專利名稱：熱光電的半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過入射輻射的作用在半導體內生成例如電子和空穴的載流子的領域，且更具體地涉及從加熱的表面的輻射發射，且在一重要的應用中，涉及由于非常接近于該被加熱的表面，增強在光電裝置等內載流子的的生成。
背景技術：
在普通的光電單元中，接近于形成該單元的半導體材料的表面形成一半導體p-n結。當例如太陽的一光源發射的光子照射在該單元表面上時，生成電子—空穴對。這些電子—空穴對通過是該p-n結的結果的空間電荷電位而被分開。最后的結果是DC電流。除了替換一光源以外，熱光電以類似的方式進行操作，溫度高于半導體材料的一表面起到光子源的作用。在此情況下，熱輻射是能量傳送的機理且限定該輻射的光譜成分的發射表面的溫度必須與該材料和該半導體的電子特性例如帶隙相匹配以使轉換效率最佳。
現有的熱光電裝置和系統被設計成使相對于熱輻射的特征波長，發射表面與單元表面之間的距離較大。因此，該熱輻射傳送的特征在于斯忒藩—玻耳茲曼定律及其由普朗克定律規定的光譜成分。
微量輻射熱傳送現從半導體裝置，包括光電單元等的領域轉到輻射熱傳送的總的領域，在輻射熱傳送的經典理論中，熱平衡中的一平坦表面及其周圍的波長的每個間隔和每個區域的輻射功率由普朗克定律給出。普朗克定律在所有波長上的積分得出用于黑表面的斯忒藩—玻耳茲曼定律。類似地該定律控制兩黑表面之間的能量的交換。
普朗克定律預言在輻射體的一給定溫度的輻射能量的大部分將圍繞最大光譜強度“朗伯德馬克斯(lambdamax)”的波長。“朗伯德馬克斯”通過維恩位移定律被預測。在較短波長，能量衰落非常快速，而在大于朗伯德馬克斯的波長，衰落要平緩得多。在較低的溫度，朗伯德馬克斯出現在較長的波長。
在以上的經典理論中，假定相比于所包含的能量的波長，輻射表面之間的距離較大。普朗克將該條件加于他的推導。在最后的幾個十進位上一小段輻射熱量傳送理論和實驗已得出其中輻射固體之間的間隔是在交換的輻射的特征波長的數量級上或小于其。有實驗證據表明由與波長相同數量級或更小的距離所分開的兩表面(介質至介質或金屬至金屬)之間的能量交換比在較大的距離上大幾倍，且隨著距離的減小，該效果的幅值快速增大。這樣的實驗的例子是Cravalho，E.G等，1967年11月，“介電質之間的輻射傳送上的小間隔的效果”，熱量傳送期刊(Journal ofHeat Transfer)，351-358頁；Hargreaves，C.M.，1973年，“緊密間隔的物體之間的輻射傳送”，菲利普斯研究報告(Philips Res.Reports)增刊第5期，1-80頁；和Kutateladze，S.S.等，1978年8月，“在冷凍溫度的金屬板之間的間隙幅值對它們的熱相互作用的影響”，Sv.Phys.Dokl.23(8)，577-578頁。隨著小或“微量”間隔的幅值增大的數量級由Polder，D.等人在理論上被預測，1971年11月，“在緊密間隔的物體之間的輻射熱量傳送的理論”，物理評論(Physical Review B)，第4卷，第10期，3303-3314頁和Levin，M.L.等人，1980年，“對由于起伏電磁場所致的熱量交換的理論的貢獻”，Sov.Phys.JETP，第6卷，1054-1063頁。
構成本發明的基礎，如在1996年6月的美國麻省理工學院尚未公布的我的題為“經微量輻射傳送的加強的半導體載流子的生成，MPC-電功率財政方法政策，出射能量技術中相互作用的改革(Enhanced Semiconductor Carrier Generation Via Microscale RadiativeTransfer，MPC-An Electric Power Finance Instrument Policy，InterrelatedInnovations in Emerging Technologies”論文中更全面描述的，是我在概念上的新的理解及發現這些先前未涉及的熱光電能量轉換的技術和小間隔輻射熱量傳送系統的技術可以這樣的方式被協和地組合以使通過使用半導體裝置的表面和一加熱的表面的非常小的間隙并置，加強接收來自該加熱的表面的例如光子的輻射的例如光電單元等的半導體裝置中的半導體載流子(電子和空穴)的生成。
本發明的目的因此本發明的主要目的是提供一種新的且改善的通過使用半導體表面或裝置的表面和一加熱的表面的非常小的間隙(“微量“)并置，加強在接收來自該加熱的表面的輻射的半導體裝置及其附近表面中的載流子(例如電子和/或空穴)的生成的方法。
再一目的是提供一種改善的熱光電系統。
其他以及另外的目的將在下文中被說明且在后附的權利要求中被更具體地描述。
總之，從一更廣的方面說，本發明包含一種加強在接收來自一加熱的表面的輻射的一半導體及其附近表面中的載流子的生成的方法，包括并置地放置這些表面，并調節它們之間的間隙到微量間隔。
更概括地，本發明以這樣的方式將先前未涉及的熱光電能量轉換技術和小間隔輻射熱量傳送系統的技術相組合以使加強半導體載流子的生成。
下面將詳細描述優選的及最佳的方式設計和實現方案。
下面將結合附圖描述本發明，該


了當被應用于一熱光電裝置的示例性應用時的本發明的新穎的原理。
參見附圖，根據本發明并置的，以在溫度TH的基本平坦的加熱表面的形式被概略性地示出為1的包括光子的輻射的一加熱的表面發射體，非常接近于該輻射的一半導體接收體，例如在相對冷卻溫度TC的一光電單元的一基本上平行的表面2，如在我的所述論文中46頁所述的。將在該單元的底或后表面或從前有效表面凹入的表面中提供單元集電觸點和柵極(未示出)。
表現為響應于來自加熱的表面1的入射輻射，載流子生成的顯著增多的本發明的被加強的協作效果是通過實現表面1和2達到上述臨界的非常的接近的程度，兩者之間具有一0.01微米數量級(高至約1微米的數量級)的一微隙(抽空的間隙)而被實現的，如在所述論文46頁上所述的，且如在所述論文的77頁上所示的甚至高至100微米的較長的波長的某些情況(如在低溫應用及類似情況)下，對于大多數應用，0.01-20微米是一較佳的范圍。
在表面1和2之間的決定性的微米范圍的分開間隙的精細調整可如我的所述論文的84-85頁上更完整所述的，通過例如新焦點公司(New Focus Corporation)的型號8085的壓電控制的校平臺等的裝置而被控制。
而且，考慮到非常小的間隙，如通過常規的隔離臺及類似裝置，要求隔離振動。
盡管結合光電半導體裝置的例子對本發明進行了描述，顯然一半導體表面和一加熱的表面的緊密并置的載流子加強效果從種屬上說是可應用的且是有用的。
替換平坦表面，如我的所述論文的66-67頁上所述的，可蝕刻圖形或相反地形成為三微形式(通道，島等)以修正被傳送給并置的半導體表面的輻射能量的電磁頻譜。然后可以有從一維，MTPV，即控制兩個表面之間的距離，到三維的自然傳播，其中除了微量間隔外，作為后面兩維的一函數的這些表面的特性也被控制。總之，如果x和y是在發射體和接收體基片表面的平面中且z是垂直于它們，則自由度是z在該兩基片之間，z在一或兩基片內，x和y在一或兩基片內，及一基片的x和y相對于另一個。
半導體包括硅和二元、三元和四元復合半導體，包括InAs，InGaAs和InGaAsSb及其他。
而且，該加熱的表面，如在所述的論文中所述，不僅包括在相同溫度下的點陣和載流子，而且包括這些載流子是在比點陣(“熱電子”)更熱溫度下好象吸收了電磁能量的條件。
本領域的熟練技術人員可作出各種其他變型，這些變型備認為在由后附權利要求限定的本發明的精神和范圍內。
權利要求
1.一種加強接收來自一加熱的表面的輻射的一半導體表面中的載流子的生成的方法，包括有步驟并置地放置這些表面，并將它們之間的間隙調整至微米尺寸的間隔。
2.根據權利要求1的方法，其中該間隙被抽空且該間隔被調整至從約0.01至100微米的數量級。
3.根據權利要求2的方法，其中該半導體表面包括一相對較冷的光電裝置。
4.根據權利要求3的方法，其中該光電裝置的表面和該加熱的表面的表面基本上是平面的。
5.根據權利要求4的方法，其中這些并置的表面中的一個或兩者被構圖。
6.根據權利要求4的方法，其中除了控制這些表面之間的間隔外，與該間隔正交和平行的維度上的這些表面的一或多個的特性被改變。
7.一種組合的輻射傳送和熱光電裝置設備，具有組合的一光電單元表面和一加熱的輻射表面，后者被定位與該單元表面相并置并與其分開達微米或其幾分之一的數量級的一間隙。
8.根據權利要求7的設備，其中該間隙被抽空且該間隔被調整至從約0.01至100微米的數量級。
9.包括一組合的半導體表面和一加熱的表面的設備，該加熱的表面將輻射入射至該半導體表面以生成半導體載流子，這些表面被緊密并置地支持，分開一達微米或其幾分之一的數量級的抽空的間隙。
10.一種加強接收來自一加熱的表面的輻射的一半導體表面中的載流子的生成的方法，包括有步驟從一溫度TH的加熱的表面發射輻射；通過一抽空的間隙耦合該輻射用于由一保持在溫度TC的相對較冷的半導體表面接收，其中TH＞TC；且將該間隙的厚度調整至亞微米/微米的數量級以響應于通過該間隙耦合的該輻射，實現該半導體中帶電載流子生成的加強的增多。
11.根據權利要求10的方法，其中該加熱的表面和半導體表面中的一個或兩者被提供有形成用于修正通過該間隙耦合的發射的輻射的頻譜的材料。
12.根據權利要求11的方法，其中該材料沿任一或兩表面的X、Y和Z軸中的一或多個被提供。
13.根據權利要求11的方法，其中任一或兩表面被提供有圖形、通道、島和三維形式中的一種。
14.根據權利要求10的方法，其中通過控制這些表面的校平來調整該亞微米/微米厚度。
15.根據權利要求10的方法，其中該間隙被與振動隔離。
16.根據權利要求10的方法，其中該半導體被構成以使其表現為一光電裝置。
17.一種加強接收來自一加熱的表面的輻射的一半導體表面中的載流子的生成的方法，包括有步驟并置這些表面，在它們之間配置有絕熱的基本上沒有損耗的輻射—發送介質；并在亞微米/微米范圍內調整它們之間的該介質的厚度。
18.根據權利要求17的方法，其中該絕熱的基本上沒有損耗的輻射—發送介質包括一抽空的間隙。
19.一種組合的輻射傳送和載流子生成半導體設備，具有組合的半導體和熱量輻射表面，其中在比該半導體表面的溫度要高的溫度下操作該熱量輻射表面；在這些表面之間配置有絕熱的基本上沒有損耗的輻射—發送介質用于耦合來自該熱量輻射表面的輻射并由該半導體表面接收；該介質的厚度被調節至亞微米/微米的數量級以響應于通過該介質耦合的該輻射，實現該半導體中帶電載流子生成的加強的增多。
20.根據權利要求19的設備，其中該介質包括一抽空的間隙。
21.一種響應于來自一熱量輻射表面的入射的熱量輻射，加強一半導體表面中帶電載流子的生成的方法，包括有步驟組合緊密地接近在一起的一對平行表面之間的界面處產生的增多的熱量輻射能量交換的現象，其中一個表面是一熱量輻射生成表面，以及通過將在所述界面產生的這樣增多的熱量輻射能量交換引至一半導體表面，響應于熱量輻射在該半導體表面中激發帶電載流子生成。
22.一種加強在接收來自一加熱的表面的輻射的導電或半導電表面中電流的生成的方法，包括有步驟從一溫度TH的加熱的表面發射輻射；通過一抽空的間隙耦合該輻射用于由一保持在溫度TC的相對較冷的導電或半導電表面接收，其中TH＞TC；且將該間隙的厚度調整至亞微米/微米的數量級以響應于通過該間隙耦合的該輻射，實現該相對較冷表面中電流生成的加強的增多。
23.根據權利要求22的方法，其中該生成的電流的幅值通過調整該間隙而被控制。
24.根據權利要求23的方法，其中通過該亞微米/微米間隙調節所實現的能量增強產生能量激勵，該能量激勵被轉換成加強的電流的生成。
25.根據權利要求24的方法，其中該相對較冷的表面是一光電表面且該電流的加強的生成將其自己顯現在該光電表面的功率輸出中。
全文摘要
一種技術,用于加強例如光電裝置等的半導體裝置中載流子(例如電子和/或空穴)的生成,通過使用該裝置的表面和熱量輻射表面的微米并置,最好它們之間的間隙被抽空,接收來自一加熱的表面的輻射。
文檔編號H01L31/04GK1265776SQ98807837
公開日2000年9月6日 申請日期1998年7月27日 優先權日1997年7月30日
發明者羅伯特·斯蒂芬·迪馬特奧 申請人:羅伯特·斯蒂芬·迪馬特奧