルギー変換システム，集光器，光導波路に係り，特に，半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセルおよび／または薄膜光合成セルが光導波路と集積化されているようなＩＰＥＣＳ，液体および／または気体の流路が光導波路と集積化されているようなＩＰＥＣＳ，光デバイス，電子デバイスが搭載および／または埋め込みにより集積化されているようなＩＰＥＣＳ，多層構造をもち，薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セル，流路，光導波路の中の少なくとも一つが異なる層に配置されているようなＩＰＥＣＳ，半導体薄膜を含む領域に光を導波させるような導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，半導体薄膜に２種類以上の分子を配列吸着させるような色素増感型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，流路が複数の光導波路の出射端で挟まれているようなＩＰＥＣＳ，その際，光導波路の少なくとも一つが４５°ミラーを備えているようなＩＰＥＣＳ，光導波路と流路の間に光照射により屈折率が変化するフォトリフラクティブ（ＰＲ）材料を配置し，光導波路から出射した光と流路からの光により光導波路と流路を連結する自己組織化光導波路を形成するようなＩＰＥＣＳ，特定の分子に対する捕獲機能をもつレセプタを表面または表面近傍に配した光導波路を光回路に組み込み，光回路への入力光波長をスイープしたときの出力光パワーの変化を検知し，レセプタに捕獲された分子の存在を認識するようなＩＰＥＣＳ，２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触または近接させ，接触または近接領域近傍に半導体層よりホール・電子を注入し，接触または近接領域近傍から光を発生させるような平面型発光デバイス，ミラーまたは波長フィルタを備えた光導波路を多層に重ねてなるような多層導波路集光器，スペーサを配置した基体上に光導波路コアを移植してなるようなエアクラッディング型光導波路，光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製するような省資源化光導波路，光導波路コアアレイ中のコアがミラーおよび／または波長フィルタおよび／または薄膜デバイスを備えているような省資源化光導波路，コアを基体に選択的に移植した後に薄膜デバイスを集積化するステップを含むプロセスを用いて作製するような省資源化光導波路，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，屈折率の異なる２つ以上の層からなるような多層コア光導波路，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，他のコア部分のコア幅より広いコア幅をもち，かつ該広いコア幅を持つコア部分の光伝播方向の長さが該他のコア部分のコア幅の２倍以内であるようなスカート型光導波路，多層コア・スカート型光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近にミラー用のメタル薄膜または波長フィルタ用の誘電体薄膜を形成したような多層コア・スカート型光導波路，光導波路の少なくとも一部がエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であるような多層導波路集光器，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置し，ソーラーセルに連結する電極・配線および／または流路を光集光器に設けたような集積型太陽エネルギー変換システム，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，多層導波路集光器，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア・スカート型光導波路から選ばれた少なくとも一つを構成要素として含むような集積型太陽エネルギー変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を用いたソーラーセル，光合成セルなどの光エネルギー変換デバイスや，蓄電池などの光化学・電気化学的なプロセスを含むデバイスは，通常，個別部品として扱われており，小型・集積化・高効率化・高機能化が困難という問題がある。ソーラーセルでは，半導体への光照射は半導体面外方向から行われている。このため，高価な透明電極が必要になるという問題がある。また，光吸収効率を上げるために表面をポーラス化する場合があり，半導体としての特性を犠牲にせざるを得ないという問題がある。光合成セルにおいても，光照射はセル面外方向から行うため，ソーラーセルと類似の問題が生じる。発光デバイスでは，通常，積層構造をとっているため，透明電極が必須，発光領域の微細化が困難，光取り出し効率が不十分という問題がある。導波路集光器では，レンズのアシストが必要で構造が複雑になるという問題がある。光導波路では，コアとクラッディング領域との屈折率差が不十分で光の閉じ込めが弱くなる場合があるという問題がある。コア幅に比べてコアピッチが広いような用途の場合，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスなどの材料・プロセスが無駄になるという問題がある。また，４５°ミラー・波長フィルタとして用いられるコア端ファセットにおける光リーク・散乱が生じるという問題がある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の一つの目的は，太陽エネルギー変換システムや光化学・電気化学などのケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することにある。また，本発明の他の目的は，ソーラーセルや光合成セルの光エネルギー変換効率の向上，および低コスト化を実現することにある。また，本発明の他の目的は，発光デバイスの低コスト化，発光領域の微細化，光取り出し効率の向上を実現することにある。また，本発明の他の目的は，レンズ不要のシンプル化された構造を持つ導波路集光器を実現することにある。また，本発明の他の目的は，光閉じ込めの強い光導波路を実現することにある。また，本発明の他の目的は，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した光導波路を実現することにある。また，本発明の他の目的は，光導波路４５°ミラー・波長フィルタとして用いられるコア端ファセットにおける光リーク・散乱の低下を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様に係るＩＰＥＣＳは，半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセルおよび／または薄膜光合成セルが光導波路と集積化されてなることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００５】
本発明の第１の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，液体および／または気体の流路が光導波路と集積化されてなることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００６】
本発明の第１の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，光デバイス，電子デバイスが搭載および／または埋め込みにより集積化されていることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００７】
本発明の第１の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，ＩＰＥＣＳが層を重ねた多層構造をもち，薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セル，流路，光導波路の中の少なくとも一つが異なる層に配置されていることを特徴とする。これにより，太陽エネルギー変換システムやケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルは，光を，半導体薄膜を含む領域に導波させることを特徴とする。これにより，光エネルギー変換効率の向上を実現することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様に係るもう一つの薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルは，半導体薄膜に２種類以上の分子を配列吸着させることを特徴とする。これにより，光エネルギー変換効率の向上を実現することができる。
【００１０】
本発明の第３の態様に係るＩＰＥＣＳは，流路が複数の光導波路の出射端で挟まれていることを特徴とする。これにより，マイクロ分光システムなどが可能となり，ケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様に係るもうひとつのＩＰＥＣＳは，上記光導波路の少なくとも一つが４５°ミラーを備えていることを特徴とする。これにより，ケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。
【００１２】
本発明の第４の態様に係るＩＰＥＣＳは，光導波路と単一または複数の流路の間に，光が照射されると屈折率が変化する性質をもつＰＲ材料を配置し，光導波路から出射した光と該流路からの光により，該光導波路と該流路の間を連結する自己組織化光導波路を形成することを特徴とする。これにより，材料センシティブＳｅｌｆ−Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＳＯＬＮＥＴ）などが可能となり，ＩＰＥＣＳの高機能化を実現することができる。
【００１３】
本発明の第５の態様に係るＩＰＥＣＳは，特定の分子に対する捕獲機能をもつレセプタを表面または表面近傍に配した光導波路を光回路に組み込み，該光回路への入力光波長をスイープしたときの出力光パワーの変化を検知し，レセプタに捕獲された分子の存在を認識することを特徴とする。これにより，分子認識マイクロシステムなどが可能となり，ＩＰＥＣＳの高機能化を実現することができる。
【００１４】
本発明の第６の態様に係るＩＰＥＣＳは，２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触または近接させ，接触または近接領域近傍に半導体層よりホール・電子を注入し，接触または近接領域近傍から光を発生させることを特徴とする。これにより，発光デバイスの低コスト化，発光領域の微細化，光取り出し効率の向上を実現することができる。
【００１５】
本発明の第７の態様に係る集光器は，ミラーまたは波長フィルタを備えた光導波路を多層に重ねてなることを特徴とする。これにより，太陽光などの光の高効率でシンプル化された集光を実現することができる。
【００１６】
本発明の第８の態様に係る光導波路は，スペーサを配置した基体上に光導波路コアを移植してなることを特徴とする。これにより，光閉じ込めの強いエアクラッディング型光導波路を実現することができる。
【００１７】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した省資源化光導波路を実現することができる。
【００１８】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路コアアレイ中のコアがミラーおよび／または波長フィルタおよび／または薄膜デバイスを備えていることを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した省資源化光導波路を実現することができる。
【００１９】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，コアを基体に選択的に移植した後に薄膜デバイスを集積化するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減した省資源化光導波路を実現することができる。
【００２０】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，屈折率の異なる２つ以上の層からなることを特徴とする。これにより，コア端ファセットにおける光リーク・散乱の低下を実現することができる。
【００２１】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，他のコア部分のコア幅より広いコア幅をもち，かつ該広いコア幅を持つ部分の光伝播方向の長さが該他の部分のコア幅の２倍以内であることを特徴とする。これにより，コア端ファセットにおける光リーク・散乱の低下を実現することができる。
【００２２】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，多層コア・スカート型光導波路の光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする。これにより，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストの低減，およびコア端ファセットにおける光リーク・散乱の低減を実現することができる。
【００２３】
本発明の第８の態様に係るもうひとつの光導波路は，多層コア・スカート型光導波路において，コア端ファセット部および／またはその付近にミラー用のメタル薄膜または波長フィルタ用の誘電体薄膜を形成したことを特徴とする。これにより，より高効率なミラー・波長フィルタを備えた光導波路を実現することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様に係る多層導波路集光器は，光導波路の少なくとも一部がエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とする。これにより，より高効率な集光器を実現することができる。
【００２５】
本発明の第９の態様に係るＩＰＥＣＳおよび導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セルは，光導波路の少なくとも一部がエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とする。これにより，より高効率なＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セルを実現することができる。
【００２６】
本発明の第１０の態様に係る集積型太陽エネルギー変換システムは，集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置し，該ソーラーセルに連結する電極・配線および／または流路を該集光器に設けたことを特徴とする。これにより，低コスト・高効率な太陽エネルギー変換を実現することができる。
【００２７】
本発明の第１０の態様に係るもう一つの集積型太陽エネルギー変換システムは，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，多層導波路集光器，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア・スカート型光導波路から選ばれた少なくとも一つを構成要素として含むことを特徴とする。これにより，低コスト・高効率な太陽エネルギー変換を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に，本実施の形態を，図面を参照して説明する。各図において，同一の符号をふされたものは同様の要素を示しており，重複した説明は省略される。以下の記載は本発明が適用可能な実施形態を説明するものであって，本発明の範囲がこの記載に限定されるものではない。説明の明確化のため，以下の記載は，適宜，省略及び簡略化がなされている。また，当業者であれば，以下の実施形態の各要素を，本発明の範囲において容易に変更，追加，変換することが可能であろう。
【００２９】
［第１実施形態］
図１は本発明に先駆け考案した従来発明による太陽光エネルギー変換用のＩＰＥＣＳの構造例である（特許文献１）。薄膜ソーラーセル１と薄膜光合成セル２は薄膜の半導体３からなる。この例では，分光感度特性の異なる３種類の半導体Ａ，Ｂ，Ｃが使用されている。それらの特性に応じて，波長フィルタ４により分光された光が照射される。光は光導波路５により波長フィルタまで導かれる。集光効率向上のためにレンズ６が使用される。これにより，半導体の消費量が格段に減らせ，低コスト化が可能となる。
【００３０】
図１に示したシステムを拡張発展させたものとして，図２に，本発明の第１実施形態によるＩＰＥＣＳの構造例を示す。薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルが光導波路とともに集積化されている。薄膜ソーラーセルの場合，外部から入った光を，例えば，３つの波長フィルタで分波し，半導体Ａ３ａ，半導体Ｂ３ｂ，半導体Ｃ３ｃ，に導入する。この例では，半導体Ａに対しては通常通り面外方向から光を入射させている。一方，半導体Ｂ，Ｃに対しては，いったん４５°ミラーで受けて，導波光とし，半導体層に光を入射させている。分波された光の波長は，各半導体の分光感度スペクトルに合わせてある。その結果，高変換効率で電力を取り出すことができるようになる。薄膜光合成セルの場合は，薄膜化し流路７に挿入された半導体Ｄ３ｄの両面から分波された光を照射する。この例ではＨ２とＯ２が合成され，外部に取り出される。半導体Ｄは，単層構造を有していてもよいし，複数種類の半導体が積層されたかまたは並んだ複数層構造を有していてもよい（非特許文献１）。
【００３１】
このシステムは，平面光導波路内の２次元的な光伝播に加え，平面から出た縦方向の光伝播も使用していることから，３次元光回路をベースとしているといえる。基本的構造は，３次元集積化光インタコネクトの構造に類似している（非特許文献１）。このため，３次元集積化光インタコネクトと同様に，薄膜化した種々の光デバイス，電子デバイスをフィルムに埋め込み，これらのフィルムを積層して高機能化することができる。４５°ミラーつき光導波路フィルムの作製，デバイス埋め込みには，既に知られているプロセスを用いることができる。例えば，前者については，感光性材料への垂直・斜め露光で４５°ミラー付き光導波路フィルムを複製するＢｕｉｌｔ−ｉｎ Ｍａｓｋ法（非特許文献１），インプリント法などがある。また後者については，薄膜デバイス片の多段一括選択的移植を利用したＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴ法（非特許文献１）などがある。フィルムには，薄膜デバイスと連結した電極・配線が形成されている。ビアによりフィルムと垂直方向の電気接続を行う。また，フィルム間電気接続は，フィルムにパッドを形成し，パッド間をメタル接合などにより接続することにより可能となる。
【００３２】
［第２実施形態］
図３に，本発明の第２実施形態による導波型薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルの構造例を示す。（ａ）はｐｎ接合型薄膜ソーラーセルである。電極Ａ８ａと電極Ｂ８ｂの間にｐ型半導体３ｅとｎ型半導体３ｆの薄膜が積層され，挿入されている。ｐｎ構造のかわりにｐｉｎ構造を用いることもできる。光９を，これらの半導体薄膜積層構造内に導波させる。半導体内に光キャリアが生成し，電流・起電力が発生する。導波型のメリットとして，半導体層を，１００ｎｍオーダ（場合によってはそれ以下）にまで薄くできることが挙げられる。このため，ｐｎ接合面と電極との距離をせばめ，セル抵抗を低下させることができる。従来の面外入射方式の場合，半導体層を薄くしすぎると光吸収が不十分となり，変換効率の低下をまねく。これに対し導波型では，伝播距離で厚さの不十分さをカバーすることができるため，半導体層が薄くても十分な光吸収が可能となり，変換効率の向上が期待できる。もう一つのメリットとして，透明電極が必須でないことが挙げられる。透明電極は，金属電極に比べて高価であり，またシート抵抗が高い。これを金属電極で置き換えることにより，低コスト化とセル抵抗の低下が期待できる。ただし，この場合，半導体層の薄層化は，光導波が可能な薄さにまでしか行えない。
【００３３】
図３（ｂ）は，電解質型薄膜ソーラーセルである。対向電極８ｃ，電解質１０，半導体，電極８ｄのような層構成である。厚さは１００ｎｍ−１ｍｍの範囲が適当である。光を電解質／半導体層構造内に導波させると半導体内に光キャリアが生成し，電解質を通して電流・起電力が発生する。メリットは，ｐｎ接合型の場合と同様である。（ｃ）は，半導体に色素１１を吸着させた構造である。これにより，セルの分光感度を，半導体そのもの分光感度より長波長領域にまで広げることが可能になる。さらに，複数種類の分子を半導体表面に配列吸着させることにより，セルの分光感度スペクトルを大幅に広げることができる。例えば，電子受容性分子，電子供与性分子をｎ半導体表面に配列吸着させた場合，分子はｎ型半導体−電子受容性分子−電子供与性分子のような配列で吸着し，両分子を合わせた分光感度スペクトルが得られる（非特許文献１）。複数種類の分子の配列吸着による増感は，導波型セルのみならず，従来の面外入射型セルにも有効である。（ｄ）は，相補型薄膜ソーラーセルである。（ｂ）の構成において，一方の電極にｐ型半導体薄膜，他方の電極にｎ型半導体薄膜を積層し，両半導体の間に電解質を挿入した構成である。両電極を連結して光を導波させると，ｎ型半導体側にプロトンと電子が，ｐ型半導体側にＯＨ−とホールが蓄積され，充電状態となる。両電極をオーブンにすると，充電状態が保たれ，バッテリ機能が付与される。
【００３４】
図３（ｅ）は，導波型薄膜光合成セルの一例である。半導体Ｅ３ｇおよび半導体Ｆ３ｈの薄膜が積層され，その両面が電解質に接している。半導体ＥとしてＷＯｘ，半導体ＦとしてＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ−Ｔａを用いた場合，光を導波させると，半導体Ｅ側でＯ２が発生し，半導体Ｆ側でＨ２が発生する。このとき，半導体表面にＰｔなどを分布させることにより，反応の活性化が図れる。ｎ型半導体にＷＯｘ，ｐ型半導体にＣｒ２Ｏ３を用いてｐｎ構造を形成した場合，光キャリアの生成にともない，一方からＯ２，他方からＨ２の発生が期待できる。（ｆ）は，半導体に色素を吸着させた構造で，（ｃ）の場合と同様の効果が得られる。（ｇ）はｐ型／ｎ型積層半導体薄膜を多層に配置した構造である。これにより，より多量のＯ２，Ｈ２を発生させることが可能となる。（ｅ）−（ｇ）において，半導体Ｅと半導体Ｆを分離し，それらの間に電解質を挿入することもできる。あるいは，ＴｉＯｘなどの単層膜を用い，電解質のかわりに液体やガスを導入して，光触媒反応により光合成（分解反応も合成の一種と考える）することもできる。
【００３５】
上記の導波型薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルは，ＩＰＥＣＳの一部として組み込むことができる。図２の例では，半導体Ｂ，Ｃを用いた薄膜ソーラーセル，半導体Ｄを用いた薄膜光合成セルが適用対象となる。半導体材料としては，例えば，ＴｉＯｘ，ＺｎＯ，ＷＯｘ，ＣｒＯｘ，ＩｒＯｘ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ−Ｔａなとの酸化物半導体，Ｓｉ，Ｇｅ，ＣなどのＩＶ族半導体，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体，カーボンナノチューブ，ポリアゾメチン，ポリチオフェン，ポリオキサジアゾール，ペンタセン，フタロシアニンなどの有機材料を用いることができる。製膜法としては，スパッタリング，蒸着，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ），Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ），Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＭＬＤ），有機ＣＶＤなどがある。上記半導体の薄膜は，成長基板上に作製したのち，ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ（ＥＬＯ）またはそれに類似の手法により基板から剥離することにより得られる（非特許文献１）。図３（ａ）−（ｄ）では，薄膜の片面または両面に電極を形成する。（ｅ）−（ｇ）では，薄膜の片面または両面に，必要に応じてＰｔなどの反応活性化エージェントを分布させる。薄膜は，必要に応じて，スペーサを介して所望のギャップをもって保持される（非特許文献１）。電解質としては，ポピュラーな既存材料から選んで用いることができる。液体であっても固体であってもよい。また，先に述べたように，電解質のかわりに他の液体・気体，場合によっては固体を用いることもできる。
【００３６】
色素としては，例えば，ルテニウム錯体誘導体，クマリンなどの有機色素などが使用できる。複数種類の色素を用いる多色素増感としては，一例として，ＺｎＯのローズベンガル／クリスタルバイオレット，エオシン／マラカイトグリーンによる増感が知られている（非特許文献１）。
【００３７】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態によるマイクロ分光システムの構造例を図４に示す。タイプＡでは，４５°ミラーつき光導波路を２つ重ね，その間に流路７を配置する。一方の光導波路５に，例えば励起光１２を導波させると，４５°ミラーから反射し流路に入る。流路には，液体またはガスを注入する。流路に発光性の物質が存在する場合，発光１３が生じ，その一部は他方の光導波路に入り，導波する。この光をフォトディテクタ（ＰＤ）などで受けることにより，発光が検知できる。ＰＤはマイクロシステムの外部に置いても良いし，内部に埋め込み，または搭載してもよい。ＰＤに光が入る前に波長フィルタ４を設置し，励起光をカットして所望の波長の光を取り出すことが望ましい。この構造で，発光のかわりに光吸収を測定することもできる。タイプＢのように，一方の光導波路が，４５°ミラーではなく通常のコア端面を持つような構造の場合もある。いずれにおいても，３次元光回路と流路の集積システムとみなすことができる。光導波路が発光部近傍にあるため，集光効率の向上とシステムの小型化が図れる。
【００３８】
図４右図に，流路を複数個設け，励起光用光導波路を複数に分岐させた場合の例を示す。この例では，流路１７ａ，流路２７ｂ，流路３７ｃ，流路４７ｄを設け，それそれに波長λＥ１，λＥ２，λＥ３，λＥ４の励起光を照射する。例えば，λＥｍの励起光を流路ｎ７ｅに照射した場合，波長λＬｎｍの発光が導波路を通って出力される。これにより，多数の物質の発光スペクトルが分光器なしで一度に測定できることになる。
【００３９】
流路は，例えば，一方の光導波路のフィルム面に溝を形成し，他方の光導波路のフィルム面でカバーするなどの方法により形成できる。４５°ミラーつき光導波路としては，アクリル，エポキシ，ポリイミド，シリコーンなどのポリマでできたフィルム形状のものが望ましいが，ガラス，半導体からできた光導波路，基板つき形状のものでも使用可能である。
【００４０】
［第４実施形態］
図５に，本発明の第４実施形態による材料センシティブＳＯＬＮＥＴの構造例を示す。光導波路と流路１７ｆ，流路２７ｇ，流路３７ｈを配置し，それらの先端にレンズ１４を，またそれらの間に，フォトポリマ，光硬化性材料などのＰＲ材料１５を配置する。流路１，２，３には，それぞれ，材料１ １６ａ，材料２ １６ｂ，材料３ １６ｃを挿入する。例えば，流路１と流路３に発光性の物質が存在している場合，ＰＲ材料が感光する波長の書き込み光１７を光導波路から出射すると，これが流路１，流路３に励起光として照射され，これらの流路から発光が生じる。発光の波長がＰＲ材料の感光波長領域内にある場合，発光と光導波路からの書き込み光とが重なってセルフフォーカスが生じ，光導波路と流路をセルファライン連結するＳＯＬＮＥＴ１８が形成される。これにより，流路中の材料に依存してＳＯＬＮＥＴの光結合路の有無が生じ，材料センシティブなＳＯＬＮＥＴが実現される。流路１，流路３に，発光性物質のかわりに反射性物質が存在する場合，反射光と書き込み光により，上記と同様の材料センシティブＳＯＬＮＥＴが形成される。材料センシティブＳＯＬＮＥＴは，例えば，材料分析，人工神経回路網，パターン認識，自動調整システムなど広い応用が期待できる。ＰＲ材料としては，これまでに知られているエポキシ／アクリル系材料などを用いることができる。発光スペクトルとのマッチングを取るために，必要に応じてＰＲ材料の分光増感を行う。
【００４１】
［第５実施形態］
図６は，本発明の第５実施形態による分子認識マイクロシステムの構造例である。分子認識デバイスとして導波路リング共振器型波長フィルタを用い，３種類の分子（分子１ １９ａ，分子２ １９ｂ，分子４ １９ｃ）が存在している場合を例にとって説明する。リング部に分子センシティブ導波路ＭＳＷ１ ２０ａ，ＭＳＷ２ ２０ｂ，ＭＳＷ３ ２０ｃ，ＭＳＷ４ ２０ｄ，・・・を形成する。ＭＳＷｎは，分子ｎに対するレセプタ２１を有する。分子ｎが存在する場合，これがレセプタに捕獲され，導波光２２に対する屈折率が変調される。屈折率変調の原理としては，「分子ｎの吸着に起因する屈折率変化を導波光が感じる」および「分子ｎの吸着で表面電位の変化が生じ，ＭＳＷの電気光学効果に起因する屈折率変化を導波光が感じる」がある。
【００４２】
初めに，分子が存在しないイニシャル状態を考える。Ｉｎｐｕｔ側の光導波路に波長可変ＬＤ２３から光を入射させる。入射波長をスイープすると，各リング共振器の共振波長においてＯｕｔｐｕｔ側光導波路に光が伝播し，光導波路に接続したＰＤ（ＰＤ１ ２４ａ，ＰＤ２ ２４ｂ，ＰＤ３ ２４ｃ，ＰＤ４ ２４ｄ）の出力パワーがピークを示す。各共振器の共振波長は，リング直径を少しずつ変化させるなどして，ずらしておくことが望ましい（ＬＤを各共振器に一つずつ配置する場合は，このような工夫は不要となる）。つぎに，分子１，２，４を導入する。ＭＳＷ１，２，４には分子が捕獲される。ＭＳＷ３には分子は捕獲されない。このため，ＭＳＷ１，２，４の共振器の共振波長はシフトし，ＭＳＷ３の共振器の共振波長はシフトしない。このような，共振波長のシフトの有無から分子認識が可能となる。共振波長のシフトは，例えば，出力光パワーまたはその変化率が極大または極小となる波長の変化から検出できる。
【００４３】
リング導波路の直径は，１０μｍ前後，光導波路幅は１μｍ前後，Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ導波路とリング導波路の間のキャップは１００ｎｍオーダが普通であるが，これらのパラメータ範囲には限定されない。リング直径およびギャップを大きくするにしたがって，感度が上がる。レセプタとしては，従来報告されている分子を使用することができる。導波路表面に自己組織化単分子層（ＳＡＭ）として形成することができる。また，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＭＬＤ）や有機ＣＶＤを用いて，基板からポリマワイヤを成長させ（非特許文献１），その先端にレセプタを付加することもできる。
【００４４】
［第６実施形態］
図７は，本発明の第６実施形態による平面型発光デバイスの構造例である。有機半導体Ａ３０ａと有機半導体Ｂ３０ｂがｐｎ接合を形成している。さらに，有機半導体Ａは，薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）としても働いている。電極は，ソース３１が有機半導体Ａ領域に，ドレイン３２が有機半導体Ｂ領域に，ゲート３３がゲート絶縁膜３４を介して形成されている。ソースードレイン間の電流をゲート電圧で制御する。ｏｎ状態ではｐｎ接合領域近傍から発光３５を生じる。ゲートを省き，ＴＦＴ機能をなくすこともできる。この場合は，通常の２端子のダイオード構造となる。ｐｎ接合部は，完全には接触せず，隣接した状態でも動作可能である。
【００４５】
電極としては，ｐ型半導体に対してはＡｕ，ＩＴＯなど，ｎ型半導体に対してはＡｌ，ＬｉドープＡｌ，Ｍｇなどを用いることができる。電極サイズは，１０ｎｍ−１０μｍオーダが適正である。発光強度を増大させる場合は，発光部を多数並べることが有効である。その際，図７に示すように，各有機半導体の両側を光らせることが有効である。電極はストライプ形状には限定されず，櫛形，矩形，円形など多様な形とすることが可能である。この場合，電極を外部に取り出すために，多層配線を使用することもできる。
【００４６】
有機半導体の形成には，ＭＬＤ，有機ＣＶＤなどを使用する（非特許文献１）。膜厚は１−１０００ｎｍオーダが適正である。材料としては，例えば，カーボンナノチューブ，ポリアゾメチン，ポリチオフェン，ポリオキサジアゾール，ペンタセン，ＴＰＤ，フタロシアニン，Ａｌｑ３などがある。平面方向のｐｎ接合は，選択成長により作製できる。例えば，最初に，有機半導体Ａとして，ペンタセン，ＴＰＤ，共役ポリマｐｏｌｙ−ａｚｏｍｅｔｈｉｎｅ（ＡＭ）などの疎水性の薄膜をパターン化して成長させる。つぎに，有機半導体Ｂとして，ｐｏｌｙ−ＡＭを，キャリアガスタイプＭＬＤ（ＣＧ−ＭＬＤ）またはキャリアガスタイプ有機ＣＶＤ（ＣＧ−ＯＣＶＤ）により，ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ（ＰＰＤＡ）とｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｌｄｅｈｙｄｅ（ＴＰＡ）を原料分子に用いて成長させる。ここで，有機半導体Ａとしてｐｏｌｙ−ＡＭを用いる場合は，有機半導体Ａのｐｏｌｙ−ＡＭは有機半導体Ｂのｐｏｌｙ−ＡＭと異なる構造を持たせることが必要である。これは，置換基の種類やベンゼン環の数を変えることで容易に可能となる。有機半導体Ｂとして成長させたｐｏｌｙ−ＡＭは，疎水性膜上には成長せず，その他の領域に選択的に成長する。その結果，平面方向の接合が形成できる。場合によっては，電極の側面にアミノアルカンチオールなどのＳＡＭを形成し，ポリマ鎖の配向制御を行い（非特許文献１），キャリアモビリティを向上させることができる。斜め蒸着下地膜を用いたポリマ鎖配向成長（非特許文献１）もモビリティ増大化に有効である。
【００４７】
このような平面構造により，透明電極が必須でなくなり，低コスト化が可能となる。また，発光が微小領域から生じるため，微細パターン発光が可能となる。さらに，有機半導体の膜厚が波長以下に設定できるため，薄膜内部の導波効果が抑制でき，光取り出し効率を向上できる。
【００４８】
［第７実施形態］
図８は，本発明の第７実施形態による多層導波路集光器の構造例である。図１に示した太陽光エネルギー変換用のＩＰＥＣＳにおいては，集光部にレンズと光導波路が用いられている。図８の構造は，レンズと光導波路の組み合わせにかえて，導波路を主体とした集光を行おうというもので，ミラー（または波長フィルタ）つきの光導波路層が多層化されてできている。集光器を上から見るとミラー位置４０が２次元アレイ状に並んでいる。各ミラー位置の番号は，そのミラーが何層目にあるかを表している。図８の例では，上から層１，層２，層３，層４，層５，層６と６層積層されている。ミラー４１により，上方から入射した光４２は光導波路５に導入され，集光される。図８下側２つの模式図は，それぞれ，層１，２の積層位置関係，および層１，３，５の積層位置関係を示したものである。前者の場合，上下の平行移動，後者の場合，左右の平行移動を行って積層されている。
【００４９】
図９（ａ）に，各層の構造例を模式的に示した。ミラーからの光が合波されてガイドされている。左側の模式図では，直線導波路が使用されている。右側の模式図では，合流する導波路コアが湾曲し，またミラー部付近のコア幅が広くなっている。これは，後述するスカート型コア構造（図１３）を適用したものである。垂直入射に近い角度の光に対しては，４５°ミラーが適当である。斜め入射の光に対しては，図９（ｂ）に示すように，４５°から角度をずらしたミラーが適当である。これらのミラー付き光導波路を４５°ミラー付き光導波路とともに積層することにより，幅広い入射角の光を集光することが可能になる。さらに，光導波路の向きを９０°または，それ以外の適当な角度に回転させた層を加えて積層することにより，より高効率な集光できるようになる。導波光は，導波路端面，ミラーなどから直接ソーラーセル・光合成セルに導入してもよいし，光ファイバ・光回路などのデバイスに導入してもよい。各光導波路をさらに合流させ，ソーラーセル・光合成セルの数を減らすこともできる。異なる層の光導波路を光Ｚ−コネクションにより合流させることも可能である。
【００５０】
光導波路コア径は１μｍオーダからｍｍオーダまで用途によってバリエーションがある。材料としては，典型的には，ポリマ，ガラスがある。４５°ミラー付き光導波路形状の空孔に液体を入れた構成も可能である。光閉じ込めを強くするために，エアクラッディング型光導波路を用いることもできる。導波路作製方法としては，光硬化性樹脂を用いた光露光法（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｍａｓｋ法など），スタンプ法，インプリント法，エッチング法，射出成形法，ダイシング法などを用いることができる。光導波路層の積層は，光導波路フィルムを作製し，それらを積層する方法，あるいは，ビルトアップ方式で積み重ねる方法などにより行う。
【００５１】
多層導波路集光器では，構造シンプル化のため，基本的にはレンズと組合さないが，場合によっては，レンズを上面付近または層間に配置し，集光効率の向上を図ることもできる。また，直射日光下で集光する場合，集光器前面に水などの赤外線吸収フィルタを配置することが有効である。吸収した熱は，お湯として回収し，熱エネルギーとして活用することができる。また，ワイドギャップ半導体（ＴｉＯｘ，ＺｎＯ，ＷＯｘなど）を用いたソーラーセル・光合成器を集光器前面に配し，青・紫外の光のエネルギー変換を行い，残りの長波長の光を集光することもできる。この場合，光導波路材料は，青・紫外の光を導波する必要がなくなり，低価格導波路材料が使用できることになる。
【００５２】
多層導波路集光器は，太陽エネルギー変換システムへの応用のみならず，高効率集光器として様々な分野への応用が可能なことは言うまでもない。また，光の向きを逆転し，導波光がミラーから出射するようにすることにより，照明，ディスプレイなどに応用することも可能である。
【００５３】
［第８実施形態］
図１０は，本発明の第８実施形態によるエアクラッディング型光導波路である。光導波路コア４３をスペーサ４４の上に配置し，光導波路とする。全体がエアで囲まれているため光閉じ込めを強くすることができる。超微細な光導波路が必要なチップ内光配線，太陽電池用の集光器などにおいて特に有用となる。スペーサは，基体の上に搭載するか，または，基体に凹凸をつけることなどにより形成できる。
【００５４】
図１１は，省資源化光導波路の作製プロセスと構造である。作製プロセスとしては，従来から知られているＰｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｒｅｐｅａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴ）（非特許文献１）を用いることができる。基体４５の上に光導波路コアを高密度に配置する。また，最終基体４６上にはキャッチアップサイト４７を形成する。キャッチアップサイトは，光導波路コアとの間に，光導波路コアと基体との間の密着力より強い密着力を生じるサイトである。基体を最終基体とアタッチ，デタッチすることにより，光導波路コアが基体から最終基体のキャッチアップサイトに選択的に移植される。例えば，基体上のコアピッチ，最終基体上のコアピッチが，それぞれ５０μｍ，３００μｍである場合，基体上のコアアレイ中のコアが６本ごとに移植される。基体上に残ったコアは他の最終基板に移植される。１枚の基体から６枚の光導波路が作製できるので，コア材料の消費量とプロセスコストは従来の約１／６にまで低減できることになる。図１１の例では，４５°ミラーがコアに形成されている。したがって，ミラー材料の消費量とプロセスコストも約１／６にまで低減化できる。図１１の例では，４５°ミラーはｄｏｗｎ−ｔａｐｅｒ型となっている。途中に移植ステップを入れて最終移植時でのコアの上下を反転させることにより，ｕｐ−ｔａｐｅｒ型の４５°ミラーとすることもできる。ミラーの代わりに，誘電体多層膜からなる波長フィルタなどを形成することもできる。この場合は，波長フィルタ材料の消費量とプロセスコストが約１／６にまで低減できる。
【００５５】
図１２の例では，面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ），フォトディテクタ（ＰＤ），光変調器などの薄膜デバイス４８，４９がコアに集積化されている。キャッチアップサイトをコアのミラー（または波長フィルタ）部分に形成し，ＳＯＲＴを用いてこれらの薄膜デバイスを配置することにより，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストが低減できる。この例では，移植前，後いずれの場合もｕｐ−ｔａｐｅｒ型４５°ミラーとなっている。これは，２段階のアタッチ／デタッチにより可能となる。この後，オーバクラッディング層の形成により薄膜デバイスを埋め込むことも可能である。この場合，電極の取り出し，配線など後工程が必要となる。また，薄膜デバイスは，ミラー（または波長フィルタ）付きコアを移植した後，ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴなどにより配置し，埋め込むこともできる。
【００５６】
図１１，図１２いずれの例の場合も，最終基板にコアを移植した後，オーバクラッディング層を形成し，埋め込み型光導波路とすることができる。この場合，ミラーまたは波長フィルタ面となるコア端ファセット部にメタル薄膜または多層誘電体薄膜を形成し，反射率を上げることが望ましい。また，最終基体上にあらかじめクラッディングフィルムを配し，プロセス終了後最終基体から分離することにより，光導波路フィルムとすることもできる。
【００５７】
図１３は，最終基体５０の上に配置されたコアを３層構造（高屈折率コア５１を低屈折率コア５２ではさんだ構造）とし，さらに４５°ミラー・波長フィルタとなるコア端ファセット部においてコアの幅を広げ，スカート型とした例である。スカート型部５３には，ミラー用のメタル薄膜５４または波長フィルタ用の誘電体薄膜５４が形成されている。３層構造は，例えば，光硬化材料を用いた場合，Ｂｕｉｌｔ−ｉｎ Ｍａｓｋ法や通常のマスク露光法などにより作製できる。低屈折率コア層，高屈折率コア層，低屈折率コア層の順にコーティングした後，垂直露光，斜め露光により導波路コアと４５°ミラー部分を硬化させ，現像して３層構造コアを得る。インプリント法など他の方法を用いることも可能である。
【００５８】
３層構造により，導波光の最終基体（クラッドとして使用）へのトンネリングが抑制され，ミラー部でのリークが抑制される。また，スカート型構造により，コア端コーナーパターンの不完全性の影響を回避することができる。コアパターンを作製する際，コーナー部分に丸まりを生じる場合がある。この場合でも，スカート型としておけば，導波光の光路からコーナー部分を遠ざけることができ，コーナーパターンの不完全性の影響を受けずにすむ。スカート部の長さを長くしすぎると，光の広がりが顕著になる。長さとしてはもともとのコア幅の２倍程度以下にすることが適当である。
【００５９】
３層・スカート型構造では，コア端ファセット部にメタル・誘電体薄膜を形成する際，位置合わせ精度を緩和できるという利点も期待できる。すなわち，通常の構成では，傾斜面と薄膜形成位置にずれがあると，コアの側面，上面に薄膜が付着し，導波光の散乱を誘発する。これに対して，３層・スカート型構造では，ある程度ずれてもそのようなことは起こらない。コアの層数は３層とは限らず，低屈折率コアと高屈折率コアの２層構造，あるいは，４層以上の構造などを採用することもできる。低屈折率コアの屈折率を，クラッディング領域の屈折率より低くすることもできる。
【００６０】
ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴなどにより，オーバクラッディングつきの光回路とすることもできる。最終基板にコアを移植した後，オーバクラッディング層を形成し，埋め込み型光導波路とすることができる。また，最終基体上にあらかじめクラッディングフィルムを配し，プロセス終了後最終基体から分離することにより，光導波路フィルムとすることもできる。
【００６１】
図１０で述べた省資源化プロセスを多層・スカート型コアに適用すること，エアクラッディング導波路の作製に省資源化プロセスを適用すること，さらにエアクラッディング導波路のコアとして多層・スカート型コアを用いることが可能であることは言うまでもない。光導波路材料としては，アクリル，エポキシ，ポリイミド，シリコーンなどのポリマがあるが，ガラス，ゾルゲル材料なども使用可能である。
【００６２】
［第９実施形態］
第８実施形態では，光導波路の用途は限らず，エアクラッディンング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア光導波路，スカート型光導波路について述べた。これらは，本明細で述べてきたＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，および多層導波路集光器における光導波路部に適用することができる。
【００６３】
［第１０実施形態］
図１４は，本発明の第１０実施形態による集積型太陽エネルギー変換システムの構造例である。ここでは，レンズで集光した光をミラー付き光導波路に入射させ，合流光導波路を通してソーラーセルおよび／または光合成器６０にガイドし，光エネルギー変換を行う例を示した。本実施形態では，集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置することにより，光導波路内での光伝播ロスによる光エネルギーの散逸を最小限にとどめている。ソーラーセルからの電気エネルギー取出しは，集光器に形成した電極・配線６１により行う。光合成器からの生成物の取り出しは，流路を通して行う。領域のサイズは，１００μｍオーダから１０ｃｍオーダ程度までが適切である。
【００６４】
図１５は，多層導波路集光器を用いた場合の各層の構造例である。分割された領域内にソーラーセルおよび／または光合成器が配置されている。ソーラーセルからの電気エネルギー取出しは，集光器に形成した電極・配線により，各層ごと，または最終的に多層配線によりまとめて行う。光合成器からの生成物の取り出しは，集光器に形成した流路により，各層ごと，または多層流路により最終的にまとめて行う。
【００６５】
さらに，集積型太陽エネルギー変換システムにおいて，これまで述べてきたＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，エアクラッディング型光導波路，省資源化光導波路，多層コア・スカート型光導波路を導入することも可能である。ソーラーセル・光合成器の集積化には，ＰＬ−Ｐａｃｋ ｗｉｔｈ ＳＯＲＴの適用が有効である。
【００６６】
以上述べたようなＩＰＥＣＳにより，太陽エネルギー変換システムや光化学・電気化学などのケミカルプロセスを含むデバイスの小型・集積化，それに伴う高効率化・高機能化を実現することができる。ＩＰＥＣＳは，光／電気／化学／液体／気体／固体が融合した集積回路みなすことができ，ケミカルシステム，光エネルギー変換システムなどの小型・低コスト・高性能化の有力手段となる。また，バイオテクノロジー，物質合成，反応化学などにおいても有効である。また，導波型薄膜ソーラーセル／光合成セルおよび複数分子による分光増感により，光エネルギー変換効率の向上，および低コスト化を実現することができる。また，平面型発光デバイスにより，発光デバイスの低コスト化，発光領域の微細化，光取り出し効率の向上を実現することができる。また，多層導波路集光器により，太陽光などの光の高効率でシンプル化された集光を実現することができる。また，エアクラッディング型光導波路により，光閉じ込めの強い光導波路を実現することができる。また，省資源化光導波路により，コア，ミラー，波長フィルタ，薄膜デバイスの材料消費量とプロセスコストを低減できる。また，多層コア光導波路，スカート型光導波路により，ミラー，波長フィルタにおける光リーク・散乱の低下を実現することができる。さらに，低コスト・高性能な集光器，ＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，太陽エネルギー変換システムを実現することができる。さらに
【００６７】
【特許文献１】吉村徹三，浅間邦彦：特開２００７−１０７０８５「集積化ケミカルシステムと集積化光エネルギー変換システム」。
【非特許文献１】吉村徹三：分子ナノシステム−光化コンピュータと太陽エネルギー変換への応用−，コロナ社（２００７）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来発明によるＩＰＥＣＳの構造例。
【図２】 本発明の第１実施形態によるＩＰＥＣＳの構造例。
【図３】 本発明の第２実施形態による導波型薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルの構造例。
【図４】 本発明の第３実施形態によるマイクロ分光システムの構造例。
【図５】 本発明の第４実施形態による材料センシティブＳＯＬＮＥＴの構造例。
【図６】 本発明の第５実施形態による分子認識マイクロシステムの構造例。
【図７】 本発明の第６実施形態による平面型発光デバイスの構造例。
【図８】 本発明の第７実施形態による多層導波路集光器の構造例。
【図９】 本発明の第７実施形態による多層導波路集光器の各層の構造例。
【図１０】 本発明の第８実施形態によるエアクラッディング型導波路の構造例。
【図１１】 本発明の第８実施形態による省資源化光導波路の作製プロセスと構造例。
【図１２】 本発明の第８実施形態による省資源化光導波路の作製プロセスと構造例。
【図１３】 本発明の第８実施形態による多層コア・スカートスカート型コアの構造例。
【図１４】 本発明の第１０実施形態による集積型太陽エネルギー変換システムの構造例。
【図１５】 本発明の第１０実施形態による多層導波路集光器を適用した集積型太陽エネルギー変換システムの各層の構造例。
【符号の説明】
薄膜ソーラーセル１，薄膜光合成セル２，半導体３，半導体Ａ ３ａ，半導体Ｂ ３ｂ，半導体Ｃ ３ｃ，半導体Ｄ ３ｄ，ｐ型半導体３ｅ，ｎ型半導体３ｆ，半導体Ｅ ３ｇ，半導体Ｆ ３ｈ，波長フィルタ４，光導波路５，レンズ６，流路７，流路１ ７ａ，流路２ ７ｂ，流路３ ７ｃ，流路４ ７ｄ，流路ｎ ７ｅ，流路１ ７ｆ，流路２ ７ｇ，流路３ ７ｈ，電極Ａ ８ａ，電極Ｂ ８ｂ，対向電極８ｃ，電極８ｄ，光９，電解質１０，色素１１，励起光１２，発光１３，レンズ１４，ＰＲ材料１５，材料１ １６ａ，材料２ １６ｂ，材料３ １６ｃ，書き込み光１７，ＳＯＬＮＥＴ１８，分子１ １９ａ，分子２ １９ｂ，分子４ １９ｃ，分子センシティブ導波路ＭＳＷ１ ２０ａ，ＭＳＷ２ ２０ｂ，ＭＳＷ３ ２０ｃ，ＭＳＷ４ ２０ｄ，レセプタ２１，導波光２２，波長可変ＬＤ２３，ＰＤ１ ２４ａ，ＰＤ２ ２４ｂ，ＰＤ３ ２４ｃ，ＰＤ４ ２４ｄ，有機半導体Ａ ３０ａ，有機半導体Ａ ３０ｂ，ソース３１，ドレイン３２，ゲート３３，ゲート絶縁膜３４，発光３５，ミラー位置４０，ミラー４１，光４２，光導波路コア４３，スペーサ４４，基体４５，最終基体４６，キャッチアップサイト４７，薄膜デバイス４８，４９，最終基体５０，高屈折率コア層５１，低屈折率コア層５２，スカート型部５３，メタル・誘電体薄膜５４，ソーラーセル・光合成器６０，電極・配線６１
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセルおよび／または薄膜光合成セルが光導波路と集積化されてなることを特徴とする集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム（ＩＰＥＣＳ）。
【請求項２】
液体および／または気体の流路が光導波路と集積化されてなることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項３】
請求項１，２に記載のＩＰＥＣＳにおいて，光デバイス，電子デバイスが搭載および／または埋め込みにより集積化されていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項４】
請求項１−３に記載のＩＰＥＣＳにおいて，ＩＰＥＣＳが層を重ねた多層構造をもち，薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セル，流路，光導波路の中の少なくとも一つが異なる層に配置されていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項５】
半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルにおいて，光を，該半導体薄膜を含む領域に導波させることを特徴とする導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル。
【請求項６】
半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルにおいて，該半導体薄膜に２種類以上の分子を配列吸着させることを特徴とする色素増感型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル。
【請求項７】
流路が複数の光導波路の出射端で挟まれていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項８】
請求項７に記載のＩＰＥＣＳにおいて，光導波路の少なくとも一つが４５°ミラーを備えていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項９】
光導波路と単一または複数の流路の間に，光が照射されると屈折率が変化する性質をもつフォトリフラクティブ材料を配置し，光導波路から出射した光と該流路からの光により，該光導波路と該流路の間を連結する自己組織化光導波路を形成することを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項１０】
特定の分子に対する捕獲機能をもつレセプタを表面または表面近傍に配した光導波路を光回路に組み込み，該光回路への入力光波長をスイープしたときの出力光パワーの変化を検知し，レセプタに捕獲された分子の存在を認識することを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項１１】
２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触または近接させ，接触または近接領域近傍に該半導体層よりホール・電子を注入し，該接触または近接領域近傍から光を発生させることを特徴とする平面型発光デバイス。
【請求項１２】
ミラーまたは波長フィルタを備えた光導波路を重ねてなることを特徴とする多層導波路集光器。
【請求項１３】
スペーサを配置した基体上に光導波路コアを移植してなるエアクラッディング型光導波路。
【請求項１４】
光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする省資源化光導波路。
【請求項１５】
請求項１４に記載の省資源化光導波路において，光導波路コアアレイ中のコアがミラーおよび／または波長フィルタおよび／または薄膜デバイスを備えていることを特徴とする省資源化光導波路。
【請求項１６】
請求項１４に記載の省資源化光導波路において，コアを基体に選択的に移植した後に薄膜デバイスを集積化するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする省資源化光導波路。
【請求項１７】
光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，屈折率の異なる２つ以上の層からなることを特徴とする多層コア光導波路。
【請求項１８】
光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，他のコア部分のコア幅より広いコア幅をもち，かつ該広いコア幅を持つ部分の光伝播方向の長さが該他のコア部分のコア幅の２倍以内であることを特徴とするスカート型光導波路。
【請求項１９】
請求項１７，１８に記載の多層コア・スカート型光導波路において，光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする多層コア・スカート型光導波路。
【請求項２０】
請求項１７，１８に記載の多層コア・スカート型光導波路において，コア端ファセット部および／またはその付近にミラー用のメタル薄膜または波長フィルタ用の誘電体薄膜を形成したことを特徴とする多層コア・スカート型光導波路。
【請求項２１】
請求項１２に記載の多層導波路集光器において，光導波路の少なくとも一部が請求項１３−２０に記載のエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とする多層導波路集光器。
【請求項２２】
請求項１，２に記載のＩＰＥＣＳ，請求項５に記載の導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セルにおいて，光導波路の少なくとも一部が請求項１３−２０に記載のエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とするＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル。
【請求項２３】
集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置し，該ソーラーセルに連結する電極・配線および／または流路を該集光器に設けたことを特徴とする集積型太陽エネルギー変換システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載の集積型太陽エネルギー変換システムにおいて，請求項１，２に記載のＩＰＥＣＳ，請求項５に記載の導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，請求項１２に記載の多層導波路集光器，請求項１３に記載のエアクラッディング型光導波路，請求項１４に記載の省資源化光導波路，請求項１７に記載の多層コア型光導波路，および請求項１８に記載のスカート型光導波路から選ばれた少なくとも一つを構成要素として含むことを特徴とする集積型太陽エネルギー変換システム。
【請求項１】
半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセルおよび／または薄膜光合成セルが光導波路と集積化されてなることを特徴とする集積化フォトニック／エレクトロニック／ケミカルシステム（ＩＰＥＣＳ）。
【請求項２】
液体および／または気体の流路が光導波路と集積化されてなることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項３】
請求項１，２に記載のＩＰＥＣＳにおいて，光デバイス，電子デバイスが搭載および／または埋め込みにより集積化されていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項４】
請求項１−３に記載のＩＰＥＣＳにおいて，ＩＰＥＣＳが層を重ねた多層構造をもち，薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セル，流路，光導波路の中の少なくとも一つが異なる層に配置されていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項５】
半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルにおいて，光を，該半導体薄膜を含む領域に導波させることを特徴とする導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル。
【請求項６】
半導体薄膜を具備する薄膜ソーラーセル，薄膜光合成セルにおいて，該半導体薄膜に２種類以上の分子を配列吸着させることを特徴とする色素増感型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル。
【請求項７】
流路が複数の光導波路の出射端で挟まれていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項８】
請求項７に記載のＩＰＥＣＳにおいて，光導波路の少なくとも一つが４５°ミラーを備えていることを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項９】
光導波路と単一または複数の流路の間に，光が照射されると屈折率が変化する性質をもつフォトリフラクティブ材料を配置し，光導波路から出射した光と該流路からの光により，該光導波路と該流路の間を連結する自己組織化光導波路を形成することを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項１０】
特定の分子に対する捕獲機能をもつレセプタを表面または表面近傍に配した光導波路を光回路に組み込み，該光回路への入力光波長をスイープしたときの出力光パワーの変化を検知し，レセプタに捕獲された分子の存在を認識することを特徴とするＩＰＥＣＳ。
【請求項１１】
２種類の半導体層をｉｎ−ｐｌａｎｅ配置で接触または近接させ，接触または近接領域近傍に該半導体層よりホール・電子を注入し，該接触または近接領域近傍から光を発生させることを特徴とする平面型発光デバイス。
【請求項１２】
ミラーまたは波長フィルタを備えた光導波路を重ねてなることを特徴とする多層導波路集光器。
【請求項１３】
スペーサを配置した基体上に光導波路コアを移植してなるエアクラッディング型光導波路。
【請求項１４】
光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする省資源化光導波路。
【請求項１５】
請求項１４に記載の省資源化光導波路において，光導波路コアアレイ中のコアがミラーおよび／または波長フィルタおよび／または薄膜デバイスを備えていることを特徴とする省資源化光導波路。
【請求項１６】
請求項１４に記載の省資源化光導波路において，コアを基体に選択的に移植した後に薄膜デバイスを集積化するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする省資源化光導波路。
【請求項１７】
光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，屈折率の異なる２つ以上の層からなることを特徴とする多層コア光導波路。
【請求項１８】
光導波路のコア端ファセット部および／またはその付近のコアが，他のコア部分のコア幅より広いコア幅をもち，かつ該広いコア幅を持つ部分の光伝播方向の長さが該他のコア部分のコア幅の２倍以内であることを特徴とするスカート型光導波路。
【請求項１９】
請求項１７，１８に記載の多層コア・スカート型光導波路において，光導波路コアアレイを基体上に作製し，該コアアレイ中の一部のコアを他の基体に選択的に移植するステップを含むプロセスを用いて作製することを特徴とする多層コア・スカート型光導波路。
【請求項２０】
請求項１７，１８に記載の多層コア・スカート型光導波路において，コア端ファセット部および／またはその付近にミラー用のメタル薄膜または波長フィルタ用の誘電体薄膜を形成したことを特徴とする多層コア・スカート型光導波路。
【請求項２１】
請求項１２に記載の多層導波路集光器において，光導波路の少なくとも一部が請求項１３−２０に記載のエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とする多層導波路集光器。
【請求項２２】
請求項１，２に記載のＩＰＥＣＳ，請求項５に記載の導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セルにおいて，光導波路の少なくとも一部が請求項１３−２０に記載のエアクラッディング型および／または省資源化および／または多層コア型および／またはスカート型光導波路であることを特徴とするＩＰＥＣＳ，導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル。
【請求項２３】
集光器を複数領域に分割し，各領域内にソーラーセルおよび／または光合成器を配置し，該ソーラーセルに連結する電極・配線および／または流路を該集光器に設けたことを特徴とする集積型太陽エネルギー変換システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載の集積型太陽エネルギー変換システムにおいて，請求項１，２に記載のＩＰＥＣＳ，請求項５に記載の導波型薄膜ソーラーセル／薄膜光合成セル，請求項１２に記載の多層導波路集光器，請求項１３に記載のエアクラッディング型光導波路，請求項１４に記載の省資源化光導波路，請求項１７に記載の多層コア型光導波路，および請求項１８に記載のスカート型光導波路から選ばれた少なくとも一つを構成要素として含むことを特徴とする集積型太陽エネルギー変換システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
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【図１４】
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【公開番号】特開２００９−４７１７（Ｐ２００９−４７１７Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８７６１７（Ｐ２００７−１８７６１７）
【出願日】平成１９年６月２０日（２００７．６．２０）
【出願人】（５０１３５８８２８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２０日（２００７．６．２０）
【出願人】（５０１３５８８２８）
【Ｆターム（参考）】
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