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几何 二极管、应用和方法

阅读：122发布：2020-05-12

专利汇可以提供几何二极管、应用和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且描述了几何二极管、方法和器件应用。制造几何二极管，该几何二极管包括由具有平衡移动电荷密度的电导体材料形成器件主体，并且具有器件表面配置。该材料包括具有平均自由程长度的载流子平均自由程，器件主体尺寸基于所述平均自由程长度来选择，以用作第一和第二电极之间、由器件表面配置界定的导电路径，器件表面配置关于从第一电极到第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从第二电极到第一电极的反向方向上的反向电流流动是不对称的。系统包括用于接收电磁辐射的天线，以及与天线耦接的几何二极管，用于接收电磁辐射以便产生电响应。，下面是几何二极管、应用和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.几何二极管，包括：
由具有平衡移动电荷密度的导电材料形成的器件主体，所述器件主体形成有器件表面配置，所述材料进一步特征在于，载流子平均自由程具有平均自由程长度，并且所述器件主体具有基于所述平均自由程长度来选择的器件尺寸；以及
在所述器件主体上限定的至少一对第一和第二电极，使得所述器件主体用作所述第一和第二电极之间的导电路径，其中，通过所述器件表面配置界定所述导电路径，并且所述器件表面配置关于从所述第一电极到所述第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从所述第二电极到所述第一电极的反向方向上的反向电流流动在物理上是不对称的，使得在不需要在所述导电材料中形成耗尽层以产生电流大小的差异的情况下，作为所述电极对之间电压的函数的所述第一电极和所述第二电极之间的所述正向方向上的电流大小不同于所述反向方向上的电流大小。
2.如权利要求1所述的几何二极管，其中，从所述第一电极到所述第二电极的所述正向方向上的电流流动的大小相比于从所述第二电极到所述第一电极的所述反向方向上的电流流动的大小呈现了二极管行为。
3.如权利要求1所述的几何二极管，其中，所述器件表面配置限定了至少一个小于或者等于十倍所述平均自由程的临界尺寸。
4.如权利要求3所述的几何二极管，其中，所述临界尺寸小于或者等于三倍所述所述平均自由程长度。
5.如权利要求3所述的几何二极管，其中，所述临界尺寸是所述导电路径的宽度。
18 -3
6.如权利要求1所述的几何二极管，其中，所述平衡移动电荷密度至少是10 cm ，使得所述导电材料本身支持电流流动。
7.如权利要求1所述的几何二极管，其中，所述器件表面配置被配置以反射在所述导电材料中传输的至少部分载流子，使得在具有给定大小的给定正向偏压下朝向所述正向方向反射的部分载流子比在所述给定大小的反向偏压下朝向所述反向方向反射的部分载流子更多，从而导致所述正向电流流动大于所述反向电流流动。
15
8.如权利要求1所述的几何二极管，被配置以响应高达至少10 Hz的应用频率。
9.如权利要求1所述的几何二极管，在所述电极对之间配置有在10到10000欧姆范围内的阻抗。
10.如权利要求1所述的几何二极管，其中，所述导电材料是金属。
11.如权利要求1所述的几何二极管，其中，所述导电材料是石墨。
12.几何二极管系统，包括：
天线，用于接收电磁辐射；以及
如权利要求1所述的几何二极管，被配置为耦接至所述天线，用于接收所述电磁辐射以便产生跨过所述电极对可用的电响应。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述电磁辐射是太阳辐射，并且所述几何二极管响应于所述太阳辐射产生电功率来作为所述电响应，用于外部使用。
14.如权利要求12所述的系统，其中，所述电磁辐射与调制信号一起调制，并且所述几何二极管基于所述二极管行为来探测作为所述电响应的一部分的所述调制信号，以便响应于所述调制信号产生跨过所述第一和第二电极的解调信号。
15.制造几何二极管的方法，包括：
由具有平衡移动电荷密度的导电材料形成器件主体，所述器件主体具有器件表面配置，所述材料特征在于，载流子平均自由程具有平均自由程长度；
基于所述平均自由程长度来选择所述器件主体的器件尺寸；以及
在所述器件主体上限定至少一对第一和第二电极，使得所述器件主体用作所述第一和第二电极之间的导电路径，其中，通过所述器件表面配置界定所述导电路径，并且所述器件表面配置关于从所述第一电极到所述第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从所述第二电极到所述第一电极的反向方向上的反向电流流动在物理上是不对称的，使得在不需要在所述导电材料中形成耗尽层以产生电流大小的差异的情况下，作为所述电极对之间电压的函数的所述第一电极和所述第二电极之间的所述正向方向上的电流大小不同于所述反向方向上的电流大小。

说明书全文

几何二极管、应用和方法

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求2008年7月18日提交的第61/081,912号美国临时申请的优先权，其内容以引用方式并入本文。

[0003] 概述

[0004] 描述了几何二极管、方法和器件应用。制造几何二极管，该几何二极管包括由具有平衡移动电荷密度的电导体材料形成器件主体，并且具有器件表面配置。该材料包括具有平均自由程长度的载流子平均自由程，并且器件主体尺寸基于所述平均自由程长度来选择，以用作第一和第二电极之间、由器件表面配置界定的导电路径，器件表面配置关于从第一电极到第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从第二电极到第一电极的反向方向上的反向电流流动是不对称的。系统包括用于接收电磁辐射的天线，以及与天线耦接几何二极管，用于接收电磁辐射以产生电响应。

背景技术

[0005] 本公开主要涉及呈现二极管行为的器件的领域，尤其涉及几何二极管器件、方法以及相关应用，其中，几何二极管是由导电材料构成的。

[0006] 现有技术包含了很多在各种应用中呈现二极管行为的器件的示例。大多数情况下，二极管是利用半导体材料形成的。如将要看到的，在本文中，申请人认为出于多种原因，使用半导体材料是有问题的。

[0007] 在现有技术中，大多数二极管是平行板/夹层型几何结构，这导致板之间的大量电容。这个电容导致大的RC时间常数，这往往限制了二极管的响应时间。减少器件的物理尺寸有益地减少了电容，然而，相应的减小尺寸会增加器件的阻抗。这些问题将在下面一个或多个适当位置处进一步解决。

[0008] 申请人认为，半导体材料的半导体能隙从根本上限制了半导体光伏电池的转换效率，使得低于禁带能量的光子被淘汰或浪费掉，并且高于禁带能量的这些光子至多产生禁带的能量。多结电池改善这个问题，但是具有其自身的局限性。申请人进一步认为，如果能够替代地以与电源整流交流电源相同的方式来整流辐射的电磁能量，那么至少原则上能够获得接近100％的转换效率。如果使用低成本的薄膜技术能够实现这种整流，那么这将是太阳能电池技术的革命性进步。然而，申请人没有获知任何具有确认能够实用的转换效率的光伏整流器的报告。此外，据认为，这方面的主要障碍是由于将在下面适当位置提出的、二极管本身的各种原因。

[0009] 关于半导体器件的主要关注涉及制造成本，因为其需要相对复杂的制造工序，如将在下文中在一个或多个适当位置所更加详细讨论的那样。

[0010] Song等人在第7,224,026号美国专利(下文中称为Song专利)中公开了使用半导体材料的最新方法。其所描述的器件的操作看起来是以穿过耗尽层的形成的通道宽度的调制为前提。

[0011] Song自己在多篇文献论文中特别地提出采用不同方法，包括：1998年4月27日在Physical Review Letters中发表的“非对称微结中的非线性电子传输：弹道整流器 (Nonlinear Electron Transport in an Asymmetric Microjunction：A Ballistic Rectifier)”；2002年4月22日在Applied Physics A中发表的“Electron Ratchet Effect in Semiconductor Devices and Artificial Materials with Broken Centrosymmetry(具有破损中心对称的半导体器件和人工材料中的电子棘轮效应)”；以及2004年在Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology中发表的“Room-Temperature Ballistic Nanodevices(室温弹道纳米器件)”(以下称为Song论文)。然而，Song论文仍然是依赖于半导体材料的使用，这不适合于下面所描述的应用。

[0012] 另一个最新方法出现在第6,563,185号美国专利中(以下称’185专利)，其中描述了金属-绝缘体-金属电子隧道基器件。虽然’185专利通过使用金属/绝缘体分层技术提供了相对于当时存在的现有技术的较大优势，但是申请人认为本申请提供了更进一步的优势。

[0013] 相关技术及其相关限制的上述例子旨在说明性，而非排他性。对于本领域技术人员来说，通过阅读说明书和研究附图，相关技术的其他局限性将变得显而易见。

[0014] 参考文献

[0015] 通过上面合并的第61/081,912号美国临时专利申请引用以下材料。

[0016] 1.“Metal-Insulator Diodes for Solar Energy Conversion(用于太阳能转换的金属-绝缘体二极管)”，Blake J.Eliasson，科罗拉多州大学博士论文，2001。

[0017] 2.R.Corkish，1，M.A.Green 和 T.Puzzer，“Solar energy collection by antennas(通过天线采集的太阳能)”，Solar Energy，第73卷，第6期，2002年12月，第395-401页。

[0018] 3.“Solar cells using arrays of optical rectennas(使用光硅整流二极管天线阵列的太阳能电池)”，美国专利申请20070240757，2007年10月18日，Ren；Zhifeng等。

[0019] 4.“Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon：Optical Rectenna Solar Cell Final Report(超越地平线的光伏技术：光学硅整流二极管天线太阳能电池的最终报告)”，B.Berland，2003年2月NREL/SR-520-33263。。

[0020] 5.“Detectors at the Intersection of Photons and ElectromagneticFields or，Where Einstein Meets Maxwell(在光子和电磁场交叉处的探测器，或爱因斯坦遇到麦克斯韦的地方)”，特邀报告，B.Eliasson和G.Moddel，Spring Meeting of the Materials Research Society(材料研究学会的春季会议)，美国旧金山，2005年3月28日-4月1日。

[0021] 6.N.W.Ashcroft 和 N.D.Mermin，Solid State Physics(Holt，Rinehart and Winston，1976)，第38页，51-52。

[0022] 7.M.C.Tringides、M Jatochowski 和 E.Bauer，“Quantum size effects in metallic nanostructures(金属纳米结构中的量子尺寸效应)”Physics Today，2007年4月，第50页。

[0023] 8.Hiratsuka，Y. 等，“Controlling the direction of kinesin-driven microtubule movements along microlithographic tracks(沿着微光刻轨迹控制kinesin驱动微管运动的方向)”，Biophysical Journal，81，1555-1561，2001。

[0024] 9.Fletcher 和 Bailey，1973.Fletcher，J.C.，Bailey，R.L.，“Electromagnetic wave energy converter(电磁波能量转换器)”，美国专利第3,760,257号(1973)。

[0025] 10.“Device integrated antenna for use in resonant and non-resonant modes and method(集成用于共振和非共振模式的天线的设备和方法)”，Manoja D.Weiss，Blake J.Eliasson和Garret Moddel，美国专利第6,664,562号(2003)。发明内容

[0026] 结合系统、工具和方法描述并说明了以下实施方式及其方面，这些实施方式旨在说明性和示例性，而不是限制范围。在各种实施方式中，上述问题中的一个或多个已经被减少或消除，而其他实施方式针对其他改进。

[0027] 总的来说，描述了几何二极管、相关联的方法和器件应用。制造几何二极管，所述几何二极管包括由具有平衡移动电荷密度的导电材料形成的器件主体，所述器件主体形成有器件表面配置。所述材料进一步特征在于，载流子平均自由程具有平均自由程长度，并且所述器件主体具有基于所述平均自由程长度来选择的器件尺寸。在所述器件主体上限定至少一对第一和第二电极，使得所述器件主体用作所述第一和第二电极之间的导电路径，其中通过所述器件表面配置界定所述导电路径，所述器件表面配置关于从所述第一电极到所述第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从所述第二电极到所述第一电极的反向方向上的反向电流流动在物理上是不对称的，使得在不需要在所述导电材料中形成耗尽层以产生电流大小差异的情况下，作为所述电极对之间电压的函数的所述第一电极和所述第二电极之间的所述正向方向上的电流大小不同于所述反向方向上的电流大小。

[0028] 在一个特征中，系统包括用于接收电磁辐射的天线；以及耦接至所述天线的几何二极管，如本文所教导，用于接收所述电磁辐射以便产生跨越所述电极对而可用的电响应。

[0029] 除了上述示例性方面和实施方式，通过参照附图并研究以下说明书，进一步的方面和实施方式将变得更加显而易见。

附图说明

[0030] 附图中的参考图示出了示例性实施方式。本文所公开的实施方式和图旨在说明性而非限制性。

[0031] 图1是根据本公开产生的几何二极管的图解平面视图；

[0032] 图2是图1的几何二极管进一步放大的图解平面视图，示出了几何二极管工作的更多细节；

[0033] 图3是示出光伏整流器布置的一个实施方式的图解平面视图；

[0034] 图4是图4视图的一部分的进一步放大图，示出了几何二极管的级联配置；

[0035] 图5是包括耦接到几何二极管的介质天线的组件的图解正视图；

[0036] 图6是限定了能够产生二极管行为的不对称槽的导电材料的图解正视图；

[0037] 图7是示出了产生纳米级不对称图案金属层的系统的一个实施方式的图解正视图；

[0038] 图8是支撑由图8的系统所形成的导电膜的基板的图解正视图；

[0039] 图9是根据本公开产生的平面配置的几何二极管的另一个实施方式的图解平面图；

[0040] 图10示出了体积三维结构几何二极管的一个实施方式的图解立体图；

[0041] 图11是根据本公开产生的平面几何二极管的另一个实施方式的图解平面图；以及

[0042] 图12是示出了根据本公开的方法的一个实施方式的流程图。

具体实施方式

[0043] 提供以下描述以便使本领域普通技术人员能够实施并使用本发明，并且在本专利申请及其要求的范围内提供以下描述。对本领域技术人员来说，对所描述的实施方式的各种修改将是显而易见的，并且本文中所教导的一般性原理可以应用到其他实施方式中。因此，本发明并不旨在限于示出的实施方式，而是要求给予与本文所描述的原理和特征(包括修改和等效物，如所附权利要求的范围内所限定的)一致的最大范围。注意的是，附图不是成比例的，并且实际上以被认为是最能说明感兴趣的特征的方式来图解。为了增强读者的理解，关于附图中提供的各种视图可以采用描述性术语，并且描述性术语绝不是限制性的。

[0044] 现在将注意力指向附图，其中相同参考数字可以用于指代贯穿各种视图的相似项。图1的图解平面图示出了大体上由参考数字10指示的几何二极管的一个实施方式。作为本文和所附的权利要求中所使用的术语，几何二极管是根据器件的物理几何结构整流交流电的二极管。二极管10能够包括电导体(例如金属)的图案化的薄膜。下面将关于能够形成二极管的各种材料来提供其他细节。目前，要充分注意的是，所述材料是具有移动载流子密度的电导体，其中具有移动载流子密度是电导体的特性。以图解方式示出了载流子的数量，一些载流子是由参考数字12所示。进一步举例来说，在直的区域14和16中，薄膜能为10纳米厚和10纳米宽，在三角箭头的基极处薄膜是50纳米宽，并且具有40纳米的三角形长度。箭头形区域18分隔直的区域14和16。应该理解的是，二极管10包括外围表面配置，在这个实施例中，该外围表面配置是由在上表面22和下表面(在本视图中不可见)之间延伸的外围侧壁20的布置来限定的。下表面能够支撑在合适的衬底(未显示)上，例如玻璃、塑料或半导体。区域14和16分别支撑和或限定一对电极30和32，以便于与二极管的外部电连接。可以以任何适当的方式(例如，通过溅射)并且由任何合适的材料(例如，覆盖金的铬)来形成电极。在一个实施方式中，电连接能够由形成二极管的导电材料直接形成。在任何情况下，形成几何二极管的导电材料因此用于限定在电极之间延伸的导电路径。正如将要看到的，几何二极管由于(至少部分地)外围表面配置而工作，在这种情况下在本实施例中，在附图的视图中，箭头形使得载流子(如电子)与向左漂移相比更容易地向右漂移。虽然不是必需的，但是余下的讨论将载流子视为电子。

[0045] 现在转向与几何二极管工作有关的细节，当没有施加电压或在设备上不存在电压时，平衡移动电子具有热能而移动，并且分散在结构中。正如自由电子理论所描述的，电子8
以约10 厘米/秒(这比热速率更大)的费米速率移动。Drude模型描述的运动相当恰当，使得电子在适于平均碰撞时间的碰撞之间的传输处于随机的方向，该平均碰撞时间是材料性能和温度的函数。

[0046] 转向图2，图2是几何二极管10的图解平面视图的部分截面图，假设当电子12遇到边缘时，它们基本上发生镜面反射，使得电子的运动是由图2中的箭头所表示的那样，其中电子的反射角等于该电子的入射角。通过“基本镜面地”以及相似术语，申请人旨在涵括反射角的统计分布，该统计平均地呈现与以随机角度反射不同的镜面反射的容差。在没有电压影响电子的情况下，相等数量的电子随机地向右和向左散射，因而没有净电流。

[0047] 再次回到图1，然而，当电子受到电压的电场时，情况发生变化。考虑负电压施加到器件的右侧并且器件的左侧接地的情况。在这种情况下，存在将电子吸引到左边的电场，如图1中箭头40所示。通过随机热运动控制电子运动，以很小但是不断叠加的向左漂移来响应施加的电场。在正常的导体条中，这个漂移场会导致向左的相应电子流。然而，在这种结构中，形状像箭头的电子碰撞区域18在一定程度上起到阻碍作用。特别地，如果向左移动的电子散射到器件的基本垂直于传导路径的两个边缘42和44中的一个时，那么电子将反射回到向右方向，如图2中的箭头50所示。通过术语“基本垂直”和相似术语，申请人旨在涵括至少在垂直方向的一定容差内的、不会对器件工作产生实质性影响的方向。因此，箭头40方向的电子流比缺少垂直方向边缘的情况下的电子流低，并且被认为是二极管10的反向电流流动方向。

[0048] 现在考虑将正电压施加到器件的右侧且器件的左侧接地的情况。在这种情况下，存在将电子吸引到右边的电场，如图1中箭头52所示。由随机热运动控制的电子运动，以很小但是不断叠加的向右漂移来响应施加的电场。在这种结构中，形状像箭头的电子碰撞区域18在一定程度上具有阻碍作用但是相比于相反电压的情况是很小的。在这方面，如果向右移动的电子散射到器件的两个倾斜外围侧壁54中的一个，那么电子将反射但是仍然继续向右移动，如图2中的箭头56所示。因此，对于相等但相反的电场，箭头52方向的电子流比相反方向的电子流更大，并且被认为是二极管10的正向电子流流动的方向。

[0049] 以这种方式，该结构作为二极管，与施加同样幅度的负电压相比，在右手侧施加正电压会允许更大的电流流动。可以理解的是，几何二极管工作需要电场存在，因为载流子(如电子)的纯随机运动不能产生动力。电场存在时，发生整流，优选的一个方向上的电子流超过相反方向的。有很多方式能够产生电场，包括电极之间施加AC电压、电极之间的DC偏置、在电极之间施加的AC电压和DC偏置的组合、电连接到二极管的天线的AC电响应，天线的AC电响应和电极之间DC偏置的组合，使得能够施加上述DC偏置或通过响应AC电压的二极管来形成自偏置。虽然器件的侧壁示出为直的，但是它们可以是曲线的甚至是垂直的轮廓，只要他们继续发挥维持期望电流的功能。

[0050] 在一个实施方式中，几何二极管的尺寸大约是电子平均自由程的尺寸，即散射事件之间弹道传输的距离。电子平均自由程是形成几何二极管的材料特性，并且表示材料中的载流子所遇到的散射事件之间的平均距离。散射事件能够产生于，例如，载流子遇到热振动、缺陷、杂质或表面。注意的是，电子相遇并且以基本上镜面方向从器件表面配置反射的散射事件是发生在电子弹道传输过程中的弹性事件。对于银和金，在室温下，平均自由程至少大约是10纳米至60纳米。因此，在一个实施方式中，器件的尺寸可能是此量级，即，大约在10纳米到100纳米之间。应该理解的是，没有表示材料中的弹道传输的平均自由程的截止长度的阈值。与截止型性能相反，弹道传输的实用性似乎只是简单地随着距离增加而逐渐减弱，直到达到弹道传输可忽略不计的程度。注意的是，如本文所指导的但是不同于之前讨论的Song专利，几何二极管的工作既不以形成耗尽层为前提，也不需要形成耗尽层。

[0051] 参照图1，应该理解的是，器件尺寸能够以至少两种方式来表征。在第一实施方式中，器件可能被认为在电极30和32之间限定导电路径，使得电极之间的距离与平均自由程长度有关或以平均自由程长度为量级，以提供电子在没有经历散射事件的情况下，沿着从一个电极到另一个电极的路径整个长度进行弹道地传输。器件的这种形式在本文中可以被称为模式1器件。由导电材料形成的器件10可以按照这个模式工作，但并不局限于此模式工作。另一方面，应用于缺乏显著平衡移动电荷密度的半导体弹道器件是一种限制。这种在性能上表现为半导体的半导体器件大体上具有少量移动电子，使得电流流动将要求每个注入电子在从一个电极到另一电极的器件的整个长度上传输。

[0052] 在第二实施方式中，具有每立方厘米1018或更多平衡移动电荷密度的器件10可以在电极30和32之间限定导电路径，使得电极之间的距离能够显著地大于平均自由程长度，以致单个电子从一个电极到另一个电极的导电路径的整个长度上弹道传输是不可能的。尝试从一个电极传输到另一个电极的电子可能遭受非弹性碰撞，在这点上导电介质中的任何相邻电子携带电流，使得导电材料中的平衡移动电子之间存在合作。由于大多数实际应用所需要，所以在室温条件下这个电流流动是可用的。由于使用导电材料，所以基本上没有对二极管的两个电极之间的距离限制，然而，器件的至少一个临界尺寸应该得以维持，这将在本文的一个或多个适当位置进行进一步详细描述。与绝缘或半导体材料情况相反，当电流由注入到材料中的电荷所携带时，在平衡移动电荷大量集中的传导材料中，这个平衡电荷的扩散和漂移对电流有贡献，并且结合不对称的几何形状，对几何二极管的二极管行为也18
有贡献。注意的是，然而，如果材料是重掺杂以实现大约每立方厘米10 或更高的平衡移动电荷密度，那么半导体的行为能够被修改为具有类似导电材料的性能。通过这种方式，至少从实用的立场来看，不同于将电荷注入到缺乏移动电子的材料结构，该材料能够以与金属或电导体传导电流基本相同的方式传导电流，其电流来自于平衡移动电荷的传输，。注意的
22
是，典型的金属具有每立方厘米10 或更高的平衡移动电荷密度。此外，根据这种工作模式工作的器件可以被称为模式2器件。

[0053] 根据Drude模型，电子可以被视为反弹静止的原子和缺陷的硬球，使得在碰撞之间通过它们的热能和来自施加电场的力来确定该球的速率。

[0054] 现实中，除了Drude行为，其他影响有可能发挥作用。在较低的尺寸量级端，纳米结构中可能会出现量子尺寸效应。通过精心的建模和设计，很可能的是这些量子尺寸效应能够用于增强二极管工作。来自金属上表面和下表面的电子碰撞以及电子反射的实际角度，可能导致对Drude模型行为的其他修改。其他影响可能在关于光伏应用中的几何二极管的使用而发挥作用，如将在下面进一步讨论的。

[0055] 虽然应该理解的是，本文所述的几何二极管可以广泛的用于各种应用中，如任何二极管的情况，但是以下讨论针对几何二极管接收电磁辐射的应用，例如光电应用、探测器应用和热光伏功率转换器应用。为提供高效率的光伏整流器，二极管应具有以下特性：

[0056] 1.高频率响应。大体上黑体太阳光谱包含延伸到1015赫兹的显著的辐射，这需要可在1PHz处整流的二极管。在现有技术的金属-绝缘体二极管的情况中，基础的隧道机制是以飞秒为量级，但寄生现象(RC时间常数)将二极管响应限制为至少低于所需频率一个数量级的幅度。因此，不仅基础响应时间必须极短，而且电容必须极小。热光伏(TPV)系统14
在更长的波长工作，因此用于整流TPV系统的二极管需要工作在高达“仅仅”10 赫兹。几何二极管的材料选择可以根据对高频响应的需要而作出。作为实施例，在室温下，感兴趣-14
的主要金属(如银)的碰撞时间大约是10 秒。这对于捕获太阳光谱的整个近红外和可见光部分来说还不够短。由于额外的界面和缺陷的存在，薄膜中的实际碰撞时间可能会更短。因为碰撞时间与平均自由程成反比并且平均自由程可能比需要的更大，所以通过减小器件的尺寸和引入缺陷(例如，通过使表面有纹理或者引入带电杂质)能够减小平均自由程。在这种折衷中，产生的器件将具有更快的响应时间，从而能够以具有更短平均自由程的代价来整流更高频率，因此需要制造具有更小临界尺寸的更小器件。

[0057] 2.不对称性。电流-电压[I(V)]曲线应该是充分不对称的，以便产生高输出功率。这个要求在一定程度上是宽松的，因为涉及光子能量。对于较低频率，对应于中红外和更长的波长，可以使用传统的整流器概念来计算功率转换效率。然而，在可见波长频率处，光子能量是以涉及I(V)曲线出现非线性的电压(乘以电子电荷)为量级。在这个光子能量范围内，需要使用I(V)曲线中光子能阶的半经典/量子方法。相比于纯经典方法，这将给出基本上更高的整流。从简单的Drude模型图片看出，几何二极管的I(V)不对称性显示为实质性的，而且混入量子效应很可能进一步提高I(V)的不对称性和光伏整流、探测器和热光电应用的性能。

[0058] 3.阻抗匹配。为了适度有效地从天线向二极管转移功率，这两个元件应该是关于电阻抗匹配的。这一直是使用现有技术的二极管所难以实现的。天线阻抗往往很低，为数百欧姆。为了减少现有技术二极管的寄生电容和由此减少时间常数，二极管通常是制作得非常小，因此通常具有阻抗远远大于天线阻抗的问题。因此，耦合损耗一直是主要问题。至少因为该器件本身由电导体形成，所以几何二极管的阻抗将很小，因此通过具有更低阻抗(例如在10欧姆到10000欧姆的范围内)而实现了与天线良好匹配。在这方面，能够定制几何二极管的外围轮廓，以便为了匹配二极管而将期望阻抗对准特定的天线阻抗，例如通过改变其厚度或者长-宽比。因此，几何二极管避免了上述有关现有技术的平行板夹层型二极管的电容及其相关阻抗的问题。

[0059] 材料

[0060] 上面提到的银，这里适当提供关于这种材料的更多细节。100纳米长、10纳米宽、10纳米厚的银条串联电阻大约是15Ω。由几何不对称性而增加的电阻导致超过与天线阻抗匹配的正确范围约10至1000Ω的差分电阻。

[0061] 金呈现了与银类似的、具有几十纳米量级的平均自由程，因此是有用的材料。金具有不同于银的其他优势：它不会氧化，因此形成稳定薄膜。

[0062] 石墨是由碳的平片制成的材料。虽然石墨目前很难以商业规模制作，但是因为这种材料表现出非常大的平均自由程，所以人们对它很感兴趣。导电石墨的使用可能提供相对更大的器件，但仍然满足贯穿本文所讨论的器件大小及临界尺寸/特征的要求。

[0063] 然而，如本领域普通技术人员所理解的，材料可以是任何导电材料，包括金属、等离子、导电半导体和导电聚合物材料等等。此外，尽管目前所显示的二极管形状是简单的箭头，但是应该理解的是，二极管可以采取各种各样形状，只要它们关于电流流动的两个方向是不对称的。器件能够由单个二极管形成或者形成尚未描述的一系列二极管级联。器件能够在第三维中是平的(即平坦的)，或者在第三维中构造，如将进一步所描述的。特别地，第三维成形能够提高二极管效应。

[0064] 本文所述的概念能够扩展为包括二极管以外的其他器件的设计和制造。例如，在距传导条间隔很小距离的第三电极上所施加的电压能够用于当电子通过第三电极时，改变条的边缘处电子的散射。以这种方式，这个概念能够应用于形成场效应晶体管和类似器件。

[0065] 这些器件能够用于广泛的应用。这些应用包括但不限于用于太赫兹电子、光通信、热电发电机和热电冷却器等超高速电路。如本文所述，这些器件能够用于整流由微型天线接收的太阳辐射，以形成太阳能电池。在每种情况中，几何二极管的特性(包括高速、低电阻、低电容和/或便于制造)具有优势。在热电设备的情况下，存在提供优势的其他特性。热电装置的优点特征是正比于电导率除以热导率。如本文所述，几何二极管的电导率能够制造得很大。由于器件能够是平面的，使得电极间的热传导能够沿着薄膜前进，所以热导率能够设计成远远低于夹心结构二极管的热导率，其中夹心结构二极管的大面积和小厚度导致高热导率。因此，低热导率的附加特性为某些应用提供了优势。

[0066] 天线

[0067] 几何二极管能够与天线耦接，用于光伏或探测器应用。现有技术介绍了与平面蝴蝶形结和偶极天线耦接的金属-绝缘体隧道二极管器件。这种天线是相对地直线向前制作的，并且应该与平面几何二极管一起使用。单一金属沉积和纳米压印光刻步骤能够制造完整的光伏整流器阵列。

[0068] 图3是示出大体上由参考数字100所示的光伏整流器布局的图解平面图。天线102是平面的并且是蝴蝶结形式的。在太阳能电池中，这种器件的大阵列能够被布置在合适的绝缘基板上，例如玻璃或塑料。在工作中，玻璃一侧暴露给太阳辐射，以及图案一侧朝下并且由空隙或适当介质密封剂围绕。在本实施例中，平面天线102分别包括相对的一对第一弓臂104和第二弓臂106。每个弓臂包括最内部顶端108和最外部边缘110。一对向外发散的边缘112在每个弓臂的每个最内部顶端108和每个最外部边缘110之间延伸。弓臂的顶端108与整流器布置120(虚线内所示)电通信，如立即在下文中所进一步详述的。

[0069] 注意力现在指向与图3相关联的图4。图4是整流器布置120的进一步放大图解平面图。在这个实施例中，虽然可以使用包括单个二极管在内的任何适当数目的二极管，但是该整流器布置包括表示为122a至122e的五个几何二极管的串联或级联连接。这些二极管按照与上述描述一致的方式工作，限定由箭头所示的电流流动的正向方向124。该布置接收太阳电磁辐射130(图3)，将太阳电磁辐射整流为直流电源，该直流电源在天线左侧和右侧的电极132和134处是可用的。在两个最外部边缘110处，电极的放置阻止了电极的光学频率损失。注意的是，直接来自天线和几何二极管阵列之间的区域136和138的太阳能是可用的。通过使用任何合适的、提供与系统电通信的电连接可以提取太阳能。虽然几何二极管或二极管要求存在使他们工作的电场，但是在太阳能电池应用中，系统可以自偏置使得对太阳能的暴露将导致自发产生的偏置电压，有可能暴露给太阳辐射几毫秒。在其他应用(如探测器)中，几何二极管可用于零配置或具有施加的偏置。

[0070] 参照图3，应该理解的是，在另一个实施方式中，图3的布置能够配置为接收调制的输入电磁辐射130’的探测器布置，该调制的输入电磁辐射130’包含待解调的信号。恢复的电信号响应140是可用的，例如跨过电极132和134。

[0071] 参照图5，另一个可能有用的天线是棒状介质漏波天线200，代替金属天线来使电磁辐射耦接入几何二极管。在这个实施方式中，天线支撑在几何二极管202上，几何二极管202依次支撑在衬底204上。这种介质天线能够减少太阳辐射的整流中与金属天线相关联的传导损失。能够选择介质天线下方的二极管或多个二极管的位置和方向，以最大化由于介质天线内的电磁模式所引起的二极管导电材料中的电流激励。

[0072] 制造

[0073] 几何二极管能够有利地相对容易的制造。例如，二极管在合适的绝缘基板(例如，玻璃)上形成为导电材料的单一图案层。可替换地，为了提高对玻璃的粘附力或者减少电阻损耗，可以连同主要传导材料一起形成多层材料层图案。在生产中，与DVD冲压成型非常相似，使用纳米压印技术能够制作二极管以及相关的几何结构。纳米压印技术涉及生产物理模具，然后该物理模具能够用于制造相对特别多的器件。例如，通过聚焦离子束光刻或高能电子束光刻能够制造物理模具本身。因此，使用几何二极管的太阳能电池预计将比使用任何其他光伏技术的更便宜。

[0074] 现在转向图6，示出了导电材料的图解正视图，并且由参考数字300表示导电材料。应该理解的是，材料300能够支撑于合适的基板(未示出)上。在这个实施方式中，通过由材料300所限定的不对称槽302的方式提供不对称特征。读者将记得在图1中，不对称特征是箭头区域18。应该理解的是，几何二极管能够由具有蚀刻在其中的图案的薄膜形成，或者具有从其上突出延伸的薄膜形成。因此，剩余的导电材料限定了倒箭头形状的一半。对于经历电流流动的正向的电子12，在附图的视图中，向左移动的这些电子遭受更少反转它们方向的反射，因为它们可能遇到外围器件配置中的倾斜壁310。另一方面，向右移动的电子可能遇到作为外围器件配置一部分的、基本上垂直于导电路径的垂直壁312，因此在正向304上传输的电子流期望更低电阻。

[0075] 参照图7，图解视图以正视图形式示出了系统的一个实施方式，大体上由参考数字400表示，用于产生纳米级不对称图案的金属层。特别地，源(例如，热蒸发器402)被布置为将蒸发的导电材料404沉积在基板406上，基板支撑408关于蒸发器以倾斜方向支撑基板406。

[0076] 在图8的图解正视图中图解地示出了图7所示的系统和过程，其中基板406支撑具有所示出的不对称配置以产生倾斜柱状结构的导电膜410。基于本文已经公开的教导，膜410能够以几何二极管级联的方式工作，限定如箭头所示的电流流动的正向412。在另一个实施方式中，基于不对称柱状膜的斜向蒸发的相同概念，绝缘材料可替代材料404，导致绝缘材料替代膜410。接着另一个金属薄膜(未示出)能够沉积在绝缘不对称柱状膜的顶部，并将其覆盖以形成保形导电层。然后基于与层410相似的几何结构，这个保形导电层具有期望的几何二极管的级联特性。

[0077] 图9是大体上由参考数字500表示的几何二极管的另一个实施方式的图解平面图。二极管500形成为图案化的导电层。区域502和504邻接二极管，并且具有大体上一致的宽度506。器件能够形成为在一个实施方式中具有总体器件尺寸，它配置为模式1器件以提供通过由该器件或其他器件所限定的导电路径508(用箭头示出)的整个长度的弹道电子传输，在模式2的实施方式中，只需要一个或多个临界尺寸来使用更多有限范围的建立电流流动的正向方向的弹道电子传输。对于模式2器件，区域502和504可以基本上拉长至任何所需要的长度，以便延伸到电极(未示出)。形成二极管区域以包括倾斜侧壁510，该倾斜侧壁510偏离孔径512，并通向区域504。这些倾斜侧壁往往反射电子以保持电子在正向方向的移动。虽然侧壁示出为直的，但是他们可以是曲线的，甚至是垂直的轮廓，只要他们继续发挥维持所期望的电流的功能。应该注意的是，如贯穿本文所使用的术语孔径是指由于它的尺寸相当于平均自由程而导致弹道电子传输通过该孔径的特征，而不是指物理空隙或洞。也就是说，孔径足够小使得由于平均自由程长度而发生弹道电子传输。至少从实用立场来看，虽然对于大于平均自由程长度的孔径、特征和器件尺寸，在单独一对碰撞之间发生的弹道电子传输的数量逐渐降低，但是对于小于平均自由程长度的孔径、特征和器件尺寸，确保了这种弹道传输。侧壁516布置为至少大体上垂直于导电路径508，用于终止区域502并且产生反射，该反射往往反转在反向方向上传输的部分电子流。在使用金属(如，金)形成器件的一个模式2实施方式中，拉长的区域502和504的宽度506大约是
1纳米，倾斜侧壁510在导电路径上的投影的长度大约是10纳米。注意的是，器件的宽度已经被夸大了，并且与器件的长度不成比例。孔径512能够作为主要临界尺寸，主要临界尺寸具有明显小于平均自由程长度的宽度，例如，平均自由程长度的五分之一。此外，从孔径到不对称结构的距离作为次要临界尺寸。这是孔径512和倾斜侧壁510之间的距离，也是孔径512和垂直侧壁516之间的距离。在图9中，特征512和510，以及特征512和516是彼此直接相邻的，因此都在平均自由程内。因此，邻近孔径512的不对称结构用于反射在导电材料中传输的至少部分载流子，使得当从第一电极到第二电极存在正向偏置时，朝向正向方向反射的部分载流子比朝向反向方向反射的部分载流子更多，以便导致正向电流流动大于反向电流流动。在这方面，应该理解的是，在图9的放大视图中电极连接是不可见的，但在外观上存在与区域502和504向左和向右的电通信。

[0078] 图10示出了如图解立体视图中所示的大体上由参考数字600指示的体积三维结构的一个实施方式。在这个实施方式中，几何二极管区域602使相对的圆柱体积608和610分离。圆锥体体积614从体积608引导至孔径620，其中至少孔径620能够用作连接至体积区域610的临界尺寸。应该理解的是，只要在本公开的范围内，可以以无限种配置来产生体积三维结构，并且不限于旋转的表面。此外，这种结构可以以任何适合的方式来支撑，例如，在任何适合的基板上。

[0079] 现在参考图11，几何二极管的另一个实施方式是以图解方式示出的平面视图，并且大体上由参考数字700所示。二极管700形成为布置在适合基板(未示出)上的图案化的导电层，但是本文所揭示的概念对于其他结构(包括三维结构)同样适用。二极管700提供了沿着两个电极和/或天线臂(由于示例性约束而未示出)之间的导电路径702的不对称结构。与上述二极管不同，这种二极管的工作不依赖于反射机制。注意的是，在图中将与平均自由程长度L相关的尺寸应用于该结构。第一区域710包括成锥形到第一孔径720的侧壁712，第一孔径720作为宽度为L/5的狭窄路径722的一端，使得第一孔径和路径宽度作为临界尺寸。通过第一缝隙732和第二缝隙734，路径722与第二区域730在每一侧分隔。这些缝隙的宽度都是L/5。路径本身长度为2L，并延伸至宽度为L/5的第二孔径740。区域730的宽度是4L。

[0080] 已经描述了几何二极管700的结构，下面将描述其工作。为了便于讨论，以第二孔径740为圆心画出半径为L的虚线圆750的一部分。以第一孔径720为圆心画出半径为L的第二圆的一部分的虚线弧752。应该理解的是，由虚线圆750所包含的材料体积754在第二孔径的平均自由程长度内，使得在该材料体积内的电子能够在散射距离上以弹道方式到达第二孔径的紧邻处。类似地，对于第一孔径720，处于弧752内的材料的体积760内的电子足够接近第一孔径，使得这些电子以弹道方式到达第一孔径。然而，体积760相比于体积750在尺寸上要小很多。由于这个原因，当从第二孔径740向第一孔径720传输时，可用于通过路径722传递的平衡电子的数量是最大的，因此导致了与孔径720附近电子相比，孔径740附近电子的过度集中。这种电子过度集中产生了往往对抗进一步从区域730进入路径722的电子传递的内置电场。这产生了具有电子流的正向方向(如所示，在附图的视图中是向上的)的二极管行为。应该理解的是，当保持在本文所提出的教导的范围内时，能够以多种方式修改关于二极管700的结构和尺寸细节。此外，应该理解的是，路径722本身工作为在体积750和760之间延伸的扩展孔径。特别地，基于可用于临界尺寸(例如，孔径)的平衡移动电荷密度的体积量，能够产生整流或二极管行为。此外，二极管700以不需要依赖于反射、而只是由外围器件表面配置的几何结构来施加限制的这种方式来工作。术语二极管行为是指二极管所展示的单向性，也可是大体上称为整流特性。二极管行为还提供电磁信号的探测或解调。

[0081] 根据上述各种实施方式，应该理解的是，载流子在几何二极管内通过孔径或孔径组，使得在孔径一侧的物理结构不同于另一侧(“不对称”)。主要临界尺寸是孔径大小，在薄膜结构的情况下孔径大小是它的宽度，在体积结构的情况下孔径大小是它的宽度或高度。次要临界尺寸是孔径到不对称结构的距离。在一些实施方式中，基于与载流子反射有关的行为能够形成不对称结构，在另一些实施方式中，基于与平衡移动载流子的体积有关的性能能够形成不对称结构，这在孔径的一个散射距离(可以是平均自由程长度)内是容易的。主要或次要临界尺寸之一或二者应该不超过载流子平均自由程长度的特定因子。依赖于特殊结构和电流-电压特性所需要的不对称程度，这个因子通常是平均自由程长度的0.1至10倍。因此，能够制造出临界尺寸小于或等于3倍的平均自由程的有用器件，以便关于平均自由程长度维持足够的弹道传输。

[0082] 图12示出了根据本公开制造几何二极管的方法的一个实施方式，大体上由参考数字800指示。在802，器件由具有平衡移动电荷密度的导电材料形成，并且具有器件表面配置。材料的特征在于，载流子平均自由程具有平均自由程长度，并且器件主体的器件尺寸是基于平均自由程长度来选择的。在804，在器件主体上限定至少一对第一和第二电极，使得器件主体用作第一和第二电极之间的导电路径，其中通过器件表面配置界定导电路径，器件表面配置关于从第一电极到第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从第二电极到第一电极的反向方向上的反向电流流动在物理上是不对称的，使得作为一对电极之间电压的函数的第一和第二电极之间正向方向上的电流大小不同于反向方向上的电流大小。注意的是，不需要在导电材料中形成耗尽层以产生电流大小差异。

[0083] 虽然每个上述物理实施方式已经示出了具有特别的各自倾向性的不同组件，但是应该理解的是，本发明可以呈现具有位于各种不同位置且具有共有的倾向性的不同组件的各种具体结构。此外，可以以无限数量的方式改变本文所描述的方法，例如，重新排列各种组成顺序。因此，本领域技术人员可以对上面已经描述了多种示例性方面和实施方式做出某些修改、排列、补充和子组合。因此，本发明旨在以下所附的权利要求，并且本文所提出的权利要求被解释为包括所有这些在本发明真正精神和范围内的修改、排列、补充和子组合。

[0084] 概念

[0085] 作为简短摘要，本文至少公开了以下的广泛概念。

[0086] 概念1.几何二极管，包括：

[0087] 由具有平衡移动电荷密度的导电材料形成的器件主体，所述器件主体形成有器件表面配置，所述材料进一步特征在于，载流子平均自由程具有平均自由程长度，并且所述器件主体具有基于所述平均自由程长度来选择的器件尺寸；以及

[0088] 在所述器件主体上限定的至少一对第一和第二电极，使得所述器件主体用作所述第一和第二电极之间的导电路径，其中，通过所述器件表面配置界定所述导电路径，并且所述器件表面配置关于从所述第一电极到所述第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从所述第二电极到所述第一电极的反向方向上的反向电流流动在物理上是不对称的，使得在不需要在所述导电材料中形成耗尽层以产生电流大小的差异的情况下，作为所述电极对之间电压的函数的所述第一电极和所述第二电极之间的所述正向方向上的电流大小不同于所述反向方向上的电流大小。

[0089] 概念2.如概念1所述的几何二极管，其中，从所述第一电极到所述第二电极的所述正向方向上的电流流动的大小相比于从所述第二电极到所述第一电极的所述反向方向上的电流流动的大小呈现了二极管行为。

[0090] 概念3.如概念1所述的几何二极管，其中，所述器件表面配置限定了至少一个小于或者等于十倍所述平均自由程的临界尺寸。

[0091] 概念4.如概念3所述的几何二极管，其中，所述临界尺寸小于或者等于三倍所述所述平均自由程长度。

[0092] 概念5.如概念3所述的几何二极管，其中，所述临界尺寸是所述导电路径的宽度。

[0093] 概念6.如概念1所述的几何二极管，其中，所述平衡移动电荷密度至少是18 -3
10 cm ，使得所述导电材料本身支持电流流动。

[0094] 概念7.如概念1所述的几何二极管，其中，所述器件表面配置被配置以反射在所述导电材料中传输的至少部分载流子，使得在具有给定大小的给定正向偏压下朝向所述正向方向反射的部分载流子比在所述给定大小的反向偏压下朝向所述反向方向反射的部分载流子更多，从而导致所述正向电流流动大于所述反向电流流动。

[0095] 概念8.如概念1所述的几何二极管，被配置以响应高达至少1015Hz的应用频率。

[0096] 概念9.如概念1所述的几何二极管，在所述电极对之间配置有在10到10000欧姆范围内的阻抗。

[0097] 概念10.如概念1所述的几何二极管，其中，所述导电材料是金属。

[0098] 概念11.如概念1所述的几何二极管，其中，所述导电材料是石墨。

[0099] 概念12.系统，包括：

[0100] 天线，用于接收电磁辐射；以及

[0101] 如概念1所述的几何二极管，被配置为耦接至所述天线，用于接收所述电磁辐射以便产生跨过所述电极对可用的电响应。

[0102] 概念13.如概念12所述的系统，其中，所述电磁辐射是太阳辐射，并且所述几何二极管响应于所述太阳辐射产生电功率来作为所述电响应，用于外部使用。

[0103] 概念14.如概念12所述的系统，其中，所述电磁辐射与调制信号一起调制，并且所述几何二极管基于所述二极管行为来探测作为所述电响应的一部分的所述调制信号，以便响应于所述调制信号产生跨过所述第一和第二电极的解调信号。

[0104] 概念15.方法，包括：

[0105] 由具有平衡移动电荷密度的导电材料形成器件主体，所述器件主体具有器件表面配置，所述材料特征在于，载流子平均自由程具有平均自由程长度；

[0106] 基于所述平均自由程长度来选择所述器件主体的器件尺寸；以及

[0107] 在所述器件主体上限定至少一对第一和第二电极，使得所述器件主体用作所述第一和第二电极之间的导电路径，其中，通过所述器件表面配置界定所述导电路径，并且所述器件表面配置关于从所述第一电极到所述第二电极的正向方向上的电流正向流动相比于从所述第二电极到所述第一电极的反向方向上的反向电流流动在物理上是不对称的，使得在不需要在所述导电材料中形成耗尽层以产生电流大小的差异的情况下，作为所述电极对之间电压的函数的所述第一电极和所述第二电极之间的所述正向方向上的电流大小不同于所述反向方向上的电流大小。

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