KR20150097616A - 자기 분극식 광소자 - Google Patents

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Abstract

자기 분극식 광소자가 제공된다. 자기 분극식 광소자(100)는 기판(102), 소멸층(106) 및 그레이디드 밴드 갭층(142)을 포함한다. 소멸층(106)은 기판(102)의 표면(104)상에 배치되고, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 소멸층(106)상에 배치된다. 접점(116, 128)이 자기 분극식 광소자(100)의 단부(146, 150)상에 배치된다. 자기장(159)이 그레이디드 밴드 갭층(142) 및 소멸층(106)에 인가되어 전하를 접점(116, 128)으로 구동시킨다.

Description

자기 분극식 광소자{MAGNETICALLY POLARIZED PHOTONIC DEVICE}
본 발명은 일반적으로 에너지 생성, 광자 감지 및 자기 분극식 광소자에 관한 것으로, 특히 자기 분극식 광소자(magnetically polarized photonic device) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
과거 몇 년 동안에, 많은 에너지 자원의 연구 및 개발에 박차를 가하는 재생가능하고 지속가능한 에너지 자원에 관심이 증가하고 있다. 특히, 상당한 연구 및 개발이 광전지 에너지 및 그 발전에 중점을 두었다. 일반적으로, 종래의 광전지(photovoltaic cell)는 처음으로 벨 실험실(Bell Laboratories)에 의해 1958년에 개발되었으며, 확산 실리콘 p-n 접합이 사용되었다. 이러한 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자의 효율이 수십년 동안 개선되었지만, 최상의 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자는 23퍼센트(23%)를 초과하지 못했다. 틀림없이 수년간 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자의 효율 개선이 있었지만, 확산 실리콘 p-n 접합 소자에 의해 달성될 수 있는 효율에 기본적인 한계가 있다는 것이 자명해졌다. 또한, 종래의 광전지를 제조하는데 사용되는 실리콘 웨이퍼의 비용은 여전히 높아서, 종래의 광전지의 비용이 대체 기술과 비교할 때 경쟁력이 없어진다.
1976년쯤에 종래의 다중-접합 광전지 소자의 도입은 수십년 동안 개선된 것보다 상당히 양호한 효율을 나타냈고, 약 43(43.0퍼센트)까지의 범위에 있는 효율을 달성하였다. 이것은 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자보다 상당히 양호하지만, 다중-접합 광전지 소자는 여전히 일부 적용에 충분한 효율은 아니다. 보다 중요하게는, 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자 및 종래의 다중-접합 광전지 소자 모두의 효율이 적어도 지난 십년 동안 그리고 가까운 미래 동안에 정체 상태에 이르렀기 때문이다. 매우 큰 효율이 종래 소자에서 얻어질 수 있다고 여겨질 이유가 거의 없다.
종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자 및 다중-접합 광전지 소자 모두는 일부의 공통 문제점을 공유하고 있다. 일부 경우에서는, 각 타입의 소자는 그 자신의 일부의 특정 문제점을 갖는다. 하나의 문제점 또는 단점은 양 타입의 종래의 소자가 개별 소자로서 형성된다는 것이다. 예를 들면, 1.1eV의 밴드 갭(band gap)을 갖도록 형성된 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 소자는 1.1eV를 갖는 광을 효율적으로 포획한다. 1.1eV의 에너지 밴드 갭 미만의 임의의 광 에너지는 포획되지 않는다. 또한, 1.1eV의 에너지 밴드 갭 초과의 임의의 광 에너지는 낭비되고, 생산에 활용되지 못한다. 보다 구체적으로는, 1.2eV의 광자를 흡수하는 1.1eV의 밴드 갭의 광전지는 1.2eV의 광자 에너지의 1.1eV를 효율적으로 변환시키고, 0.1eV의 차이를 낭비한다. 유사하게, 2.2eV의 광자를 흡수하는 1.1eV의 밴드 갭의 광전지는 2.2eV의 광자 에너지의 1.1eV를 효율적으로 변환시키고, 추가적인 1.1eV의 광자 에너지를 낭비한다. 이러한 원리는 주어진 에너지 밴드 갭의 임의의 단일 접합 소자에서도 마찬가지이다. 이러한 작용에 부가하여, 실리콘은, 일반적이지만 비배타적으로 직접 밴드 갭(Direct Band Gap) 재료인 Ⅲ/Ⅴ 재료와 대조적으로, 간접 밴드 갭(Indirect Band Gap) 재료로서 잘 알려져 있다. 또한, 간접 밴드 갭 재료로 제조된 광전지 소자는 재료의 밴드 갭과 같거나 바로 위의 에너지를 갖는 광자를 완전히 흡수할 수 없는 것으로 인해 에너지를 낭비한다.
종래의 다중 접합 소자는 또한 개별 소자이지만, 종래의 다중 접합 소자가 전형적으로 Ⅲ/Ⅴ 재료 및 게르마늄 기판을 이용하여 형성되기 때문에, 다중 접합 소자는 수직으로 중첩하여 적층될 수 있고, 이에 의해 실리콘 기판을 사용해서는 가능하지 않는 에너지 밴드 갭의 수직 적층체를 가능하게 한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 접합의 밴드 갭이 1.1eV의 에너지 광자를 포획하도록 제작 및 형성되면, 접합은 1.1eV의 에너지 광자를 효율적으로 포획하지만, 보다 낮은 다른 에너지 광자를 포획하지 못하고, 1.1eV 초과의 광자 에너지를 낭비한다. 다른 에너지 광자를 효율적으로 포획하기 위해서, 다른 밴드 갭 접합이 기판상에 형성 및 적층된다. 전형적으로, 이러한 다른 접합은 1.5eV의 에너지 밴드 갭, 1.2eV의 에너지 밴드 갭 및 0.8eV의 에너지 밴드 갭에 맞춰지고, 이에 의해 1.5eV의 소자에서 1.5eV보다 큰 광자를 포획하고, 1.2eV의 소자에서 1.2eV 내지 1.5eV의 에너지를 갖는 광자를 포획하고, 0.8eV의 소자에서 0.8eV 내지 1.2eV의 에너지를 갖는 광자를 포획할 수 있는 삼중 접합 소자를 제공한다. 그러나, 0.8eV 미만의 에너지 레벨을 갖는 광자는 전혀 포획되지 않고, 낭비되고 이용되지 못한다. 또한, 앞서 설명된 바와 같이, 광자가 흡수되는 접합의 에너지 밴드 갭 초과의 각 광자의 추가 에너지는 낭비된다. 일례로서, 1.2eV의 밴드 갭 접합에서 흡수되는 1.4eV의 광자는 낭비로서 즉시 0.2eV의 에너지를 상실하고, 나머지 1.2eV의 에너지만이 효율적으로 변환된다. 다중 접합 소자에 특수한 다른 취약점은 소자에서의 전류가 인접한 적층된 접합 사이의 천이부(transition)에서 종래의 다이오드 전류 흐름과는 역방향으로 이동하는 요건이다. 이것은, 다이오드 구조가 반대 방향으로 전류를 운반할 수 있는 터널 다이오드(Tunnel diode)가 되도록, 이들 천이 영역 내의 반도체 재료를 매우 높은 농도의 n-타입 및 p-타입 원소로 도핑함으로써 성취된다. 이들 터널 다이오드는 완전한 전기 도체가 아니고, 다중 접합 소자에 특수한 손실 메커니즘을 초래한다.
따라서, 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 타입의 소자 및 다중-접합 광전지 타입의 소자 모두는 그들 상에 도달하는 모든 광자를 포획하여 자유 전자 및 자유 정공으로 변환할 수 없다는 기본 디자인에 있어서의 고유 문제점을 갖고 있으므로, 디자인적으로 근본적인 문제점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 본질적으로, 소자를 제조하는데 사용되는 재료 및 이들 소자가 제작 및 설계되는 방법에서 기인하는 고유의 비효율 문제점이 있다.
양 타입의 광전지 소자, 즉 종래의 다중-접합 광전지 및 종래의 확산 실리콘 p-n 접합 타입의 소자는 집중된 수의 광자 또는 세기가 증가된 광자가 어느 소자 타입의 수용 표면으로 이송될 때 보다 효율적이다. 그러나, 이것은 광자의 집중이 소자 자체상에 광자를 집중시키는 하부구조체(infrastructure)를 제작할 필요가 있기 때문에 또한 문제가 있다. 이러한 하부구조체는 공학기술, 재료, 디자인 및 정밀도를 필요로 한다. 이들 모두는 광전지 소자를 시장에 시판 및 공급하는 비용 및 복잡성을 증대시킨다. 더욱이, 다른 문제점은, 예를 들어 운량(cloud cover) 또는 그림자에 의해 광자가 가려진 경우에, 다 함께 중단되지 않으면 효율이 심하게 줄어든다는 것이다.
다중-접합 소자가 갖는 다른 문제점은 광자를 포획하여 이용가능한 자유 전자 및 자유 정공으로 변환할 가능성을 증가시키기 위해 소자 내에 무한수의 접합을 형성하는 것이 가능하지 않다는 것이다. 또한, 광전지 소자를 임의적으로 두껍게 하는 것이 가능하지 않다. 실제 접합 외측의 광전지 소자의 두께는 대략 하나의 확산 길이이어야 하며, 여기서 확산 길이는 전하 캐리어(charge carrier)가 재결합되기 전에 전하 캐리어가 전기장 없이 결정 격자의 체적 내에서 이동할 수 있는 경로의 대략적인 길이이다. 확산 길이는 일반적으로 사용된 반도체 재료, 반도체 재료의 도핑(doping), 반도체 재료의 완전성(perfection)에 따라 달라진다. 일반적으로, 모든 팩터(factor)에 대한 전적인 최적의 설정 조건은 없다. 이러한 조건은 특정 응용에 대해 개개의 경우에 따라 선택된다. 그러나, 이것은 트레이드오프(trade-off)의 균형이라고 말하는 것이 타당하며, 도핑에 의해 자유 전자의 수를 감소시키면, 저항이 높아지고; 도핑에 의해 자유 전자의 수를 증가시키면, 저항이 낮아지지만 확산 길이가 짧아진다. 따라서, 종래의 광전지 소자에서는, 팩터의 이상적인 설정이 이루어지지 않고, 도리어 설정 및/또는 팩터의 절충이 이루어져 완전한 성능을 제공하지 못하는 소자를 산출하지만, 팩터는 쉽게 구할 수 있는 반도체 재료 및 환경에 대해 최상의 성능을 제공하도록 절충된다.
따라서, 종래 광전지 소자의 디자인 및 제조는 몇가지 고유 문제점을 가지며, 이러한 모든 문제점은 종래의 광전지 소자가 시장에서의 진정한 잠재력뿐만 아니라 물리학의 기대를 성취하는 것을 제한하고 있다. 근본적인 디자인 한계, 근본적인 재료 한계 및 제조 한계 때문에, 종래의 광전지 소자를 제조하는 비용은 높다. 제조, 재료 및 고유의 근본적인 문제점은 종래의 광전지의 성능뿐만 아니라 시스템의 구조 디자인의 유연성의 감소 모두를 심각하게 제한한다. 광전지 소자의 향상된 최적화, 디자인, 효율 및 성능 증대뿐만 아니라 구조 디자인의 유연성을 허용하기 위해서, 새로운 광전지 구조 및 디자인이 요구된다.
간략하게 기술하면, 다양한 전형적인 태양에 있어서, 본 발명은 그레이디드 밴드 갭(graded band gap)을 사용하여 자기 분극식 광소자를 제공한다. 자기 분극식 광소자는 제1, 제2, 제3 및 제4 표면을 갖는다. 여기서, 제1 및 제2 표면은 실질적으로 평행하고, 제3 및 제4 표면은 실질적으로 평행하고, 제3 및 제4 표면은 제1 표면에 실질적으로 수직하다. 제5 및 제6 표면을 갖는 제1 접촉 요소는 반도체 소자의 제4 표면에 전기적으로 결합되고, 제2 접촉 요소는 제7 및 제8 표면을 갖고, 제2 접촉 요소는 반도체 소자의 제3 표면에 전기적으로 결합된다.
본 발명의 추가적인 이점은 하기의 상세한 설명에 기재되고, 상세한 설명으로부터 명백해질 수 있거나 또는 본 발명의 예시적인 실시예의 실시에 의해 알게 될 수도 있다. 그런데도, 본 발명의 다른 이점은 특히 청구범위에서 지적된 임의의 수단, 방법 또는 조합에 의해 실현될 수도 있다.
본 발명의 전형적인 요소, 작동 특징, 적용 및/또는 이점은 특히 하기에서 보다 충분하게 도시, 설명 및 청구되는 구성 및 작동의 상세내용에 존재하며, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면이 참조되고, 여기서 유사한 부호는 전체에 걸쳐서 유사한 부분을 지시한다. 다른 요소, 작동 특징, 적용 및/또는 이점은 상세한 설명에 기재된 특정의 예시적인 실시예에 비추어 숙련 기술자에게 명백해질 것이다.
도 1은 자기 분극식 광소자의 크게 확대된 간략화된 단면 사시도로서, 자기장 라인이 자기 분극식 광소자를 통해 연장되며;
도 2는 다양한 반도체 재료의 에너지 밴드 갭(eV), 격자 파라미터(나노미터) 및 파장(나노미터)의 매우 간략화된 그래프이고;
도 3은 재료 조성 세트의 에너지 밴드 갭(eV), 격자 파라미터(나노미터) 및 파장(나노미터)의 매우 간략화된 그래프이고;
도 4는 광자원을 더 포함하고 자유 전자 및 자유 정공의 형성을 포함하는, 도 1에 대체로 도시된 바와 같은 자기 분극식 광소자의 크게 확대된 간략화된 사시도이고;
도 5는 광자원을 더 포함하고 자유 전자 및 자유 정공의 형성을 포함하는, 도 1 및 도 4에 대체로 도시된 바와 같은 자기 분극식 광소자의 크게 확대된 간략화된 반전 사시도이고;
도 6은 도 1, 도 4 및 도 5에 대체로 도시된 바와 같은 자기 분극식 광소자의 크게 확대된 간략화된 사시도이고, 자기 분극식 광소자의 그레이디드 밴드 갭에서의 자유 전자 및 자유 정공의 이동을 도시하고;
도 7은 도 1, 도 4, 도 5 및 도 6에 대체로 도시된 바와 같은 자기 분극식 광소자의 크게 확대된 간략화된 사시도이고, 자기 분극식 광소자의 포획 및 전하 전개를 도시하고;
도 8은 자기 분극식 광소자의 간략화된 단면도를 갖는 밴드 갭 다이어그램의 크게 확대된 간략화된 모식도이다.
본 기술분야에 숙련된 자는 도면 내의 요소가 간략화 및 명확화를 위해 도시되고 반드시 일정한 축척으로 도시되지 않았다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 도면 내의 요소의 일부의 치수는 본 발명의 다양한 실시예의 이해의 증진을 돕기 위해 다른 요소에 대해 과장될 수도 있다. 또한, 본 명세서에 있어서의 용어 "제1", "제2" 등은, 만약 있다면, 특히 유사한 요소 사이를 구별하기 위해 사용되고 순차적인 또는 연대적인 순서를 서술하기 위해 반드시 사용된 것은 아니다. 더욱이, 상세한 설명 및/또는 청구범위에 있어서의 용어 전방, 후방, 상부, 하부, 위, 아래 등은 일반적으로 설명의 목적으로 이용되고 배타적인 상대 위치를 포괄적으로 서술하기 위해 반드시 이용된 것은 아니다. 그러므로, 숙련된 기술자는, 예를 들어 본 명세서에 개시된 본 발명의 다양한 실시예가 명백하게 도시되거나 또는 설명된 것과는 다른 배향으로 작동할 수 있도록, 사용된 임의의 상기 용어가 적절한 상황하에서 교환될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
하기의 설명은 본 발명의 예시적인 실시예 및 최상 모드의 발명자 구상을 가지며, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위, 적용성 또는 구성을 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 도리어, 하기의 설명은 본 발명의 다양한 실시예를 실행하기 위한 편리한 실례를 제공하도록 의도된다. 자명한 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 개시된 예시적인 실시예에 기재된 임의의 요소의 기능 및/또는 배열에 있어서 변경이 이루어질 수도 있다.
후술하는 본 발명의 실시예의 상세내용에 대해 다루기 전에, 일부 용어가 정의 및/또는 명확화된다.
용어 "결함(defect)"은 재료의 결정 격자 구조에 있어서의 임의의 중단 또는 변화를 의미하는 것으로 의도된다. 단지 예시로서, 점 결함, 선 결함, 개재물(inclusion) 및 면 결함을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 결정 재료에서 나타날 수 있는 몇 개의 상이한 종류의 결함이 있다. 전형적으로, 이들 결함은 카운팅되어 ㎤ 당 결함의 면에서 표시될 수 있다.
용어 "밴드 갭(band gap)"은 전자 상태가 존재할 수 없는 반도체 재료의 에너지 범위를 의미하는 것으로 의도된다. 밴드 갭은 일반적으로 가전자대(valence band)의 상부와 전도대(conduction band)의 하부 사이의 에너지 차이를 지칭한다. 전형적으로, 이러한 에너지 차이는 1(1.0)eV 내지 2(2.0)eV 범위이지만, 약 0(0.0)eV 내지 약 8(8.0)eV 범위일 수 있다. 큰 밴드 갭을 갖는 재료(들)가 절연체이고, 보다 작은 밴드 갭을 갖는 재료(들)가 반도체이며, 매우 작은 밴드 갭을 갖거나 밴드 갭이 없는 재료(들)가 도체 또는 반금속(semi-metal)이다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 모든 재료는 자신의 특성 밴드 갭 및 에너지 밴드 구조를 갖는다.
용어 "그레이디드 밴드 갭(graded band gap)"은 재료의 밴드 갭이 여전히 재료의 구조적 결정도를 대체로 유지하면서 동적으로 변화되는 재료의 구조를 의미하는 것으로 의도된다. 또한, 그레이디드 밴드 갭은 밴드 갭이 미크론 정도의 거리에 걸쳐서 하나의 밴드 갭 에너지로부터 다른 밴드 갭 에너지로 변화하는 소자 내의 구역을 지칭한다. 가장 높은 효율이 연속적인 그레이디드 밴드 갭으로부터 나올 것 같더라도, 용어 "그레이디드 밴드 갭"은 효율을 감소시킬 수 있는 일정한 밴드 갭 또는 밴드 갭 불연속부의 섹션을 포함할 수 있는 모든 밴드 갭 천이 구역을 포함하도록 의도되지만, 여전히 보다 큰 밴드 갭을 갖는 영역으로부터 보다 작은 밴드 갭을 갖는 영역을 향해 이동하도록 자유 전자 및 자유 정공을 유도하기 위해 전체적으로 작동된다. 기울기가 결정될 수 있는데, 곡선의 a는 광자가 크게 흡수되는 거리를 통해 수 퍼센트 정도로 밴드 갭 에너지가 느리게 변하는 점진적인 방식으로 그레이디드 밴드 갭이 변할 수 있도록 변화될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그레이디드 밴드 갭 값이 달라진다.
용어 "격자 파라미터(lattice parameter)"는 결정 격자 내의 단위 격자(unit cell) 사이의 일정한 거리를 의미하도록 의도된다. 일반적으로, 격자 치수는 3개의 상수(a, b 및 c이고, 전형적으로 나노미터로 측정됨)를 갖는다. 그러나, 재료의 세트가 유사하거나 동일한 결정 구조를 갖는 경우에, 원자 간격을 나타내는데 단일 수치가 선택된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 격자 파라미터는 이들 재료 모두가 유사한 결정 구조 또는 단위 격자를 갖기 때문에 격자 구조를 설명하는데 단지 단일 수치를 사용한다. 그러나, 다른 결정 형상 및 기하학적 패턴이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
용어 "파장(wavelength)"은 임의의 광자 또는 광파(light wave)의 순차적인 피크 또는 마루(crest)들 사이의 거리를 의미하는 것으로 의도된다. 전형적으로, 파장은 도 2에 도시된 바와 같이 나노미터로 측정된다. 도 2에서 발견되는 파장은 태양광, 발광 소자, 발광 다이오드(LED) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 발광원으로부터 방출된 광의 파장이다. 또한, 광(광자)의 파장은 관계식 E=hc/λ에 의해 에너지와 관계지어지며, 여기서 E는 에너지이고, h는 플랑크 상수(Plank's constant)이고, c는 광의 속도이고, λ는 광의 파장이다.
용어 "Ⅲ-Ⅴ"는 주기율표의 3족으로부터의 원소(붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨)와 주기율표의 5족으로부터의 원소(질소, 인, 비소, 안티몬 및 비스무트)의 대략적으로 동일한 양을 결합으로써 형성되는 반도체 재료의 세트를 나타내는 것으로 의도된다. 이들은 비화 갈륨(Gallium Arsenide), 안티몬화 인듐(Indium Antimonide), 안티몬화 갈륨(Gallium Antimonide) 및 인화 알루미늄(Aluminum Phosphide) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 반도체를 형성하도록 결합된다.
용어 "Ⅱ-Ⅵ"은 주기율표의 2족으로부터의 원소(아연, 카드뮴 및 수은)와 주기율표의 6족으로부터의 원소(산소, 황, 셀레늄 및 텔루륨)의 대략적으로 동일한 양을 결합으로써 형성되는 반도체 재료의 세트를 나타내는 것으로 의도된다. 이들은 텔루르화 카드뮴(Cadmium Telluride), 텔루르화 아연(Zinc Telluride), 셀렌화 카드뮴(Cadmium Selenide) 및 셀렌화 수은(Mercury Selenide) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 반도체를 형성하도록 결합한다. 망간 및 마그네슘이 주기율표의 2족에 있지 않지만, 이들은 호적한 밴드 갭 및 격자 상수를 갖는 반도체를 형성하기 위한 셀레늄 및 텔루륨과의 융화성(compatibility) 때문에 Ⅱ-Ⅵ 재료 세트에 포함된다.
도 1은 길이(164), 폭(166) 및 높이(168)를 갖는 자기 분극식 광소자(100)의 크게 확대된 간략화된 사시 개략도이다. 자기 분극식 광소자(100)는 표면(104, 105)을 갖는 기판(102), 표면(108, 109, 110, 111, 112, 114)을 갖는 소멸층(annihilation layer)(106), 표면(118, 119, 120, 121, 122, 124) 및 표면(130, 131, 132, 133, 134 및 136)을 각각 갖는 접점(116, 128), 및 표면(144, 145, 146, 147, 148, 150)을 갖는 그레이디드 밴드 갭층(142)을 포함한다. 화살표(157, 158, 160, 161, 162)로 표시된 개별적으로 식별된 자기장 라인을 갖는 복수의 자기장 라인(159)에 의해 표시된 자기장이 도시되어 있고, 자기장 라인(157)이 기판(102)을 통해 횡단하고, 자기장 라인(160)이 그레이디드 밴드 갭층(142)을 통해 횡단하고, 자기장 라인(162)이 소멸층(106)을 통해 횡단하고, 자기장 라인(158)이 자기 분극식 광소자(100) 위로 횡단하고, 자기장 라인(161)이 자기 분극식 광소자(100) 아래로 횡단한다. 부하(load)(176)는 전기 트레이스(electrical trace)(188, 186, 178, 180, 182, 184)에 의해 접점(116, 128)에 결합된다.
기판(102)은 표면(104)을 갖는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 전형적으로, 실리콘(Si), 안티몬화 갈륨(GaSb), 비화 인듐(InAs), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 안티몬화 인듐(InSb), 비화 갈륨(GaAs), 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 이온염(ionic salt), 금속 산화물, 세라믹, 유리 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 반도체 재료 또는 절연 재료로 제조된다. 일반적으로, 기판(102)은 전류 흐름이 억제되기에 충분한 폭을 갖는 밴드 갭을 구비하는 재료를 사용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소멸층(106)은 기판(102)의 표면(104)상에 배치된다. 일반적으로, 소멸층(106)은 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 재료 또는 재료의 조합으로 제조될 수 있다. 또한, 소멸층(106)은 그레이디드 밴드 갭층(142)을 제조하는데 사용된 것과 동일한 원소 재료로 제조될 수 있다. 그러나, 소멸층(106)은 높은 정도의 결정 결함도, 오배향성(disorientation) 및/또는 불완정성(imperfection)을 갖고서 제조되고, 이에 의해 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 광자(404)로부터 발생되는 자유 전자 및 자유 정공의 수집 및 재결합을 용이하게 하고, 이들 광자(404)는 후술하는 바와 같이 그레이디드 밴드 갭층(142)을 가격하고 그 후에 자유 전자 및 자유 정공을 발생시킨다.
전형적으로, 소멸층(106)은 기판(102)상에 증착된다. 소멸층(106)은 에피택시(Epitaxy), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 화학적 빔 에피택시(Chemical Beam Epitaxy; CBE), 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리 화학적 증착(Physical Chemical Deposition; PCD), 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 방법 또는 기술로 제조될 수 있다. 상기에 언급된 장비는 동적인 방식으로 증착된 재료의 조성을 하나의 재료로부터 다른 재료로 변화시키기 위해 증착된 재료의 조성을 끊임없이 변화시킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 소멸층(106)을 높은 정도의 결정 결함도로 제조하는 것은 임의의 방법 또는 기술에 의해 달성될 수 있다. 전형적으로, 온도, 압력, 반응 물질의 가스 유동비 등과 같은 프로세스 파라미터가 우수한 결정 성장을 위한 프로세스 윈도우(process window)에 대해 또는 그 외측으로 약간 벗어나는 경우에 결함도가 증가한다. 예시로서, 성장 프로세스 파라미터가 우수한 결정 성장에 대해 설정된 경우, 최적의 프로세스 윈도우보다 50퍼센트 낮은 정도까지 프로세스 온도를 변화시킴으로써, 일반적으로 재결합 위치로서 작용하기에 충분한 불완전부 및 결함을 갖는 소멸층(106)이 생성된다.
일반적으로, 결함도의 측정은 결함의 광학적 카운팅, x-선 회절 측정 및/또는 광자-유도식 캐리어 수명의 측정을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 방법 또는 기술에 의해 달성될 수 있다. 결함의 광학적 카운팅과 관련하여, 전형적으로, 측정될 재료의 표면에는 결함을 장식하고 결함이 존재하는 피트(pit)를 생성하는 에칭액이 가해진다. 광학적 방법을 사용하는 경우, 그 결과는 단위 면적당 결함 밀도로 제시되지만, 이것은 ㎤ 당 결함 밀도 수와 관련될 수 있다. 이러한 소자에 대한 결함도의 가장 정확한 측정은 광자-유도식 캐리어 수명이다. 방법적으로 이러한 것을 선호하는 이유는 광자-유도식 캐리어 수명 방법이 소멸층(106)의 의도된 작동 및 특정 소자 디자인을 고려하고 포함하기 때문이다.
일반적으로, 임의의 적합한 결함도 양이 사용될 수 있지만, 결함도는 응용 특정적이고 재료 세트에 따라 다소 가변적이다는 것이 이해되어야 한다. 결정 결함도 및 오배향성은, 표면(148)을 가격하는 복수의 광자(404)(도 4에 도시됨)에 의해 생성되어 그레이디드 밴드 갭층(142)에 사용된 재료와 유사한 소멸층(106)으로 이동하는 자유 전자 및 자유 정공의 재결합을 돕는다. 전형적으로, 소멸층(106)은 결함이 충전된 HgCdTe, HgCdSe, InAsSb 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 그러나, 소멸층(106)에 사용된 재료는 각각의 밴드로부터 자유 전자 및 자유 정공을, 즉 가전자대로부터 자유 정공 및 전도대로부터 자유 전자를 수용하고, 자유 정공 및 자유 전자의 재결합을 자극하는 재료이어야 한다.
소멸층(106)의 두께(107)는 임의의 적합한 두께(107)로 이루어질 수 있다. 소멸층(106)의 두께가 응용 특정적이고 다량의 가변성을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 일반적으로, 소멸층(106)은 모노층으로부터 10.0미크론까지 범위, 0.5미크론 내지 5.0미크론의 어느 정도 범위, 및 0.8미크론 내지 1.2미크론의 바람직한 범위일 수 있는 두께(107)를 가질 수 있다.
또한, 소멸층(106)을 제조하는데 사용되는 재료의 선택에 따라서, 소멸층(106)은 자유 전자 및 자유 정공이 그레이디드 밴드 갭층(142)을 통과한 후에 밴드 갭 에너지가 이러한 자유 전자 및 자유 정공의 재결합을 용이하게 하는 방식으로 조정 또는 구성될 수 있도록 후술하는 바와 같이 그레이딩될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 소멸층(106)의 표면(112)상에 배치된다. 일반적으로, 그레이디드 밴드 갭층(142)은, 유사한 격자 파라미터 및 상이한 밴드 갭 에너지(eV)를 갖는 임의의 적합한 재료 또는 재료의 조합으로 제조될 수 있으며, 이러한 재료는, HgCdTe, HgCdSe, InAsSb, 텔루르화 수은(HgTe), InSb, 텔루르화 갈륨(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 또는 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), HgCdSe, 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 필터, 보호 코팅, 렌즈 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 몇 가지의 목적을 가질 수 있는 층(190)이 자기 분극식 광소자(100) 위에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로는, 도 1을 참조하면, 층(190)은 그레이디드 밴드 갭층(142)의 표면(148)상에 배치될 수 있고, 도 5에서는, 층(190)은 그레이디드 밴드 갭층(142) 위의 기판(501)의 표면(504)상에 배치될 수 있다. 기판(102)의 표면(104, 105) 및 기판(501)의 표면(504, 505)의 선택이 포함된 재료 및 소자 특정 디자인에 따라 달라진다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 특정 파장을 갖는 광자와 상호작용하는 그레이디드 밴드 갭층(142)을 갖는 것이 소망되는 경우, 기판(501)은 그러한 파장에 대해 투과성이어야 한다. 따라서, 층(190)은 다른 파장을 배제하면서 특정 파장을 선택적으로 통과시키도록 제조될 수 있고, 이에 의해 선택 필터를 제공한다. 추가적으로, 층(190)은 광자의 특정 파장을 그레이디드 밴드 갭층(142) 내로 통과시키고 광자의 다른 파장을 반사하도록 제조될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 층(190)은 다양한 목적에 활용될 수 있는 다중 층을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 층(190)은 본 명세서에 설명된 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 본 기술분야에 잘 알려진 임의의 적합한 방법 또는 기술에 의해 그레이디드 밴드 갭층(142)상에 또는 그 위에 배치될 수 있다. 추가적으로, 일부 경우에 있어서, 층은 그레이디드 밴드 갭층(142)상에 또는 그 위에 적층될 수 있다.
특정 응용, 디자인 및 선택된 재료에 따라서, 층(190)은 반사방지층, 선택적 미러, 집속층(focusing layer), 리플렉터(reflector) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 광소자일 수 있다.
이제 도 1 및 도 2 모두를 참조하면, 도 2는 다양한 반도체 재료의 에너지 밴드 갭(eV)(202), 격자 파라미터(나노미터)(204) 및 광자 파장(나노미터)(205)의 매우 간략화된 그래프이며, 여기서 에너지 밴드 갭(eV)은 좌측 Y축상에 있고, 광자 파장은 우측 Y축상에 있고, 격자 파라미터는 X축상에 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 특정 반도체 재료(수치적으로 식별된 도트로서 나타냄)는 격자 파라미터를 나타내는 특정 수치와 연관될 수 있다. 추가적으로, 그러한 특정 반도체 재료는 밴드 갭 에너지(eV)를 나타내는 특정 수치와 연관될 수 있다. 또한, 그러한 특정 반도체 재료는 광자(들)가 특정 반도체 재료에 의해 흡수될 수 있는 광의 특정 파장과 연관될 수 있다.
명확화를 위해, 이용가능한 반도체 재료 중 많은 재료가 식별되어 있지 않다. 그러나, 이들 재료 및 미래 재료가 본 발명에 의해 고려된다는 것이 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되어야 한다.
예시로서, 도 2는 한정된 수의 재료를 도시하며, 206에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 텔루르화 수은(HgTe)이고, 201에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 안티몬화 인듐(InSb)이고, 212에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 텔루르화 카드뮴(CdTe)이고, 214에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 셀렌화 수은(HgSe)이고, 216에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 비화 인듐(InAs)이고, 218에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 안티몬화 갈륨(GaSb)이고, 220에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 안티몬화 알루미늄(AlSb)이고, 222에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 셀렌화 카드뮴(CdSe)이고, 224에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 텔루르화 아연(ZnTe)이고, 226에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 텔루르화 망간(MnTe)이고, 228에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 셀렌화 망간(MnSe)이고, 230에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 황화 카드뮴(CdS)이고, 232에 의해 나타낸 도트는 인화 인듐(InP)이고, 234에 의해 나타낸 도트는 셀렌화 아연(ZnSe)이고, 236에 의해 나타낸 도트는 비화 갈륨(GaAs)이고, 238에 의해 나타낸 도트는 게르마늄(Ge)이고, 240에 의해 나타낸 도트는 황화 아연(ZnS)이고, 242에 의해 나타낸 도트는 인화 알루미늄(AlP)이고, 244에 의해 나타낸 도트는 인화 갈륨(GaP)이며, 246에 의해 나타낸 도트는 실리콘(Si)이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 재료의 일부 수직 패턴은 다양한 재료가 유사한 격자 파라미터를 갖는 것을 알 수 있게 한다. 단지 예시로서, 재료 HgSe(214), InAs(216), GaSb(218), AlSb(220), CdSb(222) 및 ZnTe(224)는 약 또는 대략적으로 0.61㎚의 격자 파라미터를 가지며, 이에 의해 이들 상이한 재료가 유사한 결정 격자 파라미터를 갖는 것을 나타내며, 유사한 결정 격자 파라미터는 이들 상이한 재료의 일부의 잠재적인 스태킹(stacking) 및/또는 정렬이 서로상에 증착되고 작은 수의 불완전부 또는 결함을 가질 수 있게 한다.
이제 도 3을 참조하면, 도 3은 재료 조성 세트의 에너지 밴드 갭(eV), 격자 파라미터(나노미터) 및 파장(나노미터)의 매우 간략화된 그래프이고, 격자 파라미터 특성을 유지하면서 밴드 갭을 조정하기 위한 재료 조성의 그레이딩을 도시한다. 제한된 수의 재료를 사용하는 단지 예시로서, 214에 의해 수치적으로 나타낸 도트는 셀렌화 수은(HgSe)이고, 도트(222)는 셀렌화 카드뮴(CdSe)이고, 도트(224)는 텔루르화 아연(ZnTe)이고, 도트(226)는 텔루르화 망간(MnTe)이며, 도트(228)는 셀렌화 망간(MnSe)이다. 추가적으로, 도 3에 나타낸 재료가 모든 전체 리스트인 것으로 의도되지 않다는 것이 이해되어야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일부 재료는 수직 방향으로 매우 유사한 파라미터를 갖는다.
대략 0.645나노미터(㎚)의 격자 파라미터를 사용하는 단지 예시로서, 재료의 수직 그룹은 0.647㎚ 이내 및 그 주위에 있다. 이러한 그룹은 HgTe, InSb 및 CdTe를 포함한다. 대략 0.610㎚의 격자 파라미터를 사용하는 또 다른 예시에 있어서, 재료의 수직 그룹은 0.610㎚ 이내 및 그 주위에 있다. 이러한 그룹은 HgSe, InAs, GaSb, AlSb, CdSe 및 ZnTe를 포함한다. 여기에 언급되지 않은 다른 수직 그룹이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 2, 또는 유사한 그래프 및 수직 그룹 내로의 그룹 재료를 이용하여, 그레이디드 밴드 갭층(142)을 제조하기 위한 재료 세트가 전개된다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 파장(㎚), 및 이러한 파장에 대응하는 에너지 밴드 갭이 나타나 있다. 따라서, 정확한 재료 선택을 함으로써, 정확한 밴드 갭을 갖는 재료의 정확한 그룹은 자유 전자 및 자유 정공(도 4 및 도 5 참조)이 포획되고 접점(116, 128)으로 구동될 수 있도록 이루어질 수 있다. 그래서, 포획된 자유 전자 및 자유 정공은 유용한 일을 위해 부하(176)에 인가될 수 있다.
일반적으로, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 수직 그룹 내에서 연속적으로 변경된 재료 조성의 층을 성장시킴으로써 생성될 수 있다. 그레이디드 밴드 갭층(142) 및 소멸층(106)을 제조하는데 사용된 재료의 선택에 특정 양의 유연성이 존재한다는 것이 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되어야 한다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 단지 예시로서, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 도트(214, 222)에 의해 나타낸 셀렌화물 시리즈의 재료 내에서 연속적으로 변경된 재료 조성의 층을 성장시킴으로써 생성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도트(214)에 의해 나타낸 HgSe(214)는 대략 -0.1eV의 밴드 갭 및 대략 0.61㎚의 격자 파라미터를 갖는다. 또한, 도 3에는, CdSe(222)가 대략 1.7eV의 밴드 갭 및 대략 0.61㎚의 격자 파라미터를 갖는 것으로 나타나 있다. 중간 밴드 갭 재료는 CdSe 및 HgSe를 혼합함으로써 생성될 수 있다. 예시로서, 절반의 카드뮴 및 절반의 수은을 갖는 셀렌화물 재료(Cd0.5Hg0.5Se)는 대략 0.8eV의 밴드 갭 및 대략 0.61㎚의 격자 파라미터를 가지며, 도 3에 도트(395)에 의해 나타나 있다. 유사하게, 90% CdSe 및 10% HgSe의 혼합물(Cd0.9Hg0.1Se)은 대략 1.52eV의 밴드 갭을 가지며, 도 3에 도트(394)에 의해 나타나 있다. 유사하게, 도트(396)는 Cd0.3Hg0.7Se를 나타내고, 대략 0.44eV의 밴드 갭을 가지며, 도트(397)는 Cd0.25Hg0.75Se를 나타내고, 대략 0.35eV의 밴드 갭을 가지며, 도트(398)는 Cd0.05Hg0.95Se를 나타내고, 대략 0.19eV의 밴드 갭을 갖는다. 이들 재료 조성 모두는 대략 0.61㎚의 격자 파라미터를 갖는다.
예를 들면, 그레이디드 밴드 갭층(142)은, 5% 카드뮴의 조성을 초기에 갖는 일련의 연속적으로 변하는 조성 재료 Cd0.05Hg0.95Se를 성장시킴으로써 생성될 수 있으며, 여기서 카드뮴 함량은 대략 0.61㎚의 격자 파라미터를 갖는 대략 완전 결정 재료를 형성하기 위해 카드뮴 및 수은과 반응할 수 있는 충분한 셀레늄을 유지하면서, 성장 동안에 카드뮴의 원자 플럭스를 증가시키는 동시에 수은의 원자 플럭스를 감소시킴으로써 100%(CdSe)까지 연속적으로 증가된다. 단지 예시로서, 이러한 연속적으로 변하는 조성은 2개의 전구체 가스, 즉 셀레늄을 함유하는 하나의 전구체, 카드뮴을 함유하는 하나의 전구체 및 수은을 포함하는 하나의 전구체를 사용하는 화학적 기상 증착 기계에서 그레이디드 밴드 갭층을 성장시킴으로써 성취될 수 있다. 단지 예시로서, 대략 완전 결정 성장을 유도하기에 충분한 셀레늄 전구체를 갖는 성장 영역 내로 5% 카드뮴 전구체 및 95% 수은 전구체인 가스의 스트림을 생성함으로써, Cd0.05Hg0.95Se의 층이 성장될 수 있다. 다음에, 완전 결정 재료를 형성하기 위한 충분한 셀레늄을 유지하면서, 카드뮴의 전구체의 유동을 증가시키는 동시에 수은 전구체의 유동을 감소시킴으로써, 성장층 내의 카드뮴의 원자 함량이 연속적으로 증가하는 한편, 성장층 내의 수은의 원자 함량이 감소한다. 카드뮴 전구체 유동이 25%이고 수은 전구체 함량이 75%인 순간에, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 상부상에 성장하는 재료는 Cd0.25Hg0.75Se이며, 도 3에서 도트(397)에 의해 나타나 있다. 성장이 계속되고 전구체 함량이 계속 변함에 따라, 성장은 몇 가지 조성(396, 395, 394)을 연속적으로 통과하고, 결국 수은 전구체 함량이 0퍼센트가 되고 조성이 대략 1.7eV의 밴드 갭을 갖는 순수한 CdSe(222)가 될 때 변화를 중지한다.
단지 예시로서, 그레이디드 밴드 갭층(142)을 생성하는 프로세스는, CdSe(222)의 함량이 감소함에 따라 증가하는 양의 ZnTe(224)를 포함하도록 조성을 연속적으로 변화시킴으로써 보다 높은 밴드 갭 에너지까지 계속된다. 이것은 아연 및 텔루륨을 함유하는 2개의 추가적인 전구체를 사용함으로써 성취될 수 있다. 중간 조성(393)은 대략 동일한 양의 ZnTe 및 CdSe이 막 내로 합체되는 시점을 나타내며, 화학 조성 Zn0.5Cd0.5Te0.5Se0.5를 갖고, 대략 2.0eV의 밴드 갭을 갖는다. 또한, 이러한 조성은 대략 2.2eV의 밴드 갭을 갖는 100% ZnTe(도트(224)) 및 0% CdSe의 시점까지 연속적으로 변화될 수 있다.
더욱이, 이러한 프로세스는 ZnTe(224)와 MnSe0.5Te0.5(도트(391))를 혼합함으로써 보다 높은 밴드 갭까지 계속될 수 있다. 다시 예시로서, 이러한 경로를 따르는 중간 조성은 Zn0.5Mn0.5Te0.75Se0.25의 조성을 갖는 도트(392)이다. 이러한 조성은 동일한 비율의 조성(224, 391), 즉 (ZnTe)0.5(MnSe0.5Te0.5)0.5로부터 유도될 수 있다.
이러한 소자를 제조하는데 사용될 수 있는 다른 재료 시스템은 텔루르화 수은 카드뮴(HgxCd(1-x)Te)이다. 텔루르화 카드뮴 재료 시스템은, 텔루르화 카드뮴에 대한 텔루르화 수은의 비율을 변화시킴으로써 밴드 갭이 연속적으로 변경될 수 있다는 점에서 이전의 시스템과 유사하다. 격자 파라미터가 보다 크고, 따라서 이러한 시스템은 일반적으로 과도한 결함을 방지하도록 상이한 기판상에서 성장되어야 한다는 점에서 상이하지만, 텔루르화 카드뮴에 대한 텔루르화 수은의 부분 함량은 연속적으로 변할 때 밴드 갭을 변하게 한다는 점에서 유사하다. 다른 시스템이 또한 식별되어 사용될 수 있다는 것이 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 이러한 구조의 다른 버전은 기판의 주 격자 파라미터와 상이하고 대부분의 그레이디드 밴드 갭의 주 격자 파라미터와 상이한 격자 파라미터를 갖는 보다 작은 밴드 갭 재료의 성장이다. 성장될 새로운 재료와 상이한 격자 파라미터를 갖는 기판 또는 부분 성장층상에 결정 재료를 거의 완전하게 성장시키는 것이 가능하다. 단지 예시로서, 반전된 구조(도 5)에 있어서, 그레이디드 밴드 갭층의 보다 넓은 밴드 갭 부분은 밴드 갭을 감소시키기 위해 AlSb로부터 시작해서 AlSb 대신에 GaSb를 증가시킴으로써 0.61㎚의 격자 파라미터를 갖는 재료의 세트를 사용하는 Ⅲ-Ⅴ 시스템에서 성장될 수 있다. 또한, 밴드 갭은 증가하는 함량의 InAs 및 감소하는 함량의 GaSb를 포함함으로써 GaSb의 밴드 갭으로부터 InAs의 밴드 갭으로 그레이딩 방식으로 감소될 수 있다. 이러한 천이는 100% InAs까지 계속될 수 있다. 또한, Ⅲ-Ⅴ 시스템에서 0.61㎚의 격자 파라미터로 밴드 갭을 감소시키는 것은 알려진 재료로는 가능하지 않다. 그러나, InAs의 밴드 갭이 이상적인 소멸층의 밴드 갭보다 단지 약간 크기 때문에, 그레이디드 밴드 갭층의 최종 부분은 상이한 격자 파라미터를 갖는 재료를 InAs 층상에 성장시킴으로써 불완전하게 제조될 수 있다. 그레이디드 밴드 갭층의 이러한 새로운 부분은 불완전하기 때문에, 그레이디드 밴드 갭층 및 소멸층의 조합으로서 동시에 작용한다. 이러한 방식으로 구조체를 형성하는 것으로부터의 성능의 변경은 다소 작지만, 이러한 방식으로 구조체를 형성함으로써, 보다 작은 밴드 갭 및 소멸층으로 완전히 천이할 수 없는 그레이디드 밴드 갭층의 벌크를 위한 재료의 사용을 가능하게 한다. 또한, 소멸층은 일반적으로 그레이디드 밴드 갭층의 보다 작은 밴드 갭 영역과 결합될 수 있으며, 그에 따라 캐리어의 소멸층이 캐리어를 소자의 하부로 강제하는 밴드 갭 구배부와 결합된다는 것이 이해된다.
그레이디드 밴드 갭층을 불연속적이거나, 중단되거나, 또는 분할된 것으로 설명할 수도 있게 하는 성장 조성의 작은 중단은 소자의 성능에 작은 영향을 미치는 것으로 이해되고, 또한 미크론 정도의 거리에 걸쳐서 하나의 밴드 갭으로부터 다른 밴드 갭으로의 천이의 일반적인 설명에 의해 커버된다는 것이 이해된다. 또한, 본 명세서에서 구상되고 청구된 구조체는 두께의 함수로서 밴드 갭의 상이한 변화율을 포함한다. 두께에 따른 밴드 갭의 변화율은, 갭이 흡수될 광의 에너지와 대략 동일한 그레이디드 밴드 갭의 영역에서의 실질적으로 완전한 흡수(매우 두꺼운 층에 의해 가장 완전하게 성취됨)와, 구조체 내에서 생성된 것으로부터 소멸층까지 캐리어를 천이시키는데 걸리는 시간 및 유동 저항성을 감소시키기 위해 두께를 최소화하는 것 사이의 트레이드오프이라는 것에 유의하는 것이 중요하다. 일반적으로, 그레이디드 밴드 갭층(142), 소멸층(106) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 과도하게 두꺼운 층은 보다 완전하게 흡수하지만, 과도한 저항을 갖는 한편, 얇은 층은 최소의 저항을 갖지만 덜 완벽하게 흡수한다. 그레이디드 밴드 갭층을 2개의 섹션, 즉 보다 완전하게 흡수하도록 약간의 그레이딩을 갖는 하나의 섹션 및 캐리어를 소멸층을 향해 가속시키는 보다 강한 그레이딩을 갖는 제2 섹션을 생성하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 구조적 변형은, 약간의 그레이딩을 갖는 층에서 흡수되고 그리고 강한 그레이딩을 갖는 제2 섹션에서 짧은 거리에 걸쳐서 가속될 수 있는 광자 에너지의 제한된 범위를 광원이 포함하는 상황에서 성능을 향상시킨다.
추가적으로, 광자는 소멸층에서 흡수되고, 자기 분극식 광소자의 파워 출력의 추가적인 증대에 기여할 수 있다는 것이 이해된다.
도 1을 참조하면, 소멸층(106)에 대해 앞서 언급한 바와 같이, 그레이디드 밴드 갭층(142)을 위해 선택된 재료를 고려하고 소멸층(106)에 사용하기 위한 그러한 동일한 재료 선택을 이용하는 것이 종종 유용하다. 이러한 기술을 재료 세트를 선택하는데 이용함으로써, 종종 소멸층(106)에 보다 높은 결함 밀도를 여전히 유지하면서 전체 재료층에 걸쳐서 결정 구조에 대한 응력을 감소시키는 것이 가능하다.
전형적으로, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 에피택셜 증착 재료이다. 에피택셜 증착 재료는 결정 격자 구조가 형성될 수 있게 한다. 증착층은 소멸층(106)과 관련하여 이전에 논의된 바와 같은 임의의 적합한 방법 또는 기술에 의해 제조될 수 있다. 증착 기구가 이전에 논의되었으므로, 이하에서는 적절한 부분을 제외하고 본 명세서에서 반복될 필요는 없다. 그러나, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 증착은 그레이디드 밴드 갭층(142)을 위해 증착된 재료의 결정 구조가 중요하고 결함 및 불완전부 등의 수가 가능한 한 적어야 한다는 점에서 소멸층(106)의 증착과 상이하다는 것이 이해되어야 한다.
그레이디드 밴드 갭 재료는 소멸층(106)상에 두께(143)로 에피택셜 증착된다. 전형적으로, 동일한 화학 성분이 사용되도록 소멸층(106)과 유사하거나 동일한 소량의 재료가 에피택셜 증착된다. 전형적으로, 그레이디드 밴드 갭층을 위한 이러한 초기 재료는 0.1미크론 내지 50.0미크론 두께의 범위이고, 어느 정도의 두께는 5.0미크론 내지 30.0미크론 범위이며, 바람직한 두께는 10.0미크론 내지 20.0미크론일 수 있다. 격자가 일치하는 동적 그레이딩 재료를 얻기 위해서, 상기의 재료가 여전히 증착되고 있다. 증착에 사용되는 새로운 가스는 반응 챔버에 느리게 들어갈 수 있게 되고, 따라서 제2의 새로운 재료가 상기의 동적 그레이딩 재료상에 느리게 증착된다. 전형적으로, 이러한 제2의 새로운 재료는 0.1미크론 내지 50.0미크론 두께의 범위이고, 어느 정도의 두께는 5.0미크론 내지 30.0미크론 범위이며, 바람직한 두께는 10.0미크론 내지 20.0미크론일 수 있다. 이러한 프로세스는 소망되거나 또는 특정 적용에 요구되는 수회 동안 계속될 수 있다. 증착된 재료가 동적으로 증착될 수 있게 함으로써, 그리고 증착에 맞는 재료를 선택함으로써, 동적 그레이딩 밴드 갭층(142)이 증착될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 표면(118, 120, 122, 124)을 갖는 접점(116) 및 표면(130, 132, 134, 136)을 갖는 접점(128)은 각각 그레이디드 밴드 갭층(142)의 표면(146, 150)상에, 그리고 각각 소멸층(106)의 표면(114, 110)상에 위치된다. 전형적으로, 접점(116, 128)은 개별적으로, 조합하여, 또는 자기 분극식 광소자(100)의 부분으로, 그레이디드 밴드 갭층(142) 및 소멸층(106)의 단부(192, 194)의 표면(146, 150)에 순응하는 형상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 형상으로 제조될 수 있다. 접점(116, 128)은 각각 두께(189, 191)로 제조된다. 본 기술분야에 있어서의 전기 접점의 전형적인 두께에 대해서는 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자가 알아야 한다. 전형적으로, 접점(116, 128)은 그레이디드 밴드 갭층(142)의 표면(146, 150) 및 소멸층(106)의 표면(114, 110)에 순응한다. 그러나, 일부의 경우에, 접점(116, 128)이 도 1에 도시된 것과 다른 형상을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 단지 예시로서, 일부의 경우에 있어서, 접점(116, 128)은 크기가 상이할 수 있으며, 접점(116)이 접점(128)보다 큰 표면적을 갖는다. 추가적으로, 단부(192, 194)의 도핑 영역(점선(196, 198)으로 표시됨)은 소멸층(106) 및 그레이디드 밴드 갭층(142)에 대한 전기 전도성을 향상시키는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 도핑 영역(196, 198)은 임의의 적합한 도펀트(dopant)로 도핑된다. 자유 전자가 접점(116)을 향해 이동하는 경우, N-타입 도펀트가 사용될 수 있고, 자유 정공이 접점(128)을 향해 이동하는 경우, P-타입 도펀트가 사용될 수 있다. 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 특정 재료 조성 및 소자 타입에 대한 도핑 농도를 결정할 수 있어야 한다.
추가적으로, 그레이디드 밴드 갭층(142)을 형성하는 동일한 조성의 재료의 평면은 도핑 영역(192)에 의해 규정된 평면에 대해 대략 90도의 각도를 이루는 반면, 종래의 소자에서는 동일한 조성의 평면은 도펀트의 평면과 동일 평면상에 있거나 그와 평행하다. 접점(116, 128)은 금속, 금속층의 조합, 합금, 반도체 재료 및/또는 상기의 임의의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 전도성 또는 반도체 재료로 제조될 수 있다.
자기장 라인(157, 158, 160, 161, 162)에 의해 나타내진 복수의 자기장 라인(159)은 자기 분극식 광소자(100)를 통해 그리고 그 주위를 통과하는 것으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 1은 자기장 라인(159)의 방향을 나타내고, 자기장 라인(158)은 그레이디드 밴드 갭층(142)의 상부 표면 위로 통과하고, 자기장 라인(160)은 그레이디드 밴드 갭층(142)을 통과하고, 자기장 라인(162)은 소멸층(106)을 통과하고, 자기장 라인(157)은 기판(102)을 통과하며, 자기장 라인(161)은 기판(102) 아래로 통과한다. 자기장 라인(159)이 라인(157, 158, 160, 161, 162)에 의해 나타내진 힘이라는 것이 이해되어야 한다. 자기장 라인(159)이 자기 분극식 광소자(100)의 단면에 수직인 것으로 도시되어 있지만, 자기장 라인(159)의 배향은 요소(172, 174)에 의해 각각 도시된 수평면 및 수직면에서 임의의 적합한 각도로 설정될 수 있다. 도 4의 설명에서 후술되는 바와 같이, 자기장 방향은 밴드 갭 구배력 방향에 직교 배향된다. 이것은 최대의 소자 효율을 위한 배향이고, 적합한 수평각(172) 및 수직각(174)의 교선으로 도시되지만, 이러한 이상적인 배향으로부터의 작은 변동이 이상적인 배향이 제공하는 것보다 단지 약간 낮은 성능을 초래한다는 것이 이해되어야 한다. 밴드 갭 구배의 고유 특성은, 하나의 방향으로 자유 전자를 당기고 다른 방향으로 자유 정공을 당기는 전기장(종래의 광전지 소자의 다이오드 구조에서 외부적으로 인가되거나 내부적으로 발생됨)과는 대조적으로, 동일한 방향으로 자유 전자 및 자유 정공 모두를 강제로 구동한다는 것이다.
자기장 라인(159)은 희토류 자석, 전자석, 초전도 전자석 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 방법 또는 기술에 의해 발생될 수 있다. 일반적으로, 자기장(159)은 0.1테슬라 내지 50.0테슬라 범위이고, 명목상 0.5테슬라 내지 10.0테슬라 범위일 수 있다.
도 4는 복수의 광자(404)를 갖는 광자원(402)을 더 포함하는, 도 1에 대체로 도시된 바와 같은 자기 분극식 광소자(100)의 크게 확대된 간략화된 사시도이고, 예시적인 광자는 식별 번호(406, 408, 410, 412)를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광자원(402)은 자기 분극식 광소자(100)의 표면(148)을 가득채우는 복수의 광자(404)를 방출한다. 복수의 광자(404)가 그레이디드 밴드 갭층(142)의 표면(148)을 가격하는 경우, 복수의 광자(404)의 에너지의 적어도 일부분은 그레이디드 밴드 갭층(142)을 형성하는 결정 격자 구조 내의 자유 전자로 전달된다. 그 결과, 재료의 타입, 그레이디드 밴드 갭층(142) 재료의 구조, 밴드 갭 에너지에 따라서, 자유 전자(416, 418, 420, 422) 및 자유 정공(425, 428, 430, 432)으로서 개별적으로 식별된 복수의 자유 전자(414) 및 복수의 자유 정공(424)이 그레이디드 밴드 갭층(142) 내에 발생되고, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 내에서 이동할 수 있다.
예를 들면, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 큰 에너지의 밴드 갭을 갖는 밴드 갭 재료가 표면(148)상에 또는 그 주위에 위치되도록 배치되고, 순차적으로 작아지는 에너지 밴드 갭을 갖는 다른 밴드 갭 재료는 에너지 밴드 갭층(142)을 통해 그레이딩되고, 가장 작은 에너지 밴드 갭 재료는 소멸층(106)의 표면(112)상에 또는 그 주위에 위치된다. 예시로서, 그레이디드 밴드 갭층(142)은 2.5eV 내지 0.8eV 범위인 에너지 밴드 갭을 가질 수 있으며, 2.5eV의 밴드 갭 재료는 그레이디드 밴드 갭층(142)의 상부에서 표면(148)에 또는 그 근방에 위치되고, 2.5eV의 재료는 소멸층(106)의 표면(112)에 근접하여 위치되고, 다른 적합한 밴드 갭은 2.5eV 내지 0.8eV 재료 내에서 그레이딩된다. 추가적으로, 광자(406, 408, 410, 412)는 각각 2.5eV, 2.0eV, 1.7eV 및 0.8eV의 광자 에너지를 가질 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광자(406)는 표면(148)을 가격하고, 표면(148) 근방에서 흡수된다. 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조 내로의 광자(406)의 흡수는 결정 격자 재료의 밴드 갭 및 광자(406)가 동일한 에너지, 본 경우에 2.5eV를 갖기 때문에 자유 전자(422) 및 자유 정공(425)을 발생시키고, 자유 전자(422) 및 자유 정공(425)은 이제 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조 내에서 소멸층(106)을 향해 이동할 수 있다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 자유 전자(422) 및 자유 정공(425)은 자기장(159)에 의해 영향을 받으며, 자유 전자(422)는 화살표(602)로 나타낸 바와 같이 소멸층(106)을 향해 이동할 때 접점(116)을 향해 이동하며, 자유 정공(425)은 화살표(610)로 나타낸 바와 같이 소멸층(106)을 향해 이동할 때 접점(128)을 향해 이동한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광자(408)는 표면(148)을 가격하고 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 재료 구조에 의해 흡수된다. 그러나, 광자(408)는 이 광자(408)의 에너지와 동일한 에너지 밴드 갭을 갖는 그레이디드 밴드 갭층(142) 내의 재료에 의해 흡수될 때까지 그레이디드 밴드 갭층(142)을 통해 이동한다. 이러한 특정 경우에, 광자(408)는 2.0eV의 에너지를 갖고, 그레이디드 밴드 갭 내의 재료는 또한 2.0eV의 에너지 밴드 갭을 갖는다. 광자(408)는 계속해서 포획되어, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조 내에서 이동도(mobility)를 갖는 자유 전자(420) 및 자유 정공(428)을 생성한다. 그러나, 자유 전자(422) 및 자유 정공(425)과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 자기장(159)은, 화살표(604, 612)에 의해 각각 지시된 바와 같이, 자유 전자(420)를 접점(116)을 향해 이동시키고, 자유 정공(428)을 접점(128)을 향해 이동시킨다.
광자(410)는 표면(148)을 가격하고 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조의 재료 내로 흡수된다. 그러나, 광자(410)는 이 광자(410)의 에너지와 동일한 에너지 밴드 갭을 갖는 그레이디드 밴드 갭층(142) 내의 밴드 갭 재료에 의해 흡수될 때까지 그레이디드 밴드 갭층(142) 내로 광자(408)보다 멀리 이동한다. 이러한 특정 경우에, 광자(410)는 1.7eV의 에너지를 갖고, 그레이디드 밴드 갭 내의 재료는 또한 1.7eV의 에너지 밴드 갭을 갖는다. 광자(410)는 계속해서 포획되어, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조의 재료 내에서 이동도(mobility)를 갖는 자유 전자(418) 및 자유 정공(430)을 생성한다. 그러나, 자유 전자(420, 422) 및 자유 정공(425, 428)과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 자기장(159)은, 화살표(606, 614)에 의해 각각 지시된 바와 같이, 자유 전자(418)를 접점(116)을 향해 이동시키고, 자유 정공(430)을 접점(128)을 향해 이동시킨다.
광자(412)가 표면(148)을 가격할 때, 광자(412)는 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조 내로 바로 흡수되지 않고, 그레이디드 밴드층(142) 내에서 일정 거리 및 시간 동안 이동한다. 그러나, 광자(412)는 이 광자(412)의 에너지와 동일한 에너지 밴드 갭을 갖는 그레이디드 밴드 갭층(142) 내의 재료에 의해 흡수될 때까지 그레이디드 밴드 갭층(142)을 통해 이동한다. 이러한 특정 경우에, 광자(412)는 0.8eV의 에너지를 갖고, 그레이디드 밴드 갭(142) 내의 재료는 또한 0.8eV의 에너지 밴드 갭을 갖는다. 광자(412)는 계속해서 포획되어, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 결정 격자 구조 내에서 이동도(mobility)를 갖는 자유 전자(416) 및 자유 정공(432)을 생성한다. 그러나, 자유 전자(418, 420, 422) 및 자유 정공(425, 428, 430)과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 자기장(159)은, 화살표(608, 616)에 의해 각각 지시된 바와 같이, 자유 전자(416)를 접점(116)을 향해 이동시키고, 자유 정공(432)을 접점(128)을 향해 이동시킨다.
자유 전자(422, 420, 418, 416) 및 자유 정공(425, 428, 430, 432)과 자기장(159)의 상호작용 때문에, 자유 전자(422, 420, 418, 416) 및 자유 정공(425, 428, 430, 432)은 접점(116) 및 접점(128)을 향해 각각 이동된다. 따라서, 복수의 자유 전자 및 자유 정공(414, 424)의 에너지가 포획될 수 있다. 4개의 광자(406, 408, 410, 412)만이 복수의 광자를 나타내고 있지만, 표면(148)을 가격하는 광자의 수는 매우 많다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 복수의 자유 전자(414) 및 복수의 자유 정공(424)의 수도 매우 많다는 것이 또한 이해되어야 한다.
도 4를 참조하면, 몇 개의 힘 방향(426, 436, 440)이 이중 화살표에 의해 표시되어 있으며, 몇 개의 운동 방향(434, 438, 442)이 단일 화살표에 의해 표시되어 있다. 힘 방향(426)은 자유 정공 및 자유 전자가 광자의 흡수에 의해 생성된 순간부터 반대 캐리어와 재결합할 때(자유 전자가 자유 정공과 결합하여 서로 소멸하고 2차 광자 또는 주로 열을 발생하는 에너지 손실 이벤트를 형성함)까지 자유 정공 및 자유 전자에 대한 밴드 갭 구배력(Band Gap Gradient Force)이다. 매우 많은 캐리어는 소멸층에 도달할 때까지 반대 캐리어 타입과 결합하지 않는다는 것이 이해되고, 양 타입의 많은 캐리어를 갖는 임의의 실제 소자에 있어서, 일부 재결합은 소자 내의 임의의 지점에서 조기에 발생할 수 있다는 것은 불가피하다. 캐리어가 소멸층에 도달하기 전의 재결합은 변환 효율의 감소를 야기한다는 것이 이해된다. 화살표(434)에 의해 표시된 운동 방향은 밴드 갭 구배력(426)에 반응하는 자유 정공 및 자유 전자 모두의 운동 방향이다. 자유 정공 및 자유 전자 모두의 운동 방향(434)은 또한 밴드 갭 구배력에 의해 유도된 운동 성분을 또한 갖는다는 것이 이해되어야 한다. 전술한 바와 같이, 전체 소자는 라인(159)에 의해 나타낸 자기장 내에 위치된다. 이러한 자기장으로부터 자기장 라인은 화살표(157, 158, 160, 161, 162)로서 개별적으로 나타내지지만, 전체 소자는 이 소자를 어디서나 투과하는 자기장 라인을 구비하는 대략적으로 균일한 자기장을 갖는 것으로 이해된다. 소자 내의 모든 점에서, 이동하는 캐리어는 속도 벡터와 전하의 곱과 자기장의 외적(cross product)과 동일한 자기 분극력(Magnetic Polarizing Force)을 받는다. 이러한 힘에 대한 방정식은 FMP = qv x B이고, 여기서 FMP는 속도 "v" 및 전하 "q"를 갖는 이동하는 전하 캐리어에 대한 자기 분극력이고, "B"는 자기장 세기이고, "x"는 벡터 외적 연산자를 나타낸다. 도 4에 알 수 있는 바와 같이, 자기장 방향은 밴드 갭 구배력 방향에 대해 직교 배향된다. 이것은 최대의 소자 효율을 위한 배향이지만, 이러한 이상적인 배향으로부터의 작은 변동이 이상적인 배향이 제공하는 것보다 단지 약간 낮은 성능을 초래한다는 것이 이해된다. 밴드 갭 구배의 고유 특성은, 하나의 방향으로 자유 전자를 당기고 다른 방향으로 자유 정공을 당기는 전기장(종래의 광전지 소자의 다이오드 구조에서 외부적으로 인가되거나 내부적으로 발생됨)과는 대조적으로, 동일한 방향으로 자유 전자 및 자유 정공 모두를 강제로 구동한다는 것이다. 밴드 갭 구배력은 자기 분극식 광소자(100) 내에서 분극하여 있지 않다. 자기 분극식 광소자(100)에서, 자유 전자 및 자유 정공은 밴드 갭 구배력(426)의 방향으로 화살표(434)에 의해 지시된 운동 및 속도 모두를 획득한다. 방향(434)으로 이동하는 운동을 갖는 음전하인 자유 전자 및 양전하인 자유 정공 모두는 도 4에서 자유 전자를 좌측(방향(438))으로 이동시키는 자유 전자를 위한 자기 분극력(436) 및 자유 정공을 우측(방향(442))으로 이동시키는 자유 정공을 위한 자기 분극력(440)을 받고, 이에 의해 각자의 에너지 밴드 내의 자유 전자 및 자유 정공의 에너지를 도 7의 전기장(750)과 반대방향으로 흐르는 도 7의 전류(751)로서의 전기 에너지로 전달하는 것을 용이하게 한다. 이러한 에너지 전달은 종래의 광전지보다 매우 높은 효율로 성취된다. 자유 전자 및 자유 정공은 밴드 갭 구배층(142) 전체에 걸쳐서 공존하며, 도 4에서 자유 정공은 전극(128)의 방향으로 이동하고, 자유 전자는 전극(116)의 방향으로 이동한다.
도 5는 유사한 번호로 식별되는 유사한 항목을 갖는 반전된 구조체를 도시한다. 앞서 설명된 바와 같이, 기판(501)은 선택된 광자가 기판을 통과할 수 있게 하도록 선택되고, 그에 따라 이러한 광자는 기판(501)의 표면(505)상에 배치된 그레이디드 밴드 갭층(142)에서 흡수될 수 있다.
도 6을 참조하면, 자유 전자(422)의 운동은 곡선의 운동 화살표(603)에 의해 지시된다. 자유 정공(425)의 운동은 곡선의 운동 화살표(610)에 의해 지시된다. 마찬가지로, 밴드 갭 구배에 걸쳐서 생성된 캐리어는, 각각의 대전된 캐리어에 대한 밴드 갭 구배에 의해 유도된 운동으로부터 생기는 각각의 대전된 캐리어에 대한 각자의 자기 분극력으로부터 야기되는 연관 운동 화살표로 도시되어 있다.
이제 도 7을 참조하면, 도 4, 도 5 및 도 6에서의 각 자유 전자 및 자유 정공에 의해 이동된 대체적인 경로가 도시되어 있다. 경로(702)는 자유 전자(422)에 의해 취해진 경로를 나타내고, 자유 전자(422)의 최종 위치가 도 7에 도시되어 있다. 경로(710)는 자유 정공(425)에 의해 취해진 경로를 나타내고, 자유 정공(425)의 최종 위치가 도 7에 도시되어 있다. 유사하게, 경로(704)는 자유 전자(420)에 의해 취해진 경로이고, 경로(712)는 자유 정공(428)에 의해 취해진 경로이며, 경로(706)는 자유 전자(418)에 의해 취해진 경로이고, 경로(714)는 자유 정공(430)에 의해 취해진 경로이며, 경로(708)는 자유 전자(416)에 의해 취해진 경로이고, 경로(716)는 자유 정공(432)에 의해 취해진 경로이다. 본 발명에 있어서, 이러한 소자의 특유한 태양 중 하나는 출력 전압(전극(128, 116) 사이의 전위)이 각 캐리어가 받는 전체 밴드 갭 구배 강하보다 매우 클 수 있다는 것이다. 이러한 전위는 전극(128, 116) 사이의 횡전기장(lateral electric field)(750)을 확립하고, 그레이디드 밴드 갭층 및 소멸층 전체에 걸쳐서 존재한다. 이러한 소자의 출력 전압은 대체로 그 길이(전극(116, 128) 사이의 거리)의 선형 함수이다. 이것은 출력 전압이 다이오드 구조를 생성하는 재료의 밴드 갭과 직접적으로 관련되고 그러한 값에 제한되는 종래의 광전지 소자에서는 그렇지 않다. 일례로서, 실리콘 태양 전지의 전형적인 출력은 대략 0.7eV이고, 대략 1.1eV의 전체 밴드 갭에 제한된다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 대부분의 캐리어는 광자의 흡수에 의해 생성된 지점부터 그레이디드 밴드 갭 아래로 반대 타입의 캐리어와 만나서 소멸(쌍으로 재결합하여 소멸층의 밴드 갭의 에너지를 낭비함)되는 소멸층까지 이동한다. 각 캐리어가 밴드 갭 구배 아래로 이동함에 따라, 캐리어는 높은 밴드 갭 에너지로부터 낮은 밴드 갭 에너지로 이동함으로써 위치 에너지를 상실한다. 이러한 에너지는 전기장(전기장과 반대방향으로의 전류가 발전하게 됨)과 반대방향으로의 전하 운동으로서 횡자기장(750) 내로 전달된다. 도 7의 종횡비(aspect ratio)는 일정한 축척으로 도시되어 있지 않으며, 접점(116, 128) 사이의 거리는 일반적으로 그레이디드 밴드 갭층의 상부로부터 하부까지의 거리의 다수 배(50-1000배)이다. 이러한 큰 종횡비의 결과로, 일반적으로, 과다한 자유 전자 및 자유 정공이 밴드 갭 구배 아래로 동시에 이동하고, 소자(도시되지 않음)의 하부에 도달할 때 소멸하는 반대 전하를 만난다. 각 캐리어 쌍이 1eV 정도의 밴드 갭 에너지 아래로 이동하기 때문에, 각 쌍은 전기장(750)의 전위의 대략 1볼트에 대항하여 이동한다. 이들 캐리어는 작은 전류로 큰 전압을 생성하도록 작용하는 작은 전류를 갖는 작은 1볼트 전원의 직렬 연결로서 작용한다. 이러한 소자는 간단히 광자 에너지를 전압 및 전류로 변환하고, 이것이 생성하는 효율이 100% 미만이라는 것이 이해되어야 한다. 일례로서, 1쿨롱의 전하량은 6.25×1018의 전하이다. 6.25×1018 광자/초의 1eV 에너지(1와트의 입사 전력)가 1㎝의 전극(116, 128) 사이의 거리를 갖는 이러한 타입의 자기 분극식 광소자의 그레이디드 밴드 갭의 1eV의 밴드 갭 부분 내로 완전하게 흡수되면, 부하하에서의 최적의 출력 전압은 대략 0.01암페어의 전류를 갖는 50볼트 정도를 갖는다. 이것은 50% 전력 변환에 대응하는 0.5와트의 출력 전력이다. 이러한 변환 효율은 캐리어의 이동도(소자의 저항과 관련됨), 소멸층의 최소 밴드 갭, 자기장 세기 및 소자의 물리적 두께를 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 팩터에 따라 달라진다. 이러한 구조에서는, 최적 상태하에서 50-70%의 변환 효율을 초과하는 것이 가능하다.
도 8은 그레이디드 밴드 갭층(142), 소멸층(106) 및 기판층(102)을 식별하는 에너지 대 깊이 다이어그램을 도시한다. 이러한 다이어그램에서, 소멸층(106)은 단지 예를 들어 안티사이트 결함(anti-site defect)을 유발하는 온도에서 증착될 수 있는 대략 0.19eV의 밴드 갭을 갖는 Cd0.05Hg0.95Se의 결함-충전층이다(수은 또는 카드뮴이 완전 결정 내에 위치되는 곳에 셀레늄 원자가 배치됨). 이러한 다이어그램에서 그레이디드 밴드 갭층(142)은 재료가 우수한 품질 및 적은 결함을 갖도록 하는 방식으로 성장된다. 이것은, 단지 예를 들면, 안티사이트 결함 없이 대략 완전 결정 성장을 위한 이상적인 성장 온도까지 성장 온도를 높임으로써 성취될 수 있다. 그레이디드 밴드 갭의 초기 조성은 도 3의 도트(398)에 대응하는 점선(898)으로서 도 8에 표시된 Cd0.05Hg0.95Se이다. 또한, 그레이디드 밴드 갭층(142)의 조성은 HgSe와 비교하여 증가하는 양의 CdSe를 포함하도록 연속적으로 변경되어, 밴드 갭이 대략 0.19eV로부터 Cd0.25Hg0.75Se(도 3의 도트(397)에 대응하는 도 8상의 점선(897))에서의 대략 0.35eV까지 증가한다. 이러한 성장은 대략 0.44eV의 밴드 갭을 갖는 Cd0.3Hg0.7Se(도 3의 도트(396)에 대응하는 도 8상의 점선(896))까지 CdSe 함량을 증가시키면서 계속한다. 이러한 성장은 대략 0.8eV의 밴드 갭을 갖는 Cd0.5Hg0.5Se(도 3의 도트(395)에 대응하는 도 8상의 점선(895))까지 CdSe 함량을 증가시키면서 더 계속한다. 이러한 성장은 대략 1.52eV의 밴드 갭을 갖는 Cd0.9Hg0.1Se(도 3의 도트(394)에 대응하는 도 8상의 점선(894))까지 CdSe 함량을 증가시키면서 더 계속한다. 이러한 성장은 대략 1.7eV의 밴드 갭을 갖는 대략 순수한 CdSe(도 3의 도트(222))까지 CdSe 함량을 증가시키면서 더 계속한다.
상기의 명세서에 있어서, 본 발명은 특정의 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 명세서 및 도면은 제한적인 방식보다는 예시적인 방식으로 간주되어야 하며, 그러한 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명의 범위는 단지 상기에 설명된 예시보다는 본 명세서에 첨부된 청구범위 및 그것의 법적 등가물에 의해 결정되어야 한다. 예를 들면, 임의의 방법 및 프로세스 청구항에 기재된 단계는 임의의 순서로 실행될 수 있으며, 청구항에 나타난 특정 순서에 한정되지 않는다. 추가적으로, 임의의 장치 청구항에 기재된 구성요소 및/또는 요소는 본 발명과 실질적으로 동일한 결과를 생성하기 위해 다양한 순열(permutation)로 조립되거나 또는 작동적으로 구성될 수 있으며, 따라서 청구항에 기재된 특정 구성에 한정되지 않는다.
이점, 다른 장점 및 문제에 대한 해결책이 특정 실시예에 대하여 상기에서 설명되었지만, 임의의 이점, 장점, 문제에 대한 해결책, 또는 임의의 특정 이점, 장점 또는 해결책이 떠오르거나 또는 보다 확실해질 수 있는 임의의 요소는 임의의 또는 모든 청구항의 임계적이거나, 요구되거나 또는 본질적인 특징 또는 구성요소로서 해석되지 않아야 한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)" 또는 그것의 임의의 변형은 비배타적인 포함을 나타내도록 의도되며, 그에 따라 요소의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품, 조성물 또는 장치는 기재된 그러한 요소만을 구비하는 것이 아니라, 명시적으로 기재되지 않거나, 그러한 프로세스, 방법, 물품, 조성물 또는 장치에 고유한 다른 요소를 구비할 수도 있다. 본 발명의 실시에 사용되는 전술한 구조, 배열, 적용, 비율, 요소, 재료 또는 구성요소의 다른 조합 및/또는 변형은, 구체적으로 기재되지 않은 것에 부가하여, 본 발명의 포괄적인 원리로부터 벗어남이 없이 특정 환경, 제조 규격, 디자인 파라미터 또는 다른 작동 요건에 대해 본 기술분야에 숙련된 자에 의해 변경될 수 있거나 또는 특히 맞춰질 수 있다.

Claims (64)

  1. 자기 분극식 광소자에 있어서,
    제1 표면, 제2 표면, 제3 표면, 제4 표면, 제5 표면 및 제6 표면을 갖는 그레이디드 밴드 갭 재료로서, 상기 제1 표면 및 제2 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제3 표면 및 제5 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제4 표면 및 제6 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제3 표면, 제4 표면, 제5 표면 및 제6 표면은 상기 제1 표면 및 제2 표면에 수직하고 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되며, 상기 제3 표면 및 제5 표면은 상기 제4 표면 및 제6 표면에 수직하고 상기 제4 표면과 제6 표면 사이에 배치되며, 상기 그레이디드 밴드 갭 재료는 밴드 갭 값을 갖고, 보다 큰 밴드 갭 값은 상기 제1 표면으로부터 연장되고, 감소하는 밴드 갭 값은 상기 제2 표면을 향해 진행하는, 그레이디드 밴드 갭 재료;
    제7 표면, 제8 표면, 제9 표면, 제10 표면, 제11 표면 및 제12 표면을 갖는 제1 접점으로서, 상기 제7 표면 및 제8 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제9 표면 및 제11 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제10 표면 및 제12 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제9 표면, 제10 표면, 제11 표면 및 제12 표면은 상기 제7 표면 및 제8 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제7 표면과 제8 표면 사이에 배치되며, 상기 제9 표면 및 제11 표면은 상기 제10 표면 및 제12 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제10 표면과 제12 표면 사이에 배치되며, 상기 제1 접점은 상기 그레이디드 밴드 갭 재료에 전기적으로 결합되는, 제1 접점; 및
    제13 표면, 제14 표면, 제15 표면, 제16 표면, 제17 표면 및 제18 표면을 갖는 제2 접점으로서, 상기 제13 표면 및 제14 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제15 표면 및 제17 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제16 표면 및 제18 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제15 표면, 제16 표면, 제17 표면 및 제18 표면은 상기 제13 표면 및 제14 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제13 표면과 제14 표면 사이에 배치되며, 상기 제16 표면 및 제18 표면은 상기 제15 표면 및 제17 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제15 표면과 제17 표면 사이에 배치되며, 상기 제2 접점은 상기 그레이디드 밴드 갭 재료에 전기적으로 결합되고, 상기 제1 접점 및 제2 접점은 실질적으로 서로 대향하여 위치하는, 제2 접점
    을 포함하는 자기 분극식 광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료는, 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 수은(HgTe), 안티몬화 인듐(InSb), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe), 텔루르화 안티몬화 아연 갈륨(ZnGaSbTe), 텔루르화 안티몬화 아연 알루미늄(ZnAISbTe), 안티몬화 갈륨(GaSb), 텔루르화 아연(ZnTe), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 텔루르화 망간(MnTe), 비화 갈륨(GaAs), 및 그 조합물 및 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료는 8.0eV 내지 0.0eV 범위인 밴드 갭 값을 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    그레이디드 밴드 갭층 위에 배치되는 층을 추가로 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 층은 광의 파장의 필터를 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 층은 보호 코팅을 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 층은 렌즈를 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 층은 광소자를 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 층은 광의 선택 파장의 리플렉터를 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 층은 반사방지층을 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접점의 제11 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭 재료의 제3 표면에 전기적으로 결합되는 것인 자기 분극식 광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 접점의 제15 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭 재료의 제5 표면에 전기적으로 결합되는 것인 자기 분극식 광소자.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료는 제1 부분 및 제2 부분을 갖도록 제조되며, 가장 큰 밴드 갭 값이 배열된 상기 제1 부분은 상기 제2 부분까지 밴드 갭 값의 약간의 그레이딩을 갖고서 상기 제1 표면 주위에 배치되고, 가장 작은 밴드 갭 값이 배열된 상기 제2 부분은 밴드 갭 에너지가 강하게 감소하는 상기 제2 표면에 배치되는 것인 자기 분극식 광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료는 두께를 포함하고, 상기 두께는 0.1미크론 내지 50.0미크론 범위인 것인 자기 분극식 광소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료의 두께는 5.0미크론 내지 30.0미크론의 두께를 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료의 두께는 10.0미크론 내지 20.0미크론의 두께를 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  17. 제1항에 있어서,
    복수의 자기장 라인을 갖는 자기장을 추가로 포함하고, 적어도 하나의 자기장 라인은 상기 그레이디드 밴드 갭 재료의 제4 표면을 통해 들어가는 것인 자기 분극식 광소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기장 라인은 상기 그레이디드 밴드 갭 재료의 제6 표면을 통해 빠져나가는 것인 자기 분극식 광소자.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 자기장은 0.1테슬라 내지 50.0테슬라 범위인 것인 자기 분극식 광소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 자기장은 0.5테슬라 내지 10.0테슬라 범위인 것인 자기 분극식 광소자.
  21. 자기 분극식 광소자에 있어서,
    실질적으로 평행한 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 기판;
    제1 두께를 갖고, 제3 표면, 제4 표면, 제5 표면, 제6 표면, 제7 표면 및 제8 표면을 갖는 소멸층으로서, 상기 소멸층의 제3 표면 및 제4 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 소멸층의 제5 표면 및 제7 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 소멸층의 제6 표면 및 제8 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제5 표면, 제6 표면, 제7 표면 및 제8 표면은 상기 제3 표면 및 제4 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제3 표면과 제4 표면 사이에 배치되며, 상기 제5 표면 및 제7 표면은 상기 제6 표면 및 제8 표면에 실질적으로 수직하고, 상기 소멸층의 제4 표면은 반도체 기판의 제1 표면상에 배치되는, 소멸층;
    제2 두께를 갖고, 제9 표면, 제10 표면, 제11 표면, 제12 표면, 제13 표면 및 제14 표면을 갖는 그레이디드 밴드 갭층으로서, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제9 표면 및 제10 표면은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 제11 표면 및 제13 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제12 표면 및 제14 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제11 표면, 제12 표면, 제13 표면 및 제14 표면은 상기 제9 표면 및 제10 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제9 표면과 제10 표면 사이에 배치되며, 상기 제11 표면 및 제13 표면은 상기 제12 표면 및 제14 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제12 표면과 제14 표면 사이에 배치되며, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제10 표면은 상기 소멸층의 제3 표면상에 배치되는, 그레이디드 밴드 갭층;
    제15 표면 및 제16 표면을 갖고, 상기 소멸층의 제5 표면의 적어도 일부분에 전기적으로 결합되는 제1 접점; 및
    제17 표면 및 제18 표면을 갖고, 상기 소멸층의 제7 표면의 적어도 일부분에 전기적으로 결합되는 제2 접점
    을 포함하는 자기 분극식 광소자.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 재료로 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 기판은 절연 재료로 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 소멸층은, 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 수은(HgTe), 안티몬화 인듐(InSb), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe), 텔루르화 안티몬화 아연 갈륨(ZnGaSbTe), 텔루르화 안티몬화 아연 알루미늄(ZnAISbTe), 안티몬화 갈륨(GaSb), 텔루르화 아연(ZnTe), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 텔루르화 망간(MnTe), 비화 갈륨(GaAs), 및 그 조합물 및 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층은, 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 수은(HgTe), 안티몬화 인듐(InSb), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe), 텔루르화 안티몬화 아연 갈륨(ZnGaSbTe), 텔루르화 안티몬화 아연 알루미늄(ZnAISbTe), 안티몬화 갈륨(GaSb), 텔루르화 아연(ZnTe), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 텔루르화 망간(MnTe), 비화 갈륨(GaAs), 및 그 조합물 및 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 소멸층은 8.0eV 내지 0.0eV 범위인 밴드 갭 값을 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층은 8.0eV 내지 0.0eV 범위인 밴드 갭 값을 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 소멸층은 그레이디드 밴드 갭을 갖도록 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 소멸층은 결함을 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  30. 제28항에 있어서,
    결함을 추가로 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  31. 제21항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층 위에 배치되는 층을 추가로 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 층은 광의 파장의 필터인 것인 자기 분극식 광소자.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 층은 보호 코팅인 것인 자기 분극식 광소자.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 층은 렌즈인 것인 자기 분극식 광소자.
  35. 제21항에 있어서,
    상기 제1 접점의 제16 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제5 표면에 전기적으로 결합되는 것인 자기 분극식 광소자.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 제1 접점의 제16 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제5 표면상에 배치되는 것인 자기 분극식 광소자.
  37. 제21항에 있어서,
    상기 제2 접점의 제17 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제7 표면에 전기적으로 결합되는 것인 자기 분극식 광소자.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제2 접점의 제17 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제7 표면상에 배치되는 것인 자기 분극식 광소자.
  39. 제27항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층은 제1 부분 및 제2 부분을 갖도록 제조되며, 가장 큰 밴드 갭 값이 배열된 상기 제1 부분은 상기 제2 부분까지 밴드 갭 값의 점진적인 감소를 갖고서 상기 제3 표면 주위에 배치되고, 가장 작은 밴드 갭 값이 배열된 상기 제2 부분은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제4 표면에 배치되며, 상기 제2 부분에서 밴드 갭 값의 감소가 빠른 것인 자기 분극식 광소자.
  40. 제21항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층은 두께를 포함하고, 상기 두께는 0.1미크론 내지 50.0미크론 범위인 것인 자기 분극식 광소자.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층의 두께는 10.0미크론 내지 20.0미크론의 두께를 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층의 두께는 10.0미크론 내지 20.0미크론의 두께를 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  43. 제21항에 있어서,
    복수의 자기장 라인을 갖는 자기장을 추가로 포함하고, 적어도 하나의 자기장 라인은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제12 표면을 통해 들어가는 것인 자기 분극식 광소자.
  44. 제43항에 있어서,
    적어도 하나의 자기장 라인은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제14 표면을 통해 빠져나가는 것인 자기 분극식 광소자.
  45. 제43항에 있어서,
    적어도 하나의 자기장 라인은 상기 소멸층의 제6 표면을 통해 들어가는 것인 자기 분극식 광소자.
  46. 제43항에 있어서,
    적어도 하나의 자기장 라인은 상기 소멸층의 제8 표면을 통해 빠져나가는 것인 자기 분극식 광소자.
  47. 제43항에 있어서,
    상기 자기장은 0.1테슬라 내지 50.0테슬라 범위인 것인 자기 분극식 광소자.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 자기장은 0.1테슬라 내지 10.0테슬라 범위인 것인 자기 분극식 광소자.
  49. 자기 분극식 광소자에 있어서,
    제1 표면, 제2 표면, 제3 표면, 제4 표면, 제5 표면 및 제6 표면을 갖는 소멸 재료로서, 상기 제1 표면 및 제2 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제3 표면 및 제5 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제4 표면 및 제6 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제3 표면, 제4 표면, 제5 표면 및 제6 표면은 상기 제1 표면 및 제2 표면에 수직하고 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되며, 상기 제3 표면 및 제5 표면은 상기 제4 표면 및 제6 표면에 수직하고 상기 제4 표면과 제6 표면 사이에 배치되며, 상기 소멸 재료는 적어도 하나의 밴드 갭 값을 갖는, 소멸 재료;
    제7 표면, 제8 표면, 제9 표면, 제10 표면, 제11 표면 및 제12 표면을 갖는 제1 접점으로서, 상기 제7 표면 및 제8 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제9 표면 및 제11 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제10 표면 및 제12 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제9 표면, 제10 표면, 제11 표면 및 제12 표면은 상기 제7 표면 및 제8 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제7 표면과 제8 표면 사이에 배치되며, 상기 제9 표면 및 제11 표면은 상기 제10 표면 및 제12 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제10 표면과 제12 표면 사이에 배치되며, 상기 제1 접점은 상기 소멸 재료에 전기적으로 결합되는, 제1 접점; 및
    제13 표면, 제14 표면, 제15 표면, 제16 표면, 제17 표면 및 제18 표면을 갖는 제2 접점으로서, 상기 제13 표면 및 제14 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제15 표면 및 제17 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제16 표면 및 제18 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제15 표면, 제16 표면, 제17 표면 및 제18 표면은 상기 제13 표면 및 제14 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제13 표면과 제14 표면 사이에 배치되며, 상기 제16 표면 및 제18 표면은 상기 제15 표면 및 제17 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제15 표면과 제17 표면 사이에 배치되며, 상기 제2 접점은 상기 소멸 재료에 전기적으로 결합되고, 상기 제1 접점 및 제2 접점은 실질적으로 서로 대향하여 위치하는, 제2 접점
    을 포함하는 자기 분극식 광소자.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 소멸 재료는, 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 수은(HgTe), 안티몬화 인듐(InSb), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe), 텔루르화 안티몬화 아연 갈륨(ZnGaSbTe), 텔루르화 안티몬화 아연 알루미늄(ZnAISbTe), 안티몬화 갈륨(GaSb), 텔루르화 아연(ZnTe), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 텔루르화 망간(MnTe), 비화 갈륨(GaAs), 및 그 조합물 및 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  51. 제49항에 있어서,
    상기 소멸 재료는 8.0eV 내지 0.0eV 범위인 밴드 갭 값을 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  52. 제49항에 있어서,
    상기 소멸 재료는 상기 제1 표면 주위에 가장 큰 밴드 갭 재료를 갖고 상기 제2 표면 주위에 가장 작은 밴드 갭을 갖도록 그레이딩되는 밴드 갭 값을 갖는 것인 자기 분극식 광소자.
  53. 제49항에 있어서,
    상기 소멸 재료 위에 배치되는 층을 추가로 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  54. 제51항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭 재료는 제1 부분 및 제2 부분을 갖도록 제조되며, 가장 큰 밴드 갭 값이 배열된 상기 제1 부분은 상기 제2 부분까지 밴드 갭 값의 약간의 그레이딩을 갖고서 상기 제1 표면 주위에 배치되고, 가장 작은 밴드 갭 값이 배열된 상기 제2 부분은 밴드 갭 에너지가 강하게 감소하는 상기 제2 표면에 배치되는 것인 자기 분극식 광소자.
  55. 자기 분극식 광소자에 있어서,
    실질적으로 평행한 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 기판;
    제1 두께를 갖고, 제3 표면, 제4 표면, 제5 표면, 제6 표면, 제7 표면 및 제8 표면을 갖는 그레이디드 밴드 갭층으로서, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제3 표면 및 제4 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제5 표면 및 제7 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제6 표면 및 제8 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제5 표면, 제6 표면, 제7 표면 및 제8 표면은 상기 제3 표면 및 제4 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제3 표면과 제4 표면 사이에 배치되며, 상기 제5 표면 및 제7 표면은 상기 제6 표면 및 제8 표면에 실질적으로 수직하고, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제4 표면은 반도체 기판의 제1 표면상에 배치되는, 그레이디드 밴드 갭층;
    제2 두께를 갖고, 제9 표면, 제10 표면, 제11 표면, 제12 표면, 제13 표면 및 제14 표면을 갖는 소멸층으로서, 상기 소멸층의 제9 표면 및 제10 표면은 서로 실질적으로 평행하고, 상기 제11 표면 및 제13 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제12 표면 및 제14 표면은 실질적으로 평행하며, 상기 제11 표면, 제12 표면, 제13 표면 및 제14 표면은 상기 제9 표면 및 제10 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제9 표면과 제10 표면 사이에 배치되며, 상기 제11 표면 및 제13 표면은 상기 제12 표면 및 제14 표면에 실질적으로 수직하고 상기 제12 표면과 제14 표면 사이에 배치되며, 상기 소멸층의 제10 표면은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제3 표면상에 배치되는, 소멸층;
    제15 표면 및 제16 표면을 갖고, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제5 표면의 적어도 일부분에 전기적으로 결합되는 제1 접점; 및
    제17 표면 및 제18 표면을 갖고, 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제7 표면의 적어도 일부분에 전기적으로 결합되는 제2 접점
    을 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 재료로 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  57. 제55항에 있어서,
    상기 기판은 절연 재료로 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  58. 제55항에 있어서,
    상기 그레이디드 밴드 갭층은, 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 수은(HgTe), 안티몬화 인듐(InSb), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe), 텔루르화 안티몬화 아연 갈륨(ZnGaSbTe), 텔루르화 안티몬화 아연 알루미늄(ZnAISbTe), 안티몬화 갈륨(GaSb), 텔루르화 아연(ZnTe), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 텔루르화 망간(MnTe), 비화 갈륨(GaAs), 및 그 조합물 및 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  59. 제55항에 있어서,
    상기 소멸층은, 텔루르화 수은 카드뮴(HgCdTe), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 수은(HgTe), 안티몬화 인듐(InSb), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 셀렌화 수은(HgSe), 비화 인듐(InAs), 안티몬화 알루미늄 갈륨(AIGaSb), 안티몬화 비화 인듐(InAsSb), 셀렌화 수은 카드뮴(HgCdSe), 텔루르화 셀렌화 카드뮴 아연(CdZnSeTe), 텔루르화 카드뮴 망간(CdMnTe), 텔루르화 안티몬화 아연 갈륨(ZnGaSbTe), 텔루르화 안티몬화 아연 알루미늄(ZnAISbTe), 안티몬화 갈륨(GaSb), 텔루르화 아연(ZnTe), 안티몬화 알루미늄(AlSb), 텔루르화 망간(MnTe), 비화 갈륨(GaAs), 및 그 조합물 및 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 제조되는 것인 자기 분극식 광소자.
  60. 제55항에 있어서,
    상기 기판 위에 배치되는 층을 추가로 포함하는 것인 자기 분극식 광소자.
  61. 제55항에 있어서,
    복수의 자기장 라인을 갖는 자기장을 추가로 포함하고, 적어도 하나의 자기장 라인은 상기 소멸층의 제12 표면을 통해 들어가는 것인 자기 분극식 광소자.
  62. 제61항에 있어서,
    적어도 하나의 자기장 라인은 상기 소멸층의 제14 표면을 통해 빠져나가는 것인 자기 분극식 광소자.
  63. 제61항에 있어서,
    적어도 하나의 자기장 라인은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제6 표면을 통해 들어가는 것인 자기 분극식 광소자.
  64. 자기 분극식 광소자에서 전하를 포획하는 방법에 있어서,
    제1 표면, 제2 표면, 제3 표면, 제4 표면 및 밴드 갭 구배력을 갖는 그레이디드 밴드 갭층을 제공하는 단계로서, 상기 제1 표면 및 제2 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제3 표면 및 제5 표면은 실질적으로 평행하고, 상기 제2 표면 및 제6 표면은 제1 표면에 실질적으로 수직하며, 상기 그레이디드 밴드 갭층은 복수의 재료를 구비하며, 각각의 재료는 특정 밴드 갭 에너지(eV)를 갖고, 상기 복수의 재료는 동적으로 배열되고, 가장 큰 밴드 갭 재료는 상기 제1 표면 주위에 위치되고, 가장 작은 밴드 갭 재료는 상기 제2 표면 주위에 위치되며, 상기 복수의 재료 각각은 그 사이에 위치된 가장 큰 밴드 갭 에너지로부터 가장 작은 밴드 갭 에너지까지 동적으로 위치된 자신의 밴드 갭 에너지(eV)를 갖는, 그레이디드 밴드 갭 재료를 제공하는 단계;
    상기 그레이디드 밴드 갭층의 제4 표면상에 위치되고 상기 제4 표면에 전기적으로 결합되는 제1 접점을 제공하는 단계;
    상기 그레이디드 밴드 갭층의 제3 표면상에 위치되고 상기 제3 표면에 전기적으로 결합되는 제2 접점을 제공하는 단계;
    복수의 자기 라인을 갖는 자기장 내에 상기 그레이디드 밴드 갭층을 배치하는 단계로서, 적어도 하나의 자기장 라인은 상기 그레이디드 밴드 갭층의 (빠져나갈 필요가 있는가?)의 제4 표면을 통과하는, 그레이디드 밴드 갭층을 배치하는 단계; 및
    상기 그레이디드 밴드 갭층의 제1 표면을 광자원에 노출시키는 단계로서, 광자가 상기 그레이디드 밴드 갭 재료에 의해 흡수되고 이어서 자유 전자 및 자유 정공으로 분열되고, 상기 자유 전자 및 자유 정공은 밴드 갭 구배력에 의해 상기 그레이디드 밴드 갭층의 제2 표면으로 당겨지고, 동시에 상기 자유 전자 및 자유 정공은 자기장에 의해 작용을 받아서 상기 자유 전자 및 그와 연관된 전하가 상기 제1 접점으로 이동되고 상기 자유 정공 및 그와 연관된 전하가 상기 제2 접점으로 이동되는, 광자원에 노출시키는 단계
    를 포함하는 자기 분극식 광소자에서의 전하 포획 방법.
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