(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光素子の向上した最適化、設計、効率、および性能増加ならびに構築上の設計の柔軟性を可能にするための磁気分極光子素子を提供する。【解決手段】磁気分極光子素子１００は、基板１０２と、消滅層１０６と、勾配付きバンドギャップ層１４２とを含む。消滅層は、基板の表面１０４上に配置され、勾配付きバンドギャップ層は、消滅層上に配置される。接点１１６、１２８は、磁気分極光子素子の端部１４６、１５０上に配置される。磁場１５９が、勾配付きバンドギャップ層に印加され、消滅層は、電荷を接点に駆動させる。【選択図】図１
2019110324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、エネルギー生成、光子感知、および磁気分極光子素子に関し、より具体的には、磁気分極光子素子およびそれを作製するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数年にわたって、再生可能かつ持続可能なエネルギー資源への関心が高まり、多くのエネルギー資源の研究および開発に拍車をかけている。特に、実質的研究および開発は、太陽光エネルギーおよびその発生に集中している。概して、Ｂｅｌｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓによって１９５８年に最初に開発された従来の太陽電池は、拡散型シリコンｐ−ｎ接合が使用されている。これらの従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子の効率は、過去数十年にわたって改良されたが、最良の従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子は、２３％を超えていない。過去数年にわたるこれらの従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子の効率は、確実に改良されているが、拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子によって達成され得る効率に根本的限界があることは明白である。また、従来の太陽電池を作製するために使用されるシリコンウエハのコストは、高いままであって、従来の太陽電池のコストを代替技術と比較して非競合的にする。
【０００３】
１９７６年頃の従来の多重接合太陽光素子の導入は、過去数十年にわたって改良されたものより有意に優れた効率を示し、最大約４３．０％の効率を達成した。これは、従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子より有意に優れているが、多重接合太陽光素子は、依然として、いくつかの用途には、効率的ではない。より重要なこととして、従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子および従来の多重接合太陽光素子の両方の効率は、少なくとも、過去１０年の間、プラトー状態に到達しているため、近い将来、有意に優れた効率が、従来の素子から生み出され得るとは考えにくい。
【０００４】
従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子および多重接合太陽光素子は両方とも、いくつかの共通問題を共有する。但し、ある場合には、各タイプの素子は、その独自のいくつかの特定の問題を有する。問題または不利点の１つは、両方のタイプの従来の素子が、離散素子として構築されていることである。例えば、バンドギャップ１．１ｅＶを有するように構築される、従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合素子は、事実上、１．１ｅＶエネルギーを有する光を捕捉するであろう。１．１ｅＶエネルギーバンドギャップを下回る光のいかなるエネルギーも、捕捉されない。また、１．１ｅＶエネルギーバンドギャップを上回る光のいかなるエネルギーも、廃棄され、生成のために利用されない。より具体的には、１．２ｅＶ光子を吸収する、１．１ｅＶバンドギャップ太陽電池は、事実上、１．２ｅＶ光子エネルギーの１．１ｅＶを変換し、０．１ｅＶの差分を廃棄するであろう。同様に、２．２ｅＶ光子を吸収する、１．１ｅＶバンドギャップ太陽電池は、事実上、２．２ｅＶ光子エネルギーの１．１ｅＶを変換し、光子エネルギーの付加的１．１ｅＶを廃棄するであろう。これと同一の原理は、所与のエネルギーバンドギャップの任意の単一接合素子にも該当する。本影響に加え、シリコンは、概して、排他的ではないが、直接バンドギャップ材料であるＩＩＩ／Ｖ材料とは対照的に、間接バンドギャップ材料として周知である。間接バンドギャップ材料を用いて作製される太陽光素子はさらに、その材料バンドギャップ以上のエネルギーを伴う光子を完全に吸収することができないため、エネルギーを廃棄する。
【０００５】
従来の複数の接合素子もまた、離散素子である。しかしながら、従来の複数の接合素子は、典型的には、ＩＩＩ／Ｖ材料およびゲルマニウム基板を使用して構築されるため、複数の接合素子が、相互の上部に垂直に積層され、それによって、シリコン基板の使用によって可能にされない、エネルギーバンドギャップの垂直積層を可能にすることができる。しかしながら、前述のように、接合のバンドギャップが、１．１ｅＶエネルギー光子を捕捉するように加工および構築される場合、接合は、事実上、１．１ｅＶエネルギー光子を捕捉するが、より低い他のエネルギー光子を捕捉せず、１．１ｅＶを上回る光子エネルギーを廃棄するであろう。他のエネルギー光子を効率的に捕捉するために、他のバンドギャップ接合が、基板上に構築および積層される。典型的には、これらの他の接合は、１．５ｅＶエネルギーバンドギャップ、１．２ｅＶエネルギーバンドギャップ、および０．８ｅＶエネルギーバンドギャップのために調整され、それによって、１．５ｅＶを上回るエネルギーを有する光子を１．５ｅＶ素子内で捕捉し、１．２ｅＶ〜１．５ｅＶのエネルギーを有する光子を１．２ｅＶ素子内に捕捉し、０．８ｅＶ〜１．２ｅＶのエネルギーを有する光子を０．８ｅＶ素子内に捕捉可能な三重接合素子を与える。しかしながら、０．８ｅＶ未満のエネルギーレベルを有する光子は、全く捕捉されず、廃棄され、使用されない。また、前述のように、吸収される接合のエネルギーバンドギャップを上回る各光子の付加的エネルギーもまた、廃棄される。実施例として、１．２ｅＶバンドギャップ接合内に吸収される１．４ｅＶ光子は、廃棄物として、直ちに、そのエネルギーの０．２ｅＶを損失し、エネルギーの残りの１．２ｅＶのみ、事実上、変換される。複数の接合素子に特有の別の弱点は、素子内の電流が、隣接する積層された接合間の遷移において、従来のダイオード電流の流動と逆方向に進行するという要件である。これは、ダイオード構造が、電流を逆方向に搬送可能なトンネルダイオードとなるように、これらの遷移領域内の半導体材料を非常に高濃度のｎ−型およびｐ−型元素でドープすることによって遂行される。これらのトンネルダイオードは、電気の完全な導体ではなく、複数の接合素子に特有の損失機構を導入する。
【０００６】
したがって、従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合タイプの素子および多重接合太陽光タイプの素子は両方とも、その基本設計に固有の問題を有するため、その中に捉えられた全光子を捕捉し、自由電子および自由正孔に変換することが不可能であるという、根本的問題を設計に有することが分かる。本質的に、素子を作製するために使用される材料およびこれらの素子が加工および設計される方法を原因とする、固有の非効率問題がある。
【０００７】
両タイプの太陽光素子、すなわち、従来の多重接合太陽電池および従来の拡散型シリコンｐ−ｎ接合タイプの素子は、高濃度数の光子または光子の強度の増加がいずれかの素子タイプの受容表面にもたらされるとき、より効率的である。しかしながら、これもまた、高濃度光子が、光子を素子自体の上に集中させるインフラストラクチャを加工することを要求するため、問題となる。本インフラストラクチャは、加工、材料、設計、および精度を要求する。これらは全て、太陽光素子を作製し、市場に実装する複雑性およびコストを増加させる。さらに、別の問題は、光子が、雲量または影等によって遮蔽されるとき、完全に停止しないまでも、効率が、著しく減少されることである。
【０００８】
多重接合素子に関する別の問題は、光子を捕捉し、使用可能自由電子および自由正孔に変換する機会を増加させるように、素子内に無数の接合を投入することが不可能なことである。さらに、太陽光素子を任意の厚さに作製することは、不可能である。実際の接合の外側の太陽光素子の厚さは、約１拡散長を有し、拡散長は、電荷キャリアが再結合事象を有する前に、電荷キャリアが、電場を伴わずに、ある体積の結晶格子内を進行することができる、経路の概算長である。拡散長は、概して、使用される半導体材料、半導体材料のドーピング、半導体材料の完全性に依存する。概して、全係数に対して完全に最適な設定条件は存在しない。条件は、特定の用途のためにケース毎に選択される。しかしながら、ドーピングを介して自由電子の数を減少させる場合、抵抗は、増加し、ドーピングを介して自由電子の数を増加させる場合、抵抗は、低下するが、拡散長は、短縮されるということがトレードオフの平衡であると言えるであろう。したがって、従来の太陽光素子では、係数の理想的設定に到達することができないが、むしろ、最良の性能が目の前にある半導体材料および環境に与えられるように、完全性能を与えないが、係数が妥協される素子をもたらす、設定および／または係数の妥協に到達する。
【０００９】
故に、従来の太陽光素子の設計および製造は、いくつかの固有の問題を有し、その全ては、従来の太陽光素子が市場におけるその真の潜在性ならびに物理学の期待を達成することを阻む。根本的設計限界、根本的材料限界、および製造限界のため、従来の太陽光素子を製造するコストは、高い。製造、材料、および固有の根本的問題は、従来の太陽電池の性能を著しく制限し、かつシステム構築上の設計の柔軟性を低下させる。太陽光素子の向上した最適化、設計、効率、および性能増加ならびに構築上の設計の柔軟性を可能にするために、新しい太陽光アーキテクチャおよび設計が、必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
概略すると、種々の代表的側面では、本発明は、勾配付きバンドギャップを使用する磁気分極光子素子を提供する。磁気分極光子素子は、第１、第２、第３、および第４の表面を有する。第１および第２の表面は、略平行であって、第３および第４の表面は、第３および第４の表面と略平行であって、第１の表面に略垂直である。第５および第６の表面を伴う第１の接点要素は、半導体素子の第４の表面に電気的に結合され、第２の接点要素は、第７の表面および第８の表面を有し、第２の接点は、半導体素子の第３の表面に電気的に結合される。
【００１１】
本発明の付加的利点は、以下の発明を実施するための形態に記載され、発明を実施するための形態から明白となり得る、または本発明の例示的実施形態の実践によって習得され得る。本発明のさらに他の利点は、特に、請求項に指摘される、器具類、方法、または組み合わせのいずれかを用いて実現されてもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
磁気分極光子素子であって、
第１の表面、第２の表面、第３の表面、第４の表面、第５の表面、および第６の表面を有する、勾配付きバンドギャップ材料であって、前記第１の表面および前記第２の表面は、略平行であって、前記第３の表面および前記第５の表面は、略平行であって、前記第４の表面および前記第６の表面は、略平行であって、前記第３、第４、第５、および第６の表面は、前記第１および第２の表面に垂直であって、その間に位置付けられ、前記第３および第５の表面は、前記第４および第６の表面に垂直であって、その間に位置付けられ、前記勾配付きバンドギャップ材料は、より大きいバンドギャップ値が前記第１の表面から延在し、前記第２の表面に向かって進行するにつれてバンドギャップ値が減少する、バンドギャップ値を有する、勾配付きバンドギャップ材料と、
第７の表面、第８の表面、第９の表面、第１０の表面、第１１の表面、および第１２の表面を有する、第１の接点であって、前記第７の表面および前記第８の表面は、略平行であって、前記第９の表面および前記第１１の表面は、略平行であって、前記第１０の表面および前記第１２の表面は、略平行であって、前記第９、第１０、第１１、および第１２の表面は、前記第７および第８の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第９および第１１の表面は、前記第１０および第１２の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第１の接点は、前記勾配付きバンドギャップ材料に電気的に結合される、第１の接点と、
第１３の表面、第１４の表面、第１５の表面、第１６の表面、第１７の表面、および第１８の表面を有する、第２の接点であって、前記第１３の表面および前記第１４の表面は、略平行であって、前記第１５の表面および前記第１７の表面は、略平行であって、前記第１６の表面および前記第１８の表面は、略平行であって、前記第１５、第１６、第１７、および第１８の表面は、前記第１３および第１４の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第１６および第１８の表面は、前記第１５および第１７の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第２の接点は、前記勾配付きバンドギャップ材料に電気的に結合され、前記第１および第２の接点は、実質的に、相互に対向して位置している、第２の接点と、
を備える、磁気分極光子素子。
（項目２）
前記勾配付きバンドギャップ材料は、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛ガリウム（ＺｎＧａＳｂＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌＳｂＴｅ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ならびにそれらの組み合わせおよび混合物から成る群から作製される、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３）
前記勾配付きバンドギャップ材料は、バンドギャップ値８．０ｅＶ〜０．０ｅＶを有する、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目４）
勾配付きバンドギャップ層にわたって配置される層をさらに備える、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目５）
前記層は、光の波長のフィルタを含む、項目４に記載の磁気分極光子素子。
（項目６）
前記層は、保護コーティングを含む、項目４に記載の磁気分極光子素子。
（項目７）
前記層は、レンズを含む、項目４に記載の磁気分極光子素子。
（項目８）
前記層は、光子素子を含む、項目４に記載の磁気分極光子素子。
（項目９）
前記層は、光の選択的波長の反射体を含む、項目４に記載の磁気分極光子素子。
（項目１０）
前記層は、反射防止層を含む、項目４に記載の磁気分極光子素子。
（項目１１）
前記第１の接点の第１１の表面は、前記勾配付きバンドギャップ材料の第３の表面に電気的に結合される、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目１２）
前記第２の接点の第１５の表面は、前記勾配付きバンドギャップ材料の第５の表面に電気的に結合される、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目１３）
前記勾配付きバンドギャップ材料は、第１の部分および第２の部分を有するように作製され、前記第１の部分は、前記第１の表面を中心とする最大バンドギャップ値を伴って配置され、前記バンドギャップ値は、前記第２の部分へと若干勾配し、前記第２の部分は、前記第２の表面に、前記バンドギャップエネルギーが著しく低下した最小バンドギャップ値を伴って配列される、項目３に記載の磁気分極光子素子。
（項目１４）
前記勾配付きバンドギャップ材料は、厚さを含み、前記厚さは、０．１ミクロン〜５０．０ミクロンである、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目１５）
前記勾配付きバンドギャップ材料の厚さは、厚さ５．０ミクロン〜３０．０ミクロンを有する、項目１４に記載の磁気分極光子素子。
（項目１６）
前記勾配付きバンドギャップ材料の厚さは、厚さ１０．０ミクロン〜２０．０ミクロンを有する、項目１５に記載の磁気分極光子素子。
（項目１７）
複数の磁場線を有する磁場であって、少なくとも１つの磁場線は、前記勾配付きバンドギャップ材料の第４の表面を通して入射する、磁場をさらに備える、項目１に記載の磁気分極光子素子。
（項目１８）
前記少なくとも１つの磁場線は、前記勾配付きバンドギャップ材料の第６の表面を通して射出する、項目１７に記載の磁気分極光子素子。
（項目１９）
前記磁場は、０．１テスラ〜５０．０テスラの範囲である、項目１７に記載の磁気分極光子素子。
（項目２０）
前記磁場は、０．５テスラ〜１０．０テスラの範囲である、項目１９に記載の磁気分極光子素子。
（項目２１）
磁気分極光子素子であって、
第１の表面および第２の表面を有する、基板であって、前記第１の表面および前記第２の表面は、略平行である、基板と、
第１の厚さ、第３の表面、第４の表面、第５の表面、第６の表面、第７の表面、および第８の表面を有する、消滅層であって、前記消滅層の第３および第４の表面は、略平行であって、前記消滅層の第５および第７の表面は、略平行であって、前記消滅層の第６および第８の表面は、略平行であって、前記第５、第６、第７、および第８の表面は、前記第３および第４の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第５および第７の表面は、前記第６および第８の表面に略垂直であって、前記消滅層の第４の表面は、半導体基板の第１の表面上に配置される、消滅層と、
第２の厚さを有し、第９の表面、および第１０の表面、第１１の表面、第１２の表面、第１３の表面、および第１４の表面を有する、勾配付きバンドギャップ層であって、前記勾配付きバンドギャップ層の第９および第１０の表面は、相互に略平行であって、前記第１１のおよび第１３の表面は、略平行であって、前記第１２および第１４の表面は、略平行であって、前記第１１、第１２、第１３、および第１４の表面は、前記第９および第１０の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第１１および第１３の表面は、前記第１２および第１４の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記勾配付きバンドギャップ層の第１０の表面は、前記消滅層の第３の表面上に配置される、勾配付きバンドギャップ層と、
第１５の表面および第１６の表面を有する、第１の接点であって、前記消滅層の第５の表面の少なくとも一部に電気的に結合される、第１の接点と、
第１７の表面および第１８の表面を有する、第２の接点であって、前記消滅層の第７の表面の少なくとも一部に電気的に結合される、第２の接点と、
を備える、磁気分極光子素子。
（項目２２）
前記基板は、半導体材料から作製される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２３）
前記基板は、絶縁材料から作製される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２４）
前記消滅層は、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛ガリウム（ＺｎＧａＳｂＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌＳｂＴｅ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ならびにそれらの組み合わせおよび混合物から成る群から作製される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２５）
前記勾配付きバンドギャップ層は、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛ガリウム（ＺｎＧａＳｂＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌＳｂＴｅ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ならびにそれらの組み合わせおよび混合物から成る群から作製される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２６）
前記消滅層は、バンドギャップ値８．０ｅＶ〜０．０ｅＶを有する、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２７）
前記勾配付きバンドギャップ層は、バンドギャップ値８．０ｅＶ〜０．０ｅＶを有する、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２８）
前記消滅層は、勾配付きバンドギャップを有するように作製される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目２９）
前記消滅層は、欠陥を含む、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３０）
欠陥をさらに含む、項目２８に記載の磁気分極光子素子。
（項目３１）
前記勾配付きバンドギャップ層にわたって配置される層をさらに含む、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３２）
前記層は、光の波長のフィルタである、項目３１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３３）
前記層は、保護コーティングである、項目３１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３４）
前記層は、レンズである、項目３１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３５）
前記第１の接点の第１６の表面は、前記勾配付きバンドギャップ層の第５の表面に電気的に結合される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３６）
前記第１の接点の第１６の表面は、前記勾配付きバンドギャップ層の第５の表面上に配置される、項目３５に記載の磁気分極光子素子。
（項目３７）
前記第２の接点の第１７の表面は、前記勾配付きバンドギャップ層の第７の表面に電気的に結合される、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目３８）
前記第２の接点の第１７の表面は、前記勾配付きバンドギャップ層の第７の表面上に配置される、項目３７に記載の磁気分極光子素子。
（項目３９）
前記勾配付きバンドギャップ層は、第１の部分および第２の部分を有するように作製され、最大バンドギャップ値を伴って配列される第１の部分は、前記第３の表面を中心として配置され、バンドギャップ値は前記第２の部分へと徐々に低下し、前記第２の部分は、前記勾配付きバンドギャップ層の第４の表面に最小バンドギャップ値を伴って配列され、前記第２の部分におけるバンドギャップ値の低下は、急速である、項目２７に記載の磁気分極光子素子。
（項目４０）
前記勾配付きバンドギャップ層は、厚さを含み、前記厚さは、０．１ミクロン〜５０．０ミクロンである、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目４１）
前記勾配付きバンドギャップ層の厚さは、厚さ１０．０ミクロン〜２０．０ミクロンを有する、項目４０に記載の磁気分極光子素子。
（項目４２）
前記勾配付きバンドギャップ層の厚さは、厚さ１０．０ミクロン〜２０．０ミクロンを有する、項目４０に記載の磁気分極光子素子。
（項目４３）
複数の磁場線を有する磁場であって、少なくとも１つの磁場線は、前記勾配付きバンドギャップ層の第１２の表面を通して入射する、磁場をさらに備える、項目２１に記載の磁気分極光子素子。
（項目４４）
少なくとも１つの磁場線は、前記勾配付きバンドギャップ層の第１４の表面を通して射出する、項目４３に記載の磁気分極光子素子。
（項目４５）
少なくとも１つの磁場線は、前記消滅層の第６の表面を通して入射する、項目４３に記載の磁気分極光子素子。
（項目４６）
少なくとも１つの磁場線は、前記消滅層の第８の表面を通して射出する、項目４３に記載の磁気分極光子素子。
（項目４７）
前記磁場は、０．１テスラ〜５０．０テスラの範囲である、項目４３に記載の磁気分極光子素子。
（項目４８）
前記磁場は、０．５テスラ〜１０．０テスラの範囲である、項目４７に記載の磁気分極光子素子。
（項目４９）
磁気分極光子素子であって、
第１の表面、第２の表面、第３の表面、第４の表面、第５の表面、および第６の表面を有する、消滅材料であって、前記第１の表面および前記第２の表面は、略平行であって、前記第３の表面および前記第５の表面は、略平行であって、前記第４の表面および前記第６の表面は、略平行であって、前記第３、第４、第５、および第６の表面は、前記第１および第２の表面に垂直であって、その間に位置付けられ、前記第３および第５の表面は、前記第４および第６の表面に垂直であって、その間に位置付けられ、前記消滅材料は、少なくとも１つのバンドギャップ値を有する、消滅材料と、
第７の表面、第８の表面、第９の表面、第１０の表面、第１１の表面、および第１２の表面を有する、第１の接点であって、前記第７の表面および前記第８の表面は、略平行であって、前記第９の表面および前記第１１の表面は、略平行であって、前記第１０の表面および前記第１２の表面は、略平行であって、前記第９、第１０、第１１、および第１２の表面は、前記第７および第８の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第９および第１１の表面は、前記第１０および第１２の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第１の接点は、前記消滅材料に電気的に結合される、第１の接点と、
第１３の表面、第１４の表面、第１５の表面、第１６の表面、第１７の表面、および第１８の表面を有する、第２の接点であって、前記第１３の表面および前記第１４の表面は、略平行であって、前記第１５の表面および前記第１７の表面は、略平行であって、前記第１６の表面および前記第１８の表面は、略平行であって、前記第１５、第１６、第１７、および第１８の表面は、前記第１３および第１４の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第１６および第１８の表面は、前記第１５および第１７の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第２の接点は、前記消滅材料に電気的に結合され、前記第１および第２の接点は、実質的に、相互に対向して位置している、第２の接点と、
を備える、磁気分極光子素子。
（項目５０）
前記消滅材料は、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛ガリウム（ＺｎＧａＳｂＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌＳｂＴｅ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ならびにそれらの組み合わせおよび混合物から成る群から作製される、項目４９に記載の磁気分極光子素子。
（項目５１）
前記消滅材料は、バンドギャップ値８．０ｅＶ〜０．０ｅＶを有する、項目４９に記載の磁気分極光子素子。
（項目５２）
前記消滅材料は、前記第１の表面を中心として最大バンドギャップ材料を有し、前記第２の表面を中心として最小バンドギャップを有するように勾配が付けられる、バンドギャップ値を有する、項目４９に記載の磁気分極光子素子。
（項目５２）
前記消滅材料にわたって配置される層をさらに備える、項目４９に記載の磁気分極光子素子。
（項目５３）
前記勾配付きバンドギャップ材料は、第１の部分および第２の部分を有するように作製され、前記第１の部分は、前記第１の表面を中心とする最大バンドギャップ値を伴って配置され、前記バンドギャップ値は、前記第２の部分へと若干勾配し、前記第２の部分は、前記第２の表面に、前記バンドギャップエネルギーが著しく低下する、最小バンドギャップ値を伴って配列される、項目５１に記載の磁気分極光子素子。
（項目５４）
磁気分極光子素子であって、
第１の表面および第２の表面を有する、基板であって、前記第１の表面および前記第２の表面は、略平行である、基板と、
第１の厚さ、第３の表面、第４の表面、第５の表面、第６の表面、第７の表面、および第８の表面を有する、勾配付きバンドギャップ層であって、前記勾配付きバンドギャップ層の第３および第４の表面は、略平行であって、前記勾配付きバンドギャップ層の前記第５および第７の表面は、略平行であって、前記勾配付きバンドギャップ層の第６および第８の表面は、略平行であって、前記第５、第６、第７および第８の表面は、前記第３および第４の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第５および第７の表面は、前記第６および第８の表面に略垂直であって、前記勾配付きバンドギャップ層の第４の表面は、前記半導体基板の第１の表面上に配置される、勾配付きバンドギャップ層と、
第２の厚さを有し、第９の表面、および第１０の表面、第１１の表面、第１２の表面、第１３の表面、および第１４の表面を有する、消滅層であって、前記消滅層の第９および第１０の表面は、相互に略平行であって、前記第１１のおよび第１３の表面は、略平行であって、前記第１２および第１４の表面は、略平行であって、前記第１１、第１２、第１３、および第１４の表面は、前記第９および第１０の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記第１１および第１３の表面は、前記第１２および第１４の表面に略垂直であって、その間に位置付けられ、前記消滅層の第１０の表面は、前記勾配付きバンドギャップ層の第３の表面上に配置される、消滅層と、
第１５の表面および第１６の表面を有する、第１の接点であって、前記勾配付きバンドギャップ層の第５の表面の少なくとも一部に電気的に結合される、第１の接点と、
第１７の表面および第１８の表面を有する、第２の接点であって、前記勾配付きバンドギャップ層の第７の表面の少なくとも一部に電気的に結合される第２の接点と、
を備える、磁気分極光子素子。
（項目５５）
前記基板は、半導体材料から作製される、項目５４に記載の磁気分極光子素子。
（項目５６）
前記基板は、絶縁材料から作製される、項目５４に記載の磁気分極光子素子。
（項目５７）
前記勾配付きバンドギャップ層は、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛ガリウム（ＺｎＧａＳｂＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌＳｂＴｅ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ならびにそれらの組み合わせおよび混合物から成る群から作製される、項目５４に記載の磁気分極光子素子。
（項目５８）
前記消滅層は、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、およびテルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛ガリウム（ＺｎＧａＳｂＴｅ）、アンチモン化テルル化亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌＳｂＴｅ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ならびにそれらの組み合わせおよび混合物から成る群から作製される、項目５４に記載の磁気分極光子素子。
（項目５９）
前記基板にわたって配置される層をさらに含む、項目５４に記載の磁気分極光子素子。
（項目６０）
複数の磁場線を有する磁場であって、少なくとも１つの磁場線は、前記消滅層の第１２の表面を通して入射する、磁場をさらに備える、項目５４に記載の磁気分極光子素子。
（項目６１）
少なくとも１つの磁場線は、前記消滅層の第１４の表面を通して射出する、項目６０に記載の磁気分極光子素子。
（項目６２）
少なくとも１つの磁場線は、前記勾配付きバンドギャップ層の第６の表面を通して入射する、項目６０に記載の磁気分極光子素子。
（項目６３）
磁気分極光子素子内の電荷を捕捉するための方法であって、
第１の表面、第２の表面、第３の表面、第４の表面、およびバンドギャップ勾配力を有する、勾配付きバンドギャップ層を提供するステップであって、前記第１の表面および前記第２の表面は、略平行であって、前記第３の表面および第５の表面は、略平行であって、前記第２の表面および第６の表面は、第１の表面に略垂直であって、前記勾配付きバンドギャップ層は、複数の材料を有し、各材料は、特定のバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を有し、前記複数の材料は、動的に配列され、最大バンドギャップ材料は、前記第１の表面を中心として位置し、最小バンドギャップ材料は、前記第２の表面を中心として位置し、前記複数の材料はそれぞれ、その間に最大から最小へと動的に位置する、その独自のバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を有する、ステップと、
前記勾配付きバンドギャップ層の第４の表面上に位置し、かつそこに電気的に結合される、第１の接点を提供するステップと、
前記勾配付きバンドギャップ層の第３の表面上に位置し、かつそこに電気的に結合される、第２の接点を提供するステップと、
前記勾配付きバンドギャップ層を複数の磁気線を有する磁場の中に配置するステップであって、磁場線の少なくとも一部は、前記勾配付きバンドギャップ層の第４の表面を通して通過する（射出する必要がある？）、ステップと、
前記勾配付きバンドギャップ層の前記第１の表面を光子源に暴露するステップであって、光子は、前記勾配付きバンドギャップ材料によって吸収され、続いて、自由電子および自由正孔に分割され、前記自由電子および自由正孔は、前記バンドギャップ勾配力によって、前記勾配付きバンドギャップ層の第２の表面に引っ張られ、同時に、前記自由電子および自由正孔は、前記磁場によって作用され、前記自由電子およびその関連付けられた電荷を前記第１の接点に移動させ、前記自由正孔およびその関連付けられた電荷を前記第２の接点に移動させる、ステップと、
を含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の代表的要素、動作特徴、用途、および／または利点は、とりわけ、本明細書の一部を形成する付随の図面（同一番号は、全体を通して同一部品を指す）を参照して、以下により完全に描写、説明、および請求されるような構造および動作の詳細に帰する。他の要素、動作特徴、用途、および／または利点は、発明を実施するための形態に列挙されるある例示的実施形態に照らして、当業者に明白となるであろう。
【図１】図１は、磁気分極光子素子を通して延在する磁場線を伴う、磁気分極光子素子の非常に拡大され、簡略化された断面斜視図である。
【図２】図２は、種々の半導体材料のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）、格子パラメータ（ナノメートル）、および波長（ナノメートル）の非常に簡略化されたグラフである。
【図３】図３は、材料組成物集合のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）、格子パラメータ（ナノメートル）、および波長（ナノメートル）の非常に簡略化されたグラフである。
【図４】図４は、光子源ならびに自由電子および自由正孔の形成をさらに含む、概して、図１に描写されるような、磁気分極光子素子の非常に拡大され、簡略化された斜視図である。
【図５】図５は、自由電子および自由正孔の形成を含む、概して、図１および４に描写されるような、光子源をさらに含む、磁気分極光子素子の非常に拡大され、簡略化された斜視反転図である。
【図６】図６は、磁気分極光子素子の勾配付きバンドギャップ内の自由電子および自由正孔の移動を図示する、概して、図１、４、および５に描写されるような、磁気分極光子素子の非常に拡大され、簡略化された斜視図である。
【図７】図７は、磁気分極光子素子の電荷捕捉および発生を図示する、概して、図１、４、５、６に描写されるような、磁気分極光子素子の非常に拡大され、簡略化された斜視図である。
【図８】図８は、磁気分極光子素子の簡略化された断面図を伴う、バンドギャップ図の非常に拡大され、簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
当業者は、図中の要素が、図示される便宜上および明確にするために、必ずしも、正確な縮尺で描かれていないことを理解するであろう。例えば、図中の要素のいくつかの寸法は、本発明の種々の実施形態の理解を深めるのに役立てるために、他の要素に対して誇張され得る。さらに、本明細書における用語「第１」、「第２」、および同等物は、該当する場合、とりわけ、類似要素間を区別するために使用され、必ずしも、連続的または時系列の順序を説明するものではない。さらに、説明および／または請求項における用語「正面」、「背面」、「上面」、「底面」、「上」、「下」、および同等物は、該当する場合、概して、説明目的のために採用され、必ずしも、排他的相対的位置を包括的に説明するためではない。当業者は、したがって、そのように使用される前述の用語のいずれも、本明細書に説明される本発明の種々の実施形態が、例えば、明示的に図示または別様に説明されるもの以外の他の方向性においても動作可能であり得るように、適切な状況下において交換されてもよいことを理解するであろう。
【００１４】
以下の説明は、本発明の例示的実施形態および最良の形態の発明者らの概念であって、本発明の範囲、可用性、または構成をいかようにも限定することを意図するものではない。むしろ、以下の説明は、本発明の種々の実施形態を実装するための便宜的例証を提供することが意図される。明白となるであろうように、変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示される例示的実施形態に説明される要素のいずれかの機能および／または配列に行われてもよい。
【００１５】
以下に説明される本発明の実施形態の詳細を述べる前に、いくつかの用語が、定義および／または明確化される。
【００１６】
用語「欠陥」は、材料の結晶格子構造の何らかの中断または変化を意味するように意図される。一例にすぎないが、限定ではないが、点欠陥、線欠陥、含有、および平面欠陥等、結晶材料に見出され得る、いくつかの異なる種類の欠陥が存在する。典型的には、これらの欠陥は、立方センチメートルあたりの欠陥の観点から計数および考慮され得る。
【００１７】
用語「バンドギャップ」は、電子状態が存在し得ない半導体材料内のエネルギー範囲を意味するように意図される。バンドギャップは、概して、価電子帯の上限と伝導帯の下限との間のエネルギー差を指す。典型的には、本エネルギー差は、約１．０ｅＶ〜２．０ｅＶであるが、約０．０ｅＶ〜約８．０ｅＶであることもできる。大バンドギャップを伴う材料は、絶縁体であって、より小さいバンドギャップを伴う材料は、半導体であって、非常に小さいまたは無バンドギャップを伴う材料は、導体または半金属であることを理解されたい。さらに、各材料は、その独自の特性バンドギャップおよびエネルギー帯構造を有する。
【００１８】
用語「勾配付きバンドギャップ」は、材料のバンドギャップが、依然として、概して、材料の構造結晶性を維持しながら、動的に変化される、材料の構造を意味するように意図される。また、勾配付きバンドギャップは、バンドギャップが、約数ミクロンの距離にわたって、あるバンドギャップエネルギーから異なるバンドギャップエネルギーまで変化する、素子内ゾーンを指す。最高効率は、継続勾配付きバンドギャップから生じる可能性が高いであろうが、用語「勾配付きバンドギャップ」は、効率を低下させるが、依然として、自由電子および自由正孔を誘発し、より大きいバンドギャップを伴う領域からより小さいバンドギャップを伴う領域に向かって移動するように全体的に動作され得る、一定バンドギャップまたはバンドギャップ不連続の区分を含み得る、全バンドギャップ遷移ゾーンを含むように意図される。傾きが、減少され得る、すなわち、曲線が変化され得ると、勾配付きバンドギャップが徐々に変化し、バンドギャップエネルギーが、光子の大部分が吸収される距離を通して、ゆっくりと、約数％変化し得ることを理解されたい。勾配付きバンドギャップ値は、移動する。
【００１９】
用語「格子パラメータ」は、結晶格子内の単位セル間の一定距離を意味するように意図される。概して、格子寸法は、３つの定数を有する（ａ、ｂ、およびｃ、典型的には、ナノメートルで測定される）。しかしながら、材料の集合が、類似または同じ結晶構造を有するとき、単数が、原子間隔を表すために選定される。図３に示されるように、格子パラメータは、これらの材料が全て、類似結晶構造または単位セルを有するため、単数のみを使用して、格子構造を説明する。しかしながら、他の結晶構成および幾何学的パターンも同様に使用され得ることを理解されたい。
【００２０】
用語「波長」は、任意の光子または光波の連続ピークまたは頂点間の距離を意味するように意図される。典型的には、波長は、図２に示されるように、ナノメートルで測定される。図２に識別される波長は、限定ではないが、太陽光、発光素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または同等物等の任意の発光源から放出される、光の波長である。さらに、光の波長（光子）は、関係：Ｅ＝ｈｃ／λによって、そのエネルギーに関連することを理解されたい（式中、Ｅは、エネルギーであって、ｈは、Ｐｌａｎｋの定数であって、ｃは、光速であって、λは、光の波長である）。
【００２１】
用語「ＩＩＩ−Ｖ」は、周期表の第３列目の略等量の元素（バロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、およびタリウム）と周期表の第５列目の元素（窒素、リン、ヒ素、アンチモン、およびビスマス）を組み合わせることによって形成される、半導体材料の集合を示すように意図される。半導体を形成するこれらの組み合わせとして、限定ではないが、ガリウムヒ素、アンチモン化インジウム、アンチモン化ガリウム、およびリン酸アルミニウム、および同等物が挙げられる。
【００２２】
用語「ＩＩ−ＶＩ」は、周期表の第２列目の略等量の元素（亜鉛、カドミウム、および水銀）と周期表の第６列目の元素（酸素、硫黄、セレン、およびテルル）を組み合わせることによって形成される、半導体材料の集合を示すように意図される。半導体を形成するためのこれらの組み合わせとして、限定ではないが、テルル化カドミウム、テルル化亜鉛、セレン化カドミウム、およびセレン化水銀、および同等物が挙げられる。マンガンおよびマグネシウムは、周期表の第ＩＩ列目にはないが、我々は、好ましいバンドギャップおよび格子定数を伴う半導体を形成するためのセレンおよびテルルとのその相溶性のため、それらをＩＩ−ＶＩ材料集合に含める。
【００２３】
図１は、長さ１６４および幅１６６および高さ１６８を有する、磁気分極光子素子１００の非常に拡大され、簡略化された斜視図である。磁気分極光子素子１００は、表面１０４および１０５を有する基板１０２と、表面１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、および１１４を有する消滅層１０６と、それぞれ、表面１１８、１１９、１２０、１２１、１２２、および１２４と表面１３０、１３１、１３２、１３３、１３４、および１３６を有する接点１１６および１２８と、表面１４４、１４５、１４６、１４７、１４８、および１５０を有する勾配付きバンドギャップ層１４２とを含む。矢印１５７、１５８、１６０、１６１、および１６２によって示される個々に識別された磁場線を有する、複数の磁場線１５９によって示される磁場は、基板１０２を通して横断する磁場線１５７、勾配付きバンドギャップ層１４２を通して横断する磁場線１６０、消滅層１０６を通して横断する磁場線１６２、磁気分極光子素子１００にわたって横断する磁場線１５８、および磁気分極光子素子１００下を横断する磁場線１６１とともに示される。負荷１７６は、電気トレース１８８、１８６、１７８、１８０、１８２、および１８４によって、接点１１６および１２８に結合される。
【００２４】
基板１０２は、表面１０４を有する任意の好適な材料から作製されることができる。典型的には、基板１０２は、限定ではないが、シリコン（Ｓｉ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、イオン塩、金属酸化物、セラミック、ガラス、または同等物等、任意の好適な半導体材料または絶縁材料から作製される。概して、基板１０２は、電流の流動が阻害されるように十分に広いバンドギャップを有する材料を使用する。
【００２５】
図１に示されるように、消滅層１０６は、基板１０２の表面１０４上に配置される。概して、消滅層１０６は、限定ではないが、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、セレン化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＳｅ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、または同等物等、任意の好適な材料または材料の組み合わせから作製されることができる。さらに、消滅層１０６は、勾配付きバンドギャップ層１４２を作製するために使用される、同一の元素材料から作製されることができる。しかしながら、消滅層１０６は、高度な結晶欠陥性、誤配向、および／または不完全性を伴って作製され、それによって、図４、５、６、および７に示されるように、複数の光子４０４から発生され、本明細書に後述されるように、衝打し、続いて、勾配付きバンドギャップ層１４２内に自由電子および自由正孔を発生させる、自由電子および自由正孔の収集および再結合を促進することを理解されたい。
【００２６】
典型的には、消滅層１０６は、基板１０２上に堆積される。消滅層１０６は、限定ではないが、エピタキシ、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理的化学堆積（ＰＣＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、または同等物等、任意の好適な方法または技法によって作製されることができる。前述の手段は、動的様式において、ある材料から別の材料に堆積される材料の組成物を変化させるように、堆積される材料の組成物を細かく変化させることが可能であることを理解されたい。高度な結晶欠陥性を伴う消滅層１０６の作製は、好適な方法または技法によって達成されることができる。典型的には、欠陥性は、反応材料の温度、圧力、ガス流量比率または同等物等のプロセスパラメータが、優れた結晶成長のために、若干、管理限界から外れるときに増加する。一例として、成長プロセスパラメータが優れた結晶成長のために設定された状態で、プロセス温度を最適管理限界より５０％低く変化させると、概して、再結合部位として作用するために十分な不完全性および欠陥を有する、消滅層１０６を生成する。
【００２７】
概して、欠陥性の測定は、限定ではないが、欠陥の光学的計数、Ｘ線回折測定値の測定、および／または光子誘発キャリア寿命の測定等、任意の好適な方法または技法によって達成されることができる。欠陥の光学的計数に関して、典型的には、測定される材料の表面は、欠陥を装飾し、欠陥が存在する穴を発生させる、エッチング溶液に曝される。光学方法を使用すると、結果は、単位面積あたりの欠陥密度として提示されるが、これは、立方センチメートルあたりの欠陥密度数に関連し得る。本素子のための欠陥性の最も正確な測定値は、光子誘発キャリア寿命である。本方法論における選好の理由は、光子誘発キャリア寿命方法が、消滅層１０６の具体的素子設計および意図される動作を考慮および含有するためである。
【００２８】
概して、任意の好適な欠陥量が、使用されることができるが、欠陥は、用途特有であって、幾分、材料集合に応じて、可変であることを理解されたい。結晶欠陥および誤配向は、表面１４８に衝打し、勾配付きバンドギャップ層１４２において使用される材料と類似材料である、消滅層１０６に移動する、複数の光子４０４（図４に図示される）によって生成される、自由電子および自由正孔の再結合を補助する。典型的には、消滅層１０６は、限定ではないが、欠陥充填ＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＣｄＳｅ、ＩｎＡｓＳｂ、または同等物等、任意の好適な材料から作製されることができる。しかしながら、消滅層１０６のために使用される材料は、個別の帯から容易に自由電子および自由正孔を受け取る、すなわち、自由正孔を価電子帯から、自由電子を伝導帯から受け取り、自由正孔および自由電子の再結合を促す、材料であるべきである。
【００２９】
消滅層１０６の厚さ１０７は、任意の好適な厚さ１０７に作製されることができる。消滅層１０６の厚さは、用途特有であって、広範な多様性を有し得ることを理解されたい。しかしながら、概して、消滅層１０６は、わずか０．５ミクロン〜５．０ミクロンの範囲である、好ましくは、０．８ミクロン〜１．２ミクロンの範囲である、単層〜１０．０ミクロンの範囲であり得る、厚さ１０７を有することができる。
【００３０】
また、消滅層１０６を作製するために使用される材料の選択に応じて、消滅層１０６は、自由電子および自由正孔が勾配付きバンドギャップ層１４２を通して通過した後、自由電子および自由正孔の再結合を促進するような方法で、バンドギャップエネルギーが、調整または構成され得るように、本明細書に後述されるように勾配が付けられることができる。
【００３１】
図１に示されるように、勾配付きバンドギャップ層１４２は、消滅層１０６の表面１１２上に配置される。概して、勾配付きバンドギャップ層１４２は、限定ではないが、ＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＣｄＳｅ、ＩｎＡｓＳｂ、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、ＩｎＳｂ、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、またはアンチモン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＳｂ）、アンチモン化ヒ化インジウム（ＩｎＡｓＳｂ）、ＨｇＣｄＳｅ、セレン化テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＳｅＴｅ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣｄＭｎＴｅ）、および同等物等、類似格子パラメータおよび異なるバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を有する、任意の好適な材料または材料の組み合わせから作製されることができる。
【００３２】
図１および５に示されるように、層１９０は、限定ではないが、フィルタ、保護コーティング、レンズ、および同等物等のいくつかの目的を有し得る、磁気分極光子素子１００にわたって配置されることができる。より具体的には、図１を参照すると、層１９０は、勾配付きバンドギャップ層１４２の表面１４８上に配置されることができ、図５では、層１９０は、勾配付きバンドギャップ層１４２の上方の基板５０１の表面５０４上に配置されることができる。基板１０２の表面１０４および１０５と基板５０１の表面５０４および５０５の選択は、関わる材料および素子の具体的設計に依存することを理解されたい。例えば、図５に示されるように、勾配付きバンドギャップ層１４２をある波長を有する光子と相互作用させることが所望されるとき、基板５０１は、その波長に対して透過性である必要がある。故に、層１９０は、他の波長を除外しながら、選択的に、ある波長を通過するように作製され、それによって、選択的フィルタを提供することができる。加えて、層１９０は、光子のある波長を勾配付きバンドギャップ層１４２の中に通過させ、光子の他の波長を反射させるように作製されることができることを理解されたい。さらに、層１９０は、種々の目的のために利用され得る、複数の層を有し得ることを理解されたい。層１９０は、限定ではないが、本明細書で論じられるもの等、当技術分野において周知の任意の好適な方法または技術によって、勾配付きバンドギャップ層１４２の上またはそれにわたって配置されることができる。加えて、ある場合には、層が、勾配付きバンドギャップ層１４２の上またはそれにわたってラミネートされることができる。
【００３３】
選択される具体的用途、設計、および材料に応じて、層１９０は、限定ではないが、反射防止層、選択的ミラー、集束層、反射体、または同等物等、任意の好適な光子素子であることができる。
【００３４】
ここで図１および２の両方を参照すると、図２は、種々の半導体材料のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）２０２、格子パラメータ（ナノメートル）２０４、および光子波長（ナノメートル）２０５の非常に簡略化されたグラフである（エネルギーバンドギャップ（ｅＶ）は、左Ｙ軸上にあって、光子波長は、右Ｙ軸上にあって、格子パラメータは、Ｘ軸上にある）。図２に示されるように、具体的半導体材料（数値的に識別されたドットとして表される）は、格子パラメータを表す、具体的数と関連付けられることができる。加えて、その具体的半導体材料は、バンドギャップエネルギー（ｅＶ）を表す、具体的数と関連付けられることができる。また、その具体的半導体材料は、光子がその具体的半導体材料によって吸収され得る、具体的光の波長と関連付けられることができる。
【００３５】
明確にするために、利用可能な半導体材料の多くが、識別されていない。しかしながら、これらの材料および将来的材料が本発明によって検討されることは、当業者によって理解されるはずである。
【００３６】
一例として、図２は、限定数の材料を図示し、２０６によって数値的に表されるドットは、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）であって、２１０によって数値的に表されるドットは、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）であって、２１２によって数値的に表されるドットは、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）であって、２１４によって数値的に表されるドットはセレン化水銀（ＨｇＳｅ）であって、２１６によって数値的に表されるドットは、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）であって、２１８によって数値的に表されるドットは、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）であって、２２０によって数値的に表されるドットは、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）であって、２２２によって数値的に表されるドットは、カドミウムセレン化（ＣｄＳｅ）であって、２２４によって数値的に表されるドットは、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）であって、２２６によって数値的に表されるドットは、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）であって、２２８によって数値的に表されるドットは、マンガンセレン化（ＭｎＳｅ）であって、２３０によって数値的に表されるドットは、硫化カドミウム（ＣｄＳ）であって、２３２によって表されるドットは、リン化インジウム（ＩｎＰ）であって、２３４によって表されるドットは、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）であって、２３６によって表されるドットは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）であって、２３８によって表されるドットは、ゲルマニウム（Ｇｅ）であって、２４０によって表されるドットは、硫化亜鉛（ＺｎＳ）であって、２４２によって表されるドットは、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）であって、２４４によって表されるドットは、リン化ガリウム（ＧａＰ）であって、２４６によって表されるドットは、シリコン（Ｓｉ）である。
【００３７】
図２に示されるように、材料のいくつかの垂直パターンが、見られ得、種々の材料は、類似格子パラメータを有する。一例にすぎないが、材料ＨｇＳｅ２１４、ＩｎＡｓ２１６、ＧａＳｂ２１８、ＡｌＳｂ２２０、ＣｄＳｂ２２２、およびＺｎＴｅ２２４は、格子パラメータ約またはおよそ０．６１ｎｍを有し、それによって、これらの異なる材料が、類似結晶格子構造を有し、これらの異なる材料のいくつかの潜在的積層および／または整合が相互に堆積され、小量の不完全性または欠陥を有することを可能にすることを示す。
【００３８】
ここで図３を参照すると、図３は、格子パラメータ特性を維持しながら、バンドギャップを調節するための材料組成物の勾配を図示する、ある材料組成物集合のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）、格子パラメータ（ナノメートル）、および波長（ナノメートル）の非常に簡略化されたグラフである。一例にすぎないが、限定数の材料を使用すると、２１４によって数値的に表されるドットは、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）であって、ドット２２２は、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）であって、ドット２２４は、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）であって、ドット２２６は、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）であって、ドット２２８は、セレン化マンガン（ＭｎＳｅ）である。加えて、図３に見出される材料は、全含有リストであることを意図するものではないことを理解されたい。図３に示されるように、いくつかの材料は、垂直方向に非常に類似した格子パラメータを有する。
【００３９】
一例にすぎないが、格子パラメータ約０．６４５ナノメートル（ｎｍ）を使用すると、材料の垂直群化は、０．６４７ｎｍ内およびその周囲にある。群化は、ＨｇＴｅ、ＩｎＳｂ、およびＣｄＴｅを含む。さらに別の実施例では、格子パラメータ約０．６１０ｎｍを使用すると、垂直群化は、０．６１０ｎｍ内およびその周囲にある。群化は、ＨｇＳｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＴｅを含む。本明細書に記載されない他の垂直群化も、使用されることができることを理解されたい。
【００４０】
図２または類似グラフを使用して、かつ材料を垂直群に群化することによって、材料集合が、勾配付きバンドギャップ層１４２を作製するために開発される。また、図２に示されるように、波長（ｎｍ）およびそれらの波長に対する対応するエネルギーバンドギャップが、示される。したがって、正しい材料選択を行うことによって、正しいバンドギャップを伴う材料の正しい群化が、自由電子および自由正孔（図４および５参照）が、捕捉され、接点１１６および１２８に駆動され得るように行われることができる。それに応じて、捕捉された自由電子および自由正孔は、有用作業のために、負荷１７６に印加されることができる。
【００４１】
概して、勾配付きバンドギャップ層１４２は、垂直群化内で継続的に修正される材料組成物の層を成長させることによって発生されることができる。ある程度の柔軟性が、勾配付きバンドギャップ層１４２および消滅層１０６を作製するために使用される材料の選択に存在することは、当業者によって理解されるはずである。
【００４２】
ここで図１、２、および３を参照すると、一例にすぎないが、勾配付きバンドギャップ層１４２は、ドット２１４および２２２によって示されるセレン系の材料内に、継続的に修正される材料組成物の層を成長させることによって発生されることができる。図３に示されるように、ドット２１４によって示されるＨｇＳｅ２１４は、バンドギャップ約−０．１ｅＶおよび格子パラメータ約０．６１ｎｍを有する。また、図３では、ＣｄＳｅ（２２２）は、バンドギャップ約１．７ｅＶおよび格子パラメータ約０．６１ｎｍを有することが示される。中間バンドギャップ材料は、ＣｄＳｅおよびＨｇＳｅを混合することによって生成されることができる。一例として、半カドミウムおよび半水銀（Ｃｄ０．５Ｈｇ０．５Ｓｅ）を伴うセレン材料は、バンドギャップ約０．８ｅＶおよび格子パラメータ約０．６１ｎｍを有し、図３においてドット３９５によって表される。同様に、９０％ＣｄＳｅおよび１０％ＨｇＳｅ（Ｃｄ０．９Ｈｇ０．１Ｓｅ）の混合物は、バンドギャップ約１．５２ｅＶを有し、図３においてドット３９４によって示される。同様に、ドット３９６は、Ｃｄ０．３Ｈｇ０．７Ｓｅを表し、バンドギャップ約０．４４ｅＶを有し、ドット３９７は、Ｃｄ０．２５Ｈｇ０．７５Ｓｅを表し、バンドギャップ約０．３５ｅＶを有し、ドット３９８は、Ｃｄ０．０５Ｈｇ０．９５Ｓｅを表し、バンドギャップ約０．１９ｅＶを有する。これらの材料組成物は全て、格子パラメータ約０．６１ｎｍを有する。
【００４３】
例えば、勾配付きバンドギャップ層１４２は、最初に、５％カドミウムＣｄ０．０５Ｈｇ０．９５Ｓｅの組成物を有し、カドミウムおよび水銀が反応し、格子パラメータ約０．６１ｎｍを伴う略完全な結晶材料を形成することができる、十分なセレンを維持しながら、成長の間、カドミウムの原子フラックスを増加させる一方、水銀の原子フラックスを減少させることによって、カドミウム含有量が１００％（ＣｄＳｅ）まで継続的に増加する、一連の継続的に変化する組成物材料を成長させることによって生成されることができる。一例にすぎないが、本継続的に変化する組成物は、３つの前駆体ガス（１つの前駆体は、セレンを含有し、１つは、カドミウムを含有し、１つは、水銀を含有する）を使用する、化学蒸着機械内に勾配付きバンドギャップ層を成長させることによって遂行され得る。一例にすぎないが、５％カドミウム前駆体および９５％水銀前駆体であるガス流を略完全な結晶成長を誘発するために十分なセレン前駆体を伴う成長面積の中に生成することによって、Ｃｄ０．０５Ｈｇ０．９５Ｓｅの層が、成長されることができる。次いで、カドミウム前駆体流を増加させる一方、水銀前駆体流を減少させる（これは、略完全な結晶成長のために十分なセレン前駆体を維持する）ことによって、成長層内のカドミウムの原子含有量は、継続的に増加するであろう一方、成長層内の水銀の原子含有量は、減少するであろう。カドミウム前駆体流が２５％であって、水銀前駆体含有量が７５％であるとき、勾配付きバンドギャップ層１４２の上部に成長する材料は、Ｃｄ０．２５Ｈｇ０．７５Ｓｅであって、図３においてドット３９７によって表されるであろう。成長が継続し、前駆体含有量が変化し続けるにつれて、成長は、いくつかの組成物３９６、３９５、および３９４を通して継続的に通過し、最終的に、水銀前駆体含有量がゼロ％になるとき、変化を停止し、組成物は、バンドギャップ約１．７ｅＶを伴う、純ＣｄＳｅ（２２２）となるであろう。
【００４４】
一例にすぎないが、勾配付きバンドギャップ層１４２を生成するプロセスは、ＣｄＳｅ（２２２）の含有量が減少するにつれて、増加量のＺｎＴｅ（２２４）を含むように組成物を継続的に変化させることによって、より高いバンドギャップエネルギーに継続されることができる。これは、亜鉛およびテルルを含有する２つの付加的前駆体を使用することによって遂行され得る。中間組成物３９３は、略等量のＺｎＴｅおよびＣｄＳｅが、膜の中に組み込まれ、化学組成物Ｚｎ０．５Ｃｄ０．５Ｔｅ０．５Ｓｅ０．５を有し、バンドギャップ約２．０ｅＶを有するときの点を表す。本組成物はさらに、バンドギャップ約２．２ｅＶを伴う１００％ＺｎＴｅ（ドット２２４）および０％ＣｄＳｅの点まで継続的に変化されることができる。
【００４５】
本プロセスはさらに、ＭｎＳｅ０．５Ｔｅ０．５（ドット３９１）とＺｎＴｅ（２２４）を混合することによって、より高いバンドギャップに継続されることができる。一例として、再び、本経路に沿った中間組成物は、Ｚｎ０．５Ｍｎ０．５Ｔｅ０．７５Ｓｅ０．２５の組成物を伴うドット３９２である。本組成物は、（ＺｎＴｅ）０．５（ＭｎＳｅ０．５Ｔｅ０．５）０．５として、等分の組成物２２４および３９１から派生されることができる。
【００４６】
本素子を作製するために使用され得る別の材料システムは、テルル化カドミウム水銀（ＨｇｘＣｄ（１−ｘ）Ｔｅ）である。テルル化カドミウム材料システムは、テルル化水銀とテルル化カドミウムの比率を改変することによって、バンドギャップが継続的に修正され得るという点において、以前のシステムに類似する。格子パラメータがより大きいという点において異なり、したがって、本システムは、概して、過剰欠陥を防止するために異なる基板上に成長されなければならないが、継続的に変動されると、テルル化水銀とテルル化カドミウムの分画含有量が、可変バンドギャップをもたらすという点において類似する。他のシステムも同様に識別および使用され得ることは、当業者によって理解されるはずである。
【００４７】
本明細書に説明される本構造のバージョンの１つは、一次基板格子パラメータと異なり、かつ勾配付きバンドギャップの大部分の一次格子パラメータと異なる格子パラメータを有する、より小さいバンドギャップ材料の成長である。基板または部分的成長層上に、成長される新しい材料と異なる格子パラメータを有する、略完全結晶材料を成長させることが可能である。一例にすぎないが、反転構造（図５）では、勾配付きバンドギャップ層のより広いバンドギャップ部分は、ＡｌＳｂから開始し、ＡｌＳｂの代わりに、ＧａＳｂを増加させ、バンドギャップを減少させることによって、０．６１ｎｍ格子パラメータを伴う材料の集合を使用して、ＩＩＩ−Ｖ系内に成長されることができる。バンドギャップはさらに、ＩｎＡｓの含有量を増加させ、ＧａＳｂの含有量を低下させることによって、ＧａＳｂのものからＩｎＡｓのものに勾配付き様式で減少されることができる。本遷移は、１００％ＩｎＡｓまで継続することができる。さらに、バンドギャップは、ＩＩＩ−Ｖ系では、０．６１ｎｍ格子パラメータにおいて低下し、これは、公知の材料では不可能である。しかしながら、ＩｎＡｓのバンドギャップは、理想的消滅層のものより若干のみ大きいため、勾配付きバンドギャップ層の最終部分は、ＩｎＡｓ層上に異なる格子パラメータを伴う材料を成長させることによって、不完全に作製されることができる。勾配付きバンドギャップ層の本新しい部分は、不完全であるため、同時に、勾配付きバンドギャップ層および消滅層の組み合わせとして作用するであろう。構造をこのように構築することからの性能の修正は、非常にわずかであるが、このように構築することは、より小さいバンドギャップおよび消滅層への完全な遷移を可能にしないであろう、勾配付きバンドギャップ層のバルクのための材料の使用を可能にする。また、消滅層は、一般に、キャリアの消滅が、キャリアを素子の底部へと付勢するバンドギャップ勾配と組み合わせられるように、勾配付きバンドギャップ層のより小さいバンドギャップ領域と組み合わせられることができることを理解されたい。
【００４８】
非連続または中断または区画化として説明される勾配付きバンドギャップ層をもたらし得る、成長組成物中のわずかな中断は、素子の性能にほとんど影響を及ぼさず、また、約数ミクロンの距離にわたって、あるバンドギャップから別のバンドギャップへの遷移の我々の一般的説明によって網羅されることを理解されたい。また、厚さの関数として、バンドギャップの異なる変化率を含む構造も、本明細書に想定および請求される。厚さに伴うバンドギャップ変化率が、ギャップが吸収される（非常に厚い層を用いて、最も完全に遂行される）光のエネルギーと略等しい、勾配付きバンドギャップの領域内における実質的完全吸収と、流動に対する抵抗を減少させるための厚さおよびキャリアが構造内に生成される場所から消滅層に遷移するためにかかる時間の最小限化との間のトレードオフであることに留意することは重要である。概して、限定ではないが、勾配付きバンドギャップ層１４２、消滅層１０６、および同等物等の過剰に厚い層は、より完全に吸収するが、過剰な抵抗を有する一方、薄層は、最小抵抗を有するが、あまり完全には吸収しない。より完全に吸収するための若干の勾配を伴う１つの区分と、キャリアを消滅層に向かって加速させるためのより急勾配を伴う第２の区分との２つの区分に、勾配付きバンドギャップ層を生成することは有利であり得る。本構造変動は、光源が、若干の勾配を伴う層内で吸収され、次いで、急勾配を伴う第２の区分内の短距離にわたって加速され得る、光子エネルギーに対して限定された範囲を含有する状況において、性能を改善するであろう。
【００４９】
加えて、光子は、消滅層内に吸収され、磁気分極光子素子の電力出力をさらに増加させることに寄与し得ることを理解されたい。
【００５０】
図１を参照すると、消滅層１０６に関して前述のように、時として、勾配付きバンドギャップ層１４２のために選択された材料を検討し、消滅層１０６において使用するために、それらの同一の材料選択を利用することが有用である。本技法を利用して、材料集合を選択することによって、時として、依然として、消滅層１０６内に高欠陥密度を維持しながら、材料層全体を通して、結晶構造にかかる応力を減少させることが可能である。
【００５１】
典型的には、勾配付きバンドギャップ層１４２は、エピタキシャルに堆積される材料である。エピタキシャルに堆積される材料は、結晶格子構造が形成されることを可能にする。堆積される層は、消滅層１０６を参照して前述のような任意の好適な方法または技法によって作製されることができる。堆積手段は、前述されているため、関連部分を除き、以下では繰り返される必要はないものとする。しかしながら、勾配付きバンドギャップ層１４２の堆積は、勾配付きバンドギャップ層１４２のために堆積される材料の結晶構造が重要であって、欠陥、不完全性、および同等物の数が、可能な限り少なくあるべきであるという点において、消滅層１０６のものと異なることを理解されたい。
【００５２】
勾配付きバンドギャップ材料は、消滅層１０６上で厚さ１４３までエピタキシャルに堆積される。典型的には、同一の化学成分が使用されるように、消滅層１０６と類似または同一である、少量の材料が、エピタキシャルに堆積される。典型的には、勾配付きバンドギャップ層のための本初期材料は、わずか５．０ミクロン〜３０．０ミクロンの厚さ、好ましくは、１０．０ミクロン〜２０．０ミクロンの厚さである、０．１ミクロン〜５０．０ミクロンの厚さの範囲であり得る。前の材料が、依然として、堆積されたまま、格子整合された動的勾配付き材料を得るように、堆積のために使用される新しいガスが、反応チャンバにゆっくりと進入され、したがって、第２の新しい材料が、先行する動的勾配付き材料上にゆっくりと堆積される。典型的には、本第２の新しい材料は、わずか５．０ミクロン〜３０．０ミクロンの範囲、好ましくは、１０．０ミクロン〜２０．０ミクロンの範囲の厚さである、０．１ミクロン〜５０．０ミクロンの厚さの範囲である。本プロセスは、所望に応じて、または具体的用途に必要とされる限り、継続されることができる。堆積される材料が動的に堆積されることを可能にすることによって、かつ堆積のための正しい材料を選択することによって、動的に勾配付きバンドギャップ層１４２が、堆積されることが可能である。
【００５３】
ここで図１を参照すると、表面１１８、１２０、１２２、および１２４を有する接点１１６と、表面１３０、１３２、１３４、および１３６を有する接点１２８とが、それぞれ、勾配付きバンドギャップ層１４２の表面１４６および１５０と、それぞれ、消滅層１０６の表面１１４および１１０との上に位置する。典型的には、接点１１６および１２８は、限定ではないが、単独で、組み合わせて、または磁気分極光子素子１００の一部においてのいずれかによって、勾配付きバンドギャップ層１４２、消滅層１０６の端部１９２および１９４の表面１４６および１５０を共形化させること等、任意の好適な構成で作製されることができる。接点１１６および１２８は、それぞれ、厚さ１８９および１９１まで作製される。当技術分野における電気接点の典型的厚さに関しては、当業者によって把握されているはずである。典型的には、接点１１６および１２８は、勾配付きバンドギャップ層１４２の表面１４６および１５０と消滅層１０６の表面１１４および１１０とに共形化される。しかしながら、ある場合には、接点１１６および１２８は、図１に示される以外の形状を有することができることを理解されたい。一例にすぎないが、ある場合には、接点１１６および１２８は、サイズが異なることができ、接点１１６は、接点１２８より大きい表面積を有する。加えて、端部１９２および１９４の点線１９６および１９８によって示されるドーピング領域は、消滅層１０６および勾配付きバンドギャップ層１４２への電気伝導性を向上させるために使用されることができる。典型的には、ドーピング領域１９６および１９８は、任意の好適なドーパントでドープされる。接点１１６に向かって移動する自由電子には、Ｎ−型ドーパントが使用され得、接点１２８に向かって移動する自由正孔には、Ｐ−型ドーパントが使用され得る。当業者は、具体的材料組成物および素子タイプに対してドーピング濃度を判定することが可能であるはずである。
【００５４】
加えて、勾配付きバンドギャップ層１４２を作製するものと同じ組成物の材料の平面は、ドーピング領域１９２によって画定される平面に対して約９０度の角度である一方、従来の素子では、同じ組成物のこれらの平面は、ドーパントの平面に対して同一平面または平行のいずれかであることを理解されたい。接点１１６および１２８は、限定ではないが、金属、金属層の組み合わせ、合金、半導体材料、および／または前述の任意の組み合わせ等、任意の好適な伝導性または半導体材料から作製されることができる。
【００５５】
磁場線１５７、１５８、１６０、１６１、および１６２によって表される複数の磁場線１５９は、磁気分極光子素子１００を通して、かつその周囲を通過するように示される。より具体的には、図１は、磁場線１５９の方向を示し、磁場線１５８は、勾配付きバンドギャップ層１４２の上部上面にわたって通過し、磁場線１６０は、勾配付きバンドギャップ層１４２を通して通過し、磁場線１６２は、消滅層１０６を通して通過し、磁場線１５７は、基板１０２を通して通過し、磁場線１６１は、基板１０２下を通過する。磁場線１５９は、線１５７、１５８、１６０、１６１、および１６２によって表される力であることを理解されたい。磁場線１５９は、磁気分極光子素子１００の断面表面に垂直であるように示されるが、磁場線１５９の配向は、それぞれ、要素１７２および１７４によって図示される、水平平面および垂直平面内に任意の好適な角度で設定されることができる。図４の説明において後述されるように、磁場方向は、バンドギャップ勾配力方向に直交に配向される。これは、最大素子効率のための配向であって、好適な水平角度１７２および垂直角度１７４の交差点に示されるが、本理想的配向からのわずかな変動は、理想的配向が提供するであろうものに若干のみ満たない性能をもたらすであろうことを理解されたい。バンドギャップ勾配の一意の特性は、自由電子をある方向に、および自由正孔を別の方向に引っ張る、電場（外部から印加されるか、または従来の太陽光素子のダイオード構造内で内部から発生されるかのいずれかである）とは対照的に、自由電子および自由正孔の両方を同一の方向に強制的に駆動させることである。
【００５６】
磁場線１５９は、限定ではないが、棒磁石、希土類磁石、電磁石、超伝導電磁石、または同等物等、任意の好適な方法または技術によって発生されることができる。概して、磁場１５９は、０．１テスラ〜５０．０テスラの範囲であることができ、公称値は、０．５テスラ〜１０．０テスラの範囲である。
【００５７】
図４は、概して、識別番号４０６、４０８、４１０、および４１２を有する例示的光子を伴う、複数の光子４０４を有する光子源４０２をさらに含む、図１に描写されるような磁気分極光子素子１００の非常に拡大され、簡略化された斜視図である。図４に示されるように、光子源４０２は、磁気分極光子素子１００の平坦表面１４８に向かって、複数の光子４０４を放出する。複数の光子４０４が、勾配付きバンドギャップ層１４２の表面１４８に衝打すると、複数の光子４０４のエネルギーの少なくとも一部は、勾配付きバンドギャップ層１４２を構成する結晶格子構造内の自由電子に伝達される。材料のタイプ、勾配付きバンドギャップ層１４２材料の構造、およびバンドギャップエネルギーに応じて、自由電子４１６、４１８、４２０、および４２２ならびに自由正孔４２５、４２８、４３０、および４３２として個々に識別される複数の自由電子４１４および複数の自由正孔４２４は、その結果、勾配付きバンドギャップ層１４２内で発生され、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子内で移動可能である。
【００５８】
例えば、勾配付きバンドギャップ層１４２は、大エネルギーバンドギャップを有するバンドギャップ材料が、表面１４８の上またはそれを中心として位置し、連続してより小さいエネルギーバンドギャップを有する他のバンドギャップ材料が、最小エネルギーバンドギャップ材料が消滅層１０６の表面１１２の上またはそれを中心として位置して、エネルギーバンドギャップ層１４２を通して勾配が付けられるように配置される。一例として、勾配付きバンドギャップ層１４２は、２．５ｅＶ〜０．８ｅＶのエネルギーバンドギャップを有し得、２．５ｅＶバンドギャップ材料は、勾配付きバンドギャップ層１４２の上部の表面１４８またはその近傍に位置し、０．８ｅＶ材料は、消滅層１０６の表面１１２に近接して位置し、他の好適なバンドギャップ材料は、２．５ｅＶと０．８ｅＶ材料との間で勾配が付けられる。加えて、光子４０６、４０８、４１０、および４１２は、それぞれ、光子エネルギー２．５ｅＶ、２．０ｅＶ、１．７ｅＶ、および０．８ｅＶを有し得る。図４に示されるように、光子４０６は、表面１４８に衝打し、表面１４８の近傍で吸収される。勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造の中への光子４０６の吸収は、自由電子４２２および自由正孔４２５を発生させ、結晶格子材料バンドギャップおよび光子４０６は、同一のエネルギー、この場合、２．５ｅＶを有するため、自由電子４２２および自由正孔４２５は、ここで、消滅層１０６に向かって、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造内で移動可能となる。
【００５９】
しかしながら、図６に示されるように、自由電子４２２および自由正孔４２５は、磁場１５９によって影響され、自由電子４２２は、矢印６０２によって示されるように、消滅層１０６に向かって移動するにつれて、接点１１６に向かって移動し、自由正孔４２５もまた、矢印６１０によって示されるように、消滅層１０６に向かって移動するにつれて、接点１２８に向かって移動する。
【００６０】
図４に示されるように、光子４０８は、表面１４８に衝打し、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子材料構造によって吸収される。しかしながら、光子４０８は、光子４０８が、光子４０８と同一のエネルギーバンドギャップを有する勾配付きバンドギャップ層１４２内の材料によって吸収されるまで、勾配付きバンドギャップ層１４２を通して進行する。本特定の場合、光子４０８は、エネルギー２．０ｅＶを有し、勾配付きバンドギャップ内の材料もまた、エネルギーバンドギャップ２．０ｅＶを有する。光子４０８は、続いて、捕捉され、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造内で可動性を有する、自由電子４２０および自由正孔４２８を発生させる。しかしながら、自由電子４２２および自由正孔４２５を参照して前述のように、磁場１５９は、それぞれ、矢印６０４および６１２によって示されるように、自由電子４２０を接点１１６に向かって移動させ、自由正孔４２８を接点１２８に向かって移動させる。
【００６１】
光子４１０は、表面１４８に衝打し、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造の材料の中に吸収される。しかしながら、光子４１０は、光子４１０が、光子４１０のエネルギーと同一のエネルギーバンドギャップを有する勾配付きバンドギャップ層１４２内のバンドギャップ材料によって吸収されるまで、勾配付きバンドギャップ層１４２の中に、光子４０８より遠くまで進行する。本特定の場合、光子４１０は、エネルギー１．７ｅＶを有し、勾配付きバンドギャップ内の材料もまた、エネルギーバンドギャップ１．７ｅＶを有する。光子４１０は、続いて、捕捉され、自由電子４１８および自由正孔４３０を発生させ、両方とも、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造の材料中で可動性を有する。しかしながら、自由電子４２０および４２２ならびに自由正孔４２５および４２８を参照して前述のように、磁場１５９は、それぞれ、矢印６０６および６１４によって示されるように、自由電子４１８を接点１１６に向かって移動させ、自由正孔４３０を接点１２８に向かって移動させる。
【００６２】
光子４１２が、表面１４８に衝打すると、光子４１２は、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造の中にすぐに吸収されず、ある距離および時間の間、勾配付きバンドギャップ層１４２内を進行する。しかしながら、光子４１２は、光子４１２が、光子４１２のエネルギーと同一のエネルギーバンドギャップを有する勾配付きバンドギャップ層１４２内の材料によって吸収されるまで、勾配付きバンドギャップ層１４２を通して進行する。本特定の場合、光子４１２は、エネルギーバンドギャップ０．８ｅＶを有し、勾配付きバンドギャップ層１４２内の材料もまた、エネルギー０．８ｅＶを有する。光子４１２は、続いて、捕捉され、勾配付きバンドギャップ層１４２の結晶格子構造内で可動性を有する、自由電子４１６および自由正孔４３２を発生させる。しかしながら、自由電子４１８、４２０、および４２２ならびに自由正孔４２５、４２８、４３０を参照して前述のように、磁場１５９は、それぞれ、矢印６０８および６１６によって示されるように、自由電子４１６を接点１１６に向かって移動させ、自由正孔４３２を接点１２８に向かって移動させる。
【００６３】
自由電子４２２、４２０、４１８、および４１６ならびに自由正孔４２５、４２８、４３０、および４３２と磁場１５９の相互作用のため、自由電子４２２、４２０、４１８、および４１６ならびに自由正孔４２５、４２８、４３０、および４３２は、それぞれ、接点１１６および接点１２８に向かって移動される。したがって、複数の自由電子および自由正孔４１４および４２４のエネルギーが、捕捉されることが可能である。４つの光子４０６、４０８、４１０、および４１２のみ、複数の光子を表すが、表面１４８に衝打する光子の数は、非常に大きいことを理解されたい。したがって、複数の自由電子４１４および複数の自由正孔４２４の数もまた、非常に大きいことをさらに理解されたい。
【００６４】
図４を参照すると、いくつかの力方向４２６、４３６、および４４０が、二重矢印によって示され、いくつかの運動方向４３４、４３８、および４４２が、単一矢印によって示される。力方向４２６は、反対キャリアと再結合する（自由電子が自由正孔と結合し、相互に消滅し合い、二次光子、または多くの場合、熱を生成するエネルギー損失事象のいずれかを形成する）まで、光子の吸収によって生成される、モーメントから自由正孔および自由電子にかかるバンドギャップ勾配力である。キャリアの大部分は、消滅層に到達するまで、その反対キャリアタイプと再結合しないであろうが、両タイプの多くのキャリアを伴う任意の実際の素子では、いくつかの再結合は、素子内の任意の点で時期尚早に生じ得ることを理解されたい。キャリアが消滅層に到達するのに先立った再結合は、変換効率の低下をもたらすであろうことを理解されたい。矢印４３４によって示される運動方向は、バンドギャップ勾配力４２６に応答した、自由正孔および自由電子の両方の運動の方向である。自由正孔および自由電子の両方の運動方向４３４はまた、同様にバンドギャップ勾配力によって誘発される、速度の成分を有することを理解されたい。前述のように、素子全体は、線１５９によって表される磁場内に位置する。本磁場からの磁場線は、矢印１５７、１５８、１６０、１６１、および１６２として個々に表されるが、素子全体は、あらゆる場所において全体を通して貫通する磁場線を含む、略均一磁場を有することを理解されたい。素子内のあらゆる点において、移動するキャリアは、速度ベクトルと電荷を乗算した磁場の交差積と等しい磁気分極力を被るであろう。本力の方程式は、ＦＭＰ＝ｑｖｘＢであって、式中、ＦＭＰは、移動する電荷キャリアにかかる磁気分極力であって、「ｖ」は、速度であって、「ｑ」は、電荷であって、「Ｂ」は、磁場強度であって、「ｘ」は、ベクトル交差積演算子を示す。図４に見られるように、磁場方向は、バンドギャップ勾配力方向に直交して配向される。これは、最大素子効率のための配向であるが、本理想的配向からのわずかな変動は、理想的配向が提供するであろうものに若干満たない性能をもたらすであろうことを理解されたい。バンドギャップ勾配の一意の特性は、自由電子をある方向に、および自由正孔を別の方向に引っ張る、電場（外部から印加されるか、または従来の太陽光素子のダイオード構造内で内部から発生されるかのいずれかである）とは対照的に、自由電子および自由正孔の両方を同一の方向に強制的に駆動させることである。バンドギャップ勾配力は、磁気分極光子素子１００内で非分極性である。磁気分極光子素子１００では、自由電子および自由正孔は、バンドギャップ勾配力４２６の方向に矢印４３４によって示される運動および速度の両方を取得する。方向４３４に移動する運動を有する、負に帯電された自由電子および正に帯電された自由正孔は両方とも、図４では、それぞれ、自由電子を左（方向４３８）に移動させ、自由正孔を右（方向４４２）に移動させる、自由電子のための磁気分極力４３６および自由正孔のための磁気分極力４４０を被り、それによって、図７の電流７５１が図７の電場７５０に対して流動するにつれて、その個別のエネルギー帯内の自由電子および自由正孔のエネルギーの電気エネルギーへの伝達を促進する。本エネルギー伝達は、従来の太陽電池より有意に高い効率で遂行される。自由電子および自由正孔は、バンドギャップ勾配層１４２全体を通して共存し、図４では自由正孔は、電極１２８の方向に移動し、自由電子は、電極１１６の方向に移動する。
【００６５】
図５は、反転構造を示し、同一項目は、同一番号で識別される。前述のように、基板５０１は、選択される光子が、基板５０１の表面５０５上に配置される、勾配付きバンドギャップ層１４２内に吸収されるよう基板を通して通過するように選定される。
【００６６】
図６を参照すると、自由電子４２２の運動は、湾曲運動矢印６０２によって示される。自由正孔４２５の運動は、湾曲運動矢印６１０によって示される。同様に、バンドギャップ勾配全体を通して生成されるキャリアは、各帯電キャリアにかかるバンドギャップ勾配力によって誘発される運動から生じる、各帯電キャリアにかかる個別の磁気分極力から生じる、その関連付けられた運動矢印で示される。
【００６７】
ここで図７を参照すると、図４、５、および６における各自由電子および自由正孔によって進行される一般的経路が、示される。経路７０２は、図７に示される自由電子４２２の最終位置とともに、自由電子４２２によってとられる経路を示す。経路７１０は、図７に示される自由正孔４２５の最終位置とともに、自由正孔４２５によってとられる経路である。同様に、経路７０４は、自由電子４２０によってとられる経路であって、経路７１２は、自由正孔４２８によってとられる経路であって、経路７０６は、自由電子４１８によってとられる経路であって、経路７１４は、自由正孔４３０によってとられる経路であって、経路７０８は、自由電子４１６によってとられる経路であって、経路７１６は、自由正孔４３２によってとられる経路である。本発明では、本素子の一意の側面の１つは、その出力電圧（電極１２８と１１６との間の電位）が、各キャリアによって被られる総バンドギャップ勾配降下より有意に大きくあり得ることである。本電位は、電極１２８と１１６との間に側方電場７５０を確立し、勾配付きバンドギャップ層および消滅層全体を通して存在する。本素子の出力電圧は、概して、その長さ（電極１１６と１２８との間の距離）の線形関数である。これは、出力電圧が、ダイオード構造が生成される材料のバンドギャップに正比例し、その値に限定される、従来の太陽光素子には該当しない。実施例として、シリコン太陽電池の典型的出力は、約０．７ｅＶであって、ほぼ総バンドギャップ１．１ｅＶに限定される。図７から分かるように、キャリアの大部分は、それらが光子の吸収によって生成される点から、勾配付きバンドギャップを辿って、反対タイプのキャリアに衝突し、消滅される（対で再結合し、消滅層のバンドギャップのエネルギーを消耗する）、消滅層まで移動する。各キャリアが、バンドギャップ勾配を辿って移動するにつれて、それらは、大バンドギャップエネルギーからより低いバンドギャップエネルギーに移動することによって、電位エネルギーを損失する。本エネルギーは、電場に対する電荷運動として側方電場７５０の中に伝達される（電場に対する電流は、電力発生である）。図７の縦横比は、正確な縮尺で示されておらず、接点１１６と１２８との間の距離は、概して、バンドギャップ勾配付き層の上部からその底部までの距離の数倍（５０〜１０００倍）である。この高い縦横比の結果、一般に、大量の自由電子および自由正孔が、同時に、バンドギャップ勾配を辿って移動し、その反対電荷を見つけ、素子の底部に到達するにつれて消滅する（図示せず）。各キャリア対は、約１ｅＶのバンドギャップエネルギーを辿って移動するため、各対は、電場７５０の電位の約１ボルトに対して移動する。これらのキャリアは、小電流を伴うわずか１ボルトの電源の直列接続として作用し、小電流において大電圧を生成するように作用する。本素子は、単に、光子エネルギーを電圧および電流に変化し、これが生じる効率は、１００％未満であることを理解されたい。実施例として、１クーロンの電荷は、６．２５×１０１８電荷である。６．２５×１０１８光子／秒の１ｅＶエネルギー（１ワットの入射電力）が、１ｃｍの電極１１６と１２８との間の距離を有する本タ��プの磁気分極光子素子の勾配付きバンドギャップの１ｅＶバンドギャップ部分に完全に吸収される場合、負荷下の最適出力電圧は、約．０１アンペアの電流を伴う、約５０ボルトとなるであろう。これは、５０％電力変換に対応する、０．５ワットの出力電力となるであろう。本変換効率は、限定ではないが、キャリアの移動度（素子の抵抗に関連する）、消滅層の最小バンドギャップ、磁場強度、および素子の物理的厚さを含む、多くの要因に依存する。本タイプの構造において、最適条件下で５０〜７５％変換効率を超えることが可能である。
【００６８】
図８は、勾配付きバンドギャップ層１４２、消滅層１０６、および基板層１０２を識別する、エネルギー対深度図を示す。本図では、消滅層１０６は、一例にすぎないが、アンチサイト欠陥（セレン原子が、水銀またはカドミウムが完全な結晶内に位置するであろう場所に位置付けられる）を誘発する温度で堆積され得る、バンドギャップ約０．１９ｅＶを伴うＣｄ０．０５Ｈｇ０．９５Ｓｅの欠陥充填層である。本図における勾配付きバンドギャップ層１４２は、材料が優れた品質および少ない欠陥を有するように成長される。これは、一例にすぎないが、成長温度をアンチサイト欠陥を伴わない略完全な結晶成長のための理想的成長温度まで増加させることによって、遂行されることができる。勾配付きバンドギャップの初期組成物は、図３におけるドット３９８に対応する破線８９８として図８に示される、Ｃｄ０．０５Ｈｇ０．９５Ｓｅである。さらに、勾配付きバンドギャップ層１４２の組成物は、バンドギャップが、Ｃｄ０．２５Ｈｇ０．７５Ｓｅにおいて約０．１９ｅＶ〜約０．３５ｅＶに増加するように、ＨｇＳｅと比較して、増加量のＣｄＳｅを含むように継続的に修正される（図３におけるドット３９７に対応する図８上の破線８９７）。本成長は、継続し、ＣｄＳｅ含有量をバンドギャップ約０．４４ｅＶを有するＣｄ０．３Ｈｇ０．７Ｓｅまで増加させる（図３におけるドット３９６に対応する図８上の破線８９６）。本成長はさらに、継続し、ＣｄＳｅ含有量をバンドギャップ約０．８ｅＶを有するＣｄ０．５Ｈｇ０．５Ｓｅまで増加させる（図３におけるドット３９５に対応する図８上の破線８９５）。本成長はさらに、継続し、ＣｄＳｅ含有量をバンドギャップ約１．５２ｅＶを有するＣｄ０．９Ｈｇ０．１Ｓｅまで増加させる（図３におけるドット３９４に対応する図８上の破線８９４）。本成長はさらに、継続し、ＣｄＳｅ含有量をバンドギャップ約１．７ｅＶを有する略純ＣｄＳｅまで増加させる（図３におけるドット２２２）。
【００６９】
前述の明細書では、本発明は、具体的な例示的実施形態を参照して説明された。しかしながら、種々の修正および変更が、以下の請求項に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、行われてもよいことを理解されるであろう。明細書および図は、制限ではなく、例証的様式と見なされ、そのような修正は全て、本発明の範囲内に含まれることが意図される。故に、本発明の範囲は、前述の単なる実施例によってではなく、本明細書に添付の請求項およびその法的均等物によって判定されるべきである。例えば、任意の方法またはプロセス請求項に列挙されるステップは、任意の順序で実行されてもよく、請求項に提示される具体的順序に限定されない。加えて、任意の装置請求項に列挙される構成要素および／または要素は、本発明と実質的に同一の結果を生じる種々の順列において組み立てられる、または別様に、動作可能に構成されてもよく、故に、請求項に列挙される具体的構成に限定されない。
【００７０】
利点、他の有利点、および問題の解決策が、特定の実施形態に関して前述された。しかしながら、任意の利点、有利点、問題の解決策、または任意の特定の利点、有利点、あるいは解決策を生じさせる、もしくはより明白となる、任意の要素は、あらゆる請求項の重要な、要求される、または必須の特徴あるいは構成要素として解釈されないものとする。
【００７１】
本明細書で使用されるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、またはその任意の変形例は、要素のリストを備えるプロセス、方法、物品、組成物、または装置が、列挙されたそれらの要素のみを含むのではなく、また、明示的に列挙されていない、あるいはそのようなプロセス、方法、物品、組成物または装置に固有の他の要素を含み得るように、非排他的含有を指すものと意図される。本発明の実践において使用される前述の構造、配列、用途、割合、要素、材料または構成要素の他の組み合わせおよび／または修正は、具体的に列挙されていないものに加え、当業者によって、その一般的原理から逸脱することなく、具体的環境、製造仕様、設計パラメータ、または他の動作要件に対して、変動される、または別様に、特に適合されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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