CN105144393A - 磁极化的光子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了磁极化的光子器件。磁极化的光子器件（100）包括基片（102）、湮没层（106）和梯度带隙层（142）。湮没层（106）被安置在基片（102）的表面（104）上，其中梯度带隙层（142）被安置在湮没层（106）上。接触件（116、128）被安置在磁极化的光子器件（100）的末端（146、150）上。磁场（159）被施加于梯度带隙层（142）和湮没层（106）以将电荷驱动到接触件（116、128）。

Description

磁极化的光子器件
技术领域
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
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。
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。
传统的扩散硅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1.1ev能量带隙的任何能量的光都无法被捕获。同样地，高于1.1ev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1.1eV。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。
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0.8eV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n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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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——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。
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。
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。此外，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
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。
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。
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。
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。
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由空穴从具有更大带隙的区域向具有更小带隙的区域移动的带隙间断或恒定带隙的部分。应该理解的是，可以确定斜率，其中曲线可以被改变，梯度带隙可以以逐步的方式改变，其中带隙能量以百分之几的数量级通过在光子被大量吸收的距离而缓慢地改变。梯度带隙值移动
术语“晶格参数”意在意指晶格中晶胞之间的恒定距离。一般来说，晶格尺寸具有三个常数（a、b、以及c，并且通常以纳米为单位测量）。然而，当一组材料具有相似的或相同的晶体结构时，单个数值被选择以表示原子的间距。如图3所示，晶格参数只使用单个数值以描述晶格结构，因为所有这些材料都具有相似的晶体结构或晶胞。然而，应该理解的是其它晶体构造和几何图案也可以被使用。
术语“波长”意在意指任何光子或光波的连续最高点或波峰之间的距离。通常，如图2中所示，波长以纳米为单位被测量。图2中所标示的波长是从任何光发射源发射的光的波长，所述光发射源诸如但不限于太阳光、光发射器件、发光二极管（LED）、或诸如此类的。另外，应该理解的是，根据关系：E=hc/λ，光（光子）的波长与其能量有关，其中E是能量、h是普朗克常数、c是光速、并且λ是光的波长。
术语“III-V”意在指示通过将近似相等数量的来自元素周期表第3列的元素（硼、铝、镓、铟、和铊）与来自元素周期表的第5列的元素（氮、磷、砷、锑、和铋）结合形成的一组半导体材料。这些元素结合以形成半导体，所述半导体包括但不限于砷化镓、锑化铟、锑化镓、和磷化铝、以及诸如此类的。
术语“II-VI”意在指示通过将近似相等数量的来自元素周期表第2列的元素（锌、镉、和汞）与来自元素周期表的第6列的元素（氧、硫、硒、和碲）结合形成的一组半导体材料。这些元素结合以形成半导体，所述半导体包括但不限于碲化镉、碲化锌、硒化镉、和硒化汞、以及诸如此类的。尽管锰和镁不在元素周期表的第II列中，但是由于它们的与硒和碲的兼容性，我们还是将它们包括在II-VI材料组中以形成具有有利的带隙和晶格常数的半导体。
图1是具有长度164和宽度166以及高度168的磁极化的光子器件100的大幅放大的简化的透视示意图。磁极化的光子器件100包括具有表面104和105的基片102，具有表面108、109、110、111、112和114的湮没层106，分别具有表面118、119、120、121、122和124以及表面130、131、132、133、134和136的接触件116和128，以及具有表面144、145、146、147、148和150的梯度带隙层142。由多条磁场线159所指示的磁场被示出，所述磁场线具有由箭头157、158、160、161和162所指示的独立标示的磁场线，其中磁场线157行进穿过基片102，其中磁场线160行进穿过梯度带隙层142，其中磁场线162行进穿过湮没层106，其中磁场线158在磁极化的光子器件100之上行进，并且磁场线161在磁极化的光子器件100下方行进。负载176通过电迹线188、186、178、180、182和184被耦接于接触件116和128。
基片102可以由具有表面104的任何适合的材料制成。通常，基片102由任何适合的半导体材料或绝缘材料制成，诸如但不限于硅（Si）、锑化镓（GaSb）、砷化铟（InAs）、硒化镉（CdSe）、锑化铟（InSb）、砷化镓（GaAs）、碲镉汞（HgCdTe）、硒化镉（CdSe）、离子盐、金属氧化物、陶瓷、玻璃、或诸如此类的材料。一般来说，基片102使用具有足够宽的带隙以便电流流动被抑制的材料。
如图1所示，湮没层106被安置在基片102的表面104上。一般来说，湮没层106可以由任何适合的材料或材料组合制成，所述材料或材料组合诸如但不限于碲镉汞（HgCdTe）、硒镉汞（HgCdSe）、锑砷铟（InAsSb）等。另外，湮没层106可以由与被用于制作梯度带隙层142的相同的元素材料制成。然而，应该理解的是，湮没层106被制作具有高度的晶体缺陷率、无向性、和/或不完整性，从而促进了从如图4、5、6、7所示的多个光子404中生成的自由电子和自由空穴的收集和再组合，如下文所述的那样，该多个光子404碰撞并且随后在梯度带隙层142中生成自由电子和自由空穴。
通常，湮没层106沉积在基片102上。湮没层106可以通过任何适合的方法或技术制作，诸如但不限于外延、分子束外延（MBE）、化学束外延（CBE）、化学气相沉积（CVD）、物理化学沉积（PCD）、物理气相沉积（PVD）等。应该理解的是，上面所提到的设备能够精密地改变沉积材料的成分以便将沉积材料的成分从一种材料动态地改变为另一种材料。制作具有高度晶体缺陷率的湮没层106可以通过适合的方法或技术实现。通常，当诸如反应材料的温度、压强、气体流动比率、以及诸如此类的处理参数为了出色的晶体生长而轻微地背离处理窗口或在处理窗口之外时，缺陷率增加。通过示例的方式，随着生长处理参数为了出色的晶体生长被设定，将处理温度改变到低于最佳处理窗口百分之五十通常生产出具有充分的不完整性和缺陷以用作再结合场所的湮没层106。
一般来说，对缺陷率的测量可以通过任何适合的方法或技术实现，诸如但不限于对缺陷的光学计数、对x射线衍射测量值的测量、和/或对光子诱导的载流子寿命的测量。通常就对缺陷的光学计数而言，要被测量的材料的表面遭受蚀刻溶液，其中布置缺陷并且在缺陷出现的位置生成凹陷。当使用光学的方法时，结果被表现为缺陷密度每单位面积，但是这可以与缺陷密度数值每立方厘米相关。对于该器件来说，对缺陷率的最准确的测量是光子诱导的载流子寿命。在方法论中，针对这种偏好的原因是因为光子诱导的载流子寿命方法考虑且包括了特定的器件设计和对湮没层106的预定的操作。
一般来说，虽然可以使用任何适合的缺陷率数量，但是应该理解的是缺陷率是应用特定的并且根据材料组在一定程度上是可变的。晶体缺陷率和无向性帮助了由碰撞表面148并且移动到湮没层106的多个光子404（图4中所示意的）产生的自由电子和自由空穴的再结合，所述湮没层106与梯度带隙层142中所使用的材料相似。通常，湮没层106可以由任何适合的材料制成，诸如但不限于缺陷填充的HgCdTe、HgCdSe、InAsSb等。然而，用于湮没层106的材料应该是容易从那里各自的带中接受自由电子和自由空穴，即来自价带的自由空穴与来自传导带的自由电子，并且激励自由空穴和自由电子的再结合的材料。
湮没层106的厚度107可以被制作为任何适合的厚度107。应该理解的是湮没层106的厚度是应用特定的并且可以具有大量的可变性。然而一般来说，湮没层106可以具有能够分布在单层到10.0微米的范围内的厚度107，其中，厚度107分布在0.5微米到5.0微米的小范围内，以及优选地分布在从0.8微米到1.2微米的范围内。
同样地，根据对用来制作湮没层106的材料的选择，湮没层106可以如下文所描述的被分级，以便带隙能量可以在那些自由电子和自由空穴通过了梯度带隙层142后促进自由电子和自由空穴的再结合的这样的方式被调谐或配置。
如图1中所示的，梯度带隙层142被安置在湮没层106的表面112上。一般来说，梯度带隙层142可以由具有相似的晶格参数和不同的带隙能量（eV）的任何适合的材料或材料组合制成，所述材料或材料组合诸如但不限于HgCdTe、HgCdSe、InAsSb、碲化汞（HgTe）、InSb、碲化镉（CdTe）、硒化汞（HgSe）、砷化铟（InAs）、或锑镓铝（AlGaSb）、锑砷铟（InAsSb）、HgCdSe、硒碲化镉锌（CdZnSeTe）、碲锰镉（CdMnTe）等。
如图1和5中所示的，层190可以被安置在磁极化的光子器件100上，所述磁极化的光子器件100可具有若干目的，诸如但不限于滤波器、保护性涂层、透镜、以及诸如此类等。更具体地说并且参照图1，层190可以被安置在梯度带隙层142的表面148上，并且在图5中层190可以被安置在梯度带隙层142上方的基片501的表面504上。应该理解的是对基片102的表面104和105、以及对基片501的表面504和505的选择依赖于所涉及的材料和器件特定的设计。举例来说，如图5中所示，当需要使梯度带隙层142与具有某种波长的光子相互作用时，基片501对于该波长必须是透明的。相应地，层190可以被制作以选择性地令某些波长通过同时将其它波长排除在外，从而提供了选择性滤波。另外，应该理解的是层190可以被制作以令光子的某些波长通过进入梯度带隙层142中并且反射光子的其它波长。另外，应该理解的是，层190可具有可用于不同的目的的多个层。层190可以通过本领域众所周知的任何适合的方法或技术被安置在梯度带隙层142上或在其上方，所述方法或技术诸如但不限于在此所讨论的那些。另外，并且在某些情况下，层可以被层压在梯度带隙层142上或被层压在梯度带隙层142之上。
根据特定的应用、设计和所选择的材料，层190可以是任何适合的光子器件，诸如但不限于抗反射层、选择性镜子、聚焦层、反射器等。
现在参照图1和图2两张图，图2是多种半导体材料的能量带隙（eV）202、晶格参数（纳米）204、和光子波长（纳米）205的大幅简化的图表，具有在左手Y轴上的能量带隙（eV）、在右手Y轴上的光子波长、以及具有在X轴上的晶格参数。如图2中所示，特定的半导体材料（被表示为以数字形式标示的点）可以与表示晶格参数的特定数字相关联。另外，该特定的半导体材料可以与表示带隙能量（eV）的特定数字相关联。同样地，该特定的半导体材料可以与光的特定波长相关联，其中光子（一个或多个）可以被该特定的半导体材料吸收。
为了清楚起见，很多可用的半导体材料并没有被标示。然而，本领域技术人员应该理解的是，这些材料和未来的材料均被本发明所预期。
通过示例的方式，图2示意了有限数量的材料，用数字206表示的点是碲化汞（HgTe），用数字210表示的点是锑化铟（InSb），用数字212表示的点是碲化镉（CdTe），用数字214表示的点是硒化汞（HgSe），用数字216表示的点是砷化铟（InAs），用数字218表示的点是锑化镓（GaSb），用数字220表示的点是锑化铝（AlSb），用数字222表示的点是硒化镉（CdSe），用数字224表示的点是碲化锌（ZnTe），用数字226表示的点是碲化锰（MnTe），用数字228表示的点是硒化锰（MnSe），用数字230表示的点是硫化镉（CdS），用数字232表示的点是磷化铟（InP），用数字234表示的点是硒化锌（ZnSe），用数字236表示的点是砷化镓（GaAs），用数字238表示的点是锗（Ge），用数字240表示的点是硫化锌（ZnS），用数字242表示的点是磷化铝（AlP），用数字244表示的点是磷化镓（GaP），用数字246表示的点是硅（Si）。
如图2中所示，可以看到材料的某种垂直的图案，其中不同的材料具有相似的晶格参数。仅通过示例的方式，材料HgSe214、InAs216、GaSb218、AlSb220、CdSb222和ZnTe224具有大约或近似于0.61nm的晶格参数，从而指示出这些不同的材料具有相似的晶格结构，其实现了对要沉积在彼此之上的这些不同材料中的一些的电势堆叠和/或校准，以及指示出这些不同的材料具有数量少的不完整性或缺陷。
现在参照图3，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3示意了对材料成分进行分级以在保持晶格参数特征的同时调整带隙。仅通过示例的方式，使用有限数量的材料，用数字214表示的点是硒化汞（HgSe），用数字222表示的点是硒化镉（CdSe），用数字224表示的点是碲化锌（ZnTe），用数字226表示的点是碲化锰（MnTe），用数字228表示的点是硒化锰（MnSe）。另外，应该理解的是在图3中所发现的材料并无意成为全部包括的列表。如图3中所示，一些材料在垂直方向上具有非常相似的晶格参数。
仅通过示例的方式，使用近似0.645纳米（nm）的晶格参数，垂直分组的材料落入0.647nm内并且在0.647nm附近。分组包括HgTe、InSb、和CdTe。在另一个示例中，使用近似0.610nm的晶格参数，垂直分组的材料落入0.610nm内并且在0.610nm附近。分组包括HgSe、InAs、GaSb、AlSb、CdSe、和ZnTe。应该理解的是并未在此提及的其它的垂直分组可以被使用。
通过使用图2或相似的图表并且将材料分组到垂直分组中，材料组被开发用于制作梯度带隙层142。同样地，如图2中所示，波长（nm）和与那些波长相对应的能量带隙被示出。因此，通过做出正确的材料选择，可以做出具有正确带隙的材料的正确分组，使得自由电子和自由空穴（见图4和5）可被捕获并被驱动到接触件116和128。于是，所捕获的自由电子和自由空穴可被施加于负载176用于有用功。
一般来说，梯度带隙层142可以通过生长在垂直分组内的连续修改的材料成分的层来生成。本领域的技术人员应该理解的是用于制作梯度带隙层142和湮没层106的材料的选择中存在某些量的弹性。
现在参照图1、2和3并且仅通过示例的方式，梯度带隙层142可以通过在由点214和212所指示的硒化物系列材料内生长连续修改的材料成分的层来生成。如图3中所示，由点214所指示的HgSe214具有近似-0.1eV的带隙以及近似0.61nm的晶格参数。同样在图3中，示出了CdSe（222）具有近似1.7eV的带隙以及近似0.61nm的晶格参数。中间的带隙材料可以通过将CdSe与HgSe相互混合来创建。通过示例的方式，具有一半镉和一半汞的硒化物材料（Cd0.5Hg0.5Se）具有近似0.8eV的带隙和近似0.61nm的晶格参数，并且在图3中被点395表示。相似地，90%CdSe和10%HgSe的混合物（Cd0.9Hg0.1Se）具有近似1.52eV的带隙，并且在图3中被点394示出。相似地，点396代表了Cd0.3Hg0.7Se并且具有近似0.44eV的带隙，点397代表了Cd0.25Hg0.75Se并且具有近似0.35eV的带隙，而点398代表了Cd0.05Hg0.95Se并且具有近似0.19eV的带隙。所有这些材料成分都具有近似0.61nm的晶格参数。
例如，梯度带隙层142可以通过生长一系列连续改变成分的材料来创建，所述连续改变成分的材料初始具有5%镉的成分Cd0.05Hg0.95Se，并且其中，通过在生长期间增加镉的原子通量同时降低汞的原子通量，同时保持足够的硒，镉含量被连续地增加到100%（CdSe），镉和汞可以通过所述硒反应以形成具有近似0.61nm晶格参数的近似完美的晶体材料。仅通过示例的方式，该连续改变的成分可以通过在使用了三种前驱气体的化学气相沉积机器中生长梯度带隙层来完成；一种前驱体包含硒、一种包含镉、并且一种包含汞。仅通过示例的方式，通过将5%镉前驱体和95%汞前驱体的气体流连同足够的硒前驱体创建到生长区域中以诱导近似完美的晶体生长，Cd0.05Hg0.95Se的层可被生长。届时为了近似完美的晶体生长，增加镉前驱体的流量同时降低保持足够的硒前驱体的汞前驱体的流量，在生长层中镉的原子含量将持续增加，同时在生长层中汞的原子含量将降低。在镉前驱体流量是25%并且汞前驱体含量是75%的时刻，在梯度带隙层142的顶部生长的材料将是Cd0.25Hg0.75Se，并且在图3中将由点397表示。随着生长继续并且前驱体含量继续改变，生长将连续地经过几种成分396、395和394，并且当汞前驱体的含量是百分之零时将最终停止改变，并且成分将是具有近似1.7eV带隙的纯CdSe（222）。
仅通过示例的方式，创建梯度带隙层142的过程可通过连续改变成分以随着CdSe（222）的含量减少而包括增加了量的ZnTe（224）而继续到更高的带隙能量。这可以通过使用含有锌和碲的两种额外的前驱体完成。中间成分393表示当近似相等数量的ZnTe和CdSe被合并到薄膜中且具有化学成分Zn0.5Cd0.5Te0.5Se0.5并具有近似2.0eV的带隙时的点。该成分可以进一步被连续地改变成具有近似2.2eV的带隙的100%ZnTe（点224）和0%CdSe的点。
该过程可以通过将MnSe0.5Te0.5（点391）与ZnTe（224）相互混合进一步继续到更高的带隙。再次通过示例的方式，沿着该路径的中间成分是具有Zn0.5Mn0.5Te0.75Se0.25的成分的点392。该成分可以从成分224和391的相等部分被推导为(ZnTe)0.5(MnSe0.5Te0.5)0.5。
可以用来制作该器件的另一个材料系统是碲镉汞（HgxCd(1-x)Te)。碲化镉材料系统与先前的系统相似，因为带隙可以通过改变碲化汞对碲化镉的比率而被连续地修改。不同之处在于晶格参数更大，并且因此该系统一般必须在不同的基片上生长以阻止过多的缺陷，但相似之处在于当连续变化时碲化汞对碲化镉的分数含量导致了变化的带隙。本领域的技术人员应该理解的是，其它系统也可以被标示和使用。
在此所描述的该结构的一种版本是更小的带隙材料的生长，所述材料具有不同于主要基片晶格参数并且不同于大多数梯度带隙的主要晶格参数的晶格参数。在具有与将被生长的新材料不同的晶格参数的部分生长层或基片上生长几乎完美的晶体材料是可能的。仅举例来说，在反向结构（图5）中，通过从AlSb开始并且增加GaSb代替AlSb以降低带隙，使用具有0.61nm晶格参数的一组材料可以在III-V系统中生长梯度带隙层的较宽的带隙部分。通过包含增加含量的InAs和降低含量的GaSb，带隙可以分级的方式从GaSb的带隙进一步降低到InAs的带隙。该过渡可以继续到100%InAs。在III-V系统中0.61晶格参数处的进一步的带隙降低对已知的材料是不可能的。然而，因为InAs的带隙只略微大于理想的湮没层的带隙，梯度带隙层的最终部分可以通过在InAs层上生长具有不同晶格参数的材料而被不完美地制作。因为梯度带隙层的这个新部分是不完美的，它将同时用作梯度带隙层与湮没层的组合。用这种方式构建结构带来的性能上的修改将非常小，但是用这种方式构建它使得将材料用于梯度带隙层的块成为可能，这将无法使向更小带隙和湮没层的完美过渡成为可能。同样应该理解的是，湮没层通常可以与梯度带隙层的更小的带隙区域结合，以便载流子的湮没与迫使载流子到器件的底部的带隙梯度结合。
应该理解的是在生长成分中的小中断被理解为对器件的性能具有较小的影响，并且也由我们的对在微米数量级的距离上从一个带隙到另一个带隙的过渡的一般性描述所覆盖，所述小中断可以导致将梯度带隙层描述为非连续的或间断的或分段的。在此还构想和主张包括在带隙中作为厚度的函数的不同的变化速率的结构。重要的是注意到，随着厚度的带隙变化的速率是在随后于梯度带隙的区域中完全吸收与最小化厚度以降低对流量的阻抗以及载流子从它在结构中被创建的地方迁移到湮没层所花费的时间之间的权衡，所述梯度带隙的区域中带隙近似等于被吸收的光的能量（用非常厚的层被最完美地完成）。一般来说过度厚的层能更完美地吸收但是具有过多的阻抗，而薄的层具有最小的阻抗但是吸收不够完美，所述过度厚的层诸如但不限于梯度带隙层142、湮没层106等。在两个分段中间创建梯度带隙层可以是有优势的，所述两个分段：一个分段具有略微分级以更完美地吸收，而第二分段具有更强分级以将载流子向湮没层加速。这种结构性的变化将在光源包含有限范围的光子能量的情况下提升性能，所述光子能量可以在具有略微分级的层中被吸收，然后在具有强分级的第二区段中在短距离内被加速。
另外，应该理解的是光子吸收在湮没层中，并且可以有助于磁极化的光子器件的能量输出的进一步增加。
参照图1，如先前关于湮没层106所提到的，考虑被选择用于梯度带隙层142的材料并且将那些相同的材料选择用于湮没层106有时候是有用的。通过利用这种技术选择材料组，降低在晶体结构上贯穿整个材料层的应力同时仍然保持湮没层106中的高缺陷密度有时候是可能的。
通常，梯度带隙层142是外延沉积的材料。外延沉积的材料对形成考虑到晶格结构。沉积层可以通过诸如先前参考湮没层106所讨论的任何适合的方法或技术来制作。因为沉积工具先前已讨论过，所以除非在相关的部分中它们在下文中不需要被重复。然而，应该理解的是梯度带隙层142的沉积不同于湮没层106的沉积，因为被沉积用于梯度带隙层142的材料的结晶结构是重要的，并且缺陷、不完整性等的数量应该尽可能的少。
梯度带隙材料在湮没层106上被外延沉积到厚度143。通常，与湮没层106相似或相同的少量的材料被外延沉积使得相同的化学组分被使用。通常，用于梯度带隙层的这种初始材料可以在0.1微米到50.0微米厚度的范围内，其中少量厚度在5.0微米到30.0微米的范围内，并且优选厚度是10.0微米到20.0微米。以便获得晶格匹配的动态分级的材料，同时先前的材料仍然被沉积。用于沉积的新气体被慢慢允许进入反应室，因此第二种新材料被慢慢沉积在前述的动态分级的材料上。通常，该第二种新材料可以在0.1微米到50.0微米的厚度范围内，其中少量厚度在5.0微米到30.0微米的范围内，并且优选厚度在10.0微米到20.0微米的范围内。该过程可以根据需要继续多次或者被特定的应用调用而继续多次。通过允许沉积的材料去被动态沉积以及通过选择正确的材料用于沉积，动态分级的带隙层142能够被沉积。
现在参照图1，具有表面118、120、122和124的接触件116，以及具有表面130、132、134和136的接触件128被分别设置在梯度带隙层142的表面146和150上，以及被分别设置在湮没层106的表面114和110上。通常，接触件116和128可以制作成任何适合的构造，诸如但不限于磁极化的光子器件100的或单独、结合的、或部分的湮没层106、梯度带隙层142的末端192和194的约束表面146和150。接触件116和128分别被制作到厚度189和厚度191。本领域的技术人员应该知道关于现有技术的电性接触件的典型厚度。通常，接触件116和128约束于梯度带隙层142的表面146和150以及湮没层106的表面114和110。然而，应该理解的是在某些情况下，接触件116和128可以具有除了图1中所示的以外的形状。仅通过示例的方式，在某些情况下接触件116和128可以在大小上不同，其中接触件116具有比接触件128更大的表面面积。另外，由末端192和194的虚线196和198所指示的掺杂区域可以用以增强到湮没层106和梯度带隙层142的电导率。通常，以任何适合的掺杂物掺杂掺杂区域196和198。随着自由电子向接触件116移动，N型掺杂物可以被使用，并且随着自由空穴向接触件128移动，P型掺杂物可以被使用。本领域的技术人员应该能够针对特定的材料成分和器件类型确定掺杂浓度。
另外，应该理解的是组成梯度带隙层142的相同成分的材料的平面对由掺杂区域192所定义的平面形成大约九十度角，而在传统的器件中这些相同成分的平面与掺杂面或共面或平行。接触件116和128可以由任何适合的导体或半导体材料制成，所述导体或半导体材料诸如但不限于金属、金属层的组合、合金、半导体材料、和/或任何上述材料的组合。
由磁场线157、158、160、161和162所表示的多条磁场线159被示出穿过磁极化的光子器件100并且在磁极化的光子器件100的周围。更具体地说，图1指示了磁场线159的方向，其中磁场线158在梯度带隙层142顶面之上穿过且其中磁场线160穿过梯度带隙层142、其中磁场线162穿过湮没层106、其中磁场线157穿过基片102、并且其中磁场线161在基片106之下通过。应该理解的是磁场线159是由线157、158、160、161和162所表示的力。虽然磁场线159被示出为垂直于磁极化的光子器件100的截面，但是磁场线159的方向在水平面和垂直面中可以任何适合的角度设定，所述水平面和垂直面分别由元素172和174所示意。如后面在图4的描述中所讨论的，磁场方向被定向正交于带隙梯度力的方向。这是最大器件效率的方向，并且被以适合的水平角度172和垂直角度174的交叉线示出，但应该理解的是，偏离该理想方向的小幅变化将导致性能只是轻微地少于理想方向将提供的。与在一个方向上牵引自由电子而在另一个方向上牵引自由空穴的电场（或是外部施加的或是在传统光生伏打器件的二极管结构中内部生成的）相反，带隙梯度的唯一属性是它在同一个方向上既强行驱动自由电子又强行驱动自由空穴。
磁场线159可以通过诸如但不限于条形磁铁、稀土磁铁、电磁铁、超导电磁铁等任何适合的方法或技术生成。一般来说，磁场159可以在0.1特斯拉到50.0特斯拉的范围内，其中额定范围从0.5特斯拉到10.0特斯拉。
图4是如图1中所一般性描绘的磁极化的光子器件100的大幅放大的简化的透视示意图，该磁极化的光子器件100进一步包括具有多个光子404的光子源402，所述多个光子404具有标示号为406、408、410和412的示例性光子。如图4中所示，光子源402发射涌到磁极化的光子器件100的表面148的多个光子404。当多个光子404碰撞梯度带隙层142的表面148时，多个光子404的至少一部分能量被转移到组成梯度带隙层142的晶格结构中的自由电子。这取决于材料的类型、梯度带隙层142材料的结构和带隙能量，多个自由电子414和多个自由空穴424因此在梯度带隙层142中生成并且能够在梯度带隙层142的晶格中移动，并且所述自由电子和自由空穴各自被标示为自由电子416、418、420和422，以及自由空穴425、428、430和432。
例如，随着梯度带隙层142被沉积使得具有大能量带隙的带隙材料被设置在表面148上或在表面148周围，并且随着具有顺序地更小能量带隙的其它带隙材料被分级穿过能量带隙层142随着最小的能量带隙材料被设置在湮没层106的表面112上或在表面112周围。通过示例的方式，梯度带隙层142可以具有范围从2.5eV到0.8eV的能量带隙，并且其中2.5eV带隙材料被设置在梯度带隙层142的顶部的表面148处或者在表面148附近，其中0.8eV材料被设置靠近湮没层106的表面112，并且其中其它适合的带隙材料被分级在2.5eV和1.8eV的材料之间。此外，光子406、408、410和412可以分别具有2.5eV、2.0eV、1.7eV和0.8eV的光子能量。如图4中所示，光子406碰撞表面148并且在表面148附近被吸收。将光子406吸收到梯度带隙层142的晶格结构中生成了自由电子422和自由空穴425，因为晶格材料带隙和光子406具有相同的能量，所述相同的能量在这个案例中是2.5eV，自由电子422和自由空穴425现在能够在梯度带隙层142的晶格结构中向湮没层106移动。
然而，如图6中所示的，自由电子422和自由空穴425受磁场159影响，其中自由电子422移向接触件116同时它移向湮没层106，由箭头602所指示，并且自由空穴425移向接触件128同时它也移向湮没层106，由箭头610所指示。
如图4中所示的，光子408碰撞表面148并且被梯度带隙层142的晶格材料结构吸收。然而光子408行进穿过梯度带隙层142，直到光子408被梯度带隙层142中具有与光子408所具有的相同能量带隙的材料吸收为止。在这个具体案例中，光子408具有2.0eV的能量并且梯度带隙层中的材料同样具有2.0eV的能量带隙。光子408随后被捕获并且在梯度带隙层142的晶格结构中生成具有移动性的自由电子420和自由空穴428，然而，如先前关于自由电子4和自由空穴425所描述的，磁场159使自由电子420移向接触件116而使自由空穴428移向接触件128，分别由箭头604和612所指示。
光子410碰撞表面148并且被吸收到梯度带隙层142的晶格结构的材料中。然而，与光子408相比，光子410行进到梯度带隙层142中更远，直到光子410被梯度带隙层142中具有与光子410的能量相同的能量带隙的带隙材料吸收为止。在这个具体案例中，光子410具有1.7eV的能量并且梯度带隙中的材料同样具有0.17ev的能量带隙。光子410随后被捕获并且生成自由电子418和自由空穴430，所述自由电子和自由空穴都在梯度带隙层142的晶格结构的材料中具有移动性。然而，如先前关于自由电子420和422以及自由空穴425和428所描述的，磁场159使自由电子418移向接触件116，并且使自由空穴430移向接触件128，如分别由箭头606和614所指示的那样。
当光子412碰撞表面148时，光子412并没有被立刻吸收到梯度带隙层142的晶格结构中，而是在梯度带隙层142中行进一段距离和时间。然而，光子412行进穿过梯度带隙层142，直到光子412被梯度带隙层142中具有与光子412的能量相同的能量带隙的材料吸收为止。在这个具体案例中，光子412具有0.8eV的能量带隙并且梯度带隙层142中的材料同样具有0.8eV的能量。光子412随后被捕获并且生成在梯度带隙层142的晶格结构中具有移动性的自由电子416和自由空穴432。然而，如先前关于自由电子418、420和422以及自由空穴425、428、430所描述的，磁场159使自由电子416移向接触件116，并且使自由空穴432移向接触件128，如分别由箭头608和616所指示的那样。
由于自由电子422、420、418和416以及自由空穴425、428、430和432与磁场159的交互作用，自由电子422、420、418和416以及自由空穴425、428、430和432分别向接触件116和128移动。从而，多个自由电子和自由空穴414与424的能量能够被捕获。应该理解的是，虽然只有四个光子406、408、410和412代表多个光子，但是碰撞表面148的光子的数量是极大的。因此，应该进一步理解的是，多个自由空穴424和多个自由电子414的数量同样是极大的。
参照图4，几个作用力方向426、436和440通过双箭头指示，并且几个运动方向434、438与442通过单箭头指示。作用力方向426是从自由空穴和自由电子通过光子的吸收被创建的时刻开始就在自由空穴和自由电子上的带隙梯度力，直到它们与相反的载流子再结合为止（自由电子与自由空穴结合以湮没彼此并且或是形成第二光子或是形成主要产生热的能量损耗事件）。应该理解的是绝大多数的载流子将不会与它们的相反的载流子类型再结合，直到它们到达湮没层为止，但不可避免的是在具有大量的两种类型的载流子的任何真实的器件中，有些再结合会在器件中的任何点处过早地发生。应该理解的是先于载流子到达湮没层的再结合将导致转换效率的降低。由箭头434所指示的运动方向既是自由空穴响应于带隙梯度力426的运动方向也是自由电子响应于带隙梯度力426的运动方向。应该理解的是自由空穴和自由电子的运动方向434都同样具有也由带隙梯度力所诱导的速度成分。如先前所述的，整个器件被设置在由线159所表示的磁场中。来自该磁场的场线各自被表示为箭头157、158、160、161和162，但是应该理解的是整个器件近似具有均匀磁场，所述均匀磁场包含处处穿透它的磁场线。在器件中的每一个位置处，移动的载流子都将体验磁极化力，所述磁极化力等于磁场与速度矢量乘以电荷的交叉乘积。该力的方程式如下：FMP=qvxB，其中FMP是在具有速度“v”和电子电荷“q”的移动的电荷载流子上的磁极化力，其中“B”是磁场密度且“x”指示矢量与乘积算子交叉。如图4中所见的，磁场方向被定向正交于带隙梯度力方向。这是最大器件效率的方向，但是应该理解的是与该理想方向的小变化将导致性能只是轻微地逊于理想方向将能提供的。带隙梯度的唯一属性在于与在一个方向拖拉自由电子而在另一个方向拖拉自由空穴的电场（或是外部施加的或是在传统光生伏打器件的二极管结构中内部生成的）相反，它在同一个方向上既强行驱动自由电子又强行驱动自由空穴。在磁极化的光子器件100中，带隙梯度力是非极化的。在磁极化的光子器件100中，自由电子和自由空穴既获得运动也获得速度，在带隙梯度力426的方向上由箭头434所指示。在图4中，负电荷自由电子和正电荷自由空穴分别体验了用于自由电子的磁极化力436和用于自由空穴的磁极化力440，所述负电荷自由电子和正电荷自由空穴都具有在方向434上移动的运动，所述磁极化力将自由电子移动到左边（方向438）并将自由空穴移动到右边（方向442），从而促进了自由电子和自由空穴的能量随着图7的电流751对着图7的电场750流动，在它们各自的能量带中转移到电场能量中。该能量转移以明显高于传统光生伏打电池的效率被完成。自由电子和自由空穴遍及带隙梯度层142共存，其中在图4中自由空穴在电极128的方向上移动而自由电子在电极116的方向上移动。
图5示出了具有用相同数字标示的相同项的反向结构。如先前所述的，基片501被选择以便允许所选择的光子穿过基片从而它们可以在安置于基片501的表面505上的梯度带隙层142中被吸收。
参照图6，自由电子422的运动由曲线运动箭头602标示。自由空穴425的运动由曲线运动箭头610标示。同样地，遍及带隙梯度被创建的载流子被以它们的相关联的运动箭头示出，所述运动箭头由每个电荷载流子上的相应磁极化力导致，所述磁极化力由被每个电荷载流子上的带隙梯度力诱导的运动导致。
现在参照图7，示出了在图4、5和6中的每个自由电子和自由空穴行进的一般路径。路径702指示了自由电子422所走的路径，其具有图7中所示的自由电子422的最终位置。路径710是自由空穴425所走的路径，其具有图7中所示的自由空穴425的最终位置。相似地，路径704是自由电子420所走的路径，路径712是自由空穴428所走的路径，路径706是自由电子418所走的路径，路径714是自由空穴430所走的路径，路径708是自由电子416所走的路径，路径716是自由空穴432所走的路径。在本发明中，该器件的一个特有的方面是它的输出电压（在电极128和116之间的电势）可以明显大于由每个载流子所经历的总的带隙梯度下降。该电势在电极128和116之间建立了横向电场750，并且遍及梯度带隙层和湮没层存在。该器件的输出电压一般是其长度（电极116和128之间的距离）的线性函数。传统光生伏打器件的情况不是这样，在所述传统光生伏打器件的情况中，输出电压直接与材料的带隙相关并且局限于那个值，在所述材料的带隙中二极管结构被创建。举例来说，硅太阳能电池的典型输出近似是0.7eV，并且局限于近似1.1的总带隙。如可在图7中所见的，大多数载流子从它们通过光子的吸收被创建的点沿梯度带隙向下移动到湮没层，在所述湮没层它们遇见相反类型的载流子并且被湮没（成对再结合并且消耗湮没层的带隙的能量）。当每个载流子沿带隙梯度向下移动时，它们通过从大带隙能量移动到较低的带隙能量损失电势能量。随着对着电场的电荷运动（对着电场的电流是电力产生），该能量被转移到横向电场750中。图7的纵横比并没有按比例示出，并且接触件116和118之间的距离一般是从带隙梯度层的顶部到它的底部的距离的很多倍（50-1000倍）。这种高纵横比的结果通常是，过多的自由电子和自由空穴同时沿着带隙梯度向下移动并且找到它们的相反的电荷，当到达器件底部（未示出）时它们与所述相反的电荷一起湮没。因为每个载流子对都沿1eV数量级的带隙能量向下移动，每一对都对着电场750的近似1伏的电势移动。这些载流子起将具有小电流的小的1伏电源的串联的作用，该串连起作用以小电流创建大电压。应该理解的是该器件仅仅将光子能量转化为电压和电流，并且这种情况发生的效率小于100%。举例来说，一库伦的电荷是6.25x1018电荷。如果1eV能量（1瓦特的入射能量）中的6.25x1018光子/秒被完美吸收到该类型的磁极化的光子器件的梯度带隙层的1eV带隙部分中，那么负载下的最佳输出电压将是具有近似0.01安培电流的50伏特数量级，其中，所述类型的磁极化的光子器件具有1cm的电极116和128之间的距离。这将是对应于50%功率转化的0.5瓦特的输出功率。该转化效率取决于很多因素，所述因素包括但不限于载流子的移动性（与器件的阻抗有关）、湮没层的最小带隙、磁场强度、以及器件的物理厚度。在最佳条件下，在该类型的结构中超过50-75%转化效率是可能的。
图8示出了能量对深度的示意图，所述示意图标示了梯度带隙层142、湮没层106和基片层102。在该示意图中，仅举例来说，湮没层106是具有近似0.19eV的带隙的Cd0.05Hg0.95Se的缺陷填充层，所述缺陷填充层可以在诱导反位缺陷（在完美晶体中硒原子被放置在汞或镉将被设置的地方）的温度处被沉积。在该示意图中梯度带隙层142以使得材料具有较好的质量并且几乎没有缺陷的方式生长。仅举例来说，这可以通过将生长温度增加到没有反位缺陷的近似完美的晶体生长的理想生长温度来完成。梯度带隙的初始成分是Cd0.05Hg0.95Se，对应于图3中的点398在图8中被指示为虚线898。此外，梯度带隙层142的成分被连续地修改以包含与HgSe相比数量增加的CdSe从而带隙从近似0.19eV增加到在Cd0.25Hg0.75Se处的近似0.35eV（对应于图3中的点397的图8上的虚线897）。随着将CdSe含量增加到具有近似0.44eV的带隙的Cd0.3Hg0.7Se（对应于图3中的点396的在图8上的虚线896），该生长继续。随着将CdSe含量增加到具有近似0.8eV的带隙的Cd0.5Hg0.5Se（对应于图3中的点395的图8上的虚线895），该生长进一步继续。随着将CdSe含量增加到具有近似1.52eV的带隙的Cd0.9Hg0.1Se（对应于图3中的点394的图8上的虚线894），该生长进一步继续。随着将CdSe含量增加到具有近似1.7eV的带隙的近似纯的CdSe（图3中的点222），该生长进一步继续。
前述的说明书，参考特定的示例实施例描述了本发明；然而应该理解的是，在不背离如以下权利要求中所提出的本发明的范围的情况下，可以做出不同的修改和改变。说明书和附图应当以示意性方式而不是限制性的方式看待，并且所有这样的修改都意在被包括在本发明的范围内。因此本发明的范围应该通过在此所附的权利要求以及它们的法律等同体来确定，而不是仅仅通过上面所述的示例。例如，任何方法或过程权利要求中所描述的步骤都可以按任何顺序被执行而无需受限于权利要求中所提出的特定的顺序。另外，装置权利要求中所描述的组件和/或元件可以按多种排列被组装或否则被可选地配置以随后产生和本发明相同的结果，并且相应地不受限于权利要求中所描述的特定的配置。
好处、其它优点和问题的解决方案已关于具体的实施例进行了描述；然而，任何好处、优点、问题的解决方案或可以导致任何具体的好处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何元素都不应被诠释为任何或全部权利要求的关键的、必须的或必要的特点或组件。
如在此所使用的，术语“包括”、“包含”、或它们的任何变体都意在引用非排它性的包含内容，从而包括了一系列元素的过程、方法、物品、成分或装置都不只包括那些被描述的元素，而也可以包括其它并没有特别列出的元素或是这样的过程、方法、物品、成分或装置固有的元素。除了那些未特别描述的以外，在不背离相同的一般原则的情况下，本发明实际所使用的上面所述的结构、排列、应用、比例、元素、材料或组件的其它组合和/或修改可以被改变或另外具体被本领域的技术人员适用于特定环境、制造规范、设计参数或其他操作要求。

Claims (64)

1.一种磁极化的光子器件，所述光子器件包括：
具有第一表面、第二表面、第三表面、第四表面、第五表面和第六表面的梯度带隙材料，其中所述第一表面和所述第二表面基本上平行，并且其中所述第三表面和所述第五表面基本上平行，并且其中所述第四表面和所述第六表面基本上平行，并且其中所述第三、第四、第五和第六表面垂直于所述第一和第二表面并且位于其间，并且其中所述第三和第五表面垂直于所述第四和第六表面并且位于其间，所述梯度带隙材料具有带隙值，其中较大的带隙值延伸自所述第一表面而其中减小向所述第二表面前进的带隙值；
具有第七表面、第八表面、第九表面、第十表面、第十一表面和第十二表面的第一接触件，其中所述第七表面和所述第八表面基本上平行，并且其中所述第九表面和所述第十一表面基本上平行，并且其中所述第十表面和所述第十二表面基本上平行，并且其中所述第九、第十、第十一和第十二基本上垂直于所述第七和第八表面并且位于其间，并且其中所述第九和第十一基本上垂直于所述第十和第十二表面并且位于其间，并且其中所述第一接触件被电性耦接于所述梯度带隙材料；以及
具有第十三表面、第十四表面、第十五表面、第十六表面、第十七表面和第十八表面的第二接触件，其中所述第十三表面和所述第十四表面基本上平行，并且其中所述第十五表面和所述第十七表面基本上平行，并且其中所述第十六表面和所述第十八表面基本上平行，并且其中所述第十五、第十六、第十七和第十八表面基本上垂直于所述第十三和第十四表面并且位于其间，并且其中所述第十六和第十八表面基本垂直于所述第十五和第十七表面并且位于其间，并且其中所述第二接触件被电性耦接于所述梯度带隙材料，并且其中所述第一和第二接触件基本上相对彼此设置。
2.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙材料由下组中的材料制成，该组包括：碲镉汞(HgCdTe)、硒镉汞(HgCdSe)、碲化汞(HgTe)、锑化铟(InSb)、碲化镉(CdTe)、硒化汞(HgSe)、砷化铟(InAs)、锑镓铝(AlGaSb)、锑砷铟(InAsSb)、硒镉汞(HgCdSe)、硒碲化镉锌(CdZnSeTe)、碲锰镉(CdMnTe)、锑碲化锌镓(ZnGaSbTe)、锑碲化锌铝(ZnAlSbTe)、锑化镓(GaSb)、碲化锌(ZnTe)、锑化铝(AlSb)、碲化锰(MnTe)、砷化镓(GaAs)、以及它们的组合和混合物。
3.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙具有从8.0eV到0.0eV的范围内的带隙值。
4.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，所述磁极化的光子器件还包括安置在所述梯度带隙层之上的层。
5.如权利要求4所述的磁极化的光子器件，其中所述层包括光的波长的滤波器。
6.如权利要求4所述的磁极化的光子器件，其中所述层包括保护性涂层。
7.如权利要求4所述的磁极化的光子器件，其中所述层包括透镜。
8.如权利要求4所述的磁极化的光子器件，其中所述层包括光子器件。
9.如权利要求4所述的磁极化的光子器件，其中所述层包括光的选择性波长的反射器。
10.如权利要求4所述的磁极化的光子器件，其中所述层包括抗反射层。
11.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，其中所述第一接触件的所述第十一表面被电性耦接于所述梯度带隙材料的所述第三表面。
12.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，其中所述第二接触件的所述第十五表面被电性耦接于所述梯度带隙材料的所述第五表面。
13.如权利要求3所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙材料被制作具有第一部分和第二部分，所述第一部分被安排在所述第一表面周围具有最大的带隙值，其中所述带隙值向所述第二部分轻微分级，所述第二部分被安排在所述第二表面周围具有最小的带隙值，其中所述带隙能量剧烈减少。
14.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙材料包括厚度，厚度在0.1微米到50.0微米的范围内。
15.如权利要求14所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙材料的厚度具有5.0微米到30.0微米的厚度。
16.如权利要求15所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙材料的厚度具有从10.0微米到20.0微米的厚度。
17.如权利要求1所述的磁极化的光子器件，所述磁极化的光子器件还包括：
具有多条磁场线的磁场，其中至少一条磁场线穿过所述梯度带隙材料的所述第四表面进入。
18.如权利要求17所述的磁极化的光子器件，其中所述至少一条磁场线穿过所述梯度带隙材料的所述第六表面离开。
19.如权利要求17所述的磁极化的光子器件，其中所述磁场在从0.1特斯拉到50.0特斯拉的范围内。
20.如权利要求19所述的磁极化的光子器件，其中所述磁场在从0.5特斯拉到10.0特斯拉的范围内。
21.一种磁极化的光子器件，包括：
具有第一表面和第二表面的基片，其中所述第一表面和所述第二表面基本上平行；
具有第一厚度、第三表面、第四表面、第五表面、第六表面、第七表面和第八表面的湮没层，其中所述湮没层的所述第三和第四表面基本上平行，并且其中所述湮没层的所述第五和第七表面基本上平行，并且其中所述湮没层的所述第六和第八表面基本上平行，并且其中所述第五、第六、第七和第八表面基本上垂直于所述第三和第四表面并且位于其间，并且其中所述第五和第七表面基本上垂直于第六和第八表面，并且其中所述湮没层的所述第四表面被安置在所述半导体基片的所述第一表面上；
具有第二厚度、以及具有第九表面、和第十表面、第十一表面、第十二表面、第十三表面和第十四表面的梯度带隙层，其中所述梯度带隙层的所述第九和第十表面基本上彼此平行，并且其中所述第十一和第十三表面基本上平行，并且其中所述第十二和第十四表面基本上平行，并且其中所述第十一、第十二、第十三和第十四表面基本上垂直于所述第九和第十表面并且位于其间，并且其中所述第十一和第十三表面基本上垂直于所述第十二和第十四表面并位于其间，并且其中所述梯度带隙层的所述第十表面被安置在所述湮没层的所述第三表面上；
具有第十五表面和第十六表面的第一接触件，所述第一接触件被电性耦接于所述湮没层的所述第五表面的至少一部分；
具有第十七表面和第十八表面的第二接触件，所述第二接触件被电性耦接于所述湮没层的所述第七表面的至少一部分。
22.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述基片由半导体材料制成。
23.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述基片由绝缘材料制成。
24.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没层由下组中的材料制成，该组包括：碲镉汞(HgCdTe)、硒镉汞(HgCdSe)、碲化汞(HgTe)、锑化铟(InSb)、碲化镉(CdTe)、硒化汞(HgSe)、砷化铟(InAs)、锑镓铝(AlGaSb)、锑砷铟(InAsSb)、硒镉汞(HgCdSe)、硒碲化镉锌(CdZnSeTe)、碲锰镉(CdMnTe)、锑碲化锌镓(ZnGaSbTe)、锑碲化锌铝(ZnAlSbTe)、锑化镓(GaSb)、碲化锌(ZnTe)、锑化铝(AlSb)、碲化锰(MnTe)、砷化镓(GaAs)、以及它们的组合和混合物。
25.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层由下组中的材料制成，该组包括：碲镉汞(HgCdTe)、硒镉汞(HgCdSe)、碲化汞(HgTe)、锑化铟(InSb)、碲化镉(CdTe)、硒化汞(HgSe)、砷化铟(InAs)、锑镓铝(AlGaSb)、锑砷铟(InAsSb)、硒镉汞(HgCdSe)、硒碲化镉锌(CdZnSeTe)、碲锰镉(CdMnTe)、锑碲化锌镓(ZnGaSbTe)、锑碲化锌铝(ZnAlSbTe)、锑化镓(GaSb)、碲化锌(ZnTe)、锑化铝(AlSb)、碲化锰(MnTe)、砷化镓(GaAs)、以及它们的组合和混合物。
26.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没层具有从8.0eV到0.0eV的范围内的带隙值。
27.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层具有从8.0eV到0.0eV的范围内的带隙值。
28.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没层被制作具有梯度带隙。
29.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没层包括缺陷。
30.如权利要求28所述的磁极化的光子器件，还包括缺陷。
31.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，所述器件还包括被安置在梯度带隙层之上的层。
32.如权利要求31所述的磁极化的光子器件，其中所述层是光的波长的滤波器。
33.如权利要求31所述的磁极化的光子器件，其中所述层是保护性涂层。
34.如权利要求31所述的磁极化的光子器件，其中所述层是透镜。
35.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述第一接触件的所述第十六表面被电性耦接于所述梯度带隙层的所述第五表面。
36.如权利要求35所述的磁极化的光子器件，其中所述第一接触件的所述第十六表面被安置在所述梯度带隙层的所述第五表面上。
37.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述第二接触件的所述第十七表面被电性耦接于所述梯度带隙层的所述第七表面。
38.如权利要求37所述的磁极化的光子器件，其中所述第二接触件的所述第十七表面被安置在所述梯度带隙层的所述第七表面上。
39.如权利要求27所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层被制作具有第一部分和第二部分，被安排具有最大的带隙值的所述第一部分被安置在所述第三表面周围，其中带隙值向所述第二部分逐渐降低，所述第二部分被安排在所述梯度带隙层的所述第四表面处具有最小的带隙值，其中在所述第二部分中所述带隙值的降低是迅速的。
40.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层包括厚度，所述厚度在从0.1微米到50.0微米的范围内。
41.如权利要求40所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层的厚度具有从10.0微米到20.0微米的厚度。
42.如权利要求40所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层的厚度具有从10.0微米到20.0微米的厚度。
43.如权利要求21所述的磁极化的光子器件，还包括：
具有多条磁场线的磁场，其中至少一条磁场线穿过所述梯度带隙层的所述第十二表面进入。
44.如权利要求43所述的磁极化的光子器件，其中至少一条磁场线穿过所述梯度带隙层的所述第十四表面离开。
45.如权利要求43所述的磁极化的光子器件，其中至少一条磁场线穿过所述湮没层的所述第六表面进入。
46.如权利要求43所述的磁极化的光子器件，其中至少一条磁场线穿过所述湮没层的所述第八表面离开。
47.如权利要求43所述的磁极化的光子器件，其中所述磁场在从0.1特斯拉到50.0特斯拉的范围内。
48.如权利要求47所述的磁极化的光子器件，其中所述磁场在从0.5特斯拉到10.0特斯拉的范围内。
49.一种磁极化的光子器件，所述器件包括：
具有第一表面、第二表面、第三表面、第四表面、第五表面和第六表面的湮没材料，其中所述第一表面和所述第二表面基本上平行，并且其中所述第三表面和所述第五表面基本上平行，并且其中所述第四表面和所述第六表面基本上平行，并且其中所述第三、第四、第五、和第六表面垂直于所述第一和第二表面并且位于其间，并且其中所述第三和第五表面垂直于所述第四和第六表面并且位于其间，所述湮没材料具有至少一个带隙值；
具有第七表面、第八表面、第九表面、第十表面、第十一表面和第十二表面的第一接触件，其中所述第七表面和所述第八表面基本上平行，并且其中所述第九表面和所述第十一表面基本上平行，并且其中所述第十表面和所述第十二表面基本上平行，并且其中所述第九、第十、第十一和第十二表面基本上垂直于所述第七和第八表面并且位于其间，并且其中所述第九和第十一基本上垂直于所述第十和第十二表面并且位于其间，并且其中所述第一接触件被电性耦接于所述湮没材料；以及
具有第十三表面、第十四表面、第十五表面、第十六表面、第十七表面和第十八表面的第二接触件，其中所述第十三表面和所述第十四表面基本上平行，并且其中所述第十五表面和所述第十七表面基本上平行，并且其中所述第十六表面和所述第十八表面基本上平行，并且其中所述第十五、第十六、第十七和第十八表面基本上垂直于所述第十三和第十四表面并且位于其间，并且其中所述第十六和第十八表面基本上垂直于所述第十五和第十七表面并且位于其间，并且其中所述第二接触件被电性耦接于所述湮没材料，并且其中所述第一和第二接触件基本上相对彼此设置。
50.如权利要求49所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没材料由下组中的材料制成，该组包括：碲镉汞(HgCdTe)、硒镉汞(HgCdSe)、碲化汞(HgTe)、锑化铟(InSb)、碲化镉(CdTe)、硒化汞(HgSe)、砷化铟(InAs)、锑镓铝(AlGaSb)、锑砷铟(InAsSb)、硒镉汞(HgCdSe)、硒碲化镉锌(CdZnSeTe)、碲锰镉(CdMnTe)、锑碲化锌镓(ZnGaSbTe)、锑碲化锌铝(ZnAlSbTe)、锑化镓(GaSb)、碲化锌(ZnTe)、锑化铝(AlSb)、碲化锰(MnTe)、砷化镓(GaAs)、以及它们的组合和混合物。
51.如权利要求49所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没材料具有从8.0eV到0.0eV范围内的带隙值。
52.如权利要求49所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没层具有被分级的带隙值，在所述第一表面周围具有最大带隙材料，并且在所述第二表面周围具有最小的带隙。
52.如权利要求49所述的磁极化的光子器件，还包括被安置在所述湮没材料上的层。
53.如权利要求51所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙材料被制作具有第一部分和第二部分，所述第一部分被安排在所述第一表面周围具有最大的带隙值，其中所述带隙值向所述第二部分轻微分级，所述第二部分被安排在所述第二表面处具有最小的带隙值，其中所述带隙能量剧烈减少。
54.一种磁极化的光子器件，包括：
具有第一表面和第二表面的基片，其中所述第一表面和所述第二表面基本上平行；
具有第一厚度、第三表面、第四表面、第五表面、第六表面、第七表面和第八表面的梯度带隙层，其中所述梯度带隙层的所述第三和第四表面基本上平行，并且其中所述梯度带隙层的所述第五和第七表面基本上平行，并且其中所述梯度带隙层的所述第六和第八表面基本上平行，并且其中所述第五、第六、第七和第八表面基本上垂直于所述第三和第四表面并且位于其间，并且其中所述第五和第七表面基本上垂直于所述第六和第八表面，并且其中所述梯度带隙层的所述第四表面被安置在所述半导体基片的所述第一表面上；
具有第二厚度并具有第九表面、第十表面、第十一表面、第十二表面、第十三表面和第十四表面的湮没层，其中所述湮没层的所述第九和第十表面基本上彼此平行，并且其中所述第十一和第十三表面基本上平行，并且其中所述第十二和第十四表面基本上平行，并且其中所述第十一、第十二、第十三和第十四表面基本上垂直于所述第九和第十表面并且位于其间，并且其中所述第十一和第十三表面基本上垂直于所述第十二和第十四表面并且位于其间，并且其中所述湮没层的所述第十表面被安置在所述梯度带隙层的所述第三表面上；
具有第十五表面和第十六表面的第一接触件，所述第一接触件电性耦接于所述梯度带隙层的所述第五表面的至少一部分；
具有第十七表面和第十八表面的第二接触件，所述第二接触件电性耦接于所述梯度带隙层的所述第七表面的至少一部分。
55.如权利要求54所述的磁极化的光子器件，其中所述基片由半导体材料制成。
56.如权利要求54所述的磁极化的光子器件，其中所述基片由绝缘材料制成。
57.如权利要求54所述的磁极化的光子器件，其中所述梯度带隙层由下组中的材料制成，该组包括：碲镉汞(HgCdTe)、硒镉汞(HgCdSe)、碲化汞(HgTe)、锑化铟(InSb)、碲化镉(CdTe)、硒化汞(HgSe)、砷化铟(InAs)、锑镓铝(AlGaSb)、锑砷铟(InAsSb)、硒镉汞(HgCdSe)、硒碲化镉锌(CdZnSeTe)、碲锰镉(CdMnTe)、锑碲化锌镓(ZnGaSbTe)、锑碲化锌铝(ZnAlSbTe)、锑化镓(GaSb)、碲化锌(ZnTe)、锑化铝(AlSb)、碲化锰(MnTe)、砷化镓(GaAs)、以及它们的组合和混合物。
58.如权利要求54所述的磁极化的光子器件，其中所述湮没层由下组中的材料制成，该组包括：碲镉汞(HgCdTe)、硒镉汞(HgCdSe)、碲化汞(HgTe)、锑化铟(InSb)、碲化镉(CdTe)、硒化汞(HgSe)、砷化铟(InAs)、锑镓铝(AlGaSb)、锑砷铟(InAsSb)、硒镉汞(HgCdSe)、硒碲化镉锌(CdZnSeTe)、碲锰镉(CdMnTe)、锑碲化锌镓(ZnGaSbTe)、锑碲化锌铝(ZnAlSbTe)、锑化镓(GaSb)、碲化锌(ZnTe)、锑化铝(AlSb)、碲化锰(MnTe)、砷化镓(GaAs)、以及它们的组合和混合物。
59.如权利要求54所述的磁极化的光子器件，还包括被安置在所述基片上方的层。
60.如权利要求54所述的磁极化的光子器件，还包括：
具有多条磁场线的磁场，其中至少一条磁场线穿过所述湮没层的所述第十二表面进入。
61.如权利要求60所述的磁极化的光子器件，其中至少一条磁场线穿过所述湮没层的所述第十四表面离开。
62.如权利要求60所述的磁极化的光子器件，其中至少一条磁场线穿过所述梯度带隙层的所述第六表面进入。
63.一种用于在磁极化的光子器件中捕获电荷的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和带隙梯度力的梯度带隙层，其中所述第一表面和所述第二表面基本上平行，并且其中所述第三表面和第五表面基本上平行，并且其中所述第二表面和所述第六表面基本上垂直于第一表面，所述梯度带隙层具有多种材料，其中每一种材料都具有特定的带隙能量(eV)，多种材料动态地安排，其中最大的带隙材料被设置在所述第一表面周围，并且最小的带隙材料被设置在所述第二表面周围，并且每一种都具有其自己的带隙能量(eV)的所述多种材料从最大到最小被动态地设置在其间；
提供被设置在所述梯度带隙层的所述第四表面上并且被电性耦接于所述梯度带隙层的所述第四表面的第一接触件；
提供被设置在所述梯度带隙层的所述第三表面上并且被电性耦接于所述梯度带隙层的所述第三表面的第二接触件；
将梯度带隙层放置到具有多条磁线的磁场中，其中至少一条磁场线穿过所述梯度带隙层的所述第四表面(我们是否需要离开？)；并且
将所述梯度带隙层的所述第一表面暴露于光子源，其中光子被所述梯度带隙材料吸收并且随后分裂成自由电子和自由空穴，所述自由电子和自由空穴被所述带隙梯度力拖拉到所述梯度带隙层的所述第二表面，其中由所述磁场同时对所述自由电子和自由空穴起作用，从而将所述自由电子以及它们相关联的电荷移动到所述第一接触件并且将所述自由空穴以及它们相关联的电荷移动到所述第二接触件。
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