单片式多结能量转换器制造技术

公开了一种共振腔能量转换器，该共振腔能量转换器用于转换介于1微米至1.55微米的波长范围内的辐射。共振腔能量转换器可包括一个或多个晶格匹配的GaInNAsSb结，并且可包括用于提高能量转换效率的分布式布拉格反射器和/或镜面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及能量转换领域。
技术介绍
能量转换器可用于多个应用中以从能量源为诸如手机、音频系统、家庭影院的电子装置或任何其它电子装置充电。本领域中公知的是，欧姆损耗与电压的增大反相关而与电流的增大正相关。因此，通过增大装置的电压来增大能量转换器装置的填充因子(fill factor)是有益的。本领域中现有技术的能量转换器包括由诸如GaAs的半导体片制成的单片式串联单层转换器。这种能量转换器可通过导线串联连接，或者可通过利用绝缘沟道在半绝缘衬底上制造转换器而分区从而在每个分区的转换器之间提供电绝缘。用于这种能量转换器的能量源是单色光，诸如在特定波长或能量下工作的激光。在该具体应用中，单色光介于1微米至1.55微米之间，位于波谱的红外区中。接近1微米对于家庭使用是欠佳的，这是因为该光源对人眼具有潜在危害，所以，因此本文中公开的实施方式致力于介于1.3-1.55微米之间的光源，以及在某些实施方式中，致力于约1.3微米的光源。然而，本领域技术人员可易于修改本文中公开的专利技术来转换多个波长的光。
技术实现思路
本专利技术包括紧凑型单片式多结能量转换器，该能量转换器具有相同材料的两个或更多个外延层，该两个或更多个外延层堆叠在彼此的顶部上，其中，在各外延层之间具有隧道结。因为外延层堆叠在彼此的顶部上，所以，各外延层被减薄来收集最大量的光，并且各外延层串联地转换能量，以通过增大整个装置的电压以及降低欧姆损耗(随电流增加而增加)来增加填充因子。在具有堆叠的外延层的情况下，在一个层中未吸收的光在第一层正下方的下一层中吸收，以此类推。能量转换器可达到约50％的总效率。由于使用外延层的纵向堆叠来避免复杂的电路，所以与需要半导体光吸收部之间的相互连接的现有技术相比，存在最小的电流损失。在第一方面，提供了能量转换器，能量转换器包括：一个或多个GaInNAsSb结；第一半导体层，覆盖一个或多个GaInNAsSb结；以及第二半导体层，位于一个或多个GaInNAsSb结下方；其中，该一个或多个GaInNAsSb结、第一半导体层和第二半导体层的厚度选择成在照射波长下提供共振腔。附图说明本文中描述的附图仅为了图示的目的。附图不旨在限制本公开的范围。图1示出了单片式多结能量转换器的实施方式，其中，E1、E2和E3表示具有相同带隙的半导体材料。图2A和2B分别示出了根据某些实施方式的具有双分布式布拉格反射器(DBR)的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图3A和3B分别示出了根据某些实施方式的具有单个DBR的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图4A和4B分别示出了根据某些实施方式的具有顶部DBR和背面镜的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图5A和5B分别示出了根据某些实施方式的具有背面镜的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图6A和6B分别示出了根据某些实施方式的具有两个DBR和顶部衬底的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图7A和8B分别示出了根据某些实施方式的具有覆盖顶部DBR的衬底和背面镜的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图8A和8B分别示出了根据某些实施方式的具有两个DBR和连接至横向导电层(LCL)的蚀刻背面接触件的单结共振能量转换器和三结共振能量转换器。图9示出了根据某些实施方式的具有互相串联连接的多个能量转换器的Pi结构的俯视图。图10A和图10B示出了根据某些实施方式的具有双通配置且特征为具有单区(图10A)或四象限区(10B)的三结能量转换器。图11A和图11B分别示出了图10A和图10B中示意性示出的三结能量转换器的俯视图的照片。图12示出了对于单晶格匹配GaInNAsSb结能量转换器、双晶格匹配GaInNAsSb结能量转换器和三晶格匹配GaInNAsSb结能量转换器，在最大功率点(Mpp)下的效率、输出功率和电压，其作为激光输入功率的函数。图13示出了对于单晶格匹配GaInNAsSb结能量转换器、双晶格匹配GaInNAsSb结能量转换器和三晶格匹配GaInNAsSb结能量转换器的归一化电流密度(J)，其作为针对许多激光输入功率水平的电压的函数。现在详细叙述本公开的实施方式。虽然对本公开的某些实施方式进行了描述，但是将理解的是，所进行的描述不旨在将本公开的实施方式限于所公开的实施方式。相反，对本公开的实施方式的叙述旨在覆盖如可包括在如由所附权利要求限定的本公开的实施方式的精神和范围内的替代、修改和等同。具体实施方式在由本公开提供的某些实施方式中，在衬底(诸如GaInNAs、GaInNAsSb、GaAs、Ge、GaSb、InP或本领域中已知的其它衬底)上形成的相同半导体材料的两个或更多个外延层堆叠在彼此的顶部上，其中，在各外延层之间具有隧道结。图1示出了单片式多结能量转换器的实施方式，其中，E1、E2和E3表示具有相同带隙的半导体材料。每个外延层具有相同的带隙，该带隙与单色光源的能量大致匹配以最小化少数载流子和热量损耗。在某些实施方式中，光源到达与衬底相距最远的最上外延层。在某些实施方式中，外延层材料可以是稀氮材料，诸如GaInNAs或GaInNAsSb或本领域中已知的其它稀氮材料。在一些实施方式中，单色光源介于1微米至多达1.55微米之间，以及在某些实施方式中，光源为约1.3微米。虽然一部分电流可通过由一个或多个隧道结进行的光吸收而损失，但是在第一外延层中未被收集的光在第二外延层中收集，以此类推。这种装置的总效率可达到至少50％的能量效率，诸如介于50％至60％，或者介于50％至70％。在某些实施方式中，单结能量转换器的能量转换效率为至少20％，诸如介于20％至40％。在某些实施方式中，单结能量转换器的能量转换效率为至少30％，诸如介于30％至50％。在某些实施方式中，当用1.32微米的辐射照射时在介于约0.6W至约6W的输入功率下由本公开提供的三结装置呈现介于约23％至约25％的转换效率。在某些实施方式中，在衬底(诸如GaInNAs、GaInNAsSb、GaAs、Ge、GaSb、InP或本领域中已知的其它衬底)上形成的相同半导体材料的三个或更多个外延层堆叠在彼此的顶部上，其中，在各外延层之间具有隧道结。增加能量转换器装置中的结的数目可使填充因子增大、开路电压(Voc)增大以及短路电流(Jsc)减小。各外延层具有相同的带隙，该带隙与单色光源的能量大致匹配以最小化少数载流子和热量损耗。在某些实施方式中，光源首先到达与衬底相距最近的最底部的外延层。衬底具有比外延层的带隙高的带隙。只要衬底具有比外延层的带隙高的带隙，光源就会穿过衬底并且被外延层吸收。这种实施方式的示例采用GaInNAs外延层(带隙为0.95eV)和GaAs衬底(带隙为1.42eV)。在该示例中的光源将不会被GaAs衬底吸收而将被GaInNAs活性区吸收。散热器可联接至最上外延层的顶部，并且可用作冷却装置以及防止由于过热而引起的缺陷。在一些实施方式中，外延层材料可以是稀氮材料，诸如GaInNAs或GaInNAsSb或本领域中已知的其它稀氮材料。在一些实施方式中，单色光源具有介于1微米至多达1.55微米之间的波长，在某些实施方式中，单色光源具有介于1微米至1.4微米的波长，以及在某些实施方式中，光源为约1.3微米。虽然一部分电流可本文档来自技高网...

【技术保护点】
能量转换器，包括：一个或多个GaInNAsSb结；第一半导体层，覆盖所述一个或多个GaInNAsSb结；以及第二半导体层，位于所述一个或多个GaInNAsSb结下方；其中，所述一个或多个GaInNAsSb结、所述第一半导体层和所述第二半导体层的厚度选择成在照射波长下提供共振腔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.05 US 61/936,2221.能量转换器，包括：一个或多个GaInNAsSb结；第一半导体层，覆盖所述一个或多个GaInNAsSb结；以及第二半导体层，位于所述一个或多个GaInNAsSb结下方；其中，所述一个或多个GaInNAsSb结、所述第一半导体层和所述第二半导体层的厚度选择成在照射波长下提供共振腔。2.根据权利要求1所述的能量转换器，其中，所述一个或多个GaInNAsSb结中的每个：与GaAs晶格匹配；包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，x、y和z的值为0≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20；以及特征为具有与所述照射波长的能量对应的带隙。3.根据权利要求1所述的能量转换器，其中，所述波长介于1.3微米至1.55微米。4.根据权利要求1所述的能量转换器，其中，所述波长介于1.30微米至1.35微米。5.根据权利要求1所述的能量转换器，包括：第一分布式布拉格反射器，覆盖所述第一半导体层；第二分布式布拉格反射器，位于所述第二半导体层下方；或者包括：覆盖所述第一半导体层的第一分布式布拉格反射器和位于所述第二半导体层下方的第二分布式布拉格反射器。6.根据权利要求1所述的能量转换器，包括：第一分布式布拉格反射器，覆盖所述第一半导体层；第二分布式布拉格反射器，位于所述第二半导体层下方；以及衬底，位于所述第二分布式布拉格反射器下方。7.根据权利要求1所述的能量转换器，包括：第二分布式布拉格反...

【专利技术属性】
技术研发人员：费伦·苏阿雷兹阿里亚斯，
申请(专利权)人：太阳结公司，
类型：发明
国别省市：美国;US