(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱表面から放射線を受容する半導体表面におけるキャリアの生成を増強させるための方法であって、それらの表面を並置し、それら表面間のギャップを調節して、前記放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンの分離を形成する、という各ステップを含む方法。
【請求項２】
前記ギャップが真空化される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体表面が相対的に冷えた光起電性デバイスからなる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記光起電性デバイスの表面及び前記加熱表面がほぼ平坦である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記並置された表面のうちの一方又は両方が３次元形状にパターン形成される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
放射線伝達及び熱光起電デバイスを組み合わせた装置であって、光起電セル表面及び加熱された放射線表面を組み合わせて有しており、前記放射線表面が、前記セル表面と並置されており、及び放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンのギャップだけ前記セル表面から分離されている、装置。
【請求項７】
前記ギャップが真空化され、前記分離が約0.01〜20ミクロンの範囲に調節されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
半導体表面及び加熱表面を組み合わせた装置であって、放射線を照射することにより、近接して並置された状態で保持された表面であって、前記放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンの真空化されたギャップにより分離された表面で半導体キャリアを生成する、装置。
【請求項９】
加熱表面から放射線を受容する半導体表面におけるキャリアの生成を増強させるための方法であって、温度ＴＨの前記加熱表面から放射線を発し、該放射線を温度ＴＣに維持された相対的に冷えた半導体表面により受容するために同放射線を真空化されたギャップを介して結合させ（ＴＨ＞ＴＣ）、前記ギャップの厚さを、前記放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンに調節して、該ギャップを介して結合された放射線に応じた半導体による荷電キャリアの生成の増強を達成する、という各ステップを含む方法。
【請求項１０】
チャネル、アイランド、又はその他の３次元形状のパターンを前記表面の一方又は両方に設ける、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ギャップの厚さの調節を、前記表面のレベル又は高さを制御することにより行う、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ギャップが振動から絶縁される、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体が光起電デバイスとなるよう構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
加熱表面から放射線を受容する半導体表面におけるキャリアの生成を増強させるための方法であって、それら表面間に熱的な絶縁性を有する実質的に無損失の放射線伝達媒体を配設して該表面の並置を行い、該放射線伝達媒体の厚さを、前記放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンに調節する、という各ステップを含む方法。
【請求項１５】
前記熱的な絶縁性を有する実質的に無損失の放射線伝達媒体を真空化されたギャップから構成する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
放射線伝達及びキャリア生成用半導体を組み合わせた装置であって、半導体表面と、該半導体表面よりも高い温度で動作する熱放射表面と、それらの表面間に配設され、前記熱放射表面からの放射線を前記半導体表面により受容されるよう結合する、熱的な絶縁性を有し実質的に無損失の放射線伝達媒体とを組み合わせて有し、該放射線伝達媒体の厚さが、前記放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンに調節され、これにより該媒体を介して結合された放射線に応じた荷電キャリアの半導体による生成の増強を達成する、装置。
【請求項１７】
前記放射線伝達媒体が真空化されたギャップから構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
熱放射表面からの入射する熱放射線に応じた半導体表面における荷電キャリアの生成を増強させるための方法であって、前記熱放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい互いに約0.01〜100ミクロンの分離を形成するよう配置され一方が熱放射線生成表面である一対の平行な表面間の界面部で増大した熱放射線エネルギー交換が生じるという現象を、かかる界面部で生じた増大した熱放射線エネルギー交換を前記半導体表面上に導くことにより、熱放射線に応じた半導体表面における荷電キャリア生成の励起と組み合わせることを含む、方法。
【請求項１９】
加熱表面から放射線を受容する導体又は半導体表面における電流の生成を増強させるための方法であって、温度ＴＨの加熱表面から放射線を発し、該放射線を温度ＴＣに維持された相対的に冷えた導体又は半導体表面により受容するために同放射線を真空化されたギャップを介して結合させ（ＴＨ＞ＴＣ）、前記ギャップの厚さを、前記放射線の特性波長のオーダー又はそれよりも小さい約0.01〜100ミクロンに調節して、該ギャップを介して結合された放射線に応じた前記相対的に冷えた導体又は半導体による電流の生成の増強を達成する、という各ステップを含む方法。
【請求項２０】
前記生成される電流の大きさを前記ギャップの調節により制御する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ギャップ調整により達成されるエネルギーの増強が、電流生成の増強へと変換されるエネルギーシミュレーションを生成する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記相対的に冷えた表面が光起電性表面であり、前記増強された電流生成自体が前記光起電性表面の出力で示される、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、入射する放射線の作用により半導体内に電子及び正孔等のキャリアを生成する分野に関し、特に、加熱表面から発せられる放射線に関し、一つの重要な用途では、加熱表面が近接することに起因する光起電性デバイス及びその類の内部でのかかる生成の増強に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な光起電性セルでは、該セルを形成する半導体材料の表面近くに半導体p-n接合が形成される。太陽等の光源により光子が発せられて該セル表面に当たると、電子-正孔対が生成される。かかる電子-正孔対は、p-n接合の結果として生じる空間電荷の電位により分離される。その最終結果としてＤＣ電流が生じる。熱光起電力(thermophotovoltaics)は、光源の代わりに半導体材料よりも高い温度の表面が光子の発生源として作用することを除き、上記と同様に作用する。この場合には、熱放射がエネルギー伝達のメカニズムであり、該放射のスペクトル構造を決定する発生表面の温度は、変換効率を最適化するために、半導体材料及びその電子的特性（バンドギャップ等）に適合していなければならない。
【０００３】
従来の熱光起電性デバイス及びシステムは、発生表面とセル表面との間の距離が熱放射の特性波長に対して大きくなるように設計されてきた。したがって、熱放射伝達は、ステファン・ボルツマンの法則、及びプランクの法則によるスペクトル構成を特徴とするものである。
マイクロスケール（微細尺度での）放射熱伝達
ここで、光起電性セル及びその類を含む半導体デバイスの分野から放射熱伝達の一般的な分野へと目を向けることにする。放射熱伝達の古典的な歴史において、単位面積あたりの放射出力、及び周囲との熱平衡状態における平坦表面の波長間隔あたりの放射出力は、プランクの法則により与えられる。全ての波長にわたるプランクの法則の統合(integration)により、黒色表面についてのステファン・ボルツマンの法則がもたらされる。同様に、この法則は、２つの黒色表面間のエネルギー交換を支配する。
【０００４】
プランクの法則は、放射体の所与の温度での放射エネルギーの大部分が最大のスペクトル強度「lambdamax」の波長の周辺にくることになることを予測している。「lambdamax」は、ウィーンの変位法則により予測されたものである。短い波長では、出力の降下が極めて急速になり、一方、「lambdamax」よりも大きい波長では、出力の降下はそれよりも遙かに緩やかになる。低温では「lambdamax」は一層長い波長で生じる。
【０００５】
上記の古典的な歴史においては、放射表面間の距離が、必然的に伴うエネルギーの波長と比較して長いことが仮定されている。プランク自身は、この条件を彼の導出に強要した。過去数十年にわたり、放射熱伝達理論及び実験の小さな区域が開発されてきた。この場合、放射性の固体間の空間は、交換される放射の特性波長のオーダー又はそれよりも小さいものである。該波長と同じオーダー又はそれよりも小さい距離だけ分離された２つの表面（誘電体-誘電体又は金属-金属）間のエネルギー交換はそれよりも大きな距離の場合よりも数倍大きくなることができ、この効果の度合いは該距離の短縮と共に急激に増大する、ということを示す実験上の証拠が存在する。かかる実験の例が、1967年11月のCravalho,E.G等の「Effect of Small Spacing on Radiative Transfer Between Dielectrics」(Journal of Heat Transfer, pp.351-358)、1973年のHargreaves,C.Mの「Radiative Transfer Between Closely Spaced bodies」(Philips Res. Reports Supplement No.5, pp.1-80)、1978年8月におけるKutateladze,S.S等の「Effect of Magnitude of Gap Between Metal Plates on their Thermal Interaction at Cryogenic Temperatures」(Sov.Phys.Dokl 23(B), pp577-578)に記載されている。極めて小さい又は「マイクロスケールの」間隔によりエネルギー交換の大きさが増大するという理法は、1971年11月におけるPolder, D.等の「Theory of Radiative Heat Transfer Between Closely Spaced Bodies」(Physical Review B, vol.4, No.10, pp.3303-3314)、及び1980年におけるLevin, M.L.等の「Contribution to the Theory of Heat Exchange Due to a Fluctuating Electromagnetic Field」(Sov.Phys.JETP, Vol.6, pp.1054-1063)において理論的に予測されている。
【０００６】
本発明の根底を成すのは、（「Enhanced Semiconductor Carrier Generation Via Microscale Radiative Transfer: MPC - An Electric Power Finance Instrument Policy; Interrelated Innovations in Emerging Energy Technologies」と題する1996年6月におけるマサチューセッツ工科大学での本出願人の未公開論文に一層完全に示されているように）本出願人の新規の概念的な見識及び発見である。即ち、該概念的な見識及び発見とは、熱光起電エネルギー変換及び小さな間隔による放射熱伝達システムに関する以前は無関係であった技術を相乗的に組み合わせて、デバイスの表面及び加熱表面の極めて小さいギャップでの並置を用いることを介して加熱表面からの放射線（光子等）を受容する光起電セル及びその類の半導体デバイスにおける半導体キャリア（電子及び正孔）の生成を増強させるようにすることが可能である、ということである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の主な目的は、半導体又はデバイスの表面と加熱表面との極めて小さいギャップ（マイクロスケール）での並置を用いることを介して加熱表面からの放射線を受容する半導体デバイス及びその表面近傍におけるキャリア（例えば電子及び／又は正孔）の生成を増強させるための新規の改善された方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の更なる目的は、改善された熱起電システムを提供することにある。
【０００９】
本発明の他の更なる目的については、以下で説明し、特に特許請求の範囲に示すこととする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
要約すれば、本発明は、その広範な態様のうちの１つからすれば、半導体におけるキャリアの生成を、加熱表面からの放射線を受容する該半導体表面の近傍において増強する方法であって、それら表面を並置し、その間隔をミクロンスケールの分離を形成するまで調節することを含む、方法を包含するものである。
【００１１】
一層詳細には、本発明は、以前には無関係であった熱光起電エネルギー変換及び小さな間隔による放射熱伝達システムに関する技術を組み合わせて半導体キャリアの生成を増強させるようにしたものである。
【００１２】
以下、本発明の好適でベストモードの設計及び実施について説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１には、加熱表面による放射線（光子を含む）発生器の概要が、温度ＴHのほぼ平坦な熱表面という形で符号1で示されており、これは、本発明に従い、（前記熱表面と比べて）相対的に冷えた温度ＴCの光起電セル（本出願人の前記論文の46頁に記載されている）といった半導体製の放射線受容体のほぼ平行な表面2と極めて近接して並置される。セルの底面若しくは背面又はセル正面の活性領域の凹部には、セル電流収集用の接点及びグリッド（図示せず）が配設されることになる。
【００１５】
加熱表面1から入射される放射線に応じたキャリア生成の著しい増大に関する本発明の増強された相乗効果は、上記論文の46頁に記載されているような0.01ミクロンというオーダーの、また場合によっては前記論文の77頁に記載されているように100ミクロンというオーダーまでの、上述の微小ギャップ（真空ギャップ）を用いた表面1,2の重要な近接配置を実施することにより達成される。なお、該ギャップは、殆どの用途では0.01〜20ミクロンが好適な範囲となる。
【００１６】
表面1,2間の決定的に重要なミクロン範囲の分離の微調整は、前記論文の84〜85頁に一層完全に記載されているように、New focus Corporation製のモデル8095といった圧電制御式レベル調整ステージ又はその類により制御することが可能である。
【００１７】
更に、極めて小さいギャップに鑑み、従来の振動絶縁テーブル及びその類により振動を絶縁する必要がある。
【００１８】
光起電性半導体デバイスの一例に関連して本発明を説明してきたが、半導体表面と加熱表面との近接した並置によるキャリア増強効果は広範な応用及び利用が可能なものであることは明らかである。
【００１９】
平坦な表面の代わりに、前記論文の66〜67頁に記載のように、パターンをエッチングその他により形成して３次元形態（チャネル、アイランド等）にし、並置された半導体表面へ伝達される放射エネルギーの電磁スペクトルを専用設計することが可能である。この場合には、１次元（ＭＴＰＶ、即ち２つの表面間の距離の制御）から３次元への自然な進歩が可能となり、この場合、マイクロスケールの間隔に加えて、２つの横寸法の関数としての表面の特性もまた制御される。要するに、ｘ及びｙが発生及び受容チップ表面の平面内にあり、ｚがそれらに垂直である場合には、自由度は、チップ間におけるｚ、一方又は両方のチップ内におけるｚ、一方又は両方のチップ内におけるｘ及びｙ、及び一方のチップの他方のチップに対するｘ及びｙである。
【００２０】
半導体は、Si及び２元性、３元性、及び４元性化合物半導体（InAs、InGaAs、及びInGaAsSbその他）を含むものとなる。
【００２１】
更に、加熱表面は、前記論文に記載のように、格子及びキャリアが同一温度にある場合だけでなく、電磁エネルギーの吸収を経る場合のようにキャリアの温度が格子よりも高い状況（熱電子）も含む。
【００２２】
当業者であれば更なる修正を実施することが可能であり、かかる修正は特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  熱光起電デバイスの典型的な用途に適用した場合における本発明の新規の原理を示す概略図である。
【符号の説明】
1    加熱表面
2    半導体表面
【図１】
0004708561.tif 000002