(57)【要約】 【課題】電磁と電気エネルギーとの間の変換を行うエネルギー変換装置およびその製造方法の提供。【解決手段】エネルギー変換装置は、熱エネルギービームで形成した第１のドープド領域と第２のドープド領域とをもつ広バンドギャップ半導体材料を備える。第１の例において、エネルギー変換装置は、発光装置として動作し、電力を受けて電磁放射を生じる。第２の例において、エネルギー変換装置は、光起電力装置として動作し、電磁放射を受けて電力を生じる。第３の例において、エネルギー変換装置は、絶縁材料を変換して形成する。光起電力装置を太陽熱液体加熱装置と組み合わせることにより、電磁放射を受けて電力および加熱液体を得ることができる。  【選択図】図４Ａ
2012510717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁と電気エネルギーとの間のエネルギーを変換する半導体エネルギー変換装置を製造する方法であり、次の各工程を備える、半導体エネルギー変換装置の製造方法。
・第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を用意する工程。
・その広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる工程。
・そのドーピングガスが存在する広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、それにより、第１のドープド区域の一部を広いバンドギャップの半導体材料の第２のドープド区域に変化させる工程。
・広いバンドギャップの半導体材料の第１および第２のドープド区域に対し、第１および第２のオーム電極を付ける工程。
【請求項２】
前記第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を用意する工程では、広いバンドギャップの半導体材料として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、窒化ボロンおよびリン化ガリウムから構成されるグループから選択する、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。  
【請求項３】
前記第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を用意する工程では、ｐ形の広バンドギャップ半導体材料を用意し、しかも、
前記ドーピングガスが存在する広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向ける工程では、前記ドーピングガスが存在する広バンドギャップ半導体材料の前記ｐ形のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、それにより、そのｐ形のドープド区域の一部を広バンドギャップ半導体材料のｎ形のドープド区域に変化させる、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を用意する工程では、ｎ形の広バンドギャップ半導体材料を用意し、しかも、
前記ドーピングガスが存在する広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向ける工程では、前記ドーピングガスが存在する広バンドギャップ半導体材料の前記ｎ形のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、それにより、そのｎ形のドープド区域の一部を広バンドギャップ半導体材料のｐ形のドープド区域に変化させる、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項５】
前記広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる工程では、適用するドーピングガスとして、窒素、トリメチルアルミニウム、ビス（エチルベンゼン）−クロム、ユウロピウム2,2,6,6,テトラメチル3,5,ヘプタンジオネイトおよびジエチルセレンから構成されるグループから選択する、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項６】
前記広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる工程では、ドーピングとして、窒素、アルミニウム、クロム、ボロン、ユウロピウム、セレン、ガリウム、ツリウム、カーボン、コバルト、エルビウム、マグネシウムおよび酸素から構成されるグループから選択する、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項７】
前記広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる工程では、広バンドギャップ半導体材料の原子価よりも充分に大きな原子価のドーパント原子を含むドーピングガスを当て、広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域内に多重ホールアクセプタを生じるようにする、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項８】
前記広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる工程では、広バンドギャップ半導体材料の原子価よりも充分に小さな原子価のドーパント原子を含むドーピングガスを当て、広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域内に多重ホールドナーを生じるようにする、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１および第２のオーム電極を付ける工程では、インジウム、アルミニウムおよびレーザ合成のカーボンリッチな導電体から構成されるグループから選択する、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体エネルギー変換装置は、前記第１および第２のオーム電極に電力を供給されると、電磁放射を生じ、発光装置として作動する、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項１１】
前記半導体エネルギー変換装置は、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極間に電力を生じ、光起電力装置として作動する、請求項１の半導体エネルギー変換装置の製造方法。
【請求項１２】
第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料と、
第１のドープド区域の一部内に形成したものであり、ドーピングガスの存在下で前記第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、第１のドープド区域の一部を変化させた第２のドープド区域と、
前記広バンドギャップ半導体材料の前記第１および第２のドープド区域に対し接続した第１および第２のオーム電極とを備える、半導体エネルギー変換装置。
【請求項１３】
前記半導体エネルギー変換装置は、前記第１および第２のオーム電極に電力を供給されると、電磁放射を生じ、発光装置として作動する、請求項１２の半導体エネルギー変換装置。
【請求項１４】
前記半導体エネルギー変換装置は、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極間に電力を生じ、光起電力装置として作動する、請求項１２の半導体エネルギー変換装置。
【請求項１５】
広バンドギャップ半導体材料の基板に半導体発光装置を製造する方法であり、次の各工程を備える、半導体発光装置の製造方法。
・第１のドープド区域をもつ広バンドギャップ半導体材料を用意する工程。
・その広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる工程。
・そのドーピングガスが存在する広バンドギャップ半導体材料の第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、それにより、第１のドープド区域の一部を広バンドギャップ半導体材料の第２のドープド区域に変化させる工程。
・広バンドギャップ半導体材料の第１および第２のドープド区域に対し、第１および第２のオーム電極を付ける工程。
【請求項１６】
半導体エネルギー変換装置は、前記第１および第２のオーム電極に電力を供給され、電磁放射を生じ、色温度が鮮明な真昼の光と平均的な昼の光との間である発光装置として作動する、請求項１５の半導体発光装置の製造方法。
【請求項１７】
半導体エネルギー変換装置は、前記第１および第２のオーム電極に電力を供給され、電磁放射を生じ、色温度が鮮明な真昼の光と平均的な昼の光との間である発光装置として作動する、請求項１５の半導体発光装置の製造方法
【請求項１８】
第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料と、
第１のドープド区域の一部内に形成したものであり、ドーピングガスの存在下で前記第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、第１のドープド区域の一部を変化させた第２のドープド区域と、
前記広バンドギャップ半導体材料の前記第１および第２のドープド区域に対し、接続した第１および第２のオーム電極とを備える、半導体発光装置。
【請求項１９】
半導体エネルギー変換装置は、前記第１および第２のオーム電極に電力を供給され、電磁放射を生じ、色温度が鮮明な真昼の光と平均的な昼の光との間である発光装置として作動する、請求項１８の半導体発光装置
【請求項２０】
第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料と、
第１のドープド区域の一部内に形成したものであり、ドーピングガスの存在下で前記第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向け、第１のドープド区域の一部を変化させた第２のドープド区域と、
前記広バンドギャップ半導体材料の前記第１および第２のドープド区域に対し接続した第１および第２のオーム電極とを備える、半導体光起電力装置。
【請求項２１】
絶縁基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を用意する工程。
・その絶縁材料の基板の一部を第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程。
・前記絶縁材料の基板の近接部分を、その第１の広バンドギャップ半導体材料に接触させるように、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に変える工程。
・前記第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に電気的に接触させて、第１の導電体を設ける工程。
・前記第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に電気的に接触させて、第２の導電体を設ける工程。
【請求項２２】
前記半導体エネルギー装置は、電磁放射の影響を受けて、前記第１および第２の導電体間に電力を得る半導体光起電エネルギー装置である、請求項２１の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項２３】
前記半導体エネルギー装置は、発光エネルギー装置であって、前記第１および第２の導電体間に電力の供給を受けて電磁放射を発する、請求項２１の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項２４】
前記絶縁材料を第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に変える工程では、前記絶縁材料を第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に変えることにより、前記第１タイプおよび第２タイプの広バンドギャップ半導体材料の間にＰＮ接合を形成する、請求項２１の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項２５】
前記第１の導電体を得る工程では、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料にオーム接触させて第１の導電体を形成し、そして、
前記第２の導電体を得る工程では、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料にオーム接触させて第２の導電体を形成する、請求項２１の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項２６】
絶縁基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を用意する工程。
・その絶縁材料の基板の領域を広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程。
・その広バンドギャップ半導体材料に第１導電体を形成する工程。
・前記広バンドギャップ半導体材料の第１の部分を、前記第１導電体に接触する第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程。
・前記広バンドギャップ半導体材料の第２の部分を、前記第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に接触する第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程。
・前記第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に接触させて第２の導電体を形成する工程。
【請求項２７】
前記絶縁材料の基板を用意する工程では、絶縁材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から構成されるグループから選択する、請求項２６の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の半導体エネルギー装置の製造方法であり、その中の各工程がそれぞれ次のように特定される、半導体エネルギー装置の製造方法。
・前記絶縁材料の基板を用意する工程では、ガラス基板（ＳｉＯ２）を用意する。
・その絶縁材料の基板の領域を広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程では、前記ガラス基板（ＳｉＯ２）の領域を炭化ケイ素（ＳｉＣ）に変える。
・前記第１導電体を形成する工程では、カーボンリッチな炭化ケイ素（ＳｉＣ）を形成する。
・前記広バンドギャップ半導体材料の第１の部分を第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程では、前記広バンドギャップ半導体材料の第１の部分をＮ形の炭化ケイ素材料（ＳｉＣ）に変える。
・前記広バンドギャップ半導体材料の第２の部分を第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程では、前記広バンドギャップ半導体材料の第２の部分をＰ形の炭化ケイ素材料（ＳｉＣ）に変える。
・前記第２の導電体を形成する工程では、カーボンリッチな炭化ケイ素（ＳｉＣ）を形成する。
【請求項２９】
請求項２６に記載の半導体エネルギー装置の製造方法であり、その中の各工程がそれぞれ次のように特定される、半導体エネルギー装置の製造方法。
・前記絶縁材料の基板を用意する工程では、セラミック基板（Ａｌ２Ｏ３）を用意する。
・その絶縁材料の基板の領域を広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程では、前記セラミック基板（Ａｉ２Ｏ３）の領域を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に変える。
・前記第１導電体を形成する工程では、アルミニウム（Ａｌ）を形成する。
・前記広バンドギャップ半導体材料の第１の部分を第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程では、前記広バンドギャップ半導体材料の第１の部分をＮ形の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に変える。
・前記広バンドギャップ半導体材料の第２の部分を第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に変化させる工程では、前記広バンドギャップ半導体材料の第２の部分をＰ形の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に変える。
・前記第２の導電体を形成する工程では、アルミニウム（Ａｌ）を形成する。
【請求項３０】
絶縁基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を用意する工程。
・前記基板の内部に、第１導電体を形成するための熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間に第１導電体を形成する工程。
・前記基板の内部に、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料を形成するための熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間であり、前記第１導電体に電気的に接触する第１タイプの広バンドギャップ半導体材料を形成する工程。
・前記基板の内部に、第２タイプの半導体を形成するための熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間であり、第２の広バンドギャップ半導体材料に近接する第２タイプの広バンドギャップ半導体材料を形成する工程。
・前記基板の第１面上に、第２導電体を形成するための熱エネルギーを集中させ、それにより、前記第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に電気的に接触する第２導電体を形成する工程。
【請求項３１】
前記熱エネルギーを集中させる工程では、前記基板の第１面と第２面との間にエネルギービームを集束させることを含む、請求項３０の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項３２】
前記熱エネルギーを集中させる工程では、前記基板の第１面と第２面との間に交わる多くのエネルギービームを向ける、請求項３０の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項３３】
前記熱エネルギーがレーザビームである、請求項３０の半導体エネルギー装置の製造方法。
【請求項３４】
絶縁基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を用意する工程。
・前記基板に広バンドギャップ形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、広バンドギャップ形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記第１面と第２面との間の前記絶縁材料の領域を広バンドギャップ半導体材料に変える工程。
・前記基板の内部に、第１導電体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間に第１導電体を形成する工程。
・前記基板に第１タイプの半導体形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、第１タイプの半導体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間であり、前記第１導電体に近接する第１タイプの広バンドギャップ半導体材料を形成する工程。
・前記基板に第２タイプの半導体ドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、第２タイプの半導体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間であり、前記第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に近接する第２タイプの広バンドギャップ半導体材料を形成する工程。
・前記基板の第１面上に、第２導電体を形成するための熱エネルギーを集中させ、それにより、前記第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に電気的に接触する第２導電体を形成する工程。
【請求項３５】
絶縁ガラス基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつ絶縁ガラス材料の基板を用意する工程。
・前記基板の絶縁ガラス材料の一部をＮ形およびＰ形の炭化ケイ素広バンドギャップ半導体材料の一方に変える工程。
・前記基板の絶縁ガラス材料の近接部分をＮ形およびＰ形の炭化ケイ素広バンドギャップ半導体材料の他方に変え、しかも、前記Ｎ形およびＰ形の炭化ケイ素広バンドギャップ半導体材料間を電気的に接触させる工程。
・前記Ｎ形およびＰ形の炭化ケイ素広バンドギャップ半導体材料の一方に電気的に接触する第１導電体を得る工程。
・前記Ｎ形およびＰ形の炭化ケイ素広バンドギャップ半導体材料の他方に電気的に接触する第２導電体を得る工程。
【請求項３６】
ガラス基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつガラス材料の基板を用意する工程。
・前記基板に対し、アセチレン、エチレンおよびメタンから構成されるグループから選択する広バンドギャップ形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、広バンドギャップ形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記第１面と第２面との間の前記ガラス材料の領域を炭化ケイ素材料に変える工程。
・前記基板の内部に、第１導電体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間の前記炭化ケイ素材料内に第１導電体を形成する工程。
・前記基板に対し、窒素（Ｎ２）およびジエチルセレン（Ｃ２Ｈ５）２Ｓｅから構成されるグループから選択する第１タイプの半導体形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、第１タイプの半導体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間の前記炭化ケイ素材料内であり、前記第１導電体に電気的に接触するＮ形の炭化ケイ素半導体材料を形成する工程。
・前記基板に対し、トリメチルアルミニウム［（ＣＨ３）３Ａｌ］およびビス（エチルベンゼン）−クロム（Ｃ１６Ｈ２０Ｃｒ）から構成されるグループから選択する第２タイプの半導体形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、第２タイプの半導体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間の炭化ケイ素広バンドギャップ半導体材料内であり、前記Ｎ形の炭化ケイ素半導体材料と電気的に接触するＰ形の炭化ケイ素半導体材料を形成する工程。
・前記基板上に、第２導電体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記Ｐ形の炭化ケイ素半導体材料と電気的に接触する第２導電体を形成する工程。
【請求項３７】
アルミナセラミック基板から半導体エネルギー装置を製造する方法であり、次の各工程を備える半導体エネルギー装置の製造方法。
・第１面および第２面をもつアルミナの基板を用意する工程。
・カーボンソースを当て前記アルミナと反応させ、アルミナから酸素を取り除くことにより、カーボンオキサイドを形成する工程。
・前記基板に対し、窒素から構成されるグループから選択する広バンドギャップ半導体形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、広バンドギャップ形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記第１面と第２面との間の前記アルミナ材料の領域を窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）に変える工程。
・前記基板の内部に、第１導電体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間の前記窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）内に第１導電体を形成する工程。
・前記基板に対し、酸素（Ｏ２）およびシラン（ＳｉＨ４）から構成されるグループから選択する第１タイプの半導体形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、第１タイプの半導体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間の前記窒化アルミニウム広バンドギャップ材料内であり、前記第１導電体と電気的に接触するＮ形の窒化アルミニウム半導体材料を形成する工程。
・前記基板に対し、メタン（ＣＨ４）およびビス−マグネシウムジハイドレイト［Ｍｇ（ＴＭＨＤ）２］から構成されるグループから選択する第２タイプの半導体形成用のドーピングガスを当てる工程。
・前記基板の内部に、第２タイプの半導体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記基板の第１面と第２面との間の窒化アルミニウムバンドギャップ材料内であり、前記Ｎ形の窒化アルミニウム半導体材料と電気的に接触するＰ形の窒化アルミニウム半導体材料を形成する工程。
・前記基板上に、第２導電体形成用の熱エネルギーを集中させ、それにより、前記Ｐ形の窒化アルミニウム半導体材料と電気的に接触する第２導電体を形成する工程。
【請求項３８】
第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板と、
前記基板の第１面と第２面との間の基板の内部に位置する第１の導電体と、
その第１の導電体に接触するようにして、前記基板の内部に位置する第１タイプの広バンドギャップ半導体材料と、
前記基板の内部に位置し、前記第１タイプの広バンドギャップ半導体材料と接合を形成する第２タイプの広バンドギャップ半導体材料と、
その第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に接触する第２導電体とを備える、半導体エネルギー装置。
【請求項３９】
前記半導体エネルギー装置は、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する、請求項３８の半導体エネルギー変換装置。
【請求項４０】
前記半導体エネルギー装置は、電気エネルギーを電磁エネルギーに変換する、請求項３８の半導体エネルギー変換装置。
【請求項４１】
ワンピース構造の絶縁基板と、
そのワンピース構造の絶縁基板内に形成された起電力装置であり、前記ワンピース構造の絶縁基板に電磁放射が伝達し、その影響を受けて電力を発生するようになっている起電力装置とを備える、半導体エネルギー変換装置。
【請求項４２】
ワンピース構造の絶縁基板と、
そのワンピース構造の絶縁基板内に形成された発光装置であり、電力を受けて、前記ワンピース構造の絶縁基板から電磁放射を伝達するようになっている発光装置とを備える、半導体エネルギー変換装置。
【請求項４３】
ワンピース構造の絶縁基板と、
そのワンピース構造の絶縁基板内に形成され、電磁放射と電力との間のエネルギー変換を行うエネルギー変換装置と、
前記ワンピース構造の絶縁基板に取り付けられ、そのワンピース構造の絶縁基板内部の前記エネルギー変換装置に関する電磁放射を方向付けする透明な導波体とを備える、半導体エネルギー変換装置。
【請求項４４】
電磁放射を受けて液体を加熱するため、および電力を発生するためのエネルギー装置であり、
液体を受ける導管と、
ガラス基板と、
前記導管に近接させて前記ガラス基板を配置するサポートと、
前記ガラス基板内に配置された光起電力装置であって、前記電磁放射の第１波長を、前記ガラス基板を通して伝え前記導管に及ばせて前記液体を加熱し、しかもまた、前記電磁放射の第２波長を吸収して電力を発生する起電力装置とを備える、エネルギー装置。
【請求項４５】
電磁放射を受けて水を処理するため、および電力を発生するためのエネルギー装置であり、
未処理の水を受ける導管と、
ガラス基板と、
前記導管に近接させて前記ガラス基板を配置するサポートと、
前記ガラス基板内に配置された光起電力装置であって、前記電磁放射の第１波長を、前記ガラス基板を通して伝え前記導管に及ばせて前記未処理の水を加熱し、しかもまた、前記電磁放射の第２波長を吸収して電力を発生する起電力装置とを備える、エネルギー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エネルギー変換技術、さらに詳しくは、たとえば発光装置、光起電力装置、太陽熱液体加熱装置および水精製などの電磁気と電気エネルギー間のエネルギー変換のための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、化石燃料のコストや不足の問題から、各種の形態のエネルギー変換だけでなく、各種のタイプの代替エネルギーの技術開発が求められている。代替エネルギーの最も有望なものの一つは、太陽が発する電磁放射を電力および／または有用な熱に変換するものである。原子力および地熱エネルギー以外のほとんどすべてのエネルギーが、結局は太陽に由来することを理解したい。
【０００３】
太陽が発する電磁放射を電力に変換することについて、各種のタイプの装置が従来から知られている。それらのタイプの装置は、一般に、光起電力装置と称され、太陽が発する電磁放射を電力に直接的に変換する。それらの装置は、エネルギー変換の過程で何ら有害なガスを生じない。
【０００４】
光起電力装置は限られた分野で用いられているが、光起電力装置の普及を制限している要因は、光起電力装置のコストや効率である。
【０００５】
エネルギー変換の有望な領域の一つは、電力のインプットに応じて電磁放射あるいは光を生じる、半導体発光エネルギー変換装置への利用であろう。それらの半導体発光エネルギー変換装置は、電磁放射を生じるとき、エネルギーが熱として無駄に失われることがほとんどない。半導体発光エネルギー変換装置は、限られた分野で用いられているが、その普及を制限している要因は、半導体発光エネルギー変換装置のコストや効率である。
【０００６】
半導体光起電エネルギー変換装置も半導体発光エネルギー変換装置も両方とも同様の半導体原理によって作動する。原則的に、半導体エネルギー変換装置は可逆的であり、光起電エネルギー変換装置あるいは発光エネルギー変換装置として作動するであろう。一般的に、半導体エネルギー変換装置は、光起電エネルギー変換装置あるいは発光エネルギー変換装置のいずれか一方として作動するように特に構成されている。
【０００７】
発光ダイオード（ＬＥＤ）用として、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＰ（リン化ガリウム）、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムヒ化ガリウム）、ＩｎＰ（リン化インジウム）、Ｓｉ（シリコン）およびＳｉＣ（炭化ケイ素）を含む様々な半導体が現在研究されている。最近、シリコン、それは間接遷移のバンドギャップ半導体であるが、そのシリコンにおいて、その欠陥状態の変化に起因して有効なルミネセンス（発光）を生じることが発見された［Wai Lek Ng,et al,Nature,Vol.410,Issue
8(2001)］。しかし、ＳｉＣ、それは間接遷移の広いバンドギャップをもつ半導体（WBGS）であり、青色スペクトルを一般に発光するが、そのＳｉＣにおいて、有効な放射アイソエレクトニックトラップは何ら見出されず、その結果として、このＬＥＤ材料の進展は不活発になった。最近の他の論文は、ＳｉＣ  ＬＥＤが大きな量子効率を示すポテンシャルがあることを示している［a) S.I. Vlaskina,“Silicon
Carbide LED”,Semiconductor Physics,Quantum
Electronics & Optoelectronics,2002,Vol.5,No.1,pp71-75, b) S.Kamiyama et al,“Extremely high
quantum efficiency of donor-acceptor-pair emission in N-and B-doped
6H-SiC,JAP,99,093108(2006).］。
【０００８】
Ｐ形不純物、特に低い抵抗率を示すもののドーピングは、広いバンドギャップをもつ半導体ＬＥＤ材料の候補にとって不利であった。イオン打込みおよび熱拡散は、現在最も広く用いられている半導体への不純物導入技術である。減速イオンによる散乱エネルギーは、点欠陥および非晶質材料の形成をもたらすことにより、結晶ダメージを生じるおそれがある。イオン打込みの後で高温の一定温度でアニールしウェーハを加熱すると、先に用意した下層に好ましくないドーパントの拡散を生じる。
【０００９】
広いバンドギャップをもつ半導体、特にはＳｉＣの装置加工（ファブリケーション）にとって、その硬度、化学的不活性および大抵の不純物について拡散係数が低いことに起因して、ドーピングが一つの問題である［I.A. Salama, Ph.D. Dissertation,
University of Central Florida, Spring(2003)］。ＳｉＣのファブリケーションに用いる現在のドーピング方法は、エピタキシャル成長層（エピ成長層）とイオン打込みである。最大ドーピング濃度は溶解性によって規制され、ドーパント深さは広いバンドギャップをもつ半導体基板中へのドーパントの質量拡散係数によって規制される。エピ成長層ドーピングは、ＣＶＤ法（化学気相成長法）によるエピタキシャル成長の間の本来のドーピングであり、ＳｉＣにおいて、ｎ形として窒素（Ｎ）あるいはリン（Ｐ）、ｐ形としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはホウ素（Ｂ）、そして半絶縁形としてバナジウムに制限される。イオン打込みは、広いバンドギャップをもつ半導体装置に用いる最も一般的なドーピング技術である。このプロセスは、イオン打込みによって、ウェーハ中の非晶質化を含む欠陥中心を生じる。そのため、それらの欠陥を除去するため、およびドーパントを電気的に作動させるために、高温でのアニールが必要である。１７００℃に達する温度でのアニールの後、ＳｉＣには多少の欠陥が残る［Z. Tian., N.R.Quick.
and A.Kar, Acta Materialia, Vol.53,(2005),pp.2835-2844］。それらの温度でのアニールにより、シリコンの昇華および再分配に起因して厳しい表面欠陥が生じる可能性がある［Z. Tian., N.R.Quick.
and A.Kar, Acta Materialia, Vol.54,4273,(2006)］。まとめると、今までのドーピングプロセスは、ドーパントの種類、ドーパントの濃度を制限し、欠陥を作り出す。
【００１０】
サンプルの区域を定めて選択的に不純物を導入するため、ホトリソグラフィによるパターン加工が必要である。これには、普通の場合、１０〜１５に達する個々の処理工程が必要である。ＳｉＣのイオン打込みの間に観察される共通の問題として、Ｓｉのダメージ誘起昇華エッチング（ＤＡＳＥ）およびドーパントの外拡散がある。予めパターン加工せずに直接ドーピングを行う技術が、経済的に生育している［a) S.J. Pearton, Processing of Wide Bandgap Semiconductors, 1st Edition, William
Andrew Publishing, 2000; b) Z.C. Feng, J.H. Zhao,“Silicon Carbide: Materials, Processing, Devices”, Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattices, vol.20, Taylor and Francis Books, INnc., 2004; c) M.E. Levinshtein
et al,“Properties of Advanced Semiconductor Materials”,Wiely-Interscience Publications, 2001］。
【００１１】
ＵＳＰ第５，０６３，４２１号（鈴木ほか）は、ｐ−ｎ接合をもつ炭化ケイ素発光ダイオードを示す。それは、半導体基板と、その基板上に形成した第１の炭化ケイ素単結晶成長層と、その第１の炭化ケイ素成長層上に形成した反対導電形の第２の炭化ケイ素単結晶成長層とを備え、それらの第１および第２の炭化ケイ素成長層がｐ−ｎ接合を構成し、第１および第２の炭化ケイ素成長層の少なくとも一つが発光中心として４価の遷移元素を含むものである。
【００１２】
ＵＳＰ第５，２４３，２０４号（鈴木ほか）は、ｐ形炭化ケイ素単結晶成長層およびその上に形成したｎ形炭化ケイ素単結晶成長層が構成するｐ−ｎ接合をもつ炭化ケイ素発光ダイオードを示す。その場合、自由励起子の再結合による発光を事実上利用し、ｐ−ｎ接合の境界に近接するｎ形炭化ケイ素成長層の少なくとも一部に、１ｘ１０１８ｃｍ−３あるいはそれ以上の濃度のドナー不純物をドーピングする。また、そのような炭化ケイ素発光ダイオードの製造方法、およびその他の炭化ケイ素発光ダイオードの製造方法が提供されている。
【００１３】
ＵＳＰ第５，４１６，３４２号（エドモンドほか）は、可視スペクトルの青の部分の光を大きな外部量子効率で発光する発光ダイオードを示す。そのダイオードは、第１の導電形の単結晶炭化ケイ素基板と、その基板上の第１のエピタキシャル成長炭化ケイ素層であり、基板と同じ導電形の層と、第１のエピタキシャル成長層上の第２のエピタキシャル成長炭化ケイ素層であり、第１の層とは反対の導電形の層とを備える。第１および第２のエピタキシャル成長層はｐ−ｎ接合を形成し、ダイオードは、そのｐ−ｎ接合に電位差を与えるためのオーム接触を含む。第２のエピタキシャル成長層には側壁と上面とがあり、それらがダイオードの上部面を形成する。その第２のエピタキシャル成長層の厚さは、接合から発する光が側壁から外部へ放射する立体角を大きくするのに充分な大きさであるが、その第２の層における内部吸収によってダイオードの上部面から発光する光を実質的に減じない厚さよりも小さい。
【００１４】
ＵＳＰ第６，９００，４６５号（中村ほか）は、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体による単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造の活性層をもつ窒化物半導体発光装置を示す。活性層の一面に接触するように、アルミニウムおよびガリウムを含むｐ形窒化物半導体の第１のｐ形クラッド層がある。その第１のｐ形クラッド層上に、アルミニウムおよびガリウムを含むｐ形窒化物半導体の第２のｐ形クラッド層がある。第２のｐ形クラッド層のバンドギャップは、第１のｐ形クラッド層のそれよりも広い。活性層の他面に接触するように、ｎ形の半導体層がある。
【００１５】
ＵＳＰ第６，９９８，６９０号（中村ほか）は、基板上に形成したガリウム窒化物を基礎にしたIII−Ｖ族化合物半導体層と、その半導体層に接触するように設けたオーム電極とを備える、ガリウム窒化物を基礎にしたIII−Ｖ族化合物半導体装置を示す。オーム電極は、金属材料から形成され、アニールされている。
【００１６】
ＵＳＰ第７，０４５，３７５号（ウーほか）は、第１の光子リサイクリング半導体発光ダイオード（ＰＲＳ−ＬＥＤ）および第２のＰＲＳ−ＬＥＤを備える白色光発光装置を示す。第１のＰＲＳ−ＬＥＤは、青色光を発光する主要な光源であり、しかも、青色光に応じる赤色光を発光する従的な光源である。そして、第２のＰＲＳ−ＬＥＤは、緑色光を発光する主要な光源であり、しかも、緑色光に応じる赤色光を発光する従的な光源である。主要な光源のそれぞれが、ｐ形ＧａＮ層とｎ形ＧａＮ層との間に配置したＩｎＧａＮ層によって作られる。従的な光源は、ＡｌＧａＩｎＰから作られる。主要な光源および従的な光源は、サファイア基板の反対側に配置される。その代わりに、従的な光源を主要な光源のｎ形ＧａＮ層上に配置することができる。従的な光源については、構成が同じかあるいは異なるＡｌＧａＩｎＰの微小なロッドで構成することもできる。
【００１７】
ＵＳＰ第７，０４９，６４１号（パン）は、深いエネルギー準位の転移（すなわち、深いエネルギー準位−伝導帯、深いエネルギー準位−価電子帯、あるいは深いエネルギー準位−深いエネルギー準位）を用い、有用な結果を得た半導体装置を示す。その発明の装置に宿る基本的な考えは、深いエネルギー準位状態の帯およびまさしく伝導帯を通して（あるいは、深いエネルギー準位帯およびまさしく価電子帯を通して）生じるが、３つのすべての帯を通す流れには、目立って大きい電流は生じない。それが意味することは、深い状態が非放射トラップとして働くのではなく、むしろ移動を生じるエネルギー帯として働くことである。有利なことには、深いエネルギー準位のエネルギー帯が放射遷移を助長し、光学遷移の上位あるいは下位いずれかとして働く。
【００１８】
広いバンドギャップ材料およびそれのプロセス技術について、次のような特許が論じている。すなわち、ＵＳＰ第５，１４５，７４１号、ＵＳＰ第５，３９１，８４１号、ＵＳＰ第５，７９３，０４２号、ＵＳＰ第５，８３７，６０７号、ＵＳＰ第６，０２５，６０９号、ＵＳＰ第６，０５４，３７５号、ＵＳＰ第６，２７１，５７６号、ＵＳＰ第６，６７０，６９３号、ＵＳＰ第６，９３０，００９号、ＵＳＰ第６，９３９，７４８号、ＵＳＰ第７，０１３，６９５号、ＵＳＰ第７，２３７，４２２号、ＵＳＰ第７，２６８，０６３号、ＵＳＰ第７，４１９，８８７号、およびＵＳＰ第７，６１８，８８０号である。それらを参照によって、この出願の中に組み入れる。
【００１９】
したがって、この発明の一つの目的は、本来広いバンドギャップ材料あるいは絶縁材料内に形成する半導体エネルギー変換装置から構成される、エネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２０】
この発明の他の目的は、発光装置に組み込み、電力の供給を受けて電磁放射を生じるエネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２１】
この発明の他の目的は、光起電力装置に組み込み、電磁放射の供給を受けて電力を生じるエネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２２】
この発明の他の目的は、光起電力装置および太陽熱液体加熱装置に組み込み、電磁放射の供給を受けて電力および温熱を生じるエネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２３】
この発明の他の目的は、光起電力装置および液体熱装置に組み込み、電磁放射の供給を受けて電力を生じ、および水を処理するエネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２４】
この発明の他の目的は、一般的なドーパントおよび一般的ではないドーパントを広い間接バンドギャップ半導体中にドーピングし、有効な放射状態を作り、有効な半導体エネルギー変換装置を得るためのプロセスを組み込んだエネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２５】
この発明の他の目的は、エネルギー変換装置を半導体エネルギー変換装置の白色光の感度に同調することができるドーパントを組み合わせるようにしたエネルギー変換装置およびその製法を提供することである。
【００２６】
この発明の他の目的は、ワンピース基板内に形成したエネルギー変換装置を提供することである。
【００２７】
この発明の他の目的は、低コストであり、大きな面領域に加工することができるエネルギー装置を製造するためのプロセスを提供することである。
【００２８】
以上、この発明に関連するいくつかの目的について概説した。それらの目的は、この発明に関連するいくつかの特徴および適用について単に説明しただけである。開示した発明とは異なるやり方、あるいは変形したものを用いることにより、他の多くの利点を得ることができる。したがって、この発明については、次に述べる発明の概要や発明の好ましい実施例についての説明を参照することによってさらに深く理解することができるであろう。
【発明の概要】
【００２９】
この発明は、添付の図面に示す具体的な実施例を伴いつつ、付属のクレームによって定まる。この発明を要約すると、この発明は、電磁と電気エネルギーとの間の半導体エネルギー変換装置およびその製法に関する。その半導体エネルギー変換装置は、第１のドープド（つまり、不純物導入）区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を備える。広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる。ドーピングガスが存在する広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域上に、熱エネルギービームを向ける。それにより、第１のドープド区域の部分を広いバンドギャップの半導体材料の第２のドープド区域に変化させる。広いバンドギャップの半導体材料の第１および第２のドープド区域に対し、第１および第２のオーム電極を付ける。
【００３０】
この発明のより具体的な実施例において、第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を得る工程では、広いバンドギャップの半導体材料として、炭化ケイ素（シリコンカーバイド）、窒化ガリウム（ガリウムナイトライド）、窒化アルミニウム（アルミニウムナイトライド）、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、窒化ボロン（ボロンナイトライド）およびリン化ガリウム（ガリウムフォスファイド）から構成されるグループから選択する。
【００３１】
この発明のより具体的な他の実施例において、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域にドーピングガスを当てる工程では、適用するドーピングガスとして、窒素、トリメチルアルミニウム、ビス（エチルベンゼン）−クロム、ジエチルセレンおよびユウロピウム2,2,6,6,テトラメチル3,5,ヘプタンジオネイトから構成されるグループから選択する。好ましくは、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域にドーピングガスを当てる工程において、広いバンドギャップの半導体材料の原子価よりも充分に大きな原子価のドーパント原子を含むドーピングガスを当て、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域内に多重ホールドナーを生じるようにする。その代わりに、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域にドーピングガスを当てる工程において、広いバンドギャップの半導体材料の原子価よりも充分に小さな原子価のドーパント原子を含むドーピングガスを当て、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域内に多重ホールアクセプタを生じるようにすることができる。第１および第２のオーム電極を付ける工程では、インジウム、アルミニウムおよびレーザ合成のカーボンリッチな導電体あるいは導体から構成されるグループから選択する。
【００３２】
半導体エネルギー変換装置は、発光装置あるいは光起電力装置として作動する。半導体エネルギー変換装置は、第１および第２のオーム電極に電力を供給されると、電磁放射を生じ、発光装置として作動する。半導体エネルギー変換装置は、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極間に電力を生じ、光起電力装置として作動する。
【００３３】
この発明の他の実施例において、この発明は、第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を構成する半導体エネルギー変換装置の中に組み入れられる。第１のドープド区域の一部に第２のドープド区域を形成するが、その形成は、ドーピングガスの存在の下、第１のドープド区域に熱エネルギービームを当て、第１のドープド区域の一部を第２のドープド区域に変える。広いバンドギャップの半導体材料の第１および第２のドープド区域に、第１および第２のオーム電極を接続する。一例において、半導体エネルギー変換装置は、発光装置として作動し、第１および第２のオーム電極に電力を供給され、電磁放射を生じる。別の例において、半導体エネルギー変換装置は、光起電力装置として作動し、電磁放射を受けて、第１および第２のオーム電極間に電力を生じる。
【００３４】
この発明のさらに別の実施例において、この発明は、広いバンドギャップの半導体材料の基板に半導体発光装置を製造するためのプロセスに組み入れられる。そのプロセスは、第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を得る工程を備える。広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域に、ドーピングガスを当てる。ドーピングガスの存在の下、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域に熱エネルギービームを当て、広いバンドギャップの半導体材料中の第１のドープド区域の一部を第２のドープド区域に変える。広いバンドギャップの半導体材料の第１および第２のドープド区域に、第１および第２のオーム電極を付ける。一例では、半導体エネルギー変換装置は、第１および第２のオーム電極に電力を供給され、電磁放射を生じ、色温度が鮮明な真昼の光と平均的な昼の光との間である発光装置として作動する。別の例において、半導体エネルギー変換装置は、第１および第２のオーム電極に電力を供給され、電磁放射を生じ、色温度が鮮明な真昼の光と平均的な昼の光との間である発光装置として作動する。
【００３５】
この発明のさらに別の実施例において、この発明は、第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を備える半導体発光装置に組み入れられる。その第１のドープド区域の一部には、ドーピングガスの存在の下、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域に熱エネルギービームを当て、第１のドープド区域の一部を第２のドープド区域に変えることによって、第２のドープド区域を形成する。広いバンドギャップの半導体材料の第１および第２のドープド区域に、第１および第２のオーム電極を付ける。
【００３６】
この発明のさらなる実施例において、この発明は、第１のドープド区域をもつ広いバンドギャップの半導体材料を備える光起電力装置に組み入れられる。その第１のドープド区域の一部には、ドーピングガスの存在の下、広いバンドギャップの半導体材料の第１のドープド区域に熱エネルギービームを当て、第１のドープド区域の一部を第２のドープド区域に変えることによって、第２のドープド区域を形成する。広いバンドギャップの半導体材料の第１および第２のドープド区域に、第１および第２のオーム電極を付ける。
【００３７】
この発明は、また、絶縁基板から半導体エネルギー変換装置を製造するプロセスに組み入れられる。そのプロセスには、第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を用意する工程を備える。絶縁材料の基板の一部を第１タイプの広いバンドギャップをもつ半導体材料に変化させる。絶縁材料の基板の近接部分は、その第１の広いバンドギャップをもつ半導体材料に接触させるように、第２タイプの広いバンドギャップをもつ半導体材料に変える。第１タイプの広いバンドギャップをもつ半導体材料に対し電気的に接触させて、第１の導電体あるいは導体を設ける。また、第２タイプの広いバンドギャップをもつ半導体材料に対し電気的に接触させて、第２の導電体あるいは導体を設ける。
【００３８】
この発明のさらに具体的な実施例において、半導体エネルギー変換装置は、電磁放射の影響を受けて、第１および第２の導電体間に電力を得る半導体光起電エネルギー装置である。もう一つには、半導体エネルギー装置は、発光エネルギー装置であって、第１および第２の導電体間に電力の供給を受けて電磁放射を発する。
【００３９】
この発明の別の具体的な実施例において、この発明は、絶縁基板から半導体エネルギー変換装置を製造するプロセスに組み入れられる。そのプロセスには、第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を用意する工程を備える。絶縁材料の基板の領域を広いバンドギャップをもつ半導体材料に変化させる。その広いバンドギャップをもつ半導体材料に第１の導電体（導体）を形成する。その広いバンドギャップをもつ半導体材料の第１の部分を、第１の導電体に接触する第１タイプの広いバンドギャップ半導体材料に変える。その広いバンドギャップ半導体材料の第２の部分を、第１の広いバンドギャップ半導体材料に接触する第２タイプの広いバンドギャップ半導体材料に変える。第２タイプの広いバンドギャップをもつ半導体材料に接触させて、第２の導電体（導体）を設ける。
【００４０】
この発明は、また、第１面および第２面をもつ絶縁材料の基板を備える半導体エネルギー装置にも組み入れる。基板の第１面と第２面との間の基板の内部に、第１の導電体（導体）が位置する。その第１の導電体に接触するようにして、基板の内部に第１タイプの広バンドギャップ半導体材料がある。また、その第１タイプの広バンドギャップ半導体材料に接触するようにして、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料がある。その第２タイプの広バンドギャップ半導体材料に接触するよう、第２導電体（導体）がある。
【００４１】
この発明の他の実施例において、この発明は、ワンピースの絶縁基板を備える半導体エネルギー変換装置に組み入れられる。そのワンピースの絶縁基板内に光起電力装置が形成され、ワンピース絶縁基板に電磁放射が伝達し、起電力装置がその影響を受けて電力を発生するようになっている。
【００４２】
この発明の別の実施例において、この発明は、ワンピースの絶縁基板を備える半導体エネルギー変換装置に組み入れられる。そのワンピースの絶縁基板内に光発電装置が形成され、ワンピース絶縁基板からの電磁放射を伝達し、電力の使用に影響を与えるようになっている。
【００４３】
この発明のさらに別の実施例において、この発明は、ワンピースの絶縁基板を備える半導体エネルギー変換装置に組み入れられる。そのワンピースの絶縁基板内にエネルギー変換装置が形成され、電磁放射と電力との間のエネルギー変換を行う。ワンピースの絶縁基板には、透明な導波体が添えられ、ワンピース絶縁基板内のエネルギー変換装置に関係する電磁放射を方向付ける。
【００４４】
この発明の代わりの実施例において、この発明は、電力を発生するため、および、電磁エネルギーを受けて液体を加熱するためのエネルギー装置に組み入れられる。液体を受ける導管に近接する部分にガラス基板が配置される。そのガラス基板内に光起電力装置が配置されており、電磁放射の第１の波長のものをガラス基板を通して導管に伝えて液体を加熱し、また、電磁放射の第２の波長のものを光起電力装置に吸収させて電力を発生する。
【００４５】
この発明のさらなる別の実施例において、この発明は、太陽熱放射によって水の加熱精製を行う太陽熱水加熱装置と結合して、電磁エネルギーを受けて電力を発生するエネルギー装置に組み込まれる。
【００４６】
以上この発明に関連する重要な特徴を広く概観したが、それは次に述べる詳細な説明を理解しやすくし、先行技術に対するこの発明の貢献を充分に評価できるようにするためからである。この発明の追加的な特徴については、引き続いて説明する。それもこの発明のクレーム事項である。当業者であれば、発明の考え方および具体的な実施例を活用し、他の構成に変形したりデザインしたりし、この発明と同じ目的を実行することができるであろう。そのような等価の構成は、この発明の精神および考え方から外れることがないことについても、当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】熱エネルギービームを伴う気密チャンバの側面図であり、熱エネルギービームは、この発明の半導体エネルギー変換装置を形成するための広バンドギャップ半導体基板に作用する。
【図２】図１の基板の拡大した斜視図である。
【図３Ａ】半導体の価電子帯と伝導帯間の直接遷移を示すグラフである。
【図３Ｂ】半導体の価電子帯と伝導帯間の間接遷移を示すグラフである。
【図３Ｃ】半導体の価電子帯と伝導帯間の深いエネルギー準位の遷移を示すグラフである。
【図４Ａ】半導体発光装置を得るための、この発明による半導体エネルギー変換装置の第１例を示す側断面図である。
【図４Ｂ】半導体発光装置を得るための、この発明による半導体エネルギー変換装置の第２例を示す側断面図である。
【図４Ｃ】半導体発光装置を得るための、この発明による半導体エネルギー変換装置の第３例を示す側断面図である。
【図５Ａ】半導体光起電力装置を得るための、この発明による半導体エネルギー変換装置の第４例を示す側断面図である。
【図５Ｂ】半導体光起電力装置を得るための、この発明による半導体エネルギー変換装置の第５例を示す側断面図である。
【図５Ｃ】半導体光起電力装置を得るための、この発明による半導体エネルギー変換装置の第６例を示す側断面図である。
【図６】今までのプロセスにおけるＳｉＣのドーパント拡散係数を温度との関係で示すグラフである。
【図７】６Ｈ−ＳｉＣ炭化ケイ素の広バンドギャップ基板内部におけるドーパントＣｒ、ＮおよびＡｌの濃度を深さとの関係で示すグラフである。
【図８】４Ｈ−ＳｉＣ炭化ケイ素の広バンドギャップ基板内部におけるドーパントＣｒ、ＮおよびＡｌの濃度を深さとの関係で示すグラフである。
【図９Ａ】白色光半導体発光装置の第１例を示す側断面図であり、アルミニウムおよびクロムをドーピングすることによって、６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板上に加工したものである。
【図９Ｂ】図９Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１０Ａ】白色光半導体発光装置の第２例を示す側断面図であり、窒素およびクロムをドーピングすることによって、４Ｈ：ＳｉＣ（ｐ形）基板上に加工したものである。
【図１０Ｂ】図１０Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１１Ａ】オレンジレッド光半導体発光装置の第３例を示す側断面図であり、クロムをドーピングすることによって、４Ｈ：ＳｉＣ（ｐ形）基板上に加工したものである。
【図１１Ｂ】図１１Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１２Ａ】緑色光半導体発光装置の第４例を示す側断面図であり、クロムをドーピングすることによって、６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板上に加工したものである。
【図１２Ｂ】図１２Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１３Ａ】赤色光半導体発光装置の第５例を示す側断面図であり、クロムをドーピングすることによって、４Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板上に加工したものである。
【図１３Ｂ】図１３Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１４Ａ】青色光半導体発光装置の第６例を示す側断面図であり、アルミニウムをドーピングすることによって、６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板上に加工したものである。
【図１４Ｂ】図１４Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１５Ａ】ブルーグリーン光半導体発光装置の第７例を示す側断面図であり、ボロンをドーピングすることによって、６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板上に加工したものである。
【図１５Ｂ】図１５Ａの半導体発光装置について光強度を波長との関係で示すグラフである。
【図１６】いろいろな半導体装置について動作温度をバンドギャップとの関係で示すグラフである。
【図１７】半導体光起電力装置を示す側断面図であり、アルミニウムおよびクロムをドーピングすることによって、６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板上に加工したものである。
【図１８】この発明のエネルギー変換装置を組み込んだガラス窓をもつ建物構造物の斜視図である。
【図１９】図１８の線１９−１９に沿う拡大断面図である。
【図２０】図１８の線２０−２０に沿う拡大断面図である。
【図２１】図１９の一部を拡大した図である。
【図２２】図２０の一部を拡大した図である。
【図２３】図２１および図２２と同様の拡大図であり、図２１および図２２の両方のエネルギー変換装置を結合したものを示す。
【図２４】図２１のものに代わる実施例であり、エネルギー変換装置に直列にダイオードを結合している。
【図２５】この発明のエネルギー変換装置を製造するプロセスについてのブロック線図である。
【図２６】この発明のエネルギー変換装置を形成するシーケンスを示す。
【図２７】図２１の光起電エネルギー変換装置の拡大図である。
【図２８】図２２の発光エネルギー変換装置の拡大図である。
【図２９】図２４の発光エネルギー変換装置の拡大図である。
【図３０】ドーピングガスの存在下で熱エネルギービームを用いることにより、絶縁基板をエネルギー変換装置の構成要素に変換する装置の一部を示す。
【図３１】ドーピングガスの存在下で熱エネルギービームを用いることにより、絶縁基板をエネルギー変換装置の構成要素に変換する装置の代わりの一部を示す。
【図３２】この発明のエネルギー変換装置の具体的な例であり、絶縁ガラス基板上に形成したものを示す。
【図３３】この発明のエネルギー変換装置の具体的な例であり、酸化アルミニウム基板上に形成したものを示す。
【図３４】この発明の光起電エネルギー装置であり、導波体に結合したものを示す。
【図３５】この発明の発光エネルギー装置であり、導波体に結合したものを示す。
【図３６】この発明のエネルギー変換装置であり、光起電力装置と太陽熱液体加熱装置とを結合した形態を示す。
【図３７】図３６の一部を拡大した図である。
【図３８】図３７の線３８−３８に沿う拡大断面図である。
【図３９】この発明のエネルギー変換装置であり、光起電力装置と水処理のための太陽熱加熱装置とを結合した形態を示す。
【図４０】弁が水を循環する位置にある、図３９の装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１は、広バンドギャップ半導体基板２０上に半導体エネルギー変換装置１０を形成するための装置５の側面図である。広バンドギャップ半導体基板２０は、気密チャンバ３０の中に位置する。チャンバ３０は、そのチャンバ３０の側壁に連結した入口弁３１および出口弁３２の組合せを備え、それぞれ、チャンバ３０内にガスを入れ、そしてチャンバ３０からガスを取り除く。チャンバ３０は、気密な透過窓３４を含む。チャンバ３０は、気密シールを構成するサポート部材３６上に配置されている。
【００４９】
図２は、図１の広バンドギャップ半導体基板２０内に形成した半導体エネルギー変換装置１０を拡大して示す斜視図である。広バンドギャップ半導体基板２０には、第１面２１および第２面２２ならびに周囲端２３がある。広バンドギャップ半導体基板２０を正方形として示すが、ここに示す物理的な形状の広バンドギャップ半導体基板２０に限られるわけではない。
【００５０】
広バンドギャップ半導体基板２０のバンドギャップは、２．０ｅＶ（電子ボルト）以上であることが好ましい。一例において、広バンドギャップ半導体基板２０は、周期表のＩＶ族から選択したもので、２．０ｅＶ以上のバンドギャップをもつ。この発明のさらに具体的な例において、広バンドギャップ半導体基板２０は、本質的に単結晶構造である。
【００５１】
この発明のさらに具体的な例において、広バンドギャップ半導体基板２０は単結晶化合物であろう。単結晶化合物の元素については、周期表のIII族、IV族およびＶ族であり、２．０ｅＶ以上のバンドギャップをもつものから選択する。化合物の一つの元素は、化合物の他の元素よりも大きな融点をもつものが好ましい。広バンドギャップ半導体化合物の具体例は、アルミニウムナイトライド、シリコンカーバイド、ボロンナイトライド、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）およびガリウムフォスファイドから構成されるグループから選択する。
【００５２】
熱エネルギービーム４０は、ソース４２から発し、気密な透明窓３４を通過して、広バンドギャップ半導体基板２０の第１面２１に作用する。一例において、熱エネルギービーム４０は電子ビームあるいはイオンビームのような荷電粒子のビームである。別の例おいて、熱エネルギービーム４０はレーザビームのような電磁放射のビームである。レーザビームの適切な例として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、倍波周波数２ｗＮｄ：ＹＡＧレーザ、３倍波周波数３ｗＮｄ：ＹＡＧレーザ、４倍波周波数４ｗＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２あるいはエキシマレーザがある。
【００５３】
熱エネルギービーム４０は、半導体エネルギー変換装置１０を製造するため、広バンドギャップ半導体基板２０の第１面２１を２次元に走査される。この例において、半導体エネルギー変換装置１０の第１面１１は広バンドギャップ半導体基板２０の第１面２１と一致し、第２面１２および周囲面１３を含む半導体エネルギー変換装置１０の残りの部分は、広バンドギャップ半導体基板２０内に埋まっている。
【００５４】
熱エネルギービーム４０は広バンドギャップ半導体基板２０に作用し、その広バンドギャップ半導体基板２０内に半導体エネルギー変換装置１０を作り出す。この例において、半導体エネルギー変換装置１０は広バンドギャップ半導体基板２０の第１面２１に位置する。半導体エネルギー変換装置１０は、広バンドギャップ半導体基板２０と熱エネルギービーム４０との間に相対的な動きが生じることにより、広バンドギャップ半導体基板２０の一部である。
【００５５】
広バンドギャップ半導体基板２０については、その広バンドギャップ半導体基板２０に半導体エネルギー変換装置１０を製造する上で適切な特性をもつ、モノリシック基板あるいは薄膜基板として形成することができる。レーザドーピングは、基板、ウェーハ、フレキシブルな基板上に付着した薄膜の反対側の面、あるいは同じ面の異なる領域部分で行う。
【００５６】
表１には、この発明の半導体エネルギー変換装置１０を作り出す上で適切である、広バンドギャップ半導体基板２０の初期の諸特性を規定している。
【００５７】
【表１】
2012510717.tif 000003
【００５８】
広バンドギャップ半導体基板２０は、レーザドーピングによりｎ形およびｐ形の両方のドーパントの不純物導入を行う。具体的なドーパントおよび基板には、ダイヤモンドライクカーボン中への窒素およびコバルト、ＧａＮ中へのマグネシウム、シリコンカーバイド中へのアルミニウム、窒素、クロム、ボロン、ガリウム、ヨーロピウム、エルビウム、セレン、酸素およびツリウムがある。有機金属粉体前駆体からの導入である。
【００５９】
レーザドーピングによれば、一般のイオン打込みによるドーピングよりも高ドーパント濃度を得ることができる。イオン打込みと比較すると、格子欠陥を作り出すことなく、窒素ドーパントの濃度は１〜３桁ほど増し、また、アルミニウムのドーピングは１〜４桁ほど増す。レーザドーピングの深さは、２００〜３００ｎｍから４μｍあるいはそれ以上にまで達する。レーザドーピングによって、好ましくは有機金属前駆体から、親基板の正の原子価原子よりも大きな原子価をもつ原子のドーピングを行うことができる。そのような今までは使われていないドーパントは、原子当たり多重のホール（正孔）を作り出すことに寄与し、間接遷移の広バンドギャップ半導体基板における放射状態を高効率にする。
【００６０】
ｎ形ドーピングを行うため、サンプルを３０ｐｓｉ（ｐｓｉはpounds per square inchの略であり、３０ｐｓｉは２．１ｋｇ／ｃｍ２に相当）の窒素雰囲気中に置き、ステップモータ制御の移動ステージでチャンバを動かすことにより、サンプル面にレーザによるドーピング領域を形成した。チャンバの高さについて中間のステージを手動で制御し、ＳｉＣ基板上に異なる大きさのレーザスポットを得た。ガリウムフォスファイド（ＧａＰ）の場合、窒素はｎ形のドーパントというよりもむしろ、等電子欠陥として働く。ｐ形ドーピングを行うため、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、（ＣＨ３）３Ａｌ）、ビス（エチルベンゼン）−クロムおよびボロンを用いた。ＴＭＡは、７０℃に維持した水浴中に浸したバブラーの中で、それが蒸発するまで熱し、その後、キャリアガス、メタンをバブラーを通して入れ、ＴＭＡ蒸気をレーザドーピングのチャンバまで送った。同様にクロムのドーピングのときには、ビス（エチルベンゼン）−クロムを、１００℃に維持した水浴中に浸したバブラーの中で、それが蒸発するまで熱し、その後、キャリアガス、アルゴンをバブラーを通して入れ、エチルベンゼンクロム蒸気をレーザドーピングのチャンバまで送った。それらのドーパント類は、レーザにより加熱した基板面で分解し、ＡｌとＣｒ原子を生じ、続いてそれらは基板の中に拡散する。
【００６１】
続いて、多重ホールアクセプタを作り出すのに足る原子価をもつ原子をドーピングすることの重要性についてさらに詳しく説明する。クロム（６＋）、これはシリコン（４＋）より原子価が２大きいものであるが、有効な放射状態を作り出すためのドーパント例として用いる。通常、ドーパント原子については、それが広バンドギャップ半導体の親基板の原子構成をもつ原子のいずれの側に位置するものでも、周期表の隣接する族から選ぶ。たとえば、ＳｉはＩＶ族であり、たとえばＡｌ（ｐ形ドーパント）およびＰ（ｎ形ドーパント）の元素はそれぞれIII族およびＶ族である。遷移金属ＣｒをＳｉＣにドーピングしているが、それは今までの手法に倣うものではない。さらに、ＣｒはＣｒ原子当たり２つのホールを作り出すアクセプタ（多重ホールアクセプタ）として働く。ＤＬＴＳ法（deep level transient spectroscopy）によって確認したところ、高いＣｒ濃度がアクセプタ総数を大きく増した。クロムをレーザドーピングした４Ｈ−ＳｉＣ（ｎ形−Ｎ）ウェーハ基板のＤＬＴＳ法スペクトルは、クロムをドーピングした４Ｈ−ＳｉＣ（ｎ形）ウェーハのアクセプタ（ホール）状態に起因して、小数キャリアのトラップピークを示す。それによって、クロムがｐ形ドーパントであることが分かる。ＤＬＴＳ技術は、欠陥エネルギー準位、捕獲断面積、およびトラップ密度などの欠陥特性を確かめる上で力強いツールである。二重パルス法の照射による接合分光学と組み合わせた修正ＤＬＴＳによって、再結合中心として働く小数キャリアトラップを確認することができる。
【００６２】
その技術は、ショットキー障壁あるいはｐ−ｎ接合ダイオードの空間電荷領域における初期の非平衡状態の後、トラップレベルから熱平衡までの電荷担体の熱エミッションに関連する過渡キャパシタンス変化に基づく。ＤＬＴＳピークの極性は、小数キャリアあるいは多数キャリアのトラッピング後のキャパシタンス変化による。一般的に、小数キャリアのトラップは正のＤＬＴＳピークを生じ、また、多数キャリアのトラップは負のＤＬＴＳピークを引き起こす［D. V. Lang, Fast capacitance transient apparatus: Application to ZnO and O centers in GaP p-n
junctions, J. Appl. Phys. 45 (1974) 3014-3022］。
【００６３】
Ｃｒの活性状態については、Ｃｒをドーピングしたｎ形（窒素ドーピング）４Ｈ−ＳｉＣサンプルを用いたホール効果測定によって確認されている。このサンプルを用意するとき、ｐ形４Ｈ−ＳｉＣウェーハにＣｒをレーザドーピングするために用いたものと同じレーザドーピング因子を用いた。ホール効果測定により、基づく。Ｃｒをドーピングした領域がｐ形であり、キャリア濃度が平均ドーパント濃度（〜１０１９ｃｍ−３）のほとんど２倍という１．９４２ｘ１０１９ｃｍ−３であることを確認した。平均ドーパント濃度は、ｎ形４Ｈ−ＳｉＣについてウェーハ表面が２ｘ１０１９ｃｍ−３であり、５００ｎｍの深さで１０１７ｃｍ−３の濃度をもつという、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）のデータに基づく。このデータは、二重アクセプタとしてのＣｒ、およびレーザドーピング技術が付加的なアニール工程を必要とせずに、すべてのドーパント原子を活性することを示す。
【００６４】
逆に言えば、ＳｉＣは、同じホール濃度を得るためにＡｌ原子よりもわずかなＣｒ原子によってドーピングすることができる。ＳｉＣ格子における少数のＣｒ原子は、高い濃度のＡｌの場合よりも材料中に生じる歪みおよび欠陥を低減することが期待される。
【００６５】
同様に、多重電子ドナーをＳｉＣ中にレーザドーピングすることができる。＋２の原子価をもち、ユウロピウムテトラメチル，3,5,ヘプタンジオネイト前駆体蒸気から得たユウロピウムは、レーザ加熱により分解し、Ｃｒのレーザドーピングについて述べたプロセスを用いることによりＳｉＣ中に拡散する。ジエチルセレン前駆体から得るセレンもまた、多重電子ドナーとしてふるまう。
【００６６】
好ましいドーパントは、深いエネルギー準位状態の帯を作り出す。そのような帯は非放射トラップとしてふるまうことなく、電荷担体の移動を起こすエネルギー帯としてふるまう。それらの深いエネルギー準位状態は、光学的遷移の上位あるいは下位の状態として作用し、間接バンドギャップ材料を直接バンドギャップ材料に変化させる。
【００６７】
図３Ａは、半導体の価電子帯と伝導帯との間の直接遷移を示すグラフである。直接遷移において、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーのすべてが本質的に光子に変わる。
【００６８】
図３Ｂは、半導体の価電子帯と伝導帯との間の間接遷移を示すグラフである。間接遷移において、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーの一部が本質的に光子に変わり、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーの一部はフォノンに変わる。
【００６９】
図３Ｃは、半導体の価電子帯と伝導帯との間の深いレベルの遷移を示すグラフである。深いレベルの遷移において、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーのすべてが本質的に光子に変わる。深いレベルは、光学的に活性であり、たとえば直接バンドギャップの半導体のふるまいを生じる。図３Ａ〜３Ｃは、この作用を模式的に示す。
【００７０】
さらに詳しく述べると、レーザドーピングによれば、意図的に歪みを生じさせて電子運動量状態を変えることによって、間接遷移バンドギャップ半導体を直接遷移バンドギャップ半導体に変えることができる。間接遷移バンドギャップ半導体は、運動量（ｋ）＝０で発生しない伝導帯ボトムをもつ。それに対し、価電子帯のトップはｋ＝０で生じる。したがって、ホールと電子との再結合の間に解放されるエネルギーは、主にはフォノン（付加的な運動量）に変わる。それは、量子化した音波である準粒子である。たとえば、Ｓｉ、ＧａＰ、ＳｉＣの場合である。また、直接遷移バンドギャップ半導体は、運動量ｋ＝０で生じる伝導帯ボトムおよび価電子帯トップをもつ。したがって、帯と帯との電子とホールとの再結合の間に解放されるエネルギーは、主には光子放射（放射再結合）に変わり、エネルギーギャップで決まる波長を示す。たとえば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮであり、余分な運動量は不要である。直接遷移バンドギャップ半導体は時々「光学的に活性」と、また、間接の方は「光学的に不活性」とそれぞれ称される。ドーパントとして親の広バンドギャップ半導体の構成中の最大の原子価原子よりも大きな原子価をもつものを用いてレーザドーピングを行うと、間接遷移のＳｉＣ広バンドギャップ半導体を直接遷移のバンドギャップ半導体に変えることができる。好ましいドーパントは、親の広バンドギャップ半導体の構成中の最大の原子価原子よりも原子価が２あるいはそれ以上のものである。このドーピングにより歪みを生じ、それが電子の運動量を変化させる。それにより、何ら運動量を付加することなく、伝導帯と価電子帯間の電子−ホールの再結合トランスファを促進する。ＵＳＰ第７，０４９，６４１号（パン）は、深いエネルギー準位から伝導帯、深いエネルギー準位から価電子帯、あるいは深いエネルギー準位から深いエネルギー準位への遷移に対し、フォノンが必要でないことを示す。
【００７１】
逆に言えば、ｐ形およびｎ形の領域あるいは区域を伴う半導体光起電力装置は、その半導体光起電力装置に光あるいは電磁放射の照射を受けると、電流を生じることができる。
【００７２】
この発明のレーザドーピング技術は、モノリシックあるいは薄膜の形態において、ダイオード、トランジスタおよび他の電子部品などの多くの半導体構造のエネルギー変換装置を製造するために用いることができる。
【００７３】
図４Ａは、この発明によって形成した半導体エネルギー変換装置１０Ａの第１例であり、半導体発光装置としての例を示す側断面図である。この例において、基板２０Ａは、第１面２１Ａおよび第２面２２Ａならびに周囲端２３Ａをもつ。レーザドーピング領域あるいは区域５１Ａは、基板２０Ａの第１面２１Ａに形成されている。第１および第２のオーム電極６１Ａ，６２Ａは、基板２０Ａの第１面２１Ａおよび第２面２２Ａに電気的に結合されている。バッテリ７１Ａで表示するように、第１および第２のオーム電極６１Ａ，６２Ａ間に電流を送り込むと、半導体発光装置１０Ａは電磁放射を生じる。
【００７４】
第１および第２のオーム電極６１Ａ，６２Ａについて、好ましくは、広バンドギャップ半導体基板２０Ａの熱転換によって形成するのが良い。第１および第２のオーム電極６１Ａ，６２Ａを得るために、広バンドギャップ半導体基板２０Ａの一部を転換することについては、ＵＳＰ第５，１４５，７４１号、ＵＳＰ第５，３９１，８４１号、ＵＳＰ第５，７９３，０４２号、ＵＳＰ第５，８３７，６０７号、ＵＳＰ第６，０２５，６０９号、ＵＳＰ第６，０５４，３７５号、ＵＳＰ第６，２７１，５７６号、およびＵＳＰ第６，６７０，６９３号が示している。
【００７５】
図４Ｂは、この発明によって形成した半導体エネルギー変換装置の第２例であり、半導体発光装置１０Ｂとしての例を示す側断面図である。この例において、基板２０Ｂは、第１面２１Ｂおよび第２面２２Ｂならびに周囲端２３Ｂをもつ。レーザドーピング領域あるいは区域５１Ｂ，５２Ｂは、基板２０Ａの第１面２１Ｂに形成されている。第１および第２のオーム電極６１Ｂ，６２Ｂは、レーザドーピング領域５１Ｂ，５２Ｂに電気的に結合されている。バッテリ７１Ｂで表示するように、第１および第２のオーム電極６１Ｂ，６２Ｂ間に電流を送り込むと、半導体発光装置１０Ｂは電磁放射を生じる。
【００７６】
図４Ｃは、この発明によって形成した半導体エネルギー変換装置の第３例であり、半導体発光装置１０Ｃとしての例を示す側断面図である。この例において、基板２０Ｃは、第１面２１Ｃおよび第２面２２Ｃならびに周囲端２３Ｃをもつ。レーザドーピング領域あるいは区域５１Ｃ，５２Ｃは、基板２０Ａの第１面２１Ｃ上の層中に形成されている。第１および第２のオーム電極６１Ａ，６２Ａは、基板２０Ｃの第１面２１Ｃおよび第２面２２Ｃに電気的に結合されている。バッテリ７１Ｃで表示するように、第１および第２のオーム電極６１Ｃ，６２Ｃ間に電流を送り込むと、半導体発光装置１０Ｃは電磁放射を生じる。
【００７７】
図５Ａは、この発明によって形成した半導体エネルギー変換装置の第４例であり、半導体光起電力装置１０Ｄとしての例を示す側断面図である。この例において、基板２０Ｄは、第１面２１Ｄおよび第２面２２Ｄならびに周囲端２３Ｄをもつ。レーザドーピング領域あるいは区域５１Ｄは、基板２０Ｄの第１面２１Ｄに形成されている。第１および第２のオーム電極６１Ｄ，６２Ｄは、基板２０Ｄの第１面２１Ｄおよび第２面２２Ｄに電気的に結合されている。電流計７２Ｄで表示するように、半導体光起電力装置１０Ｄは、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極６１Ｄ，６２Ｄ間に電流を生じる。
【００７８】
図５Ｂは、この発明によって形成した半導体エネルギー変換装置の第５例であり、半導体光起電力装置１０Ｅとしての例を示す側断面図である。この例において、基板２０Ｅは、第１面２１Ｅおよび第２面２２Ｅならびに周囲端２３Ｅをもつ。レーザドーピング領域あるいは区域５１Ｅおよび５２Ｅは、基板２０Ｅの第１面２１Ｅおよび第２面２２Ｅに形成されている。第１および第２のオーム電極６１Ｅ，６２Ｅは、基板２０Ｅの第１面２１Ｅおよび第２面２２Ｅに電気的に結合されている。電流計７２Ｅで表示するように、半導体光起電力装置１０Ｅは、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極６１Ｅ，６２Ｅ間に電流を生じる。
【００７９】
図５Ｃは、この発明によって形成した半導体エネルギー変換装置の第６例であり、半導体光起電力装置１０Ｆとしての例を示す側断面図である。この例において、基板２０Ｆは、第１面２１Ｆおよび第２面２２Ｆならびに周囲端２３Ｆをもつ。レーザドーピング領域あるいは区域５１Ｆおよび５２Ｆは、基板２０Ｆの第１面２１Ｆ上の層中に形成されている。第１および第２のオーム電極６１Ｆ，６２Ｆは、基板２０Ｆの第１面２１Ｆおよび第２面２２Ｆに電気的に結合されている。電流計７２Ｆで表示するように、半導体光起電力装置１０Ｆは、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極６１Ｆ，６２Ｆ間に電流を生じる。
【００８０】
図６は、今までのドーピングプロセス（たとえば、熱拡散、イオン打込み）を用いてＳｉＣ中に各種の一般的なドーパントを導入するときの拡散係数を示すグラフである。今までのドーピングプロセスでは、また、ドーパントが制限される。たとえば、今までのドーピング技術を用いるとき、シリコンカーバイドＳｉＣへの窒素の拡散係数は２５００℃以上の温度で５ｘ１０−１２ｃｍ２／秒であり、シリコンカーバイドＳｉＣへのアルミニウムの拡散係数は１２００℃以上の温度で３ｘ１０−１４〜６ｘ１０−１２ｃｍ２／秒である。この発明のレーザドーピングのプロセスでは、シリコンカーバイドＳｉＣへの窒素の拡散係数は２ｘ１０−５と９ｘ１０−６ｃｍ２／秒との間に増大し、シリコンカーバイドＳｉＣへのアルミニウムの拡散係数は１ｘ１０−５と１ｘ１０−６ｃｍ２／秒との間に増大する。この発明のレーザドーピングのプロセスによれば、広バンドギャップ基板と一緒に、クロム（Cｒ）、ユウロピウム（Ｅｕ）およびセレン（Ｓｅ）を含む新しい種類のドーパントを使用することができる。
【００８１】
レーザドーピング（非平衡プロセス）は、表面での高いドーパント濃度を達成することができ、その濃度は溶解度の範囲を上回る。Z. Tian, N. R. Quick and A. Kar, Acta Materialia,
54, 4273, (2006) が示していることがであるが、レーザドーピングは、一般に知られているドーピング技術に比べると、ＳｉＣへのアルミニウムおよび窒素の拡散係数を約６倍に大きくする。また、それは、ウェーハの深さに沿うドーパント濃度勾配の形成（すなわち、濃度が深さに沿って次第に減少すること）を容易にする。線形の勾配をもつ接合を得ると、発光のためのデプレッション領域内で電子−ホールの再結合をさらに効果的に促進する［E. Fred Schubert,“Light Emitting Diodes”,Cambridge University Press, (2003)］。
【００８２】
PHI Adept 1010 という動的二次イオン質量分析システム（ＳＩＭＳ）を用いることにより、装置のｐ形およびｎ形領域の深さ方向のドーパント濃度およびその変化を測定した。アルミニウムをドーピングしたＳｉＣの標準（１ｘ１０１９ｃｍ−３）、Ｃｒを打ち込んだＳｉＣの標準（１ｘ１０２０ｃｍ−３）、ＮをドーピングしたＳｉＣの標準（５ｘ１０１８ｃｍ−３）であった。また、参照のためおよび背景濃度を知るために分析したのであるが、一般の４Ｈ−ＳｉＣ（ｐ形）および一般の６Ｈ−ＳｉＣ（ｎ形）（５ｘ１０１８ｃｍ−３）であった。
【００８３】
図７は、６Ｈ−ＳｉＣシリコンカーバイドの広バンドギャップ基板２０内の深さを関数にしたドーパントＣｒ、ＮおよびＡｌ濃度を示すグラフである。６Ｈ−ＳｉＣシリコンカーバイドの広バンドギャップ基板２０の場合、Ａｌについて、表面で約２ｘ１０２０ｃｍ−３という非常に高い濃度が計測され、深さ７００ｎｍまで次第に減少して１ｘ１０１８ｃｍ−３であった。それに対し、Ｃｒについては、表面で１ｘ１０１９ｃｍ−３の濃度が計測され、深さ４２０ｎｍまで次第に減少して１ｘ１０１７ｃｍ−３であった。Ａｌの侵入深さは、それらの元素のサイズ効果に起因し、Ｃｒのそれよりもきわめて大きい。アルミニウムはＣｒよりも非常に小さく、Ｓｉよりはわずかに小さい。そのため、それはＳｉＣ中に容易に侵入し、Ｓｉの空きに入ることができる。Ｓｉの空きにＣｒが入るためには、格子歪みにより侵入を行う。さらに、ＳｉＣにおけるＡｌの溶解度限界（２ｘ１０２１ｃｍ−３）は、Ｃｒ（３ｘ１０１７ｃｍ−３）よりもはるかに大きい［G. L. Harris,“Properties of silicon carbide”,IEE Inspec publication, emis data review series 13,(1995)］。
【００８４】
表面でのＣｒ濃度は、溶解度限界よりも約２桁大きい。それに対し、アルミニウムは、溶解度限界に非常に近い。
【００８５】
図８は、４Ｈ−ＳｉＣシリコンカーバイドの広バンドギャップ基板２０内の深さを関数にしたドーパントＣｒ、ＮおよびＡｌ濃度を示すグラフである。４Ｈ−ＳｉＣシリコンカーバイドの広バンドギャップ基板２０の場合、Ｎについて、表面で約１ｘ１０２１ｃｍ−３という非常に高い濃度が計測され、深さ８．５μｍまで次第に減少して３ｘ１０１７ｃｍ−３であった。それに対し、Ｃｒについては、表面で１．５ｘ１０１９ｃｍ−３の濃度が計測され、深さ８０ｎｍまで次第に減少して１ｘ１０１５ｃｍ−３の背景濃度に達した。Ｎの侵入深さはＣｒのそれよりもきわめて大きいが、その原因は原子径のちがいにある。より小さい窒素原子はＳｉＣに容易に侵入し、Ｓｉの空きに入ることができる。また、ＳｉＣにおけるＮの溶解度限界（６ｘ１０２０ｃｍ−３）は、Ｃｒ（３ｘ１０１７ｃｍ−３）よりもはるかに大きい。それらのドーパント濃度の大きさおよび侵入深さについては、ドーピング要因を変更することにより容易に変えることができる。このように、レーザドーピングは利点があり、しかも、一般的なドーパント（たとえば、Ａｌ、Ｎ）と一般的ではないドーパント（たとえば、Ｃｒ）の両方に対し相性が良い。
【００８６】
［発光装置］
図９Ａは、発光装置１０Ｇの第１例を示す側断面図であり、アルミニウムおよびクロムをドーピングすることにより６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板２０Ｇ上に形成したものである。基板２０Ｇは、第１面２１Ｇおよび第２面２２Ｇならびに周囲端２３Ｇを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｇ，６２Ｇは、基板２０Ｇの第１面２１Ｇおよび第２面２２Ｇに電気的に結合されている。
【００８７】
表２には、図９Ａの発光装置１０Ｇを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表２が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【００８８】
【表２】
2012510717.tif 000004
【００８９】
図９Ｂは、図９Ａの発光装置１０Ｇについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図９Ｂのグラフは、図９Ａの発光装置１０Ｇについて、任意のユニットにおいて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｇからの光強度の分布を合計すると、結果として白色光になる。白色の発光は、アルミニウムおよびクロムをレーザドーピングすることによって作り出す。４００ｎｍ（６Ｈ−ＳｉＣのバンドギャップ）に始まり９００ｎｍまでの可視スペクトルの全体にわたる広いＥＬスペクトルが観察される。窒素の励起および他の欠陥状態ルミネセンスから赤色ルミネセンスは生じる。また、緑色と青色のルミネセンスは、それぞれ、Ｎ−ＣｒおよびＮ−Ａｌのドナー−アクセプタ対の再結合によって生じる。この赤−緑−青（ＲＧＢ）の組合せによって、観察された広帯域の白色光を生む。
【００９０】
現在一般に行われているＬＥＤは、演色評価数および太陽光色温度のマッチングに関して欠点がある。演色評価数（ＣＲＩ）（時に色表現評価数という）は、光源が照明するいろいろな物体の色を再現するための、光源の能力を知る尺度あるいは方法である。それは、国際照明委員会（ＣＩＥ）による方法である。人間の目は、短（Ｓ）、中間（Ｍ）、および長（Ｌ）の波長に対するレセプター、また青色、緑色および赤色のレセプターとして知られるものを備える。このことは、人は原則的に色感覚を表現するために３つの要素を必要とすることを意味する。３つの数（あるいは、３刺激値）を関係づける具体的な方法は、色空間と呼ばれ、ＣＩＥＸＹＺ系の色空間はそのような多くの空間の一つである。しかし、ＣＩＥＸＹＺ系の色空間は特殊である。なぜなら、それは、人間の目による直接測定に基づき、そして、それを基礎にして多くの他の色空間を定めているからである。
【００９１】
ＣＩＥＸＹＺ系の色空間において、３刺激値は人間の目の前記Ｓ、ＭおよびＬの刺激ではない。むしろ、それらはＣＩＥＸＹＺ系の色空間の一セットの刺激値であり、それらＸ、ＹおよびＺは、また、それぞれおおよそ赤、緑および青である。２つの光源は、各種の色の異なる混合によって作り上げられ、しかも、同じ色をもつ（メタメリズム）。もし２つの光源が見かけ上同じ色をもつとしたら、たとえそれらが異なる光の混合で作られていたとしても、それらは同じ３刺激値をもつであろう。
【００９２】
「可視光線」は、一般に色温度で表示される。伝統的な白熱灯光源の色温度は、理想的な加熱黒体放射の色との比較によって決まる。白熱灯は、黒体放射であるものと非常に近い。しかし、たとえば蛍光灯などの多くの他の光源は、黒色が示す曲線の形態で光を放射することがない。それらには、いわゆる相関色温度（ＣＣＴ）をあてがう。そのＣＣＴは、ランプ（照明具）の感知色に最も近く調和する黒体の色温度である。白熱灯にはそのような近似は不要であるので、白熱灯に対するＣＣＴは、加熱した黒体放射との比較から出る、調整しない絶対温度（ケルビン温度）である。明るい真昼の太陽は５２００Ｋであり、標準の日光、および電子フラッシュは５５００Ｋである。
【００９３】
ＣＩＥ１９３１色度図によると、アルミニウムおよびクロムをレーザドーピングした６Ｈ−ＳｉＣ（ｎ形−Ｎ）上の白色発光ダイオードの演色評価数は、白色空間を確証するＸ＝０．３３６２、Ｙ＝０．３４２４そしてＺ＝０．３２１４である。これらの値は、５３３８Ｋの色温度を表す。その色温度は、白熱電球（あるいは、黒体）に非常に近接し、明るい真昼の太陽（５２００Ｋ）と標準の日光（５５００Ｋ）との間に位置する。
【００９４】
図１０Ａは、発光装置１０Ｈの第２例を示す側断面図であり、アルミニウムおよびクロムをドーピングすることにより４Ｈ：ＳｉＣ（ｐ形）基板２０Ｈ上に形成したものである。基板２０Ｈは、第１面２１Ｈおよび第２面２２Ｈならびに周囲端２３Ｈを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｈ，６２Ｈは、基板２０Ｈの第１面２１Ｈおよび第２面２２Ｈに電気的に結合されている。
【００９５】
表３には、図１０Ａの発光装置１０Ｈを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表３が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【００９６】
【表３】
2012510717.tif 000005
【００９７】
図１０Ｂは、図１０Ａの発光装置１０Ｈについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図１０Ｂのグラフは、図１０Ａの発光装置１０Ｈについて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｈからの光強度の分布を合計すると、結果として白色光になる。白色の発光は、窒素およびクロムの両方をレーザドーピングすることによって作り出す。３８０ｎｍ（４Ｈ−ＳｉＣのバンドギャップ）に始まり８５０ｎｍまでにわたる広いスペクトルが観察される。緑色と青色のル波長は、それぞれ、Ｎ−ＣｒおよびＮ−Ａｌのドナー−アクセプタ対の放射再結合遷移によって生じる。同時に、窒素−価電子帯レベルの遷移によって、すみれ色（バイオレット）の目立った波長が観察された。赤色ルミネセンスは、窒素の励起および他の欠陥レベルによって主に生じる。この赤−緑−青（ＲＧＢ）の組合せによって、観察された広帯域の白色光を生む。ＣＩＥ１９３１色度図によると、この白色発光ダイオードの演色評価数は、Ｘ＝０．３３２２、Ｙ＝０．３３２０そしてＺ＝０．３３５８である。その色温度は５５１０Ｋであり、標準の日光（５５００Ｋ）に非常に近接する。
【００９８】
図１１Ａは、発光装置１０Ｉの第３例を示す側断面図であり、クロムをドーピングすることにより４Ｈ：ＳｉＣ（ｐ形）基板２０Ｉ上に形成したものである。基板２０Ｉは、第１面２１Ｉおよび第２面２２Ｉならびに周囲端２３Ｉを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｉ，６２Ｉは、基板２０Ｉの第１面２１Ｉおよび第２面２２Ｉに電気的に結合されている。
【００９９】
表４には、図１１Ａの発光装置１０Ｉを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表４が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【０１００】
【表４】
2012510717.tif 000006
【０１０１】
図１１Ｂは、図１１Ａの発光装置１０Ｉについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図１１Ｂのグラフは、図１１Ａの発光装置１０Ｉについて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｉからの光強度の分布を合計すると、結果としてオレンジレッド光になる。
【０１０２】
図１２Ａは、発光装置１０Ｊの第４例を示す側断面図であり、クロムをドーピングすることにより６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板２０Ｊ上に形成したものである。基板２０Ｊは、第１面２１Ｊおよび第２面２２Ｊならびに周囲端２３Ｊを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｊ，６２Ｊは、基板２０Ｊの第１面２１Ｊおよび第２面２２Ｊに電気的に結合されている。
【０１０３】
表５には、図１２Ａの発光装置１０Ｊを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表５が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【０１０４】
【表５】
2012510717.tif 000007
【０１０５】
図１２Ｂは、図１２Ａの発光装置１０Ｊについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図１２Ｂのグラフは、図１２Ａの発光装置１０Ｊについて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｊからの光強度の分布を合計すると、結果として緑色光になる。
【０１０６】
図１３Ａは、発光装置１０Ｋの第５例を示す側断面図であり、クロムをドーピングすることにより４Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板２０Ｋ上に形成したものである。基板２０Ｋは、第１面２１Ｋおよび第２面２２Ｋならびに周囲端２３Ｋを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｋ，６２Ｋは、基板２０Ｋの第１面２１Ｋおよび第２面２２Ｋに電気的に結合されている。
【０１０７】
表６には、図１３Ａの発光装置１０Ｋを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表６が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【０１０８】
【表６】
2012510717.tif 000008
【０１０９】
図１３Ｂは、図１３Ａの発光装置１０Ｋについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図１３Ｂのグラフは、図１３Ａの発光装置１０Ｋについて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｋからの光強度の分布を合計すると、結果として赤色光になる。
【０１１０】
図１４Ａは、発光装置１０Ｌの第６例を示す側断面図であり、アルミニウムをドーピングすることにより６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板２０Ｌ上に形成したものである。基板２０Ｌは、第１面２１Ｌおよび第２面２２Ｌならびに周囲端２３Ｌを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｌ，６２Ｌは、基板２０Ｌの第１面２１Ｌおよび第２面２２Ｌに電気的に結合されている。
【０１１１】
表７には、図１４Ａの発光装置１０Ｌを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表７が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【０１１２】
【表７】
2012510717.tif 000009
【０１１３】
図１４Ｂは、図１４Ａの発光装置１０Ｌについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図１４Ｂのグラフは、図１４Ａの発光装置１０Ｌについて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｌからの光強度の分布を合計すると、結果として白色光になる。
【０１１４】
図１５Ａは、発光装置１０Ｍの第７例を示す側断面図であり、ボロンをドーピングすることにより６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板２０Ｍ上に形成したものである。基板２０Ｍは、第１面２１Ｍおよび第２面２２Ｍならびに周囲端２３Ｍを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｍ，６２Ｍは、基板２０Ｍの第１面２１Ｍおよび第２面２２Ｍに電気的に結合されている。
【０１１５】
表８には、図１５Ａの発光装置１０Ｍを加工するためのパラメータ（諸要素）を規定している。当業者であれば、表８が一つの具体的な実施例であること、および他の多くのパラメータを用いることにより、異なる特性をもつ発光装置を加工することができることを理解するであろう。
【０１１６】
【表８】
2012510717.tif 000010
【０１１７】
図１５Ｂは、図１５Ａの発光装置１０Ｍについて波長を関数にした光強度を示すグラフである。図１５Ｂのグラフは、図１５Ａの発光装置１０Ｍについて、周波数の関係として光強度の分布を表している。発光装置１０Ｍからの光強度の分布を合計すると、結果としてブルーグリーン光になる。
【０１１８】
［光起電力装置］
図１６は、いろいろな半導体装置について動作温度をバンドギャップとの関係で示すグラフである。シリコンカーバイド装置は、６５０℃を超える温度で作動することができ［D. K. Sengupta, N. R. Quick and A. Kar, Journal of Laser Applications, pp.21-26(2001)］、熱電装置としてその材料を魅力的にする［P. M. Martin,“Thin film technology:
thermoelectric Energy Conversion 2: Thin film materials”, Vacuum Technology & Coating, pg. 8-13, (2007) and Y. Aoki et. al.,“Study of Silicon Carbide Thermoelectric Materials made by SPS for
MHD Power System”, 34th AIAA Plasma dynamics and Lasers
Conference, 23-26 June, Orlando, FL, (2003)］.  広バンドギャップ半導体ｐｎ接合装置は、３０００℃以上の温度で作動する可能性がある。
【０１１９】
ｐ形およびｎ形の領域をもつ光学装置は、装置が電磁放射を受けると、電流を生じる。それらの装置は光電池と呼ばれる。光起電力装置は、白色ＳｉＣ発光ダイオード（ＬＥＤ）と同じプロセスおよびｐｎ接合を用いて加工する。レーザドーピング技術を用いて、トランジスタ構造を含む半導体構造を作り、光起電力装置を作る。
【０１２０】
光起電力装置のｐ形およびｎ形の領域は、ｎ形の６Ｈ−ＳｉＣ（５ｘ１０１８ｃｍ−３の窒素濃度）およびｐ形の４Ｈ−ＳｉＣ（Ａｌドーピング）（１ｘ１０１９ｃｍ−３のアルミニウム濃度）のウェーハ基板にそれぞれのドーパントをレーザドーピングすることによって加工した。ｐ形のドーパントとしてＣｒおよびＡｌを用い、ｎ形のドーパントとしてＮを用いた。ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いて、ドーピング実験を実行した。ＣｒおよびＮのレーザドーピングの実験パラメータは、パワーが１１〜１３Ｗ、周波数が５〜１０ｋＨｚ、スポットサイズが８５〜１５０μｍ、走査速度が０．５〜０．８ｍｍ／秒であった。
【０１２１】
ｎ形のドーピングを行うとき、３０ｐｓｉ（２．１ｋｇ／ｃｍ２相当）の圧力の窒素雰囲気の中にサンプルを置き、ステップモータ制御の移動ステージでチャンバを動かすことにより、そのサンプル面にレーザによるドーピング領域を形成した。チャンバの高さについて中間のステージを手動で制御し、ＳｉＣ基板上に異なる大きさのレーザスポットを得た。ｐ形のドーピングの場合、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、（ＣＨ３）３Ａｌ）、ビス（エチルベンゼン）−クロムおよびボロンを用いた。ＴＭＡは、７０℃に維持した水浴中に浸したバブラーの中で、それが蒸発するまで熱し、その後、キャリアガス、アルゴンをバブラーを通して入れ、ＴＭＡ蒸気をレーザドーピングのチャンバまで送った。同様にクロムのドーピングのときには、ビス（エチルベンゼン）−クロムを、１００℃に維持した水浴中に浸したバブラーの中で、それが蒸発するまで熱し、その後、キャリアガス、アルゴンをバブラーを通して入れ、エチルベンゼンクロム蒸気をレーザドーピングのチャンバまで送った。それらのドーパント類は、レーザにより加熱した基板面で分解し、ＡｌとＣｒ原子を生じ、続いてそれらは基板の中に拡散する。
【０１２２】
結晶性ＳｉＣは化学的に不活性であり、高温で良好な加工熱特性をもつので、ＳｉＣ中にｐｎ領域を形成した光電池は、特には動力装置において、燃焼室の壁に位置させ、放射エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができる。燃料の燃焼およびその結果生じる炎によって、紫外域（ＵＶ）、可視域および赤外域のスペクトルの電磁放射を生じる。燃焼室にたくさんのＳｉＣ光電池を含有させ、それら光電池の各群が選択した波長域の放射を吸収するようにし、電気を直接発生させることができる。
【０１２３】
光電流の測定に先立ち、コンタクト（電極／接点）にするため、サンプル上のｐ形およびｎ形の領域にそれぞれアルミニウムおよびニッケルを堆積した。コンタクトについては、また、レーザによりカーボンに富み安定した導体を生み出すこともできる。その導体は、アルミニウムおよびニッケルのような今までの材料よりも高温に耐える能力がある。
【０１２４】
図１７は、半導体光起電力装置１０Ｎを示す側断面図であり、アルミニウムおよびクロムをドーピングすることにより６Ｈ：ＳｉＣ（ｎ形）基板２０Ｎ上に形成したものである。基板２０Ｎは、第１面２１Ｎおよび第２面２２Ｎならびに周囲端２３Ｎを形作っている。第１および第２のオーム電極６１Ｎ，６２Ｎは、基板２０Ｎの第１面２１Ｎおよび第２面２２Ｎに電気的に結合されている。電流計７２Ｎで表示するように、半導体光起電力装置１０Ｎは、電磁放射を受けると、第１および第２のオーム電極６１Ｎ，６２Ｎ間に電流を生じる。
【０１２５】
光電流の測定については、キースレイ  ピコ−アンメータ／電圧  ソース  モデル  ６４８７も用いて電流測定を行い、また、アジレント  デジタル  マルチメータ  モデル  ３４４０１Ａを用いて電圧および抵抗の測定を行った。光源は５０Ｗのタングステンフィラメントランプであった。
【０１２６】
可視光源を何ら伴うことなく、室温（２３℃）でＳｉＣサンプルには、暗電圧および暗電流が存在した。５０Ｗのタングステンフィラメント光源は、レーザドーピングした４Ｈ：ＳｉＣ装置に、２２０％より大きな電圧の増加および４３５０％より大きな電流出力の増加を生み出した。また、レーザドーピングした６Ｈ：ＳｉＣ装置には、５４０％より大きな電圧の増加および１２５０％より大きな電流出力の増加が観察された。
【０１２７】
観察された光電流ＳｉＣのメカニズムは、次のとおりである。ドーピングしたＳｉＣ構造に広帯域の光源が作用すると、異なるエネルギーをもつ光子が吸収され、それが価電子帯に電子ホール対を作り出す。基板のバンドギャップより大きなエネルギーをもつ光子は、電子を価電子帯から（あるいは、ドーパントＣｒ、Ａｌ、Ｎが作る不純物レベルから）伝導帯（あるいは、同じ不純物レベル）へと励起する。電子は電極線を通して流れ、電流および関連する電圧を生じる。
【０１２８】
光起電力装置は、選択したドーパントあるいは組み合わせたドーパントをレーザドーピングすることにより、電磁放射の全部のスペクトルからエネルギーを吸収することができる。また、光起電力装置は、ＬＥＤ波長の放出選択性に対して述べた方法と同じレーザドーピングを用いることにより、選択したドーパントあるいは組み合わせたドーパントをレーザドーピングし、吸収する電磁放射スペクトルエネルギーの領域を選択あるいはフィルタすることができる。
【０１２９】
図１８は、建物構造物１０８の中に位置させた、この発明の半導体エネルギー装置１０５を示す。建物構造物１０８は、窓１１１および１１２を含む複数の窓１１０を備える。一方の窓１１１は窓サポート１１３と１１４との間に据え付けられ、また、他方の窓１１２は窓サポート１１５と１１６との間に据え付けられている。この例において、半導体エネルギー装置１０５は、窓１１２内に位置する半導体エネルギー装置１０５Ｂだけでなく、窓１１１内に位置する半導体エネルギー装置１０５Ａにも組み込まれている。建物構造物１０８は、高層の建物構造物として示しているが、半導体エネルギー装置１０５については、どのようなタイプの建物構造物にも組み込むことができる。
【０１３０】
図１９は、窓１１１を示す図１８の線１９−１９に沿った拡大断面図である。窓１１１は、絶縁材料１２４Ａから構成される絶縁基板１２０Ａを備える。広バンドギャップ材料１３０Ａが、絶縁基板１２０Ａの絶縁材料１２４Ａ内部に形成される。後でより詳しく述べるように、この発明の半導体エネルギー装置１０５Ａは、絶縁基板１２０Ａの広バンドギャップ材料１３０Ａ内部に形成される。この例において、半導体エネルギー装置１０５Ａは光起電力エネルギー装置であり、正弦曲線の矢によって示す電磁放射を電流計１１８で示す電気的パワー（電力）に変換する装置である。
【０１３１】
図２０は、窓１１２を示す図１８の線２０−２０に沿った拡大断面図である。窓１１２は、絶縁材料１２４Ｂから構成される絶縁基板１２０Ｂを備える。広バンドギャップ材料１３０Ｂが、絶縁基板１２０Ｂの絶縁材料１２４Ｂ内部に形成される。後でより詳しく述べるように、この発明の半導体エネルギー装置１０５Ｂは、絶縁基板１２０Ｂの広バンドギャップ材料１３０Ｂ内部に形成される。この例において、半導体エネルギー装置１０５Ｂは発光装置であり、バッテリ１１９で示す電力を正弦曲線の矢によって示す電磁放射に変換する装置である。
【０１３２】
図２１は、図１９の一部を拡大した図であり、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａをより詳しく示している。窓１１１の絶縁材料１２４Ａは、第１面１２１Ａと第２面１２２Ａとの間に広がっている。広バンドギャップ材料１３０Ａは、絶縁材料１２４Ａ内部に形成され、第１面１３１Ａと第２面１３２Ａとの間に広がっている。好ましくは、広バンドギャップ材料１３０Ａの第１面１３１Ａについて、窓１１１の絶縁材料１２４Ａの第１面１２１Ａと一致させるようにするのが良い。
【０１３３】
半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａは、絶縁基板１２０Ａの広バンドギャップ材料１３０Ａ内部に完全に包含される。半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａは、広バンドギャップ材料１３０Ａ内に形成される第１の導体１４１Ａを備える。第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ａは、広バンドギャップ材料１３０Ａの内部に形成され、第１の導体１４１Ａと接触している。第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ａは、第１の導体１４１Ａとオーム接触を形成する。
【０１３４】
第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ａが、広バンドギャップ材料１３０Ａの内部に形成され、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ａに接触している。第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ａは、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ａと半導体接合１６３Ａを形成する。第２の導体１４２Ａが、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ａと電気的な接触をするように形成されている。第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ａは、第２の導体１４２Ａとオーム接触を形成する。半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａは、正弦曲線の矢によって示す電磁放射を受けて、電流計１１８で示すように、第１の導体１４１Ａと第２の導体１４２Ａとの間に電力を生じる。
【０１３５】
図２２は、半導体エネルギー装置１０５Ｂを詳しく示す図２０の一部を示す拡大図である。半導体エネルギー装置１０５Ｂは、広バンドギャップ材料１３０Ｂから構成される第１の導体１４１Ｂを備える。第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ｂが、広バンドギャップ材料１３０Ｂの内部に形成され、第１の導体１４１Ｂと接触している。第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ｂは、第１の導体１４１Ｂとオーム接触を形成する。
【０１３６】
第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ｂが、広バンドギャップ材料１３０Ｂの内部に形成され、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ｂに接触している。第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ｂは、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ｂと半導体接合１６３Ｂを形成する。第２の導体１４２Ｂが、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ｂと電気的な接触をするように形成されている。第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ｂは、第２の導体１４２Ｂとオーム接触を形成する。半導体光起電力エネルギー装置１０５Ｂは、バッテリ１１９で示すように第１の導体１４１Ｂと第２の導体１４２Ｂとの間に電力が加わると、正弦曲線の矢によって示すように電磁放射を放出する。
【０１３７】
図２３は、図２１および図２２と同様の拡大図であり、図２２の半導体光起電力エネルギー装置１０５Ｂだけでなく、図２１の半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａを組み入れた絶縁基板１２０Ｃを示している。当業者であれば、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａと半導体発光エネルギー装置１０５Ｂとを絶縁基板１２０Ｃの内部にいろいろな形態で配置することができることを理解するであろう。
【０１３８】
図２４は、図２１と同様の図であり、ダイオード１６４Ａを組み込んだ半導体光起電力エネルギー装置１０５Ｃを示す。窓１１１の絶縁材料１２４Ａが、第１面１２１Ａと第２面１２２Ａとの間に広がっている。それらの面の間には、第１面１３１Ａと第２面１３２Ａとの間に広がる広バンドギャップ材料１３０Ａがある。半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａは、第１の導体１４１Ａと接触する第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ａを備える。第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ａが、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０Ａと半導体接合１６３Ａを形成する。第２の導体１４２Ａが、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０Ａと電気的な接触をしている。
【０１３９】
ダイオード１６４Ａは、第２の導体１４２Ａに接触する第３タイプの広バンドギャップ半導体材料１６５Ａを備える。第４タイプの広バンドギャップ半導体材料１６６Ａが、第３タイプの広バンドギャップ半導体材料１６５Ａと半導体接合１６７Ａを形成する。第３の導体１４３Ａが、第４タイプの広バンドギャップ半導体材料１６６Ａと電気的な接触をしている。
【０１４０】
ダイオード１６４Ａは、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａに直列に接続され、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａを通して流れる逆の電流を防ぐ。また、ダイオード１６４Ａは、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａの出力電圧が減少したとき、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａを通すバッテリ（図示しない）などの負荷の放出を防ぐ。
【０１４１】
図２５は、この発明のエネルギー変換装置を製造するプロセス１７０についてのブロック線図である。このエネルギー変換装置を製造するプロセス１７０は、半導体光起電力エネルギー装置１０５Ａの製造プロセス、および半導体発光エネルギー装置１０５Ｂの製造プロセスとして適用することができる。
【０１４２】
図２６は、図２５のブロック線図に示すプロセス１７０によってエネルギー変換装置を製造するシーケンスを示す。プロセス１７０には、第１面１２１および第２面１２２を含む絶縁材料１２４の基板１２０を用意する処理工程１７１を備える。
【０１４３】
プロセス１７０は、基板２０に広バンドギャップを形成するためのドーピングガス１７２Ｇを当てる処理工程１７２を含む。この処理工程１７２は、基板１２０の内部に熱エネルギービーム１７２ＥＢを集中させ、第１面１２１と第２面１２２との間の絶縁材料１２４の領域を広バンドギャップ半導体材料１３０に変えることをさらに含む。好ましくは、熱エネルギービーム１７２ＥＢを、基板１２０の第１面１２１と第２面１２２の間にエネルギービームを集束させることによって集中させ得るのが良い。この例の場合、基板１２０の第１面１２１と第２面１２２の間にレンズ１７２Ｌによって熱エネルギーを集束させている。初めから広バンドギャップ半導体材料として基板１２０を得る場合には、処理工程１７２が不要であることを当業者は知るであろう。
【０１４４】
プロセス１７０は、基板１２０の内部に第１の導体を形成するための熱エネルギービーム１７３ＥＢを集中させ、広バンドギャップ半導体材料１３０の第１面１３１と第２面１３２との間に第１の導体１４１を形成する処理工程１７３を含む。
【０１４５】
プロセス１７０は、基板２０に第１タイプの半導体ドーピングガス１７４Ｇを当てる処理工程１７４を含む。この処理工程１７４は、基板１２０の内部に第１タイプの半導体を形成するための熱エネルギービーム１７４ＥＢを集中させ、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１３０の第１面１３１と第２面１３２との間であり、第１の導体１４１と電気的に接触する第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０を形成することをさらに含む。
【０１４６】
プロセス１７０は、基板２０に第２タイプの半導体ドーピングガス１７５Ｇを当てる処理工程１７５を含む。この処理工程１７５は、基板１２０の内部に第２タイプの半導体を形成するための熱エネルギービーム１７５ＥＢを集中させ、広バンドギャップ半導体材料１３０の第１面１２１と第２面１２２との間であり、第１タイプの広バンドギャップ半導体材料１５０と電気的に接触する第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０を形成することをさらに含む。
【０１４７】
プロセス１７０は、基板１２０の第１面１２１上に第２の導体を形成するための熱エネルギービーム１７６ＥＢを集中させ、第２タイプの広バンドギャップ半導体材料１６０と電気的に接触する第２の導体１４２を形成する処理工程１７６を含む。
【０１４８】
図２７は、図２５〜２６のプロセスによって製造したこの発明の完成した光起電力エネルギー変換装置１０５Ａの拡大図である。基板１２０Ａ内の広バンドギャップ半導体材料１３０Ａが変換し、光起電力エネルギー変換装置１０５Ａを構成している。光起電力エネルギー変換装置１０５Ａは、基板１２０Ａの第１面１２１Ａと第２面１２２Ａとの間に完全に含まれる。
【０１４９】
図２８は、図２５〜２６のプロセスによって製造したこの発明の完成した発光エネルギー変換装置１０５Ｂの拡大図である。基板１２０Ｂ内の広バンドギャップ半導体材料１３０Ｂが変換し、発光エネルギー変換装置１０５Ｂを構成している。発光エネルギー変換装置１０５Ｂは、基板１２０Ｂの第１面１２１Ｂと第２面１２２Ｂとの間に完全に含まれる。
【０１５０】
図２９は、図２７と同様の図であり、図２５〜２６のプロセスによって製造したダイオード１６４Ａを組み込んだ、完成した光起電力エネルギー変換装置１０５Ａを示す。基板１２０Ａ内の広バンドギャップ半導体材料１３０Ａが変換し、光起電力エネルギー変換装置１０５Ａおよびダイオード１６４Ａを構成している。光起電力エネルギー変換装置１０５Ａおよびダイオード１６４Ａは、基板１２０Ａの第１面１２１Ａと第２面１２２Ａとの間に完全に含まれる。
【０１５１】
図３０は、この発明のエネルギー変換装置１０５を加工するための装置１８０の第１例の一部を示している。装置１８０については、図２５および図２６に示す処理工程１７２および１７３を成し遂げるための第１チャンバ１８１Ａおよび第２チャンバ１８１Ｂだけを示す。しかし、装置１８０が、図２５および図２６に示す残りの処理工程１７４〜１７６を成し遂げるための同様のチャンバをもつことを理解すべきである。
【０１５２】
第１チャンバ１８１Ａは、窓１８４Ａを伴うチャンバ入力１８２Ａおよびチャンバ出力１８３Ａを備える。窓１８４Ａは、チャンバ内部１８５Ａと連絡する。複数の入力ガスポート１８６Ａが備わり、広バンドギャップドーピングガス１７２Ｇをチャンバ内部１８５Ａに導入することができる。入力ガスカーテン１８７Ａおよび出力ガスカーテン１８８Ａは、チャンバ内部１８５Ａから広バンドギャップドーピングガス１７２Ｇが流れ出ることを妨げる。
【０１５３】
この実施例において、第１および第２の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１および１７２ＥＢ２は、窓１８４Ａを通して基板１２０上に向けられる。動作の第１モードにおいて、第１および第２の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１および１７２ＥＢ２は、基板１２０に向けられ、基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に交わる。それら基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に交わる第１および第２の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１および１７２ＥＢ２は、基板１２０が第１チャンバ１８１Ａを通って動くにつれて、基板１２０の第１および第２の面１２１，１２２間に熱を生じる。チャンバ内部１８５Ａに広バンドギャップドーピングガス１７２Ｇが存在する中、第１および第２の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１および１７２ＥＢ２が生じる熱によって、基板の絶縁材料１２４が広バンドギャップ半導体材料１３０へと変わる。
【０１５４】
動作の第２モードにおいて、第１および第２の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１および１７２ＥＢ２は、基板１２０に向けられ、基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に交わる。第１の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１は、基板１２０が第１チャンバ１８１Ａを通って動くにつれて、基板１２０内部に熱を生じる。チャンバ内部１８５Ａに広バンドギャップドーピングガス１７２Ｇが存在する中、第１の熱エネルギービーム１７２ＥＢ１が生じる熱によって、基板の絶縁材料１２４が広バンドギャップ半導体材料１３０へと変わる。第２の熱エネルギービーム１７２ＥＢ２は、ドーパントを活発にするために用いられる。材料特性を確認するため、およびプロセスの制御のために、随意ではあるが、問い合わせレーザを加えることができる。それについては、第２チャンバ１８１Ｂに関連して後で説明する。
【０１５５】
第２チャンバ１８１Ｂは、第１チャンバ１８１Ａと同様の設計および動作である。第２チャンバ１８１Ｂは、窓１８４Ｂを伴うチャンバ入力１８２Ｂおよびチャンバ出力１８３Ｂを備える。窓１８４Ｂは、チャンバ内部１８５Ｂと連絡する。複数の入力ガスポート１８６Ｂが備わり、ガスをチャンバ内部１８５Ｂに導入することができる。入力ガスカーテン１８７Ｂおよび出力ガスカーテン１８８Ｂは、チャンバ内部１８５Ｂからガスが流れ出ることを妨げる。
【０１５６】
この例において、熱エネルギービーム１７３ＥＢは、レンズ１７３Ｌによって基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に集束させたレーザビームである。熱エネルギービーム１７３ＥＢによってチャンバ内部１８５Ｂに生じる熱によって、基板が第２チャンバ１８１Ｂを通って動くとき、広バンドギャップ半導体材料１３０は第１導体１４１へと変わる。
【０１５７】
随意の問い合わせレーザ１７３ＩＢを加えた。それによって、第１導体１４１を形成するとき、その特性に基づいて熱エネルギービーム１７３ＥＢのプロセスの制御を行い、そしてまた、材料特性を確認するためからである。
【０１５８】
好ましくは、問い合わせレーザ１７３ＩＢとしては、波長が６３２．５ｎｍのヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザが良い。問い合わせレーザ１７３ＩＢにより、ドーピングおよび導体形成のプロセスの間、および後に加工材料の構成あるいは性質を測定することができる。問い合わせレーザ１７３ＩＢは、問い合わせすべきあるいは確認すべき材料の屈折率を測定することができる。問い合わせ材料の屈折率の変化は、制御部１８９Ｃを通してフィードバックされ、熱エネルギービーム１７３ＥＢの動作を制御する。問い合わせレーザ１７３ＩＢを使用することにより、変換処理後に、処理すべき大きな基板領域を非常に均一な特性にすることができる。問い合わせレーザ１７３ＩＢについては、図３０および図３１に示すどの段階に対しても加えることができることを理解すべきである。
【０１５９】
図３１は、この発明のエネルギー変換装置１０５を加工するための装置１９０の第２例の一部を示している。装置１９０については、図２５および図２６に示す処理工程１７２および１７３を成し遂げるための第１チャンバ１９１Ａおよび第２チャンバ１９１Ｂだけを示す。しかし、装置１９０が、図２５および図２６に示す残りの処理工程１７４〜１７６を成し遂げるための同様のチャンバをもつことを理解すべきである。
【０１６０】
第１チャンバ１９１Ａは、開口１９４Ａを伴うチャンバ入力１９２Ａおよびチャンバ出力１９３Ａを備える。開口１９４Ａは、チャンバ内部１９５Ａに連絡する。環状の入力ガスポート１９６Ａが開口１９４Ａを取り囲み、広バンドギャップドーピングガス１７２Ｇをチャンバ内部１９５Ａに導入することができる。環状の出力ガスポート１９８Ａが環状の入力ガスポート１９６Ａを取り囲み、チャンバ内部１９５Ａから余分なバンドギャップドーピングガス１７７を取り戻す。
【０１６１】
熱エネルギービーム１７２ＥＢは、開口１９４Ａを通して基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に集中される。この例において、熱エネルギービーム１７２ＥＢは、レンズ（図示しない）によって、基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に集束される。集束されたレーザビーム１７２ＥＢは、基板１２０に対してチャンバ１９１Ａが動くとき、基板１２０に照射する。チャンバ内部１９５Ａに広バンドギャップドーピングガス１７２Ｇが存在する中、熱エネルギービーム１７２ＥＢが生じる熱によって、基板の絶縁材料１２４は広バンドギャップ半導体材料１３０へと変わる。レーザビームは、レンズを用いて小さな径に集束することができるし、あるいは、大きな領域の照射のため、ビームエキスパンダーを用いて大きな光線束にすることができる。さらに、レーザビームは、基板１２０を横切るように走査することができる。レーザビームは、基板１２０上の特定の位置でパルスを生じることができる。
【０１６２】
第２チャンバ１９１Ｂは、第１チャンバ１９１Ａと同様の設計および動作である。第２チャンバ１９１Ｂは、開口１９４Ｂを伴うチャンバ入力１９２Ｂおよびチャンバ出力１９３Ｂを備える。開口１９４Ｂは、チャンバ内部１９５Ｂと連絡する。環状の入力ガスポート１９６Ｂが開口１９４Ｂを取り囲み、ガスをチャンバ内部１９５Ｂに導入することができる。また、環状の出力ガスポート１９８Ｂが、環状の入力ガスポート１９６Ｂを取り囲み、チャンバ内部１９５Ｂから余分なガスを取り戻すことができる。熱エネルギービーム１７３ＥＢは、開口１９４Ｂを通して基板１２０の第１面１２１と第２面１２２との間に集中される。集束されたレーザビーム１７３ＥＢは、基板１２０に照射する。熱エネルギービーム１７３ＥＢによって生じる熱は、基板１２０に対してチャンバ１９１Ｂが動くとき、広バンドギャップ半導体材料１３０を第１導体１４１へと変える。一般的に、広バンドギャップ半導体材料１３０を第１導体１４１へと変えるためには、ドーピングガスは用いない。
【０１６３】
図３２は、第１面１２１Ｃおよび第２面１２２Ｃをもつ絶縁基板１２０Ｃの内部の半導体エネルギー装置１０５Ｃの第１の具体的な例を示す。絶縁基板１２０Ｃは、絶縁ガラス材料（ＳｉＯ２）１２４Ｃから構成される。
【０１６４】
広バンドギャップ形成用ドーピングガスは、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）およびメタン（ＣＨ４）から構成されるグループから選択し、ガラス基板（ＳｉＯ２）１２０Ｃに当てる。広バンドギャップ形成用熱エネルギーを基板１２０Ｃの内側に集中させ、第１面１２１Ｃと第２面１２２Ｃとの間の絶縁ガラス材料（ＳｉＯ２）１２４Ｃをシリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃに変える。広バンドギャップ形成用ドーピングガスは、カーボン（Ｃ）に寄与しシリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）を形成する。
【０１６５】
第１導体形成用の熱エネルギーは、シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内側に集中し、そのシリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内部に第１導体１４１ｃを形成する。シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内側に集中する熱エネルギーは、カーボン原子からシリコン原子を解離し、シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃのカーボン含有量を豊富にして第１導体１４１Ｃを形成する。
【０１６６】
第１導体１４１Ｃの構成は、カーボン材料（Ｃ）からシリコン（Ｓｉ）−カーボン（Ｃ）−酸素（Ｏ）導電材料の範囲にある。ＵＳＰ第５，１４５，７４１号およびＵＳＰ第６，６７０，６９３号が、このカーボン豊富化プロセスの全体について述べている。それらを参照によって、ここに組み入れる。
【０１６７】
第１タイプの半導体形成用ドーピングガスは、窒素（Ｎ２）およびジエチルセレン（Ｃ２Ｈ５）２Ｓｅから構成されるグループから選択し、シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃに当てる。第１タイプの半導体形成用の熱エネルギーをシリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内側に集中させ、シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内部に位置し、第１導体１４１Ｃにオーム接触する、Ｎタイプのシリコンカーバイド半導体材料（Ｎ−ＳｉＣ）１５０Ｃを形成する。
【０１６８】
第２タイプの半導体形成用のドーピングガスは、トリメチルアルミニウム（ＣＨ３）３Ａｌおよびビス（エチルベンゼン）−クロム（Ｃ１６Ｈ２０Ｃｒ）から構成されるグループから選択し、シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃに当てる。第２タイプの半導体形成用の熱エネルギーをシリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内側に集中させ、Ｐタイプのシリコンカーバイド半導体材料（Ｐ−ＳｉＣ）１６０Ｃを形成する。そのＰタイプシリコンカーバイド半導体材料（Ｐ−ＳｉＣ）１６０Ｃは、シリコンカーバイド広バンドギャップ材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内部に位置し、Ｎタイプシリコンカーバイド半導体材料（Ｎ−ＳｉＣ）１５０ＣとＰＮ接合を形成する。
【０１６９】
第２導体形成用の熱エネルギーをシリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内側に集中させ、第２導体１４２Ｃを形成する。その第２導体１４２Ｃは、Ｐタイプシリコンカーバイド半導体材料（Ｐ−ＳｉＣ）１６０Ｃにオーム接触する。シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃの内側に集中する熱エネルギーは、シリコンカーバイド材料（ＳｉＣ）１３０Ｃのカーボン含有量を豊富にして第２導体１４２Ｃを形成する。第２導体１４２Ｃは、第１導体１４１Ｃと同様の方法で形成する。
【０１７０】
表９には、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）１２４Ｃを白色発光ＳｉＣ領域に変えるための代表的な処理パラメータ（諸要素）を規定している。
【０１７１】
【表９】
2012510717.tif 000011
【０１７２】
図３３は、第１面１２１Ｄおよび第２面１２２Ｄをもつ絶縁基板１２０Ｄの内部の半導体エネルギー装置１０５Ｄの第２の具体的な例を示す。絶縁基板１２０Ｄは、絶縁セラミック材料、たとえば酸化アルミニウム、通常アルミナと知られているもの（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄから構成される。
【０１７３】
広バンドギャップ形成用のドーピングガスをアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄに当て、そのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄの一部を広バンドギャップ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に変える。一例では、酸素を取り除くための第１のカーボンソースガスと第２の窒素ソースドーピングガスを、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄに当てる。第１のカーボンソースガスは、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）およびエチレン（Ｃ２Ｈ４）から構成されるグループから選択する。第２の窒素ソースドーピングガスとしては、窒素（Ｎ２）が好ましい。
【０１７４】
広バンドギャップ形成用の熱エネルギーを基板１２０Ｄの内側に集中させ、アルミナ材料（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄの領域を広バンドギャップ窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）１３０Ｄに変える。アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄに当てた第１のカーボンソースガスがそのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄから酸素（Ｏ）を取り除いてカーボンオキサイド、ＣＯあるいはＣＯ２を生じる。第２の窒素ソースドーピングガスは、酸素欠乏のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄの窒素を与え、広バンドギャップ窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）１３０Ｄを形成する。第１のカーボンソースガスと第２の窒素ソースドーピングガスとは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄに対し、順次にあるいは同時に当てることができる。
【０１７５】
第１導体形成用の熱エネルギーを絶縁基板１２０Ｄの内側に集中させ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）１３０Ｄの内部に第１導体１４１Ｄを形成する。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）１３０Ｄ内側に集中する熱エネルギーは、アルミニウム原子から窒素原子を解離し、窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）１３０Ｄのアルミニウム含有量を豊富にし、第１導体１４１Ｄを形成する。第１導体１４１Ｄの構成は、アルミニウム導電材料（Ａｌ）からアルミニウム（Ａｌ）−窒素（Ｎ）−酸素（Ｏ）導電材料の範囲にある。ＵＳＰ第５，１４５，７４１号およびＵＳＰ第６，６７０，６９３号が、この豊富化プロセスの全体について述べている。それらを参照によって、ここに組み入れる。
【０１７６】
第１タイプの半導体形成用ドーピングガスは、シリコン供給用の酸素（Ｏ２）およびシラン（ＳｉＨ４）から構成されるグループから選択し、基板１２０Ｄに当てる。
【０１７７】
第１タイプの半導体形成用の熱エネルギーを絶縁基板１２０Ｄの内側に集中させ、基板１２０Ｄの第１および第２の面間の広バンドギャップ窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）１３０の内部にＮタイプの窒化アルミニウム半導体材料（Ｎ−ＡｌＮ）１５０Ｄを形成する。Ｎタイプの窒化アルミニウム半導体材料（Ｎ−ＡｌＮ）１５０Ｄは、第１導体１４１Ｄとオーム接触を形成する。
【０１７８】
第２タイプの半導体形成用ドーピングガスは、カーボン供給用のエチレン（Ｃ２Ｈ４）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、およびマグネシウム供給用のビス−マグネシウムジハイドレイト［Ｍｇ（ＴＭＨＤ）２］から構成されるグループから選択し、基板１２０Ｄに当てる。
【０１７９】
第２タイプの半導体形成用の熱エネルギーを基板１２０Ｄの内側に集中させ、基板１２０Ｄの第１および第２の面１２１Ｄ，１２２Ｄ間の広バンドギャップ窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）１３０Ｄの内部にＰタイプの窒化アルミニウム半導体材料（Ｐ−ＡｌＮ）１６０Ｄを形成する。Ｐタイプの窒化アルミニウム半導体材料（Ｐ−ＡｌＮ）１６０Ｄは、Ｎタイプの窒化アルミニウム半導体材料（Ｎ−ＡｌＮ）１５０ＤとＰＮ接合を形成する。
【０１８０】
第２導体形成用の熱エネルギーを基板１２０Ｄ上に集中させ、第２導体１４２Ｄを形成する。その第２導体１４２Ｄは、Ｐタイプの窒化アルミニウム半導体材料（Ｐ−ＡｌＮ）１６０Ｄにオーム接触する。第２導体１４２Ｄは、第１導体１４１Ｄと同様の方法で形成する。
【０１８１】
表１０には、アルミナ材料（Ａｌ２Ｏ３）１２４Ｄを窒化アルミニウム材料（ＡｌＮ）１３０Ｄ直接エネルギー変換領域に変えるための代表的な処理パラメータ（諸要素）を規定している。
【０１８２】
【表１０】
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【０１８３】
図３４は、エネルギー変換装置１０５Ｅを示している。この例において、この発明の光起電力エネルギー変換装置１０５Ａは、導波体２００Ａに連結されている。ワンピース構造の絶縁基板１２０Ａは、第１面１２１Ａおよび第２面１２２Ａをもつ。光起電力装置１０５Ａは、第１面１２１Ａと第２面１２２Ａとの間のワンピース構造の絶縁基板１２０Ａの内部に形成されている。
【０１８４】
透明な導波体２００Ａは、第１と第２の面２０１Ａ，２０２Ａとの間に形を定める。透明な導波体２００Ａは、たとえばガラス材料、高分子材料、あるいはその他の適切な材料など、いろいろな材料から形成することができる。透明な導波体２００Ａの第２の面２０２Ａは、ワンピース構造の絶縁基板１２０Ａの第１の面１２１Ａに接着する。好ましくは、レーザ溶融プロセスあるいは他の適切な手段によって、透明な導波体２００Ａを絶縁基板１２０Ａの第１の面１２１Ａに接着するのが良い。透明な導波体２００Ａの第２の面２０２Ａには、反射材料２０３Ａを付ける。
【０１８５】
透明な導波体２００Ａは、集中手段として働き、ワンピース構造の絶縁基板１２０Ａの内部に形成した光起電力装置１０５Ａの中に電磁放射を向かわせる。透明な導波体２００Ａは、光起電力装置１０５Ａの表面領域を有効に増加し、それにより、光起電力装置１０５Ａの電力を増す。
【０１８６】
図３５は、エネルギー変換装置１０５Ｆを示している。この例において、この発明の発光エネルギー装置１０５Ｂは、導波体２００Ｂに連結されている。ワンピース構造の絶縁基板１２０Ｂは、第１面１２１Ｂおよび第２面１２２Ｂをもつ。発光エネルギー装置１０５Ｂは、第１面１２１Ｂと第２面１２２Ｂとの間のワンピース構造の絶縁基板１２０Ｂの内部に形成されている。
【０１８７】
透明な導波体２００Ｂは、第１と第２の面２０１Ｂ，２０２Ｂとの間に形を定める。透明な導波体２００Ｂは、たとえばガラス材料、高分子材料、あるいはその他の適切な材料など、いろいろな材料から形成することができる。透明な導波体２００Ｂの第２の面２０２Ｂは、ワンピース構造の絶縁基板１２０Ｂの第１の面１２１Ｂに接着する。好ましくは、レーザ溶融プロセスあるいは他の適切な手段によって、透明な導波体２００Ｂを絶縁基板１２０Ｂの第１の面１２１Ｂに接着するのが良い。透明な導波体２００Ｂの第２の面２０２Ｂには、反射材料２０３Ｂを付ける。
【０１８８】
透明な導波体２００Ｂは、拡散手段として働き、ワンピース構造の絶縁基板１２０Ｂの内部に形成した発光エネルギー装置１０５Ｂからの電磁放射を拡散する。透明な導波体２００Ｂは、発光エネルギー装置１０５Ｂからの電磁放射の表面領域を有効に増加する。
【０１８９】
図３６は、建物構造物１０８Ｇに置いた、この発明による多数のエネルギー変換装置１０５Ｇを示す。多数のエネルギー変換装置１０５Ｇは、ユニット１１１Ｇおよび１１２Ｇとして確認するエネルギー変換装置１０５Ｇを含む。各エネルギー変換装置１０５Ｇは、太陽熱液体加熱装置１０７Ｇと組み合わせた光起電力エネルギー変換装置１０５Ａを備える。多数のエネルギー変換装置１０５Ｇの太陽熱液体加熱装置１０７Ｇは、今までの一般のやり方で相互に連結し、太陽からの電磁放射を受けて液体を加熱する。多数のエネルギー変換装置１０５Ｇは、建物構造物１０８Ｇの屋根上に設置するように示しているが、それらのエネルギー変換装置１０５Ｇは他の妥当な場所に設置することができる。
【０１９０】
図３７および３８は、ユニット１１１Ｇのエネルギー変換装置１０５Ｇおよび太陽熱液体加熱装置１０７Ｇをより詳しく示す図である。エネルギー変換装置１０５Ｇは、サイドサポート２１１Ｇ，２１２Ｇおよびエンドサポート２１３Ｇ，２１４Ｇを備えるフレームサポート２１０Ｇを含む。バックサポート２１５Ｇが、サイドサポート２１１Ｇ，２１２Ｇおよびエンドサポート２１３Ｇ，２１４Ｇを相互に連結している。好ましくは、バックサポート２１５Ｇは、図３８に最もよく示すように、断熱材料で作るのが良い。
【０１９１】
太陽熱液体加熱装置１０７Ｇは、入力部（入口側）２２１Ｇと出力部（出口側）２２２Ｇとの間に伸びる液体導管２２０Ｇを備える。好ましくは、液体導管２２０Ｇは、曲がりくねった通路となるよう、しかも、太陽熱コレクタ２２５Ｇに熱的な接触をするように形成するのが良い。入力部２２１Ｇと出力部２２２Ｇとによって、図３６に示すように、多数の太陽熱液体加熱装置１０７Ｇを相互に連結することができる。太陽熱コレクタ２２５Ｇは、液体導管２２０Ｇに対しサポートになる。さらに、太陽熱コレクタ２２５Ｇは、太陽の電磁放射を受けて集めるための表面領域を増大する。フレームサポート２１０Ｇは、サイドサポート２１１Ｇ，２１２Ｇおよびエンドサポート２１３Ｇ，２１４Ｇの内部に、太陽熱コレクタ２２５Ｇおよび液体導管２２０Ｇを支える。
【０１９２】
エネルギー変換装置１０５Ｇは、絶縁ガラス材料１２４Ｇ製の絶縁基板１２０Ｇを備える。フレームサポート２１０Ｇは、絶縁ガラス材料１２４Ｇの内部に配置した光起電力エネルギー変換装置１０５Ｇを伴う絶縁基板１２０Ｇを支える。絶縁基板１２０Ｇ（絶縁ガラス材料１２４Ｇ）は、太陽熱コレクタ２２５Ｇとスペースを置き、エア空間２３０Ｇを作っている。
【０１９３】
電磁放射の第１波長は、ガラス基板１２０Ｇを通して伝わり、液体導管２２０Ｇおよび太陽熱コレクタ２２５Ｇに及び、液体導管２２０Ｇ内部の液体を加熱する。電磁放射の第２波長は、光起電力装置１０５Ａによって吸収され、電力を発生する。
【０１９４】
一般に、液体導管２２０Ｇおよび太陽熱コレクタ２２５Ｇによって吸収される電磁放射の第１波長は、７５０ｎｍ〜１０６ｎｍの波長範囲である。また、光起電力装置１０５Ａによって吸収される電磁放射の第２波長は、１０−３ｎｍ〜１０１２ｎｍの波長範囲である。
【０１９５】
図４０は、この発明のエネルギー変換装置１０５Ｈであり、光起電力装置１０５Ａと太陽熱加熱装置とを組み合わせることにより、水処理を行うものを示す。エネルギー変換装置１０５Ｈは、図３６〜３８に示すエネルギー変換装置１０５Ｇと同様である。
【０１９６】
エネルギー変換装置１０５Ｈは、サポート２１１Ｈ〜２１５Ｈを備えるフレームサポート２１０Ｈを含む。太陽熱液体加熱装置１０７Ｈは、入力２２１Ｈと出力２２２Ｈとの間に伸びる曲がりくねった通路となった液体導管２２０Ｈを含む。液体導管２２０Ｈは、フレームサポート２１０Ｈが支える太陽熱コレクタ２２５Ｈと熱的な接触をしている。
【０１９７】
エネルギー変換装置１０５Ｈは、絶縁ガラス材料１２４Ｈ製の絶縁基板１２０Ｈを備える。絶縁基板１２０Ｈあるいは絶縁ガラス材料１２４Ｈは、その内部に配置した光起電力エネルギー変換装置１０５Ａを伴う。電磁放射の第１波長は、ガラス基板１２０Ｈを通して伝わり、液体導管２２０Ｈおよび太陽熱コレクタ２２５Ｈに及び、液体導管２２０Ｈ内部の液体を加熱する。電磁放射の第２波長は、光起電力装置１０５Ａによって吸収され、電力を発生する。
【０１９８】
エネルギー変換装置１０５Ｈは、水入力部（水入口側）２４０Ｈ、水出力部（水出口側）２５０Ｈおよび水再循環装置２６０Ｈを備える。エネルギー変換装置１０５Ｈは、制御部２７０Ｈによって制御される。光起電力エネルギー変換装置１０５Ａはバッテリ２８０Ｈをチャージし、制御部２７０Ｈに動力を供給する。水入力部２４０Ｈは、液体導管２２０Ｈの入力部２２１Ｈと連通する入力弁２４３Ｈに接続した入力導管２４１Ｈを備える。随意であるが、入力導管２４１Ｈに入力ポンプ２４５Ｈを置くようにすることができる。
【０１９９】
水出力部２５０Ｈは、液体導管２２０Ｈの出力部２２２Ｈと連通する出力弁２５３Ｈに接続した出力導管２５１Ｈを備える。液体導管２２０Ｈの出力部２２２Ｈから出る水を測定するため、温度センサー２５５Ｈが設けられている。随意であるが、出力導管２５１ＨにＵＶ処理段階２５７Ｈを置くことができる。
【０２００】
水再循環装置２６０Ｈは、出力弁２５３Ｈを入力弁２４３Ｈに対し相互に連結する導管２６１Ｈ，２６２Ｈを備える。それらの導管２６１Ｈと２６２Ｈとの間に、再循環ポンプ２６３Ｈが置かれている。
【０２０１】
未処理の水は、水入力部２４０Ｈの入力導管２４１Ｈに向かう。好ましくは、入力導管２４１Ｈに入れる前に、未処理の水を一般的なフィルタを通すようにすると良い。随意のポンプ２４５Ｈは、電気的駆動あるいは手動のものである。他の例では、未処理の水を重力の作用によって、水入力部２４０Ｈの入力導管２４１Ｈに流し入れる。
【０２０２】
未処理の水は、液体導管２２０Ｈの内部で加熱され、加熱による処理がなされる。温度センサー２５５Ｈが、液体導管２２０Ｈの出力部２２２Ｈから出る水の温度を測定する。もし水の温度が適正な処理を行う上で充分であるなら、処理済みの水を出力導管２５１Ｈから流出する。随意のＵＶ処理段階２５７Ｈは、処理済みの水に紫外線を照射し、水の純度をさらに高める。好ましいＵＶ放射ソースは、ここで示すとおり加工し、かつＵＶ放射に調整した広バンドギャップ材料である。
【０２０３】
図４０は、水を循環する位置にある弁を伴う図３９の装置を示している。液体導管２２０Ｈの出力部２２２Ｈから出る水の温度に応じて、制御部２７０Ｈは、入力弁２４３Ｈ、出力弁２５３Ｈおよび再循環ポンプ２６３Ｈを図４０に示す状態に作動する。水は、その温度が適切な水処理に充分な高さになるまで、液体導管２２０Ｈを通して再循環される。その後、制御部２２０Ｈは、入力弁２４３Ｈ、出力弁２５３Ｈを図３９に示す位置に作動し、再循環ポンプ２６３Ｈの作用をなくし、処理済みの水を出力導管２５１Ｈから流出する。
【０２０４】
この発明について、好ましい形態をある程度詳しく説明したが、好ましい形態の開示内容はあくまで例示であり、この発明の考え方および思想の範囲の中で、その構成の詳細部分や部品の組合せおよび配置について多くの変形をすることができる。
【符号の説明】
【０２０５】
１０  半導体エネルギー変換装置
２０  広バンドギャップ半導体基板
２１  第１面
２２  第２面
２３  周囲端
３０  気密チャンバ
４０  熱エネルギービーム
【図１】
2012510717.tif 000013
【図２】
2012510717.tif 000014
【図３Ａ】
2012510717.tif 000015
【図３Ｂ】
2012510717.tif 000016
【図３Ｃ】
2012510717.tif 000017
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2012510717.tif 000019
【図４Ｃ】
2012510717.tif 000020
【図５Ａ】
2012510717.tif 000021
【図５Ｂ】
2012510717.tif 000022
【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【国際調査報告】
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