JP2020520094A - 仕事関数低減及び熱電子エネルギー変換のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

アノード及びカソードを好ましくは含む熱電子エネルギー変換器が提供される。熱電子エネルギー変換器のアノードは、ｎ型半導体、１つ又は複数の補助層、及び電気接点を含むことが好ましい。仕事関数低減及び／又は熱電子エネルギー変換のための方法が提供され、この方法は、熱電子エネルギー変換器に熱エネルギーを入力するステップと、熱電子エネルギー変換器のアノードを照射するステップと、それによって好ましくはアノードの仕事関数を低減するステップと、システムから電力を抽出するステップと、を含むことが好ましい。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年５月２日に出願された米国仮特許出願第６２／５００，３００号明細書、及び２０１７年１２月５日に出願された米国仮特許出願第６２／５９５，００３号明細書の利益を主張するものであり、これらの明細書のそれぞれは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

政府支援の表明
本発明は、米国エネルギー高等研究計画局によって授与された授与番号ＡＲＰＡ−Ｅ−ＤＥ−ＡＲ０００００６６４の下での、及び米国国防高等研究計画局によって授与された契約番号ＨＲ００１１−１７−Ｐ−０００３及びＷ９１１ＮＦ−１７−Ｐ−００３４の下での政府支援を受けてなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

本発明は、一般的に熱電子エネルギー変換分野に関し、より具体的には、熱電子エネルギー変換分野における仕事関数低減のための新規で有用なシステム及び方法に関する。

アノード仕事関数が大きいと、熱電子エネルギー変換器の電力変換効率が制限されることがある。従って、熱電子エネルギー変換分野では、仕事関数を低減するための新規で有用なシステム及び方法を生み出すことが必要である。

図１は、システムの一実施形態の断面図である。 図２Ａは、システムのアノードの第１の例の断面図である。 図２Ｂは、システムのアノードの第２の例の断面図である。 図２Ｃは、システムのアノードの第３の例の断面図である。 図２Ｄは、アノードの半導体層の一例の断面図である。 図３Ａは、本方法の概略表現である。 図３Ｂは、本方法の一実施形態の概略表現である。 図４Ａは、照射なしでの、アノードの一実施形態のバンド図の概略表現である。 図４Ｂは、照射ありでの、アノードの一実施形態のバンド図の概略表現である。 図５は、照射なし及び照射ありでの、アノードの第１の具体例の計算されたバンド図の表現である。 図６は、照射なし及び照射ありでの、アノードの第２の具体例の計算されたバンド図の表現である。 図７は、照射なし及び照射ありでの、アノードの第３の具体例の計算されたバンド図の表現である。 図８は、本システムの一実施形態のバンド図の概略表現である。

本発明の好ましい実施形態についての以下の説明は、本発明をこれらの好ましい実施形態に限定することを意図したものではなく、むしろ、当業者が本発明を実施し使用できるようにするためのものである。

１．システム
熱電子エネルギー変換システム１０（ＴＥＣ）は、（例えば、図１に示すように）アノード１００及びカソード２００を含むことが好ましい。しかしながら、システム１０は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な要素を含むことがある。

アノード１００、カソード２００、及び／又はシステムの他の要素は、任意の適切な材料、及び／又は材料の組み合わせを含む（例えば、から作製される）ことがある。材料には、半導体、金属、絶縁体、２Ｄ材料（例えば、２Ｄトポロジカル材料、単層材料、等）、有機化合物（例えば、ポリマー、小有機分子、等）、及び／又は任意の他の適切な材料タイプが含まれることがある。

半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、及び／若しくはそれらの合金などのＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、及び／若しくはそれらの合金などのＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＭｇＳ、及び／若しくはそれらの合金などのＩＩ−ＶＩ族半導体、並びに／又は任意の他の適切な半導体、を含むことがある。半導体は、ドープされていることも、且つ／又は真性であることもある。ドープされる半導体は、（例えば、高温での）ドーパント移動を最小限に抑えることができる低拡散性ドーパントによってドープされることが好ましい。例えば、ｎ型ＳｉはＰ及び／又はＳｂによってドープされることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、Ａｓ及び／又は任意の他の適切なドーパントによってドープされることもあり、また、ｐ型ＳｉはＩｎによってドープされることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、及び／又は任意の他の適切なドーパントによってドープされることもある。半導体は、単結晶、多結晶、微結晶、アモルファス、であることがあり、且つ／又は任意の他の適切な結晶性、若しくはその混合物（例えば、アモルファス領域に囲まれた微結晶領域を含む）を有することがある。

金属は、アルカリ金属（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｆｒ）、アルカリ土類金属（例えば、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）、遷移金属（例えば、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｈｇ、Ｇａ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｃｅ、Ｎｄ）、ポスト遷移金属（例えば、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ）、半金属（例えば、Ｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｏ）、希土類元素（例えば、ランタン系列元素、アクチニド系列元素）、合成元素（例えば、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、Ｎｏ、Ｌｒ、Ｒｆ、Ｄｂ、Ｓｇ、Ｂｈ、Ｈｓ、Ｍｔ、Ｄｓ、Ｒｇ、Ｃｎ、Ｎｈ、Ｆｌ、Ｍｃ、Ｌｖ、Ｔｓ）、任意の他の適切な金属元素、及び／又は任意の適切な合金、化合物、及び／又は金属元素の他の混合物、を含むことがある。

絶縁体は、任意の適切な絶縁（及び／又はワイドバンドギャップ半導体）材料を含むことがある。例えば、絶縁体は、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、フッ化物、ホウ化物、及び／又は任意の他の適切な化合物などの、絶縁金属化合物及び／又は絶縁半導体化合物を含むことがある。

２Ｄ材料は、任意の適切な２Ｄ材料を含むことがある。例えば、２Ｄ材料は、グラフェン、ＢＮ、金属ジカルコゲナイド（例えば、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、等）、及び／又は任意の他の適切な材料を含むことがある。しかしながら、システムは任意の他の適切な材料を含むことがある。

システムの要素は、任意の適切な合金、化合物、及び／又は材料（例えば、上述した材料、他の適切な材料、等）の他の混合物を、任意の適切な構成（例えば、積層、超格子、また、含有物、デンドライト、薄膜などの微細構造要素を有する構成）で含むことがある。

１．１ アノード
アノード１００は、熱電子的に放出された（例えば、カソード２００から放出された）電子を収集するように機能する。アノード１００は、１つ又は複数の半導体層１１０を含むことが好ましく、且つ、任意選択的に、１つ又は複数の補助層１０５（例えば、電子保護層１２０、電子ポピュレーション制御層１２５、電子捕獲層１３０、光学調節層１３５、化学的保護層１４０、仕事関数調節層１５０、等）、電気接点１６０、及び／又は任意の他の適切な要素を（例えば、図２Ａ〜２Ｃに示すように）含むことがある。

アノード１００は、実質的に平面状である（例えば、平坦なウェハである）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の適切な形状を画定することがある。アノードの各層は、連続的な薄膜（又は薄膜の積層）であることが好ましい。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、これらの層のうちの１つ又は複数は、不連続であったり、パターン化されていたり（例えば、横方向に）、特定のテクスチャを持っていたり、変化する組成を有していたり（例えば、横方向に）、且つ／又は任意の他の適切な形態を有することがある。アノード１００は、任意選択的に、表面テクスチャ（及び／又は、隣接する層間などの層間テクスチャ）、横方向のフィーチャ、及び／又は任意の他の適切なフィーチャを含むことがある。アノード１００の層は、実質的に鮮明な界面を画定することが好ましい（例えば、層間の界面領域は、０、１〜３、３〜１０、１０〜３０、又は３０〜１００原子層、及び／又は０〜０．３、０．３〜１、１〜３、３〜１０、１０〜３０、若しくは３０ｎｍ超などの、実質的に可能な限り薄い厚さに制限される）が、これに加えて又はその代わりに、実質的な（例えば、１ｎｍ未満、１〜３、３〜１０、１０〜３０、３０〜１００、又は１００〜３００ｎｍなどの厚さを画定する）界面領域（例えば、混合された及び／又は不均一な組成の領域、層間の組成勾配、等を含む）を含むことがあり、且つ／又は任意の他の適切な界面を含むことがある。界面領域は、層間で画定されることがあり、１つ又は複数の層の全て又は実質的に全てを貫通することがあり、且つ／又は任意の他の適切な構成を有することがある。

アノード１００は、第１の側面と、第１の側面に対向する第２の側面と（例えば、ウェハの対向する広い面）を含むことが好ましい。アノード１００は、第１の側面から第１の側面と第２の側面との間のアノード内部への（例えば、第２の側面に向かう）表面−深さ軸を規定することが好ましい。半導体層１１０に対する表面的な（例えば、表面−深さ軸に沿った）要素、例えば、電子保護層１２０、電子捕獲層１３０、化学的保護層１４０、仕事関数調節層１５０、電気接点１６０、などは、光（例えば、バルク半導体１１１などの半導体のうちの１つ又は複数のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光子）を透過させることが好ましい。これらの要素は、光の一部、全て、又は実質的に全てを透過させることができ、或いはそれに代わって、入射光の全て又は実質的に全てを反射及び／又は吸収することができる。しかしながら、アノード１００は、任意の他の適切な要素を適切な構成で含むことがある。

１．１．１ 半導体層
アノード１００は、１つ又は複数の半導体層１１０を含むことが好ましく、半導体層１１０は、光起電力に基づく仕事関数の制御（例えば、仕事関数の低減）を可能にするように（例えば、アノードの他の要素と連携して）機能することができる。実施形態によっては、半導体層１１０（及び／又は他のアノード要素）は、大きなビルトイン電圧を達成するように（例えば、ビルトイン電圧を最大化するように）設計され、これにより、光起電力に基づく仕事関数のより大幅な低減をもたらすことができる。半導体層１１０は、バルク半導体１１１を含むことが好ましく、また任意選択的に、図２Ｄに示すものなどの、１つ又は複数の追加の半導体層（例えば、低ドーピング層１１２、逆タイプ層１１３、キャリア遮断層１１４、等）を含むことがある。そのような追加の半導体層は、例えば、アノードのビルトイン電圧を高めるように（例えば、それによって潜在的な光起電力効果を高め、仕事関数のより大幅な低減をもたらすことができるように）、望ましくないキャリア再結合を低減するように、アノード光学特性を調節するように（例えば、第１の側面の近傍の半導体内のａｂｏｖｅ−ｇａｐ光吸収を高め、第２の側面の近傍の半導体内及び／又はアノードの非半導体領域内のａｂｏｖｅ−ｇａｐ光吸収を低減し、ｂｅｌｏｗ−ｇａｐ光吸収を低減する、など）、且つ／又は任意の他の適切な機能を実施するように、機能することができる。

半導体層１１０は、互いに隣接して配置されることが好ましく、追加の半導体層は（例えば、表面−深さ軸に沿って）バルク半導体１１１の表面に配置されることが好ましい。隣接する半導体層は、半導体接合を形成することがあり、これには、ホモ接合及び／又はヘテロ接合、アイソタイプ接合（例えば、ｎ−ｎ^＋、ｎ−Ｎ）及び／又はヘテロタイプ接合（例えば、ｐ−ｎ、ｐ−ｉ−ｎ、Ｐ−ｎ、等）及び／又は任意の他の適切な接合タイプが含まれることがある。隣接する半導体層１１０は、隣接する半導体層と共に（例えば、電子欠陥が殆どない）高品質の界面を形成することが好ましい。例えば、半導体層１１０は、エピタキシャルであり得る。或いは、半導体層及び／又は界面の一部又は全部は、中程度の及び／又は高密度の電子欠陥を含む（例えば、所望のエネルギー準位でフェルミ準位のピン留めを達成するために）ことがあり、且つ／又は任意の他の適切な界面態様を含むことがある。追加の半導体層はそれぞれ、閾値最大及び／又は最小厚さ（例えば、１ｍｍ、１００μｍ、１０μｍ、１μｍ、１００ｎｍ、１０ｎｍ、１ｎｍ、０．１ｎｍ、０．１〜１ｎｍ、１〜１０ｎｍ、１０〜１００ｎｍ、１００〜１０００ｎｍ、１〜１０μｍ、数単分子層、単分子層、準単分子層、等）より薄い及び／又は厚い厚さを有することがあり、或いは、任意の他の適切な厚さを有することがある。アノード１００は、任意の適切な数の様々な半導体層１１０を任意の適切な構成で含むことがある。

バルク半導体１１１は高品質（例えば、単結晶、低不純物、等）の半導体であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の適切な品質の半導体材料を含むことがある。バルク半導体１１１はＳｉ、ヒ化ガリウム（例えば、ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ）、リン化ガリウムインジウム（例えば、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ）、又はリン化アルミニウムガリウムインジウム（例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ）であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、（例えば、上述したように）任意の適切な半導体材料を含むことがある。

バルク半導体１１１は、（例えば、バルク半導体の照射によって引き起こされる光起電力効果がアノード仕事関数を低減するように）、ｎ型半導体であることが好ましい。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、バルク半導体１１１はｐ型半導体材料、真性半導体材料、及び／又は任意の他の適切なドーピングを含むことがある。バルク半導体１１１は、高度にドープされていること（例えば、１０^１５／ｃｍ^３、１０^１６／ｃｍ^３、１０^１７／ｃｍ^３、１０^１８／ｃｍ^３、１０^１９／ｃｍ^３、１０^２０／ｃｍ^３などの閾値レベルよりも大きな平衡電荷キャリア密度。１０^１５／ｃｍ^３〜１０^１６／ｃｍ^３の範囲内、１０^１６／ｃｍ^３〜１０^１７／ｃｍ^３の範囲内、１０^１７／ｃｍ^３〜１０^１８／ｃｍ^３の範囲内、１０^１８／ｃｍ^３〜１０^２０／ｃｍ^３の範囲内、等の平衡キャリア密度）が好ましいが、これに加えて又はその代わりに、より低いドーピング（例えば、１０^１５／ｃｍ^３未満、１０^１４／ｃｍ^３未満、１０^１２／ｃｍ^３未満、１０^１４／ｃｍ^３〜１０^１５／ｃｍ^３の範囲内、１０^１２／ｃｍ^３〜１０^１４／ｃｍ^３の範囲内等の平衡キャリア密度）を含むことがあり、これは、例えば、自由キャリアの吸収を低減するために望ましいことがあり、且つ／又は任意の他の適切なドーピングレベルを含むことがある。特定の例では、バルク半導体１１１は１０^１６／ｃｍ^３〜３×１０^１７／ｃｍ^３の範囲内（例えば、１〜３×１０^１６／ｃｍ^３、３〜６×１０^１６／ｃｍ^３、６〜１０×１０^１６／ｃｍ^３、１〜３×１０^１７／ｃｍ^３、７．５×１０^１６／ｃｍ^３〜２×１０^１７／ｃｍ^３、等）の平衡キャリア密度を有する。バルク半導体１１１は実質的に均一なドーピングを有することが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、勾配、不連続性、及び／又は任意の他の適切なドーピング特徴などのドーピング変化（例えば、横方向に変化する、且つ／又は深さと共に変化する）を含むことがある。

バルク半導体１１１はウェハ厚さ（例えば、１５０μｍ〜１ｍｍ、５０〜１５０μｍ、１〜３ｍｍ、等）であることが好ましく、５０〜２５０μｍの範囲内（例えば、５０μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、等）の厚さを有することがより好ましいが、これに代えて、より厚い（例えば、厚さ数ｍｍのスラブ、１ｃｍを超える厚さ、等）、若しくはより薄い（例えば、５０μｍ未満、薄膜又は多層など）ことがあり、又は任意の他の適切な厚さを有することがある。例によっては、バルク半導体１１１は正孔拡散長よりも厚く（例えば、１．１、１．２、１．５、２、３、５、１０、２０、３０、５０、１００、１．０１〜１．１、１．１〜１．３、１．３〜１．５、１．５〜２、２〜３、３〜５、５〜１０、１０〜３０、３０〜１００などの倍率だけより厚く）、これにより、例えば、半導体の背面（例えば、アノード第２側面の近位にある側面）で分割するフェルミ準位を低減するように機能することができ、これにより、そうしないとデバイス出力電圧が低下することがある。これに加えて又はその代わりに、例えば、そうしないと（例えば、カソードからアノードへの）寄生熱伝達に寄与することがある自由キャリア吸収を低減するために、より薄いバルク半導体が望ましいことがある。バルク半導体１１１は、アノード１００の機械的支持として機能する（例えば、取り扱い及び／又は動作中にアノードの重量を支持する）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、アノード１００は、１つ又は複数の機械的支持構造（例えば、基板、リブ、等）を含むことがある。例えば、アノード１００は、セミコンダクタ・オン・インシュレータ基板（例えば、シリコン−シリカ−シリコン基板）を含むことがある。バルク半導体として説明したが、当業者であれば、任意の適切な厚さ（及び／又は他の寸法）の半導体を、バルク半導体１１１としてアノードで使用することができることを、理解するであろう。

低ドーピング層１１２は、バルク半導体１１１と同じ型（例えば、ｎ型、ｐ型）にドープされ、バルク半導体１１１よりも低い平衡キャリア密度を有することが好ましい。これに加えて又はその代わりに、低ドーピング層１１２は、１つ又は複数の真性の層又は最小限にドープされた層を含むことがある。低ドーピング層１１２は、バルク半導体１１１と同じ材料から作製される（例えば、バルク半導体１１１とアイソタイプのホモ接合を形成する）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、バルク半導体１１１とは異なる半導体材料を含む（例えば、バルク半導体１１１とアイソタイプのヘテロ接合を形成する）ことがある。例えば、高度にドープされた（例えば、１０^１８／ｃｍ^３を超える平衡キャリア濃度）ｎ−Ｓｉバルク半導体１１１を有するアノード１００では、低ドーピング層１１２は、より低いドーピングレベル（例えば、バルク半導体１１１よりも低い平衡キャリア密度、１０^１６／ｃｍ^３などの閾値未満、等）のｎ−Ｓｉであり得る。

低ドーピング層１１２は、バルク半導体１１１又はキャリア遮断層１１４に隣接してその表面に（例えば、エピタキシャル成長させて）配置されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な構成を有することがある。低ドーピング層１１２は、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内（例えば、１〜１０μｍ、１００〜１０００ｎｍ、３００〜３０００ｎｍ、５００〜１５００ｎｍ、等）、１００ｎｍ未満（例えば、１０〜３０ｎｍ、２５〜６５ｎｍ、６０〜１００ｎｍ、１０ｎｍ未満、等）、１００μｍ超、の厚さ、及び／又は任意の他の適切な厚さを有することがある。層厚さは、その層のキャリア（例えば、電子及び／又は正孔）拡散長と同程度であるか、キャリア拡散長よりも実質的に大きいか、又はキャリア拡散長よりも実質的に小さいことがある。実施形態によっては、（例えば、層の電気抵抗を低くするために）、特により低いドーピングレベルでは、低ドーピング層１１２にはより薄い厚さが望ましいことがある。しかしながら、低ドーピング層１１２は、任意の適切な厚さの任意の適切な材料を、任意の適切な構成で含むことがある。

逆タイプ層１１３は、バルク半導体１１１と反対の型にドープされる（例えば、ｎ型バルク半導体１１１を有するアノード１００においてｐ型ドーピングである）ことが好ましい。逆タイプ層１１３は、高度にドープされる（例えば、１０^１８／ｃｍ^３、１０^１９／ｃｍ^３、１０^２０／ｃｍ^３、１０^１７／ｃｍ^３、１０^１６／ｃｍ^３などの閾値レベルを超える平衡キャリア密度）ことも、中程度に又は軽くドープされる（例えば、１０^１６／ｃｍ^３未満、１０^１４／ｃｍ^３未満、１０^１２／ｃｍ^３未満、１０^１４／ｃｍ^３〜１０^１６／ｃｍ^３の範囲内、１０^１２／ｃｍ^３〜１０^１４／ｃｍ^３の範囲内、等の平衡キャリア密度）こともあり、且つ／又は任意の他の適切なドーピングレベルを有することもある。

逆タイプ層１１３は、キャリア遮断層１１４、低ドーピング層１１２、又はバルク半導体１１１に隣接してその表面に（例えば、エピタキシャル成長させて）配置されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な構成を有することがある。逆タイプ層１１３は、バルク半導体１１１及び／又は低ドーピング層１１２と同じ材料から作製される（例えば、隣接する半導体層とｐ−ｎのホモ接合を形成する）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、異なる半導体材料を含む（例えば、隣接する半導体層とｐ−ｎのヘテロ接合を形成する）ことがある。例えば、ｐ型Ｓｉ逆タイプ層１１３は、隣接するｎ型Ｓｉバルク半導体１１１とｐ−ｎ接合を形成することがある。

逆タイプ層１１３は、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内（例えば、１〜１０μｍ、１００〜１０００ｎｍ、３００〜３０００ｎｍ、５００〜１５００ｎｍ、等）、１００ｎｍ未満（例えば、１０〜３０ｎｍ、２５〜６５ｎｍ、６０〜１００ｎｍ、１０ｎｍ未満、等）、１００μｍ超、の厚さ、及び／又は任意の他の適切な厚さを有することがある。層厚さは、その層のキャリア（例えば、電子及び／又は正孔）拡散長と同程度であるか、キャリア拡散長よりも実質的に大きいか、又はキャリア拡散長よりも実質的に小さいことがある。実施形態によっては、（例えば、層の電気抵抗を低くするために）、特により低いドーピングレベルでは、低ドーピング層１１２にはより薄い厚さが望ましいことがある。しかしながら、逆タイプ層１１３は、任意の適切な厚さの任意の適切な材料を、任意の適切な構成で含むことがある。

キャリア遮断層１１４は、（例えば、表面−深さ軸に沿ってキャリア遮断層１１４を通る）電荷キャリアの透過を遮断（例えば、防止、妨害、低減、等）するように機能することができる。キャリア遮断層１１４は、１つ又は複数の隣接する半導体層１１０及び／又は他の層と連携して、一方のバンド端（例えば、価電子帯端、伝導帯端）において有意なエネルギー障壁（２５０〜３５０℃などの、典型的なアノード動作温度でのｋ_ＢＴよりも実質的に大きい）を規定する接合を形成することができ、また、他方のバンド端においてせいぜい最小のエネルギー障壁を規定することが好ましい。キャリア遮断層１１４は、正孔遮断層（例えば、大きな価電子帯オフセット及び最小の伝導帯オフセットを規定する）であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、電子遮断層及び／又は任意の他の適切なキャリア遮断層であり得る。

キャリア遮断層１１４は、高度にドープされる（例えば、１０^１８／ｃｍ^３、１０^１９／ｃｍ^３、１０^２０／ｃｍ^３、１０^１７／ｃｍ^３、１０^１６／ｃｍ^３などの閾値レベルを超える平衡キャリア密度）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、より低いドーピング（例えば、１０^１６／ｃｍ^３未満、１０^１４／ｃｍ^３未満、１０^１２／ｃｍ^３未満、１０^１４／ｃｍ^３〜１０^１６／ｃｍ^３の範囲内、１０^１２／ｃｍ^３〜１０^１４／ｃｍ^３の範囲内、等の平衡キャリア密度）、及び／又は任意の他の適切なドーピングレベルを含むことがある。

キャリア遮断層１１４は、バルク半導体１１１に隣接してその表面に（例えば、エピタキシャル成長させて）配置されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な構成を有することがある。キャリア遮断層１１４は、バルク半導体１１１、低ドーピング層１１２、及び／又は他の隣接する半導体層とは異なる材料から作製される（例えば、隣接する半導体層とヘテロ接合を形成する）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、同じ半導体材料を含むことがある。

これに加えて又はその代わりに、アノードはバルク半導体１１１と電気接点１６０との間に配置された（例えば、バルク半導体１１１及び／又は任意の他の適切な半導体層に隣接した、アノードの第２の側面の近位にある）キャリア遮断層１１４を含むことがある。この構成では、キャリア遮断層１１４は、裏面電界を課すように機能することがある（例えば、ある型、好ましくは正孔の電荷キャリアが、電気接点１６０に到達するのを防ぐ）。この裏面電界キャリア遮断層は、バルク半導体１１１及び／又は他の隣接する半導体層と同じ材料から作製されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な材料を含むことがある。裏面電界キャリア遮断層は、バルク半導体よりも高いドーピングを示すことが好ましい。例えば、裏面電界キャリア遮断層は、バルク半導体１１１にその背面に沿って（例えば、アノードの第２の側面の近位に）追加のドーパント（例えば、ｎ型ドーパント）を注入することによって、形成されることがある。

キャリア遮断層１１４は、１〜２００ｎｍの範囲内（例えば、５〜５０ｎｍ）、２００ｎｍ〜１μｍ、１ｎｍ未満、１μｍ超、の厚さ、及び／又は任意の他の適切な厚さを有することがある。キャリア遮断層１１４は、エネルギー障壁を通るキャリアトンネリングを遮断するのに十分な厚さであることが好ましい。例えば、キャリア遮断層１１４の厚さは、閾値厚さ（例えば、１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、等）よりも厚いことがある。しかしながら、キャリア遮断層１１４は、任意の適切な厚さの任意の適切な材料を、任意の適切な構成で含むことがある。

第１の変形例では、半導体層１１０は、高度にドープされたｎ型バルク半導体１１１及び低ドーピング層１１２を含み、これらは協働してｎ−ｎ^＋ホモ接合を画定する。第２の変形例では、半導体層１１０はｎ型バルク半導体１１１、最小限にドープされた低ドーピング層１１２（例えば、意図しないドーピングのみを有する）、及び逆タイプ層１１３を含み、これらは協働してｐ−ｉ−ｎホモ接合を画定する。第３の変形例では、半導体層１１０は、深さが低下する順に、高度にドープされたｎ型ＧａＡｓバルク半導体１１１と、ＧａＡｓ以外のＩＩＩ−Ｖ族半導体のｎ型キャリア遮断層１１４（リン化ガリウムインジウムが好ましいが、その代わりに、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化アルミニウムガリウムインジウム、又は任意の他の適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体）と、バルク半導体１１１と実質的にドーピングが等しいｎ型ＧａＡｓ層と、ｎ型ＧａＡｓ低ドーピング層１１２と、を含む。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、半導体層１１０は、任意の他の適切な層を任意の適切な構成で含むことがある。

１．１．２ 補助アノード層
半導体層１１０に加えて（又はその代わりに）、アノードは、１つ又は複数の補助層１０５、例えば、電子保護層１２０、電子ポピュレーション制御層１２５、電子捕獲層１３０、光学調節層１３５、化学的保護層１４０、仕事関数調節層１５０、及び／又は任意の他の適切な層、のうちの１つ又は複数として機能する層など、を任意選択的に含むことがある。アノードは、単一の補助層（例えば、この層は、補助層に関して本明細書で説明する機能のうちの１つ又は複数を提供する）、若しくは複数の補助層を含むか、又は補助層を全く含まないことがある。

電子保護層１２０は、１つ又は複数の半導体表面及び／又は界面（例えば、アノードの最も表面的な半導体界面）を不活性化する（例えば、その１つ又は複数の半導体表面及び／又は界面における及び／又はその近傍における電子トラップを最小化する）ように機能することができる。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、電子保護層１２０は、任意の適切な位置に中程度の及び／又は高密度の電子欠陥を含む（例えば、所望のエネルギー準位でフェルミ準位のピン留めを達成するために）ように、且つ／又は任意の他の適切な界面態様を制御するように、機能することがある。電子保護層１２０は、電子保護層１２０が保護する半導体層１１０に隣接していることが好ましく、半導体層１１０の表面にあることがより好ましい。

電子保護層１２０は、（例えば、表面から深部に向けて）電子保護層１２０を通る効率的な電子伝達を可能にすることが好ましい。例えば、電子保護層１２０は、電子保護層１２０を通る効率的なトンネリングを可能にするのに十分な薄さ（例えば、１、３、又は５ｎｍなどの閾値厚さ未満）とすることができ、且つ／又は、電子の通過を可能にする伝導帯端を有することができる（例えば、隣接する層の伝導帯端と実質的に整列している。電子保護層１２０及び隣接する層の伝導帯端同士が、互い違いになり又は傾斜し、アノードの深さが増すにつれエネルギーが低下する、等）。これに加えて又はその代わりに、電子保護層１２０は、電子保護層１２０を通る正孔伝達を遮断（例えば、防止、低減、等）することがある（例えば、キャリア遮断層１１４として機能することがある）。例えば、電子保護層の価電子帯端は、隣接する層のうちの１つ又は複数からの大きなオフセットを規定できる（例えば、層に入る／及び又は層を出てゆく正孔に対して、大きなエネルギー障壁を提示する）。

電子保護層１２０は、閾値厚さ（例えば、１０ｎｍ、１００ｎｍ、１μｍ、等）よりも薄い厚さを有することがある。例えば、厚さは１〜１０ｎｍ、１０〜２５ｎｍ、２５〜１００ｎｍ、又は１ｎｍ未満とすることができる。しかしながら、電子保護層１２０はその代わりに、１μｍより厚い厚さを有することがあり、又は、任意の他の適切な厚さを有することがある。

電子保護層１２０は、絶縁体又は半導体（例えば、半導体層１１０内の材料のうちの１つ又は複数よりも広いバンドギャップを有する）を含むことが好ましい（から作製されることが好ましい）。第１の変形例では、電子保護層１２０は、半導体ベースの化合物を含む。化合物は、半導体層１１０と同じ材料を含むことがあり、且つ／又は１つ若しくは複数の他の半導体を含むことがある。この変形例の第１の例では、電子保護層１２０は、半導体酸化物化合物（例えば、下にあるシリコン層から成長させたシリコン酸化物などの、自然酸化物又は熱酸化物。熱処理及び／又は化学処理などの処理下での酸化物の部分除去後などの、自然酸化物の残留部分、等）を含む。特定の例では、電子保護層１２０は、１０ｎｍ未満の厚さ（例えば、０．０５〜０．５ｎｍ、０．２５〜１ｎｍ、０．５〜３ｎｍ、２〜５ｎｍ、３．５〜７ｎｍ、５〜１０ｎｍ、等）のシリコン酸化物層を含む（例えば、実質的に）シリコン酸化物層である。第２の例では、電子保護層１２０は、半導体窒化物及び／又は半導体酸窒化物化合物（例えば、シリコン窒化物）を含む。

第２の変形例では、電子保護層１２０は、金属の化合物を含む。化合物は、遷移金属（例えば、チタン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、ランタン、等）化合物であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な金属元素を含むことがある。この変形例の第１の例では、化合物は酸化物（例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化モリブデン、等）、窒化物、又は酸窒化物である。第２の例では、化合物はシリサイド（例えば、ニッケルシリサイド）である。

第３の変形例では、電子保護層１２０は、ワイドバンドギャップ半導体（例えば、ＧａＮ）を含む。第４の変形例では、電子保護層１２０は２Ｄ材料（例えば、グラフェン、ＢＮ、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、等）を含む。しかしながら、電子保護層１２０は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な材料を含むことがある。

電子ポピュレーション制御層１２５は、半導体層１１０内部の（例えば、半導体層の表面での及び／又は表面付近での）電子及び／又は正孔のポピュレーション（例えば、濃度、エネルギー準位、等）に影響を与えるように機能することができる。層１２５は、アノードのビルトイン電圧を増加させるように機能する（例えば、それによって、潜在的な光起電力効果を高め、それにより仕事関数のより大幅な低減がもたらされる）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な機能を実行することがある。

第１の実施形態では、電子ポピュレーション制御層１２５は、半導体層の表面側の近く（例えば、まさに表面に）配置された層などの、電子保護層１２０でもある。第２の実施形態では、電子ポピュレーション制御層１２５は、電子保護層１２０の表面側の近く（例えば、まさに表面に）配置される（例えば、電子保護層１２０は、半導体層１１０の表面側に隣接して配置されている）。しかしながら、電子ポピュレーション制御層１２５は、代わりに任意の他の適切な構成を有することがある。

電子ポピュレーション制御層１２５は、半導体価電子帯端の近傍（例えば、１０、２０、５０、７５、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００、５００、５〜２５、２０〜５０、４０〜１００、７５〜２００、１５０〜３５０、又は３００〜５００ｍｅＶなどの、価電子帯の閾値エネルギー距離内の。０．５％、１％、２％、３％、５％、７．５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、０．５〜２．５％、２〜５％、４〜１０％、７．５〜２０％、又は１５〜４０％。等の、半導体バンドギャップの割合内の）に、（例えば、フェルミ準位のピン留めに起因して）フェルミ準位を存在させることが好ましい。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、層１２５は、伝導帯端、中間ギャップエネルギー準位、並びに／又は、半導体及び／若しくはアノードの任意の他の適切な材料の、任意の他の適切なエネルギー準位、の近傍（半導体の閾値割合又は閾値エネルギー距離内の）にフェルミ準位を存在させることがある。

層１２５は、所望のエネルギー準位（例えば、半導体価電子帯端における又はその近傍における、所望のフェルミ準位のピン留めのエネルギー準位）での電荷中立性レベル及び／又は電子欠陥を介して、電子ポピュレーションに影響を与えることができる。電子欠陥は、層１２５の表面側の近傍に配置される（例えば、それによって、半導体内部の電荷キャリアが欠陥において再結合する可能性を低減する）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、深部側の近傍（例えば、半導体層の界面）に、及び／又は層１２５のバルク内に配置されることがある。電荷中立性レベルは、低ショットキーピン留めパラメータに関連していることが好ましいが、その代わりに、任意の適切なショットキーピン留めパラメータを有する材料によって示されることがある。

電子ポピュレーション制御層１２５は、閾値厚さ（例えば、１０ｎｍ、１００ｎｍ、１μｍ、等）よりも薄い厚さを有することがある。例えば、厚さは１〜１０ｎｍ、１０〜２５ｎｍ、２５〜１００ｎｍ、又は１ｎｍ未満とすることができる。しかしながら、電子保護層１２０はその代わりに、１μｍより厚い厚さを有することがあり、又は、任意の他の適切な厚さを有することがある。

電子ポピュレーション制御層１２５は、金属及び／又は金属化合物を含む（例えば、から作製される）ことが好ましい。金属は、遷移金属（例えば、チタン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、ランタン、等）であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な金属元素を含むことがある。この変形例の第１の例では、化合物は酸化物（例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化モリブデン、等）、窒化物、又は酸窒化物である。第２の例では、化合物はシリサイド（例えば、ニッケルシリサイド）である。第３の例では、材料は金属性である（例えば、チタン金属、モリブデン金属、タングステン金属、イリジウム金属、等）。しかしながら、層１２５は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な材料を含むことがある。

一例では、層１２５（例えば、酸化チタンの層）は、原子層堆積（例えば、熱ＡＬＤ、プラズマＡＬＤ、等）などの薄膜成長技術によって、（例えば、半導体層１１０の上に）堆積される。そのような堆積技術は、半導体層１１０と電子ポピュレーション制御層１２５との間に追加の酸化物層が形成されることにつながることがある（例えば、半導体層がシリコンである場合、シリコンと電子ポピュレーション制御層１２５との間に薄いシリコン酸化物層が形成されることがある）。この例では、層１２５は、比較的に高い堆積温度（例えば、１０００、９００、８００、７００、６００、５００、４００、３００、２５０、２００、１５０、１５０〜３５０、３００〜５００、４００〜６００、５００〜７００、６５０〜８５０、又は８００〜１０００℃などの、閾値温度以上）で堆積されることが好ましく、これにより、所望の電子欠陥の形成が促進され得る。特定の例では、酸化チタンの層が、好ましくは水、並びにテトラキス（ジメチルアミド）チタン（ＴＤＭＡＴ）及び／又はチタンイソプロポキシド（ＴＴＩＰ）などの１つ又は複数のチタン前駆体種を使用して、２００〜３００℃の温度（例えば、２２５〜２７５、２３５〜２６５、又は２４５〜２５５℃などの、約２５０℃）で熱ＡＬＤによって堆積される。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、層１２５は、中程度の又は低温（例えば、閾値温度以下）で、及び／又は任意の他の適切な条件下で、堆積されることがある。

電子捕獲層１３０は、電子（例えば、カソードから熱電子的に放出された電子）を捕獲するように、且つ／又は捕獲した電子をアノードのより深くに（例えば、バルク半導体１１１へなど、半導体層１１０へ）伝達するのを可能にするように、機能することができる。電子捕獲層１３０は、アノードの他の層（例えば、仕事関数調節層１５０）と共に、蒸発、相互拡散、及び／又は有害な相互作用（例えば、１５０〜２５０℃、２５０〜３５０℃、４５０〜５５０℃、５５０〜６５０℃、１００〜１０００℃などの典型的な高いアノード動作温度で、及び／又は任意の他の適切なアノード温度で）を最小限に抑えるように構成される（例えば、材料及び／又は構成が選択される）ことが好ましい。

電子捕獲層１３０は、閾値厚さ（例えば、１０ｎｍ、１００ｎｍ、等）よりも薄い厚さを有することがある。例えば、厚さは１〜１０ｎｍ、１０〜２５ｎｍ、２５〜１００ｎｍ、又は１ｎｍ未満とすることができる。しかしながら、電子保護層１２０はその代わりに、１００ｎｍより厚い厚さを有することがあり、又は、任意の他の適切な厚さを有することがある。

電子捕獲層１３０は、高い電子密度の状態（例えば、伝導帯において、及び／又は、０．０５、０．１、０．２、０．３、又は０．５ｅＶの真空レベルなどの、真空レベルの近くで）、及び／又は、高い有効電子質量（例えば、０．７５、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．７５、２、２．５、０．７〜１、０．９〜１．１、１〜１．３、１．２〜１．５、１．４〜１．６、１．５〜１．８、１．７５〜２．２５、２〜３などの、自由電子質量の閾値倍以上の）を提供する１つ又は複数の材料を含む（例えば、から作製される）ことが好ましく、これにより、層内の電子捕獲を高めるように機能することができる。

第１の変形例では、電子捕獲層１３０は、１つ又は複数の金属を含む。この変形例の第１の例では、この層は遷移金属（例えば、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、等）を含む。第２の例では、この層はアルカリ又はアルカリ土類金属（例えば、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、等）を含み、これは、これに加えて又はその代わりに、仕事関数調節層１５０として、且つ／又は仕事関数調節層１５０のための貯留層（例えば、仕事関数調節層１５０からの枯渇した材料を補充する）として機能することができる。

第２の変形例では、電子捕獲層１３０は、金属の化合物を含む。化合物は、遷移金属（例えば、チタン、タンタル、モリブデン、ハフニウム、ランタン、等）化合物であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な金属元素を含むことがある。この変形例の第１の例では、化合物は酸化物（例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化モリブデン、等）、窒化物（例えば、窒化チタン、窒化タンタル、等）、又は酸窒化物である。第２の例では、化合物はシリサイド（例えば、ニッケルシリサイド）である。

第３の変形例では、電子捕獲層１３０は２Ｄ材料（例えば、グラフェン、ＢＮ、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、等）を含む。第４の変形例では、電子捕獲層１３０は、ホウ素化合物（例えば、ＬａＢ_６、ＣｅＢ_６、ＢａＢ_６などの六ホウ化物、等）を含む。

電子捕獲層１３０は、上記の材料及び／又は任意の他の適切な材料の任意の適切な組み合わせ（例えば、合金、混合物、等）を含むことがある。第１の特定の例では、電子捕獲層１３０は、窒化チタンとタングステンの混合物を含む。第２の特定の例では、層１３０は、ＬａＢ_６含有物を有する遷移金属酸化物を含む。しかしながら、電子保護層１２０は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な構造を有する任意の他の適切な材料を含むことがある。

光学調節層１３５は、アノードと入射光（例えば、カソード、筐体、スペーサー、及び／又はＴＥＣの他の要素によって放出される放射、例えば熱放射など。太陽光など、外部光源からの光；等）との相互作用を調節するように機能することができる。例えば、光学調節層１３５は、（例えば、光学調節層が異なっているか又は存在しないが、その他の点では実質的に同一のアノードにおける吸収と比べて）、バルク半導体及び／又は他の半導体層によって吸収される光、好ましくはａｂｏｖｅ−ｇａｐ光（例えば、半導体バンドギャップ近辺のエネルギーを有する光子）の量を増加させるか又は低減するように機能することができる。これに加えて又はその代わりに、光学調節層１３５は、半導体層の外側のアノードによって吸収される光の量を低減するように機能することがあり、アノードによって吸収される（例えば、自由キャリア吸収など、半導体層内部の吸収を含む）サブギャップ光（例えば、半導体バンドギャップよりも小さいエネルギーを有する光子）を低減するように機能することがあり、半導体内部のどの領域に光が吸収されるかを制御するように機能する（例えば、アノードの第１の側面の近傍での吸収を促進する、アノードの第２の側面の近傍及び／若しくはバルク半導体内部の深部での吸収を低減する、等）ことがあり、且つ／又は任意の他の適切な態様でアノード（及び／若しくはシステムの他の要素）の光学特性を調節するように機能することがある。

光学調節層１３５は、別の補助層１０５と一体になっていることが好ましい（例えば、他の補助層が、光学調節層として更に機能する）。例えば、電子保護層１２０、電子ポピュレーション制御層１２５、電子捕獲層１３０、及び／又は化学的保護層１４０が、光学調節層１３５として機能することがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、補助層１０５は、別個の光学調節層１３５（例えば、光学調節機能のためのみに、又は主として光学調節機能のために、含まれる層）を含むことがあり、光学調節層１３５は、半導体層と一体化されることがあり（例えば、キャリア遮断層などの半導体層が光学調節層として更に機能する）、且つ／又は、光学調節は任意の他の適切な態様で達成されることがある。

光学調節層１３５は、閾値厚さ（例えば、１０ｎｍ、１００ｎｍ、等）よりも薄い厚さを有することがある。例えば、厚さは１〜１０ｎｍ、１０〜２５ｎｍ、２５〜１００ｎｍ、又は１ｎｍ未満とすることができる。しかしながら、電子保護層１２０はその代わりに、１００ｎｍより厚い厚さを有することがあり、又は、任意の他の適切な厚さを有することがある。光学調節層１３５（及び／又は任意の他の補助層１０５）は、１よりも大きな（例えば、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．７５、２、２．２５、２．５、３、１〜１．３、１．２〜１．５、１．５〜２、２〜３、３よりも大きな、等）、実質的に１に等しい、０と１との間の、０未満の屈折率、及び／又は任意の他の適切な屈折率を有することがある。光学調節層１３５は、金属、金属化合物（例えば、酸化物、窒化物、等）、半導体、半導体化合物（例えば、酸化物、窒化物、等）、及び／又は任意の他の適切な材料を含むことがある。

第１の実施形態では、光学調節層１３５は、（例えば、光起電力効果を高めるために）半導体層におけるａｂｏｖｅ−ｇａｐ光吸収を増加させるように機能する。この実施形態の第１の例では、層１３５は反射防止コーティングとして機能する。この例では、層１３５は、例えば１を上回る値であるが半導体屈折率よりも小さな、中間の屈折率（例えば、半導体層の指数とアノードの第１の側面に隣接するギャップの指数との間の値の）を有することが好ましい。第２の例では、層１３５は、特定のテクスチャをつけられたトポグラフィ（例えば、ピラミッド状又は逆ピラミッド状、ドーム状、等）を含み、これにより、光散乱を促進するように機能する（例えば、半導体材料内部の光子経路長を増加させ、それによって吸収を増加させる）ことができる。第３の例では、層１３５は、強め合う且つ／又は弱め合う光学干渉などを介して、所望の吸収の領域（例えば、アノードの第１の側面に最も近い半導体層の側面の近傍）でのａｂｏｖｅ−ｇａｐ光強度を高め、且つ／又は、望ましくない吸収の領域（例えば、半導体層の反対側の近く。この場所では、ａｂｏｖｅ−ｇａｐ吸収は、デバイス出力電圧を低減する光起電力効果をもたらすことがある）での光強度を低減するように機能する（例えば、半導体層１１０を挟んで層１３５の反対側にある反射電気接点１６０などの、アノードの１つ又は複数の他の層と協働して達成される）。しかしながら、層１３５は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な態様でａｂｏｖｅ−ｇａｐ吸収を増加させることがある。

これに加えて又はその代わりに、光学調節層１３５は、（例えば、カソードへの光の再伝達を促進し、それによってカソードからの熱損失及び／又はアノードの加熱を低減するために）アノードでの光吸収を低減するように機能することがあり、任意選択的に、半導体層でのａｂｏｖｅ−ｇａｐ光吸収の低減を含む。例えば、層１３５は光学反射器とすることができる（例えば、半導体屈折率よりも大きな屈折率などの、高い屈折率を有することができる）。第１の例では、層１３５は、広域スペクトル反射器として機能する金属又は金属化合物を含む。第２の例では、層１３５は、（例えば、キャリア遮断層１１４と一体になった、且つ／又はその近くの、半導体層１１０内に）１つ又は複数の（バルク半導体１１１と比べて）より広いバンドギャップの半導体層、好ましくは中程度に又は高度にドープされた層、を含む。そのようなより広いバンドギャップ層は、ｂｅｌｏｗ−ｇａｐ光子（例えば、ＩＲ光子）に対しては反射性であるが、ａｂｏｖｅ−ｇａｐ光子（例えば、可視光光子）に対しては実質的に透過性であることがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、アノード１００は、任意の適切な光学調節層１３５を任意の適切な構成で含むことがある。

化学的保護層１４０は、１つ又は複数の他の層（例えば、化学的保護層１４０よりも深くにある）内の材料を、化学的及び／又は電気化学的劣化から保護するように機能することができる。例えば、化学的保護層１４０は、半導体層１１０を、仕事関数調節材料（例えば、仕事関数調節層１５０からの材料）及び／又はアノードの環境内にある他の潜在的に反応性の物質（例えば、酸素）との相互作用に起因する化学的劣化、例えば、高温（例えば、１５０〜２５０℃、２５０〜３５０℃、４５０〜５５０℃、５５０〜６５０℃、１００〜１０００℃などの典型的なアノード動作温度、及び／又は任意の他の適切なアノード温度）での劣化などから保護するように機能することができる。第１の例では、層１４０は、層１４０を通る反応性及び／又は分解性の種の通過（例えば、拡散）を防止する。第２の例では、層１４０は、反応性及び／又は分解性の種を捕獲する（例えば、それら、例えば金属チタン及び／又は酸素を回収する酸素不足の酸化チタンなど、と化学的に反応することによる。それによって半導体層１１０の酸化を防止する）。しかしながら、層１４０は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な態様で機能することがある。

化学的保護層１４０は、不適合な（例えば、典型的なアノード動作温度などの高温で。周囲温度で；等）半導体及び仕事関数調節材料（例えば、ＧａＡｓ及びＣｓ）を含むアノード１００の実施形態において存在することが好ましい。しかしながら、アノード１００の任意の適切な実施形態において、任意の適切な化学的保護層１４０を使用することができる。化学的保護層１４０は、１つ又は複数の層の間に配置することが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、システム１０の縁若しくはシステム１０の面に沿って配置するか、又は異なる態様で配置することがある。

化学的保護層１４０は、下にある層（例えば、隣接するより深い層）とコンフォーマルであることが好ましく、且つ極わずかの構造欠陥（例えば、ピンホール、空隙、亀裂、等）しか含まないか又は全く含まないことが好ましく、これにより、層１４０が効果的な化学的障壁として機能することが可能になる（例えば、この層を通るＣｓの伝達を防止する）。層１４０は、繰り返される（例えば、５〜５０年の間、１日に１〜５サイクル）熱サイクル（例えば、２０℃などの周囲温度と、１５０〜２５０℃、２５０〜３５０℃、４５０〜５５０℃、５５０〜６５０℃、１００〜１０００℃などのアノード動作温度及び／又は任意の他の適切なアノード温度との間の）に、最小限の損傷（例えば、構造欠陥の最小限の発生）を伴って耐えることが好ましい。しかしながら、化学的保護層１４０は、任意の適切な構造的及び／又は機械的特性を有することがある。

化学的保護層１４０は、０．１〜１０ｎｍの範囲内、１０ｎｍより厚い、又は０．１ｎｍより薄い、厚さを有することがある。実施形態によっては、化学的保護層１４０をより薄くすると、電子と層との相互作用を低減することができる（例えば、効率的な電子透過が可能になる）。他の実施形態では、化学的保護層１４０をより厚くすると、より効果的な化学的障壁を提供することができる（例えば、反応性の仕事関数調節材料からの下にある層への損傷を最小限に抑える）。しかしながら、化学的保護層１４０は、任意の適切な厚さを有することがある。

化学的保護層１４０は、絶縁体（例えば、電子保護層１２０に関して上述したのと同様の材料、電子保護層１２０とは異なる材料）、半導体（例えば、半導体層１１０と同じ材料、異なる半導体材料）、金属（例えば、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗなどの遷移金属）、及び／又は任意の他の適切な材料を含む（例えば、から作製される）ことがある。しかしながら、化学的保護層１４０は、任意の他の適切な構造を有する任意の他の適切な材料を含むことがある。

仕事関数調節層１５０は、（例えば、光起電力に基づく仕事関数の変化に加えて、及び／又はその代わりに）アノード仕事関数を変更するように、好ましくは、仕事関数を低減するように（例えば、仕事関数調節層１５０は、仕事関数低減層である）機能することがあるが、その代わりに、仕事関数を増加させるように機能することもある。仕事関数調節層１５０は、非常に薄い（例えば、単分子層、数単分子層、準単分子層、等）ことが好ましいが、その代わりに、より厚いこともある。例えば、層１５０は、１ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、１０ｎｍを超えることがあり、及び／又は任意の他の適切な厚さを有することがある。仕事関数調節層１５０は、アノードの表面に（及び／又はその近傍に）配置されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な配置を有することがある。

第１の実施形態では、仕事関数調節層１５０は、１つ又は複数の実質的に鮮明な界面を画定する（例えば、仕事関数調節層１５０と隣接する層との間の界面領域は、上述したように、実質的に出来る限り薄くに制限される。仕事関数調節層１５０は、例えば隣接する層への拡散などにより、隣接する層に実質的に進入することはない）。第２の実施形態では、仕事関数調節層１５０は、１つ又は複数の隣接する層との実質的な界面領域（例えば、上述したような）を形成する。一例では、セシウム（及び任意選択的に、酸素）を、補助層１０５（例えば、酸化チタン補助層）の上に堆積させて、仕事関数調節層１５０を形成する。この例では、セシウム（及び／又は酸素）の一部が補助層１０５に浸透し、界面領域（例えば、酸化チタン内部のセシウム濃度の勾配）を生成することがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、仕事関数調節層１５０は任意の他の適切な界面を画定することがある。

仕事関数調節層１５０によって達成される仕事関数調節（例えば、低減）効果は、光起電力に基づく仕事関数調節効果からは独立している（又は実質的に独立している）ことが好ましい。例えば、仕事関数調節層の無い照射されていないアノードと、仕事関数調節層を有する照射されたアノードとの間の仕事関数の総変化は、仕事関数調節層単独（例えば、照射されていないアノードの）と、光起電力に基づく効果単独（例えば、仕事関数調節層の無いアノードの）に起因する変化の合計に実質的に等しい（例えば、１０、５０、１００、１５０、２００、又は３００ｍｅＶなどの閾値以内。例えば、１％、２％、５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％などの、仕事関数又は仕事関数の変化の閾値割合以内）ことが好ましい。しかしながら、仕事関数調節効果は、その代わりに実質的に独立していないことがあり、且つ／又は任意の他の適切な関係を有することがある。

仕事関数調節層１５０は、任意の適切な仕事関数調節材料を含む（例えば、から作製される）ことがある。第１の変形例では、層１５０は、１つ又は複数の金属を含む。この変形例の第１の例では、金属は、アルカリ又はアルカリ土類金属（例えば、Ｃｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、等）を含む。第２の例では、金属は１つ又は複数の希土類元素（例えば、Ｌａ、Ｃｅ、等）を含む。第２の変形例では、層１５０は２Ｄ材料（例えば、グラフェン、ＢＮ、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、等）を含む。

第３の変形例では、仕事関数調節層１５０は、１つ又は複数の金属化合物（例えば、酸素、フッ素、及び／又はホウ素を含有する化合物）を含む。この変形例の第１の例では、化合物はアルカリ又はアルカリ土類金属の酸化物（例えば、Ｃｓ−Ｏ）を含む。第２の例では、化合物は二ホウ化物及び／又は六ホウ化物化合物（例えば、ＬａＢ_６、ＣｅＢ_６、ＢａＢ_６、等）を含む。二ホウ化物及び／又は六ホウ化物化合物は、化学式通りで、ホウ素に富んで、及び／又はホウ素が欠乏していることがある。例えば、層１５０は、ＬａＢ_６−ＢａＢ_６超格子を含むことがあり、且つ／又は、層１５０はＬａ、Ｚｒ、Ｖ、Ｂ、及び／又はそれらの化合物の含有物を含むことがある。

一実施形態では、仕事関数調節層１５０は、アノード表面（例えば、第１の表面）に隣接するＣｓ蒸気環境から形成される、薄いＣｓ又はＣｓ−Ｏのコーティングを含むことがある。この実施形態の一例では、補助層は、Ｃｓ（及び／又は他の仕事関数低減材料）がＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長（例えば、レイヤプラスアイランド成長。例えば、極性のあるＣｓの均一なレイヤが表面上で成長し、これに続いて且つ／又はこれと共に、より大きなＣｓのアイランドが成長するような成長など）をその上で示す１つ又は複数の材料、例えば酸化チタン及び／又は他の適切な酸化物などを含む（例えば、アノードの表面において、仕事関数調節層を除く他の全ての層の表面に、等）。そのようなＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ Ｃｓ成長は、Ｃｓ層の大規模な減極を回避するのを助けるように機能することがあり（例えば、過剰なＣｓ、例えば、極性のある層を形成するのに必要とされるよりも大幅に多くのＣｓなどの存在下で）、それによって、アノード表面の大部分が大幅に低減された仕事関数を維持するＣｓ条件の大きなウィンドウがもたらされる（例えば、Ｃｓの追加のアイランドに関連した領域のみが、Ｃｓの仕事関数低減効果の実質的な妨害を示す）。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、仕事関数調節層の材料（例えば、Ｃｓ）は、アイランド成長、レイヤ成長、及び／又は任意の他の適切な成長メカニズムを示すことがある（例えば、仕事関数調節層以外の全ての他の層の表面にある層が、材料のそのような成長をサポートすることができる）。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、仕事関数調節層１５０は任意の適切な材料を含むことがある。

補助層は、仕事関数調節層１５０として機能する高仕事関数材料の層を（例えば、Ｃｓなどの表面コーティングに加えて及び／又はその代わりに）、任意選択的に含むことがある。この層は、非常に薄い（例えば、単分子層、数単分子層、準単分子層、０．１ｎｍ、０．５ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、０．１〜０．５ｎｍ、０．５〜２ｎｍ、２〜５ｎｍ、等）ことが好ましいが、その代わりに、より厚いこともある（例えば、５〜１０ｎｍ、１０〜２０ｎｍ、２０〜５０ｎｍ、５０ｎｍを上回る、等）。この層は、酸化モリブデン、酸化マンガン、酸化タングステン、マンガンと１つ若しくは複数の他の金属との酸化物、などの金属酸化物、金属（例えば、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、等）、及び／又は任意の他の適切な高仕事関数材料（例えば、２、３、３．５、４、４．２５、４．５、４．６、４．７、４．８、４．９、５、５．１、５．２、５．３、５．４、５．５、５．６、５．７、５．８、５．９、６、３．５〜４．５、４．５〜５、５〜５．５、５．５〜６、又は６〜７ｅＶなどの閾値を超過する仕事関数を有する材料）を含む（例えば、から作製される）ことがある。この層は、半導体層と別の補助層（例えば、酸化チタンなどの別の酸化物層）との間など、半導体層１１０（例えば、半導体層のまさに表面）の近傍に（例えば、隣接して）配置されることが好ましい。特定の例では、半導体層はシリコンを含み（例えば、シリコンから実質的に作製され）、補助層は、シリコンと酸化チタン層との間に配置された酸化マンガン及び／又は酸化モリブデンの薄い層を含む。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、仕事関数調節層１５０は任意の他の適切な材料を含むことがある。

一実施形態では、アノード１００は、複数の上記の機能を実行する単一の補助層１０５を含む。例えば、補助層１０５は、金属酸化物（例えば、酸化チタン）であり得る。この金属酸化物は、例えば、電子保護層１２０、電子ポピュレーション制御層１２５、電子捕獲層１３０、及び／又は化学的保護層１４０として機能することがある。この実施形態では、アノード１００は、追加の補助層１０５を、（例えば、追加の機能を実行するために、第１の補助層の機能を補助するために、等）任意選択的に含むことがある。例えば、金属酸化物層は、半導体層のまさに表面に配置されることがあり、仕事関数調節層１５０（例えば、Ｃｓコーティング）は、金属酸化物層のまさに表面に配置されることがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、補助層１０５は、任意の他の適切な構成を有し、任意の他の適切な材料を含み、且つ／又は任意の他の適切な機能を提供することがある。

１．１．３ 電気接点
電気接点１６０は、（例えば、電気負荷を駆動するために）アノード１００から電子を抽出するように機能することができる。電気接点１６０は、アノードの第２の側面上に配置されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、第１の側面上に（環状接触部などの横方向にパターン形成されて、薄い連続層、等）、側面同士の間に（例えば、アノード１００の内部に）、配置されることがあり、且つ／又は、任意の他の適切な配置を有することがある。電気接点１６０は、半導体層１１０のうちの１つ又は複数に電気的に接続されることが好ましく、半導体との良好な電気接点（例えば、オーミック接触；例えば、アノード動作温度におけるｋ_ＢＴの０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．５、０．７５、１、１．５、２、２．５、３、４、５、１０、０．０１〜０．１、０．１〜０．５、０．５〜１．５、１．５〜３、３〜５、５〜１０、１０〜２０、又は２０〜５０倍などの、アノード動作温度に対して無視できるか又は最小のエネルギー障壁を有するショットキー接触、等）を形成するのが、より好ましい。

電気接点１６０は、接着層を任意選択的に含み、接着層は、半導体への電気接点の接着力を高めるように機能することができる。接着層は半導体層と隣接して配置される（例えば、半導体層上に直接的に堆積される）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な配置を有することがある。例えば、接着層は、チタン（例えば、これは、コーティングに加えて又はその代わりに、酸素を回収するように機能することがあり、それによって半導体の酸化を防止する）の及び／又は半導体によく接着する（例えば、半導体に堆積される）他の金属の、コーティング、好ましくは薄い（例えば、１〜１０ｎｍ、０．１〜１ｎｍ、１０〜３０ｎｍ、等）コーティングを含むことがあるが、その代わりに、任意の適切な厚さのコーティングを含むこともある。

電気接点１６０は、拡散障壁を含むことが好ましく、拡散障壁は、（例えば、電気接点の）金属種が半導体層に拡散するのを且つ／又は半導体層と反応するのを防ぐように機能することができる。従って、拡散障壁は、半導体層と電気接点の大部分との間に配置されることが好ましい（例えば、接着層のみが、半導体層から拡散障壁を分離する）。第１の例では、拡散障壁は、モリブデン及び／又はタングステンなどの、アノード動作温度では容易に半導体と反応しない（例えば、シリコンのバルク半導体の場合、シリサイドを形成しない）１つ又は複数の金属を含む。この例では、拡散障壁は数十ｎｍ厚さ（例えば、１０〜１００ｎｍ、例えば１０〜２５、２０〜５０、４０〜７０、５０〜６０、６０〜８０、又は８０〜１００ｎｍなど）であることが好ましいが、その代わりに、１００ｎｍより厚いことも、又は１０ｎｍより薄いこともある。第２の例では、拡散障壁は、金属及び／又は他の種（例えば、窒化チタン、窒化タンタル、等）の１つ又は複数の化合物（例えば、窒化物、酸化物、等）を含み、これは、金属の拡散を防ぐように機能することができる。この例では、拡散障壁は、障壁をまたがる効率的な電子伝達を可能にするように十分に薄い（例えば、０〜１、１〜２、２〜５、５〜１０、１０〜２０ｎｍ、等）ことが好ましいが、その代わりに、任意の他の適切な厚さを有することがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、拡散障壁は、任意の適切な材料を任意の適切な構成で含むことがある。

電気接点１６０は、厚い（例えば、１００又は１０００ｎｍなどの閾値厚さよりも厚い）、低抵抗性の金属構造を含むことが好ましく、これは、１又は１０Ａ／ｃｍ^２を超過するデバイス電流を効率的に伝導する（例えば、横方向に、面外に、等）ことができる。この構造は、連続的な層、バスバー及び／若しくはワイヤ、並びに／又は任意の他の適切な要素を含むことがある。この構造は、電着、ウェハボンディング、及び／又は任意の他の適切な製造技術によって、アノード上に形成されるか且つ／又はアノードに取り付けられることがある。

電気接点１６０は、光学的に反射性である（例えば、電気接点１６０が第２の側面上に配置される実施形態では、電気接点１６０に到達する光は、アノード１００を通って戻るように、且つ／又はカソード２００へ、反射されることがある）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、入射光を吸収する且つ／又は透過させることがある。これに加えて又はその代わりに、電気接点１６０（及び／又はアノード第２の側面の近傍の、例えば半導体層に比べて第２の側面の近位にある、他の要素）は、特定のテクスチャを付けられたトポグラフィ（例えば、ピラミッド状又は逆ピラミッド状、ドーム状、等）を含むことがあり、これは、光の散乱を促進するように機能することがある（例えば、半導体材料内の光子経路長を増大させ、それによって、吸収を増加させる）。

電気接点１６０は、１つ又は複数の金属、金属化合物（例えば、シリサイド、酸化物、等）、及び／又はそれらの層状の積層体（例えば、Ｔｉ及び／又はＮｉの後に堆積されたＰｔ）を含むことが好ましい（例えば、から作製されることが好ましい）。バルク半導体１１１がシリコンである第１の変形例では、電気接点１６０は、シリコンに対してオーミック接触を形成する（例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、ＴｉＳｉ_２、ＴｉＮ、Ｗ、ＭｏＳｉ_２、ＰｔＳｉ、ＣｏＳｉ_２、ＷＳｉ_２、等）。バルク半導体１１１がＧａＡｓである第２の変形例では、電気接点１６０は、ＧａＡｓに対してオーミック接触を形成する（例えば、ＡｕＧｅ、ＰｄＧｅ、ＰｄＳｉ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、等）。しかしながら、電気接点１６０は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な材料を含むことがある。

１．１．４ 例
一実施形態では、アノード１００はバルク半導体１１１を含み、バルク半導体１１１の背面に（例えば、アノード第２の側面の近位に）電気接点１６０を好ましくは含み、例えばアノード第１の側面などにおいて仕事関数調節層１５０（例えば、Ｃｓ又はＣｓ−Ｏコーティング）を好ましくは含み、且つ任意選択的に、１つ又は複数の追加の層（例えば、バルク半導体１１１と仕事関数調節層１５０との間に配置される中間層；仕事関数調節層が無い場合には、バルク半導体１１１の表面に配置される層、等）を含む。例えば、バルク半導体は、バルクｎ型シリコンウェハ、例えば、５０〜２５０μｍ厚さのウェハ（例えば、１００μｍ、２００μｍ、等）などであるか、及び／又は、１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３の平衡キャリア濃度（例えば、１０^１６、２×１０^１６、５×１０^１６、７．５×１０^１６、１０^１７、２×１０^１７、等）を有するウェハであり得る。

暗闇での及び照明下でのそのような構造の（測定された及び／又は計算された）バンド図を比較することが、有益であることがある。デバイスの動作中に予期される典型的な照射、例えば、カソードの熱放射から受け取られるものなどは、１０^１３〜１０^２１ｃｍ^−２ｓ^−１ａｂｏｖｅ−ｇａｐ光子の範囲内に含まれ、より一般的には（例えば、１３００〜２０００℃の温度でのタングステン又はモリブデンのカソード及びシリコンのアノードの場合）、１０^１５〜１０^２０ｃｍ^−２ｓ^−１に含まれる（例えば、３００℃のシリコンアノード及び１５００℃のタングステンカソードの場合、通常は１０^１６〜１０^１８ｃｍ^−２ｓ^−１、例えば、約４×１０^１７ｃｍ^−２ｓ^−１など）ことがあるが、これに加えて又はその代わりに、照射は、１０^２１ｃｍ^−２ｓ^−１よりも大きい（例えば、１０^２１〜１０^２５ｃｍ^−２ｓ^−１、１０^２５ｃｍ^−２ｓ^−１を超える、等）ことも、１０^１３ｃｍ^−２ｓ^−１よりも小さい（例えば、１０^９〜１０^１３ｃｍ^−２ｓ^−１、１０^９ｃｍ^−２ｓ^−１未満）ことも、且つ／又は任意の他の適切な値を有することもある。しかしながら、１０，０００個の太陽照明などの高い照明の下での、そのような構造のバンド図も、有益であることがある。これらのバンド図は、光起電力に基づく仕事関数の低減の潜在的効果及び／又は実現された効果を示すことができ、これは、通常、照度に伴ってほぼ対数的に拡縮されることがある。

第１の例では、追加の層はなく、アノードの第１の側面に任意選択的に仕事関数調節層１５０（例えば、Ｃｓ、Ｃｓ−Ｏ、等）がある。１０^１７／ｃｍ^３の平衡キャリア濃度にドープされた１００μｍ厚さのｎ型シリコンウェハを有するそのようなアノードの特定の例について、暗闇（点線）での、及び１０，０００個の太陽照明下（実線）での、計算されたバンド図を、図５に示す。

第２の例では、アノードの第１の側面に仕事関数調節層１５０（例えば、Ｃｓ、Ｃｓ−Ｏ、等）が任意選択的にあり、アノードは、好ましくは３〜２５ｎｍ厚さ（例えば３〜１０ｎｍ、５〜１５ｎｍ、１０〜２５ｎｍ、等）の酸化チタンの層を含む。酸化チタンの層は、原子層堆積（例えば、熱的、プラズマ、等）によって堆積されることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な態様で形成されることがある。酸化チタンの層は、バルク半導体と隣接していることが好ましいが、その代わりに、任意の他の適切な配置であることがある。１０^１７／ｃｍ^３の平衡キャリア濃度にドープされた１００μｍ厚さのｎ型シリコンウェハに隣接する１０ｎｍ厚さの酸化チタン層を有するそのようなアノードの特定の例について、暗闇（点線）での、及び１０，０００個の太陽照明下（実線）での、計算されたバンド図を、図６に示す。

第３の例では、アノードの第１の側面に仕事関数調節層１５０（例えば、Ｃｓ、Ｃｓ−Ｏ、等）が任意選択的にあり、アノードは、バルク半導体に隣接したｐ型シリコン層を含む（例えば、１５ｋｅＶでの４×１０^１５／ｃｍ^２のホウ素イオンの注入などの、ｎ型シリコンウェハへのイオン注入によって形成される）。１０^１７／ｃｍ^３の平衡キャリア濃度にドープされた１００μｍ厚さのｎ型シリコンウェハを有するそのようなアノードの第１の特定の例について、暗闇（点線）での、及び１０，０００個の太陽照明下（実線）での、計算されたバンド図を、図７に示す。第２の特定の例では、アノードは、半導体層の表面に配置された（例えば、仕事関数調節層が存在する場合、半導体層と仕事関数調節層との間に配置された）、高仕事関数金属（例えば、イリジウム）、及び半導体価電子帯の近傍に電子欠陥を有する化合物（例えば、酸化チタン）のうちの１つ又は複数を、任意選択的に含む。金属と化合物の両方が存在する場合、金属は化合物の表面に配置されることが好ましいが、その代わりに、半導体層と化合物との間に配置されることもある。

第４の例では、アノードは、Ｄａｎｉｅｌ Ｃ．Ｒｉｌｅｙ著の「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｔｏ Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」に記載されているような（例えば、「Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ」と題された第４章に記載されているような）デバイスを含み、この文献はこの参照によってその全体が本明細書に組み込まれ、上述したような１つ又は複数の追加の層（例えば、バルク半導体１１１と仕事関数調節層１５０との間に配置された中間層；仕事関数調節層が無い場合には、バルク半導体１１１の表面に配置された層、等）を含むように修正される。特定の例では、アノードは、Ｒｉｌｅｙの第４章に記載されているようなデバイスであって、仕事関数低減層（例えば、Ｃｓ、Ｃｓ−Ｏ、等）及び半導体価電子帯の近傍に電子欠陥を有する化合物（例えば、酸化チタン）（例えば、化合物の薄い層、例えば、３〜３０ｎｍ、０．３〜３ｎｍ、３０〜６０ｎｍ、等）を含むように修正されたデバイスを含み、ここで、化合物は、半導体と仕事関数低減層との間に配置される。

しかしながら、これに加えて又はその代わりに、アノード１００は、任意の他の適切な要素（例えば、層）を任意の適切な構成で含むことがある。

１．２ カソード
カソード２００は、（例えば、熱電子的に）電子を放出するように機能することができる。カソード２００は、実質的に平面状である（例えば、平坦なウェハである）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の適切な形状を画定することがある。カソード２００は、表面テクスチャ、横方向のフィーチャ、及び／又は任意の他の適切なフィーチャを任意選択的に含むことがある。

カソード２００は、１つ又は複数の金属（例えば、耐熱金属）を含む（例えば、から作製される）ことが好ましく、これに加えて又はその代わりに、半導体、絶縁体、及び／又は任意の他の適切な材料を含むことがある。カソード２００は、（例えば、アノード仕事関数調節層１５０に関して上述したように）仕事関数調節層を含むことがある。カソード２００は、低い仕事関数（例えば、４ｅＶ、３．５ｅＶ、３ｅＶ、２．５ｅＶ、２ｅＶ、１．５ｅＶ、１ｅＶ、０．５〜５ｅＶなどの閾値未満の）を有することが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の適切な仕事関数を有することがある。

カソード２００は、カソードからアノードへの光子の移動を（例えば、単独で且つ／又はアノード光学調節層１４５と協働して作用して）制御するように機能する要素を任意選択的に含むことがある。例えば、カソードは、材料のバルク部分を含めてなど、好ましい放射率（例えば、ｂｅｌｏｗ−ｇａｐ光子よりも高い放射率のａｂｏｖｅ−ｇａｐ光子）を示す材料（例えば、タングステン又はモリブデンなどの金属）を含むことがある（例えば、この材料は、熱電子的に電子を放出し、ＴＥＣ回路の伝導性部分を形成する）。これに加えて又はその代わりに、カソードは、例えば、ａｂｏｖｅ−ｇａｐ光子放射を高め、且つ／又はｂｅｌｏｗ−ｇａｐ光子放射を低減することなどにより光学特性を変更するように構成された、１つ又は複数の追加の層（例えば、表面層）を含むことがある。そのような層は、熱電子的に放出された電子との干渉を最小限に抑えるために、薄い（例えば、１ｎｍ未満、１〜３ｎｍ、３〜１０ｎｍ、１０〜３０ｎｍ、等）ことが好ましいが、その代わりに、任意の適切な厚さを有することがある。そのような層は、金属及び／若しくは半導体化合物（例えば、酸化物、窒化物、等）並びに／又は任意の他の適切な材料を含むことがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、カソード２００は、任意の他の適切な要素を任意の適切な構成で含むことがある。

１．３ システム構成
アノード１００及びカソード２００は結合されていることが好ましく、互いに対して固定されていることがより好ましい。アノード１００及びカソード２００は、実質的に平行である（例えば、アノード１００の広い面がカソード２００の広い面と実質的に平行である）ことが好ましい。アノードの第１の側面が、カソード２００に面していることが好ましい。

アノード１００及びカソード２００は、協働して（例えば、広い面の間に）小さなギャップを画定することが好ましい。このギャップは、１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲内（好ましくは、１〜１０μｍ）、１００ｎｍ未満、１ｍｍを超える、及び／又は任意の他の適切な間隔の、電極間の間隔を規定することがある。このギャップは、スペーサー（例えば、アノード１００とカソード２００を分離する）、ポケット（例えば、アノード及び／若しくはカソードの広い面がポケットの底部にある）、並びに／又は任意の他の適切な間隔あけ要素によって、規定される且つ／又は維持されることがある。システム１０は、ギャップ内に、真空環境及び／又は他の隔離環境（例えば、システムを取り巻く周囲環境から隔離された）を含むことが好ましい。例えば、システム１０は、ギャップを密閉するように、且つ／又はギャップを周囲環境からから隔離するように機能する（例えば、単独で；カソード、アノード、スペーサー、及び／又は他のシステム要素と協働して、等）、システム筐体を含むことがある。アノード１００及びカソード２００は、ウェハボンディング、機械的締結具、及び／又は任意の他の適切な結合要素によって、結合されることがある。

システム１０は、各電極を電気負荷（例えば、抵抗性負荷）に電気的に結合する電気リード線を含むことが好ましく、例えば、アノードリード線がアノード電気接点１６０に電気的に接続され、カソードリード線がカソード電気接点に電気的に接続される（例えば、熱電力入力を使用して電力出力を生成するように構成された、熱電子的エネルギー変換器を形成する）。

システム１０は、カソード２００とアノード１００との間に配置された１つ又は複数の電極（例えば、ゲート電極）などの追加の電極を、任意選択的に含むことがある。例えば、システム１０は、電気的に且つ／又は熱的に伝導性の且つ／又は絶縁性の支持体などによって、カソードとアノードとの間に支持された（例えば、筐体、カソード、アノード、等から）電子透過性ゲート電極（例えば、グリッド、電子透過材料、等）を含むことがある。しかしながら、これに加えて又はその代わりに、システム１０は、任意の他の適切な構成要素を任意の他の適切な構成で含むことがある。

２．方法
仕事関数低減及び／又は熱電子エネルギー変換のための方法３００は、システムに熱エネルギーを入力するステップＳ３１０、システムのアノードを照射するステップＳ３２０、及び／又はシステムから電力を抽出するステップＳ３３０を、（図３Ａ〜図３Ｂに示すように）含むことがある。方法３００は、上述したシステム１０及び／又は任意の他の適切なシステムを使用して、実行することができる。

熱エネルギーを入力するステップＳ３１０は、システムのカソードを高温（例えば、３００〜２５００℃）に維持するように機能することがある。電子はカソードから（例えば、アノードに向けて）熱電子的に放出されることがある。電子は、カソードとアノードを分離する小さな真空ギャップを横切って通過することが好ましい。放出電流は、高い（例えば、１０Ａ／ｃｍ^２、１Ａ／ｃｍ^２、０．１Ａ／ｃｍ^２、などの閾値電流よりも大きい）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、中程度及び／又は低い（例えば、閾値電流未満）こともある。Ｓ３１０は、任意選択的にアノードを高温に維持することがある。アノード温度は、２５０〜３５０℃の範囲内（例えば、約３００℃）であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、３５０℃を超える（例えば、３５０〜４５０℃、４５０〜５５０℃、５５０〜６５０℃、６５０〜８００℃、８００〜１０００℃、１０００℃を超える）、２５０℃未満（例えば、１５〜２５℃などの周囲温度、１５℃未満、２５〜７５℃、７５〜１５０℃、１５０〜２５０℃）、及び／又は任意の他の適切な温度であり得る。

アノードを照射するステップＳ３２０は、（例えば、図４Ａ〜図４Ｂ及び／又は図８に示すように）光起電力効果を引き起こすように機能することがある。Ｓ３２０は、（例えば、光起電力効果に起因して）アノード仕事関数を低減することが好ましい。光起電力効果に起因するアノード仕事関数の低減（例えば、アノード照射有り及びアノード照射無し（又は実質的に無し）でのアノード仕事関数の差、例えば、暗闇の仕事関数と照射された仕事関数との差など）は、閾値量を超える（例えば、２５、５０、７５、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、９００、１０００、１２５０、１５００、０〜２５、１０〜５０、５０〜２００、１００〜３００、２００〜４００、３００〜５００、４００〜７５０、７００〜１０００、又は１０００〜２０００ｍｅＶ、等）ことが好ましいが、その代わりに、任意の適切な量の低下であり得る。

アノードを照射する光は、アノードの半導体のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光子（例えば、半導体のバンド間遷移によって吸収され、バンド間遷移を励起する光子）を含むことが好ましい。光強度は、１〜１０ｍＷ／ｃｍ^２（例えば、約５ｍＷ／ｃｍ^２）であることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、１ｍＷ／ｃｍ^２未満、１０ｍＷ／ｃｍ^２を超える、及び／又は任意の他の適切な強度を有することがある。光は、カソードによって放出される（例えば、カソードからの熱放射）ことが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、システムの他の要素（例えば、筐体、スペーサー、ゲート、プラズマ、等）によって放出された（例えば、熱的に放出された）光、周囲光、専用の光源（例えば、アノードの近傍に配置されたＬＥＤ）からの光、及び／又は任意の他の適切な光を含むことがある。

電力を抽出するステップＳ３３０は、システムによって出力された電力を使用するように機能することができる。Ｓ３３０は、システムからの熱電子電流を使用して電気負荷に電力を供給することを含むことが好ましい（例えば、熱電子的に放出された電子が、カソードからアノードへ移動し、次いでアノード電気リード線を通って電気負荷へ到達し、最後にカソード電気リード線を通ってカソードに戻る）。

一実施形態では、方法３００は、カソードを加熱するステップ、（例えば、熱放射に起因して）カソードから光を放出するステップ、及び／又は、アノードにおいて（例えば、アノードのｎ型半導体において）光（例えば、カソードから放出された光）を吸収するステップを含むことが好ましく、なおアノードの仕事関数は光を吸収するステップに応答して低下していることが好ましく、またこの方法３００は、（例えば、熱電子的に）カソードから電子を放出するステップ、好ましくは光を吸収するステップと実質的に同時に、アノードにおいて（例えば、電子捕獲層において、半導体層において、等）電子（例えば、熱電子的に放出された電子）を捕獲するステップ、及び／又は捕獲した電子の全部又は一部を電力として供給するステップ（例えば、電子はアノードから電気負荷を介してカソードへ流れる）を含むことが好ましい。

しかしながら、方法３００は、これに加えて又はその代わりに、任意の他の適切な要素を含むことがある。

簡潔にするために省略されているが、好ましい実施形態は、様々なシステム構成要素及び様々な方法プロセスの全ての組み合わせ及び置き換えを含んでいる。更に、好ましい方法の様々なプロセスは、コンピュータ可読命令を記憶するコンピュータ可読媒体を受け取るように構成された機械として、少なくとも部分的に具現化及び／又は実装されることがある。命令は、好ましくはシステムに統合されているコンピュータ実行可能コンポーネントによって実行されることが好ましい。コンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ、光学デバイス（ＣＤ又はＤＶＤ）、ハードドライブ、フロッピードライブ、又は任意の適切なデバイスなどの、任意の適切なコンピュータ可読媒体上に記憶されることがある。コンピュータ実行可能コンポーネントは、汎用の又は特定用途向けの処理サブシステムであることが好ましいが、これに加えて又はその代わりに、任意の適切な専用ハードウェアデバイス又はハードウェア／ファームウェア組み合わせデバイスが、命令を実行することがある。

図は、好ましい実施形態、例示的な構成、及びそれらの変形例に従った、システム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能、及び動作を示す。この点に関して、流れ図又はブロック図の各ブロックは、モジュール、セグメント、ステップ、又はコードの一部を表すことがあり、これは、指定された論理機能を実施するための１つ又は複数の実行可能命令を含む。なお、代替的な実施態様によっては、ブロック内に示された機能は、図に記された順序以外の順序で発生することがある。例えば、連続して示される２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されることがあり、又は、これらのブロックは、含まれる機能に応じて、時には逆の順序で実行されることがある。なお、ブロック図及び／又は流れ図の各ブロック、並びにブロック図及び／又は流れ図のブロックの組み合わせは、指定された機能若しくは動作を実行する特殊用途ハードウェアベースのシステム、又は特殊用途ハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせによって、実装されることがある。

当業者であればこれまでの詳細な説明並びに図面及び特許請求の範囲から理解されるように、本発明の好ましい実施形態には、以下の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変更を加えることができる。

Claims (22)

1. 熱電子エネルギー変換器（ＴＥＣ）を動作させるための方法であって、
   前記ＴＥＣのアノードの仕事関数を低減するステップであって、
   前記アノードを複数の光子で照射するステップと、
   前記アノードのｎ型半導体において、前記複数の光子を吸収するステップと、を含むステップ、並びに、
   前記仕事関数を低減するステップと実質的に同時に、熱電子電流を生成するステップであって、
   前記ＴＥＣのカソードにおいて、複数の電子を熱電子的に放出するステップと、
   前記アノードにおいて、前記複数の光子を吸収するステップと実質的に同時に、前記複数の電子を捕獲するステップと、
   前記アノードにおいて、前記複数の電子を電力として供給するステップと、を含むステップを含む方法において、
   前記アノードは、
   前記ｎ型半導体と、
   仕事関数低減層と、
   前記ｎ型半導体と前記仕事関数低減層との間に配置される中間層と、を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記中間層は遷移金属酸化物を含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記遷移金属酸化物は酸化チタンであることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記ｎ型半導体は、ｎ型シリコン、ｎ型炭化ケイ素、ｎ型ゲルマニウム、及びｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる群から選択されることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記アノードを照射するステップは、前記カソードにおいて、前記複数の光子を放出するステップを含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   前記アノードの前記仕事関数を低減するステップは、前記アノードにおいて照射された仕事関数を達成するステップを含み、
   実質的に照射されていない場合の前記アノードの暗闇の仕事関数は、少なくとも５０ｍｅＶだけ、前記照射された仕事関数よりも大きい、ことを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記仕事関数低減層は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
8. 熱電子エネルギー変換器（ＴＥＣ）を動作させるための方法であって、
   前記ＴＥＣのアノードの仕事関数を低減するステップであって、
   前記アノードを複数の光子で照射するステップと、
   前記アノードのｎ型半導体において、前記複数の光子を吸収するステップと、を含むステップ、並びに、
   前記仕事関数を低減するステップと実質的に同時に、熱電子電流を生成するステップであって、
   前記ＴＥＣのカソードにおいて、複数の電子を熱電子的に放出するステップと、
   前記アノードにおいて、前記複数の光子を吸収するステップと実質的に同時に、前記複数の電子を捕獲するステップと、
   前記アノードにおいて、前記複数の電子を電力として供給するステップと、を含むステップを含み、
   前記アノードは、
   前記ｎ型半導体と、
   電気接点と、
   前記ｎ型半導体をまたがって前記電気接点と対向する層において、アルカリ金属を含まず、アルカリ土類金属を含まない層と、を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記層は酸化物を含むことを特徴とする方法。
10. 請求項８に記載の方法において、前記アノードは仕事関数低減層を更に含み、前記層は前記ｎ型半導体と前記仕事関数低減層との間に配置されることを特徴とする方法。
11. 請求項８に記載の方法において、
    前記アノードの前記仕事関数を低減するステップは、前記アノードにおいて照射された仕事関数を達成するステップを含み、
    実質的に照射されていない場合の前記アノードの暗闇の仕事関数は、少なくとも５０ｍｅＶだけ、前記照射された仕事関数よりも大きい、ことを特徴とする方法。
12. 熱電子エネルギー変換器（ＴＥＣ）であって、
    アノードであって、
    ｎ型半導体、
    仕事関数低減層、及び
    前記ｎ型半導体と前記仕事関数低減層との間に配置される中間層、を含むアノードと、
    カソードであって、前記ＴＥＣが前記アノードと前記カソードとの間のギャップを画定する、カソードと、
    前記ＴＥＣの近位の周囲環境から前記ギャップを隔離する筐体と、
    前記カソードを前記アノードに電気的に結合する電気負荷と、を含むことを特徴とするＴＥＣ。
13. 請求項１２に記載のＴＥＣにおいて、前記中間層は遷移金属酸化物を含むことを特徴とするＴＥＣ。
14. 請求項１３に記載の方法において、前記遷移金属酸化物は酸化チタンであることを特徴とする方法。
15. 請求項１３に記載の方法において、前記中間層は２ｎｍ〜５０ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする方法。
16. 請求項１２に記載の方法において、前記ｎ型半導体は、ｎ型シリコン、ｎ型炭化ケイ素、ｎ型ゲルマニウム、及びｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる群から選択されることを特徴とする方法。
17. 請求項１２に記載の方法において、前記ｎ型半導体はシリコンを含むことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、前記ｎ型半導体と前記中間層との間に配置されたシリコン酸化物層を更に含むことを特徴とする方法。
19. 請求項１７に記載の方法において、前記ｎ型半導体と前記中間層との間に配置された酸化物層を更に含み、前記酸化物層はモリブデン及びマンガンのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
20. 請求項１２に記載の方法において、前記ｎ型半導体はヒ化ガリウムを含むことを特徴とする方法。
21. 熱電子エネルギー変換器（ＴＥＣ）であって、
    カソードと、
    アノードであって、前記ＴＥＣが前記アノードと前記カソードとの間のギャップを画定する、アノードにおいて、
    ｎ型半導体、及び
    前記ｎ型半導体と前記ギャップとの間に配置された層において、アルカリ金属を含まず、アルカリ土類金属を含まない層、を含むアノードと、
    前記ＴＥＣの近位の周囲環境から前記ギャップを隔離する筐体と、
    前記カソードを前記アノードに電気的に結合する電気負荷と、を含むことを特徴とするＴＥＣ。
22. 請求項２１に記載のＴＥＣにおいて、仕事関数低減層を更に含み、前記層は前記ｎ型半導体と前記仕事関数低減層との間に配置されることを特徴とするＴＥＣ。

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