磁极化的光子器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及能源产品、光子感应、以及磁极化的光子器件；并且更具体地涉及磁极化的光子器件以及用于制造其的方法。
【背景技术】
[0002]在过去的几年里，对再生及可持续能源的关注已经增长，这激励了在很多能源方面的研究与发展。特别地，大量的研究和发展集中在光电能及其产生的周围。一般来说，在1958年由贝尔实验室首先开发出传统的光生伏打电池，其中在该光生伏打电池内采用了扩散硅p-n结。虽然这些传统的扩散硅p-n结器件的效率在几十年里有所提升，但最好的传统扩散硅P-n结器件不超过百分之二十三(23%)。虽然多年以来这些传统的扩散硅p-n结器件的效率确实有提升，但已变得显然的是可以被扩散硅p-n结器件实现的效率存在根本性限制。同样地，用于制作传统光生伏打电池的硅晶圆的成本依然很高，使得传统的光生伏打电池的成本与替代的技术相比没有竞争力。
[0003]在1976年左右，传统的多结光生伏打器件的引入大大地显示出在几十年间获得改善的更佳的效率并且已实现在四十三和四十三以下的范围内以及大约四十三(43.0%)的效率。虽然这明显优于传统的扩散硅p-n结器件，多结光生伏打器件对于某些应用来说效率仍然不足。更重要的是，因为对于至少刚过去的十年以及对于可预见的未来而言，传统的扩散硅P-n结器件与传统的多结光生伏打器件两者的效率都停滞不前。几乎没有理由相信能从传统的器件中榨取出明显更高的效率。
[0004]传统的扩散娃p-n结器件与多结光生伏打器件两者共有一些共同的问题。尽管在一些情况下，每一种类型的器件都有其自己的一些具体问题。一个问题或缺点在于两种类型的传统器件都被构建为离散的器件。例如，被构建具有1.1eV的带隙的传统扩散硅p-n结器件将有效地捕获具有1.1eV能量的光。低于1.lev能量带隙的任何能量的光都无法被捕获。同样地，高于1.lev能量带隙的任何能量的光都被浪费并且无法被投入生产性使用。更具体地说，吸收1.2eV光子的1.1eV带隙光生伏打电池将有效地转化1.2ev光子能量中的1.1eV而浪费0.1eV差额。类似地，吸收了 2.2eV光子的1.1eV带隙光生伏打电池将有效转化2.2eV光子能量中的1.1eV而浪费光子能量中额外的1.1eV0该相同的原则对任何给定能量带隙的单结器件都适用。除了这个效果以外，与一般是但不限于直接带隙材料的III/V材料相反，硅众所周知为间接带隙材料。以间接带隙材料制造的光生伏打器件进一步地浪费能量，这归因于它们不能完全吸收具有与它们的材料带隙相等及刚刚高于它们的材料带隙的能量的光子。
[0005]传统的多结器件也是离散器件；然而，因为传统的多结器件通常使用III/V材料和锗基片构建，多结器件可以被垂直堆叠在彼此之上，从而使得使用硅基片的垂直堆叠的能量带隙不被允许。然而，如前面所述的，如果结的带隙被工程化和构建以捕获1.1eV能量光子，那么结就将有效地捕获1.1eV能量光子，但将无法捕获更低的其它能量光子并且将浪费高于1.1eV的光子能量。为了有效地捕获其它能量光子，其它带隙结被构建并且堆叠在基片上。通常，这些其它结被调谐用于1.5eV能量带隙、1.2eV能量带隙和0.SeV能量带隙，从而产生了能够在1.5eV器件中捕获具有大于1.5eV的光子、并且在1.2eV器件中捕获具有1.2eV和1.5eV之间的能量的光子、并且在0.8eV器件中捕获具有0.8eV和1.2eV之间的能量的光子的三结器件。然而，具有小于0.8eV的能量级别的光子完全不被捕获，且被浪费和不被使用。同样地，如先前所述的，高于结的能量带隙的每一个光子的在所述结中被吸收的额外的能量同样被浪费。举例来说，在1.2eV带隙结中被吸收的1.4eV光子立刻失去其能量的0.2eV作为浪费，且只有剩余的1.2eV的能量被有效地转化。另一个多结器件特有的弱点在于器件中的电流以与传统二极管电流流动相反的方向行进在相邻堆叠的结之间的过渡处的要求。这通过用极高浓度的η型和P型元素在这些过渡区中掺杂半导体材料使得二极管结构变成能够在反方向承载电流的隧道二极管来达成。这些隧道二极管并不是电的完美导体并且引入了专用于多结器件的损耗机制。
[0006]因此，可以看出传统的扩散硅p-n结类型的器件和多结光生伏打类型的器件两者在设计上都具有根本性问题，因为它们在它们的基本设计方面具有固有问题，所以不可能将掉落在它们上面的所有光子捕获且转化为自由电子和自由空穴。基本上，存在固有的低效问题，所述固有的低效问题源于被用来制作器件的材料以及这些材料被工程化和设计的方式。
[0007]当集中的许多光子或强度增加的光子被传递到任一器件类型的接收表面时，两种类型的光生伏打器件，即传统的多结光生伏打电池和传统的扩散硅P-n结类型的器件都更有效。然而这同样是个问题，因为光子的集中要求将将光子集中到器件自己上的基础架构工程化。该基础架构要求工程化、材料、设计和精度。所有这些要求增加了复杂度以及制作光生伏打器件和将光生伏打器件实施到市场中的成本。此外，另一个问题在于当光子是模糊的时候，诸如有云层覆盖或遮挡时，效率在没有一起停止的情况下也严重地降低。
[0008]多结器件的另一个问题在于将无限数量的结放在器件中从而增加将光子捕获且转化为可用的自由电子和自由空穴的机会是不可能的。此外，不可能使光生伏打器件任意地厚。在实际的结外部的光生伏打器件的厚度必须近似一个扩散长度，其中该扩散长度是在电荷载流子具有再结合事件之前，电荷载流子在没有电场的情况下，在晶格的体积中可以行进的路径的近似长度。扩散长度一般取决于所使用的半导体材料、半导体材料的掺杂、以及半导体材料的完整性。一般来说，没有对于所有因素而言完全最优的设定条件。对于具体的应用，通过个案基准基于个案情况来选择条件。然而公平地说，这是折衷选择的平衡，其中如果你通过掺杂减少自由电子的数量，那么阻抗就会增加；如果你通过掺杂增加自由电子的数量，那么阻抗就会被降低而扩散长度会被缩短。因此，在传统的光生伏打器件中理想的因素设定无法达到，但是相反，达到了设定和/或因素的妥协，这产生了未给出完美性能的器件，但因素被妥协使得对于在手边的半导体材料和环境来说给出了最好的性能。
[0009]据此，传统的光生伏打器件的设计和制造具有若干固有问题，所有所述固有问题限制了传统光生伏打器件在市场上实现它们真正的潜力以及实现物理学的预期。由于根本性的设计限制、根本性的材料限制、以及制造限制，制造传统的光生伏打器件的成本很高。制造、材料和固有的根本性问题既严重地限制了传统光生伏打电池的性能又降低了系统架构设计的灵活性。为了允许光生伏打器件的增强的优化、设计、效率和性能提升以及架构设计的灵活性，需要新的光生伏打架构和设计。
【发明内容】
[0010]简而言之且在不同的代表性方面，本发明提供了使用梯度带隙的磁极化的光子器件。磁极化的光子器件具有第一、第二、第三和第四表面。其中第一和第二表面基本上平行，并且其中第三和第四表面基本上平行，同时第三和第四表面基本上垂直于第一表面。具有第五和第六表面的第一接触元件电性耦接于半导体器件的第四表面、以及第二接触元件具有第七表面和第八表面，其中第二接触件被电性耦接于半导体器件的第三表面。
[0011]本发明的额外的优点将在【具体实施方式】中被阐明，所述优点遵循【具体实施方式】并且可以从【具体实施方式】中显见，或者可以通过对本发明的示例性实施例的实践被认识到。本发明的其他优点仍然可以通过权利要求中所具体指出的任何手段、方法或组合来实现。
【附图说明】
[0012]本发明的代表性的元件、操作特征、应用和/或优点特别存在于如下文更充分地描绘、描述和主张的构造和操作的细节中一一参考形成于此的一部分的附图，其中相同的附图标记自始至终指代相同的部件。根据【具体实施方式】中所描述的某些示例性实施例，其它的元件、操作特点、应用和/或优点对于本领域的技术人员将变得明显，其中:
图1是磁极化的光子器件的大幅放大的简化的截面透视示意图，所述器件具有延伸穿过磁极化的光子器件的磁场线；
图2是不同的半导体材料的能量带隙(eV)、晶格参数(纳米)和波长(纳米)的大幅简化的图表；
图3是材料成分组的能量带隙(eV)、晶格参数(纳米)和波长(纳米)的大幅简化的图表;
图4是如图1中所一般性描绘的磁极化的光子器件的大幅放大的简化的透视示意图，图4还包括了光子源以及自由电子和自由空穴的形成。
[0013]图5是磁极化的光子器件的大幅放大的简化的反转透视示意图，图5还包括了光子源；如图1和4中所一般性描绘的，包括自由电子和自由空穴的形成；
图6是如图1、4和5中所一般性描绘的磁极化的光子器件的大幅放大的简化的透视示意图，图6示意了自由电子和自由空穴在磁极化的光子器件的梯度带隙中的移动；
图7是如图1、4、5、6中所一般性描绘的磁极化的光子器件的大幅放大的简化的透视示意图，图7示意了磁极化的光子器件的捕获和电荷发展；并且
图8是具有磁极化的光子器件的简化截面图的带隙图的大幅放大的简化图表示意图。
[0014]本领域的技术人员应该理解，图中的元件为了简洁和清楚起见被示意，并且不一定按比例绘制。例如，为了帮助加深对本发明的不同实施例的理解，图中一些元件的尺寸相对于其它元件可以被放大。此外，术语“第一”、“第二”以及诸如此类的在此(如果有的话)特别用于在相似的元件之间进行区分，并且不一定用于描述连续的或按时间顺序的顺序。此夕卜，在【具体实施方式】和/或权利要求中，术语前部、后部、顶部、底部、之上、之下以及诸如此类的(如果有的话)为了描述性目的而被一般性地采用，并且不一定用于全面地描述排它的相对位置。本领域的技术人员因此应该理解，任何这样使用的上述术语可以在适当情况下互换，以便例如在此所述的本发明的不同的实施例能够在除明确示意或另外描述的那些的其他方向操作。
【具体实施方式】
[0015]以下描述具有对本发明的示例性实施例以及发明者对最佳模式的设想，并且以下描述无意于以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，下文的【具体实施方式】意在提供用于实施本发明的不同实施例的方便的示意性说明。如将变得明显的那样，可在在公开的示例性实施例中所描述的任何元件的功能和/或布置中进行改变而不背离本发明的精神和范围。
[0016]在讲述下面所述的本发明的实施例的细节之前，首先定义和/或澄清一些术语。
[0017]术语“缺陷”意在意指材料的晶格结构中的任何中断或变化。仅通过示例的方式，可以发现晶体材料中存在几种不同的缺陷，诸如但不限于点缺陷、线缺陷、杂质、以及平面缺陷。通常，这些缺陷可以被计算并用缺陷每立方厘米的形式表示。
[0018]术语“带隙”意在意指半导体材料中的能量范围，在所述能量范围中没有电子态能够存在。带隙一般指的是价带顶部与传导带底部之间的能量差异。通常，该能量差异具有分布在一(1.0) eV到二(2.0) eV的范围内的数量级，但也可具有分布在大约零(0.0) eV到大约八(8.0) eV的范围内的数量级。应该理解的是，具有大带隙的材料(一种或多种)是绝缘体；具有较小的带隙的材料(一种或多种)是半导体，并且具有非常小的带隙或没有带隙的材料(一种或多种)是导体或半金属。此外，每一种材料都具有其自己的特征带隙和能带结构。
[0019]术语“梯度带隙”意在意指材料的结构，其中材料的带隙动态地改变，同时仍然一般性地保持材料的结构性结晶度。同样地，梯度带隙指的是器件中的区域，在所述区域中带隙在微米数量级的距离上从一个带隙能量改变为不同的带隙能量。尽管最高的效率将可能产生自连续的梯度带隙，但是术语“梯度带隙”意在包括所有的带隙过渡区域，其中该带隙过渡区域可包括可能低效率、但总体上仍然操作成诱导自由电子和自