單片式多結能量轉換器的製作方法

2023-07-05 01:24:47 1

本公開涉及能量轉換領域。

背景技術：

能量轉換器可用於多個應用中以從能量源為諸如手機、音頻系統、家庭影院的電子裝置或任何其它電子裝置充電。本領域中公知的是，歐姆損耗與電壓的增大反相關而與電流的增大正相關。因此，通過增大裝置的電壓來增大能量轉換器裝置的填充因子(fill factor)是有益的。

本領域中現有技術的能量轉換器包括由諸如GaAs的半導體片製成的單片式串聯單層轉換器。這種能量轉換器可通過導線串聯連接，或者可通過利用絕緣溝道在半絕緣襯底上製造轉換器而分區從而在每個分區的轉換器之間提供電絕緣。用於這種能量轉換器的能量源是單色光，諸如在特定波長或能量下工作的雷射。在該具體應用中，單色光介於1微米至1.55微米之間，位于波譜的紅外區中。接近1微米對於家庭使用是欠佳的，這是因為該光源對人眼具有潛在危害，所以，因此本文中公開的實施方式致力於介於1.3-1.55微米之間的光源，以及在某些實施方式中，致力於約1.3微米的光源。然而，本領域技術人員可易於修改本文中公開的發明來轉換多個波長的光。

技術實現要素：

本發明包括緊湊型單片式多結能量轉換器，該能量轉換器具有相同材料的兩個或更多個外延層，該兩個或更多個外延層堆疊在彼此的頂部上，其中，在各外延層之間具有隧道結。因為外延層堆疊在彼此的頂部上，所以，各外延層被減薄來收集最大量的光，並且各外延層串聯地轉換能量，以通過增大整個裝置的電壓以及降低歐姆損耗(隨電流增加而增加)來增加填充因子。在具有堆疊的外延層的情況下，在一個層中未吸收的光在第一層正下方的下一層中吸收，以此類推。能量轉換器可達到約50％的總效率。由於使用外延層的縱向堆疊來避免複雜的電路，所以與需要半導體光吸收部之間的相互連接的現有技術相比，存在最小的電流損失。

在第一方面，提供了能量轉換器，能量轉換器包括：一個或多個GaInNAsSb結；第一半導體層，覆蓋一個或多個GaInNAsSb結；以及第二半導體層，位於一個或多個GaInNAsSb結下方；其中，該一個或多個GaInNAsSb結、第一半導體層和第二半導體層的厚度選擇成在照射波長下提供共振腔。

附圖說明

本文中描述的附圖僅為了圖示的目的。附圖不旨在限制本公開的範圍。

圖1示出了單片式多結能量轉換器的實施方式，其中，E1、E2和E3表示具有相同帶隙的半導體材料。

圖2A和2B分別示出了根據某些實施方式的具有雙分布式布拉格反射器(DBR)的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖3A和3B分別示出了根據某些實施方式的具有單個DBR的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖4A和4B分別示出了根據某些實施方式的具有頂部DBR和背面鏡的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖5A和5B分別示出了根據某些實施方式的具有背面鏡的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖6A和6B分別示出了根據某些實施方式的具有兩個DBR和頂部襯底的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖7A和8B分別示出了根據某些實施方式的具有覆蓋頂部DBR的襯底和背面鏡的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖8A和8B分別示出了根據某些實施方式的具有兩個DBR和連接至橫嚮導電層(LCL)的蝕刻背面接觸件的單結共振能量轉換器和三結共振能量轉換器。

圖9示出了根據某些實施方式的具有互相串聯連接的多個能量轉換器的Pi結構的俯視圖。

圖10A和圖10B示出了根據某些實施方式的具有雙通配置且特徵為具有單區(圖10A)或四象限區(10B)的三結能量轉換器。

圖11A和圖11B分別示出了圖10A和圖10B中示意性示出的三結能量轉換器的俯視圖的照片。

圖12示出了對於單晶格匹配GaInNAsSb結能量轉換器、雙晶格匹配GaInNAsSb結能量轉換器和三晶格匹配GaInNAsSb結能量轉換器，在最大功率點(Mpp)下的效率、輸出功率和電壓，其作為雷射輸入功率的函數。

圖13示出了對於單晶格匹配GaInNAsSb結能量轉換器、雙晶格匹配GaInNAsSb結能量轉換器和三晶格匹配GaInNAsSb結能量轉換器的歸一化電流密度(J)，其作為針對許多雷射輸入功率水平的電壓的函數。

現在詳細敘述本公開的實施方式。雖然對本公開的某些實施方式進行了描述，但是將理解的是，所進行的描述不旨在將本公開的實施方式限於所公開的實施方式。相反，對本公開的實施方式的敘述旨在覆蓋如可包括在如由所附權利要求限定的本公開的實施方式的精神和範圍內的替代、修改和等同。

具體實施方式

在由本公開提供的某些實施方式中，在襯底(諸如GaInNAs、GaInNAsSb、GaAs、Ge、GaSb、InP或本領域中已知的其它襯底)上形成的相同半導體材料的兩個或更多個外延層堆疊在彼此的頂部上，其中，在各外延層之間具有隧道結。圖1示出了單片式多結能量轉換器的實施方式，其中，E1、E2和E3表示具有相同帶隙的半導體材料。每個外延層具有相同的帶隙，該帶隙與單色光源的能量大致匹配以最小化少數載流子和熱量損耗。在某些實施方式中，光源到達與襯底相距最遠的最上外延層。在某些實施方式中，外延層材料可以是稀氮材料，諸如GaInNAs或GaInNAsSb或本領域中已知的其它稀氮材料。在一些實施方式中，單色光源介於1微米至多達1.55微米之間，以及在某些實施方式中，光源為約1.3微米。雖然一部分電流可通過由一個或多個隧道結進行的光吸收而損失，但是在第一外延層中未被收集的光在第二外延層中收集，以此類推。這種裝置的總效率可達到至少50％的能量效率，諸如介於50％至60％，或者介於50％至70％。在某些實施方式中，單結能量轉換器的能量轉換效率為至少20％，諸如介於20％至40％。在某些實施方式中，單結能量轉換器的能量轉換效率為至少30％，諸如介於30％至50％。在某些實施方式中，當用1.32微米的輻射照射時在介於約0.6W至約6W的輸入功率下由本公開提供的三結裝置呈現介於約23％至約25％的轉換效率。

在某些實施方式中，在襯底(諸如GaInNAs、GaInNAsSb、GaAs、Ge、GaSb、InP或本領域中已知的其它襯底)上形成的相同半導體材料的三個或更多個外延層堆疊在彼此的頂部上，其中，在各外延層之間具有隧道結。增加能量轉換器裝置中的結的數目可使填充因子增大、開路電壓(Voc)增大以及短路電流(Jsc)減小。各外延層具有相同的帶隙，該帶隙與單色光源的能量大致匹配以最小化少數載流子和熱量損耗。在某些實施方式中，光源首先到達與襯底相距最近的最底部的外延層。襯底具有比外延層的帶隙高的帶隙。只要襯底具有比外延層的帶隙高的帶隙，光源就會穿過襯底並且被外延層吸收。這種實施方式的示例採用GaInNAs外延層(帶隙為0.95eV)和GaAs襯底(帶隙為1.42eV)。在該示例中的光源將不會被GaAs襯底吸收而將被GaInNAs活性區吸收。散熱器可聯接至最上外延層的頂部，並且可用作冷卻裝置以及防止由於過熱而引起的缺陷。在一些實施方式中，外延層材料可以是稀氮材料，諸如GaInNAs或GaInNAsSb或本領域中已知的其它稀氮材料。在一些實施方式中，單色光源具有介於1微米至多達1.55微米之間的波長，在某些實施方式中，單色光源具有介於1微米至1.4微米的波長，以及在某些實施方式中，光源為約1.3微米。雖然一部分電流可通過由一個或多個隧道結進行的光吸收而損失，但是在第一外延層中未被收集的光可在第二外延層中收集，以此類推。這種裝置的總效率可至少達到50％的能量效率。

在某些實施方式中，一個或多個光吸收層包括GaInNAsSb。在一些實施方式中，GaInNAsSb結包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值是0≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20；在某些實施方式中，0.02≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0.001≤z≤0.03；在某些實施方式中，0.02≤x≤0.18、0.01≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03；在某些實施方式中，0.08≤x≤0.18、0.025≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03；以及在某些實施方式中，0.06≤x≤0.20、0.02≤y≤0.05和0.005≤z≤0.02。

在一些實施方式中，GaInNAsSb結包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值是0≤x≤0.18、0.001≤y≤0.05和0.001≤z≤0.15，以及在某些實施方式中，0≤x≤0.18、0.001≤y≤0.05和0.001≤z≤0.03；在某些實施方式中，0.02≤x≤0.18、0.005≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03；在某些實施方式中，0.04≤x≤0.18、0.01≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03；在某些實施方式中，0.06≤x≤0.18、0.015≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03；以及在某些實施方式中，0.08≤x≤0.18、0.025≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03。

在某些實施方式中，GaInNAsSb結特徵為具有0.92eV的帶隙並且包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值是：x是0.175，y是0.04，以及0.012≤z≤0.019。

在某些實施方式中，GaInNAsSb結特徵為具有0.90eV的帶隙並且包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值是：x是0.18，y是0.045，以及0.012≤z≤0.019。

在某些實施方式中，GaInNAsSb包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值是：0.13≤x≤0.19、0.03≤y≤0.048和0.007≤z≤0.02。

在某些實施方式中，GaInNAsSb結包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值選擇成具有與用於將能量輸送至裝置的輻射的能量匹配或近似匹配的帶隙。在某些實施方式中，GaInNAsSb結與GaAs襯底基本上晶格匹配。應注意的是，「基本上晶格匹配」通常理解為當材料以大於100nm的厚度存在時材料在其完全弛豫的狀態下的面內晶格常數相差小於0.6％。另外，如本文中所使用的基本上互相晶格匹配的子單元意指子單元中以大於100nm的厚度存在的所有材料在其完全弛豫的狀態下具有相差小於0.6％的平面內晶格常數。

在某些實施方式中，能量轉換器中的外延層中的每個與GaAs襯底晶格匹配。

在某些實施方式中，使用不同折射率的分層材料可在結構內產生分布式布拉格反射器(DBR)並且用於增加能量轉換器的效率。一個這種示例將稀氮材料用作結構的外延堆疊中的吸收材料，在某些實施方式中，稀氮材料是GaInNAsSb材料。腔可通過使用諸如GaAs/AlGaAs的材料作為在稀氮層之下且在襯底之上的DBR以及通過使用在稀氮層之上形成的可由半導體或多種氧化物製成的另一DBR來形成。

在某些實施方式中，在襯底具有比吸收材料高的帶隙的情況中，背側金屬可用作結構式鏡，結構式鏡允許未吸收的光從背面金屬反射以在位於之上的外延層中被再吸收。圖2A和圖2B中示出了使用雙通配置的共振腔能量轉換器的示例。圖2A示出了具有頂部DBR和底部DBR的單結共振腔。單個GaInNAsSb結布置在兩個DBR之間，並且通過半導體層d1和半導體層d2與DBR分開。半導體層可由不明顯吸收入射輻射且可以與GaAs和吸收層晶格匹配的材料形成，而且，在某些實施方式中，該材料可以為GaAs。可將d1、d2以及GaInNAsSb結的厚度選擇成提供處於入射輻射的波長的駐波。圖2B示出了與圖2A所示的配置類似的配置，但是該配置包括多個GaInNAsSb結，其中，多個GaInNAsSb結中的每個由隧道結分開。GaInNAsSb結的厚度可以為介於約100nm至約1微米。在某些實施方式中，襯底是半絕緣GaAs襯底或n型摻雜GaAs襯底，其具有背面金屬以作為結構的最底層。

為了供1微米至1.55微米的輻射使用，鏡層可以是例如金或金/鎳合金。

在某些實施方式中，能量轉換器結構使用一個DBR而不使用兩個DBR。圖3A和圖3B中示出了採用單個DBR的共振能量轉換器。圖3A示出了布置在兩個半導體層d1和d2之間的單個GaInNAsSb結。這些層覆蓋底部DBR，底部DBR覆蓋襯底。裝置的上表面(諸如層d1與入射輻射面對的上表面)可塗有抗反射塗覆物。抗反射塗覆物可針對入射輻射的波長進行優化以減少散射。圖3B示出了具有多個GaInNAsSb結的單DBR共振腔配置。

在某些實施方式中，能量轉換器結構包括一個DBR和在襯底之下的背面鏡。這種裝置配置在圖4A、圖4B、圖5A和圖5B中示出。圖4A和圖4B示出了這樣的能量轉換器，該能量轉換器具有頂部DBR、包括在兩個半導體層d1和d2之間的單個GaInNAsSb結的共振腔、以及在半導體層d2下方的背面鏡。在某些實施方式中，背面鏡還可用作電接觸件。圖4B中示出了多結能量轉換器，其中，多個GaInNAsSb結布置在頂部DBR與背面鏡之間。

在圖5A和圖5B中所示的能量轉換器中，DBR和背面鏡均在裝置的底部處使用。在該配置中，與具有底部DBR而不具有背面鏡的配置相比，DBR的厚度可減小。如同其它裝置一樣，層D1的上表面可包括抗反射塗覆物。在某些實施方式中，襯底被移除，並且在襯底的位置處將金屬用作背面鏡。在這種結構中，光穿過頂部DBR，然後經過外延層，然後經過底部DBR並且最後到達背面鏡。在這些實施方式中，外延層包括GaInNAsSb以作為一個或多個吸收層。

在某些實施方式中，結構的最上層包括在外延層之上的空氣-半導體界面，外延層可包括一個或多個GaInNAsSb層。在外延層之下是覆蓋背面鏡的底部DBR。在這些實施方式中，光到達空氣-半導體界面的最上層並且傳播至外延層，然後傳播至DBR，並且最後在由背面鏡反射之後往回反射通過該結構。

圖6A和圖6B中示出了具有兩個DBR和頂部襯底層的共振腔配置。頂部襯底層對於用於產生能量的入射輻射基本上是透明的。在某些實施方式中，襯底可以是諸如n型GaAs的GaAs並且可具有介於約150微米至約250微米的厚度，諸如介於175微米至225微米。襯底的厚度可例如通過研磨或蝕刻變薄以使吸收最小化，並且在這些實施方式中，襯底的厚度可以是50微米或小於50微米。在某些實施方式中，底部DBR可結合至散熱器。將DBR直接結合至散熱器可降低能量轉換器的溫度。

圖7A和圖7B示出了與圖6A和圖6B中所示的裝置配置類似的、但是用背面鏡來代替底部DBR的裝置配置。

在某些實施方式中，結構具有腔內接觸件以避免來自DBR結構的電阻率。接觸件通過繞過DBR結構的橫向傳輸導電層(LCL)在腔中製造。圖8A和圖8B中示出了具有腔內接觸件的能量轉換器。在這些裝置結構中，外延層被蝕刻到覆蓋底部DBR的LCL或蝕刻到覆蓋半導體層d1的LCL。LCL提高到電接觸件(背面接觸件和頂部接觸件)的載流子遷移率，並且可例如由諸如n型GaAs的摻雜GaAs形成。LCL和類似的蝕刻背面電接觸件可應用於由本公開提供的其它裝置結構。

在某些實施方式中，結構可反向地形成。在這些情況中，在使用多種剝離技術的生長之後，襯底可變薄至某一厚度或者被移除。在穿過外延層之前，光首先穿過襯底。在這種結構中，襯底的帶隙大於外延層的帶隙。

包括多個串聯連接的子單元的多個光伏轉換器可構造成增大輸出電壓。子單元可並聯連接以增大輸出電流。示例為如圖9所示的Pi結構。紅外吸收體通常特徵為具有低電壓；然而，在某些應用中，理想的是增大能量轉換器的電壓。這可通過串聯連接多個能量轉換器實現。一個這種配置稱為Pi結構，在Pi結構中，多個能量轉換器單元布置成圍繞中心軸的同心環，其中每個單元由絕緣體分離開，而且多個單元或多個單元的子裝置串聯連接，該配置的俯視圖在圖9中示出。這種結構可使用單結製造並且提供高密度的單元。較高的電壓提供改善的DC-DC轉換器效率和較低的歐姆損耗。雖然之後電流可產生歐姆損耗，但是歐姆損耗可以被補償，這是因為增加數量的子單元使電流減小。

圖10A和圖10B中示出了其它裝置結構。圖10A示出了單個三結雙通能量轉換器。圖10B示出了四象限三結雙通能量轉換器。裝置的尺寸為300微米乘300微米。四個轉換器可互相串聯連接以增大電壓和/或減小電流。互相串聯連接還可以降低對入射輻射的空間定向的敏感性。另外，對於大面積能量轉換器，將收集區分成象限或其它子區域可通過使電接觸件更靠近能量產生表面來降低歐姆損耗。圖11A和圖11B中示出了單象限裝置和四象限裝置的照片。

圖10A、圖10B、圖11A和圖11B中所示的能量轉換器使用GaInNAsSb結製造。所有的外延層與GaAs襯底晶格匹配。在GaAs襯底的底部處布置有背面鏡。三結結構的共振腔配置為支持在約1.3微米下的駐波，諸如在1.32微米下或在1.342微米下的駐波。對於配置為在1.32微米下進行能量轉換的裝置，GaInNAsSb結的帶隙為約0.92eV。確定的是，這種裝置呈現介於約65％至約75％的填充因子、介於約1.47V至約1.5V的Voc和介於約0.6A至約1.4A的Jsc。能量轉換效率在介於約0.6W至約6W的輸入功率下為介於約23％至25％。

在某些實施方式中，相同半導體材料的兩個或更多個外延層具有變化的厚度。具體地，外延層越遠離光源，則其厚度可越小。在某些實施方式中，各外延層中的厚度可相同。在某些實施方式中，外延層的厚度是變化的，外延層的厚度根據光源位置增大或減小。

在一些實施方式中，在最上外延層的頂部上存在窗層。

在某些實施方式中，整個裝置的厚度或高度可以在1微米至高達10微米之間，能量轉換器的面積可以在例如100微米×100微米至高達1釐米×1釐米之間或者更大。例如，總面積介於10-4cm2至1cm2。每個外延層的厚度可介於幾百納米至幾微米之間。

圖12示出了對於單GaInNAsSb結(空心圓)能量轉換器、雙GaInNAsSb結(正方形)能量轉換器和三GaInNAsSb結(加號)能量轉換器，在最大功率點(Mpp)下的效率、輸出功率和電壓，其作為雷射輸入功率的函數。

圖13示出了對於單GaInNAsSb結(空心圓)能量轉換器、雙GaInNAsSb結(正方形)能量轉換器和三GaInNAsSb結(加號)能量轉換器的歸一化電流密度(J)，其作為針對許多雷射輸入功率水平的電壓的函數。

最後，應注意的是，存在實現本文中公開的實施方式的可替代方式。相應地，本實施方式應被理解為說明性的而非限制性的。此外，權利要求不應限於本文中所給出的細節，而應被賦予其全部範圍和等同的權利。