[发明专利]含有中心部分的多分块式光电能量转换器

说明书

相关申请的交叉引用

[1]本发明主张于2006年12月20日提交的美国临时专利申请No.60/871,108，名称为“用于长途功率传输(>>1公里)的InP基光电能量转换器”的优先权和于2006年12月20日提交的美国临时专利申请No.60/871,125，名称为“用于长途功率传输的新型超高效率的光电能量转换器”的优先权，通过参考将其内容结合于本申请中。

技术领域

[2]本发明涉及将光功率转变成电功率的装置，尤其是，涉及含有一个或多个位于中心的分块的分块式半导体光功率转换装置。

背景技术

[3]在许多应用中都有使用将光功率转变成电功率的装置，其中最为公众所知的可能是将阳光转变成电能，其中一般使用硅基光电电池(也被称为光电池或太阳能电池)。在这类应用中，一般使用具有相对大的感光区域的光电电池阵列。

[4]在这类应用中，光功率可以由高功率激光提供，并通过光纤将所述光功率传送至所述模块中，其中，光功率信号被转换成电功率信号。在这类应用中，所述光一般以高密度受限红外光束的形式进入，并且相应于典型光纤的低吸收窗口，所述光束的波长一般在900nm-1600nm的范围内。在这类应用中的光功率转换器具有相对小的感光区域，优选采用几平方毫米或更小的圆形感光区域，并且所述光功率转换器基于复合半导体，所述复合半导体(如InP、GaAs以及它们的合金)比硅更适于吸收红外光。这类基于GaAs的装置的一个例子在授权给Virshup的美国专利5,342,45中公开，在此通过参考将其结合于本申请中。

[5]正如Virshup的专利文件以及本申请说明书附图1(该附图1是Virshup的专利文件图2的再现)中所描述的，典型的半导体光功率转换器含有p-n结20，所述p-n结20形成于基极层16和发射极层18之间，所述基极层16可以是典型的n极层，所述发射极层18可以是典型的p极层。所述基极层16和发射极层18被夹在被置于绝缘衬底12上的高导电性缓冲层14和高导电性光学透窗层22之间，在所述光学透窗层22之后可以加上较厚的导电层24。保护层(图1未显示)位于透窗层上，并且如金属栅格线的电触头(图1未显示)被沉积在所述保护层上。在所述金属栅格线间(典型的如3微米窄的栅格线)蚀刻去除保护层，使得入射光可以穿过透窗层并被下面的p-n结20吸收。为了完成电路，一般还要通过蚀刻技术腐蚀到p-n结的n区。蚀刻深度通常为几微米以确保到达基极层16。一旦当金属被沉积在暴露出来的n极层时，便可以在n极和p极之间建立连接。当光子入射并被p-n结20吸收时，产生载流子，并且在p-n结产生电场的条件下，所述载流子迁移并在电接触器处被收集以在其间产生电势差。通过连接外部电路，便可提取电功率。

[6]单个p-n结可以传送的开路电压受限于所采用的半导体材料的禁带，并且所述可传送电压一般小于1伏。通过以横向结构的形式将多个所述的p-n结串联，各个电压被累加便可以产生达到或超过12伏的输出电压。为了制作这类单个p-n结元件，一般在相邻分块间进行蚀刻。所述蚀刻必须足够深以使这些p-n结彼此隔离，典型的深度为约25微米。为了完成p-n结的串联，在相邻p-n结之间形成空气桥。所述空气桥的一边接到p-n结的被暴露的n区，另一边接到相邻的p-n结的p区。

[7]对于光功率通过带有圆截面的受限光束传输的应用，如光功率由光纤发出，如图2(该图2是Virshup专利文件图3的再现)所示，这些多个p-n结元件一般通过将半导体芯片的圆形感光区域划分成多个扇形装置分块28来制作，所述分块28通过蚀刻沟槽26而彼此隔离，并通过互连电触头40串联连接；虽然图中显示了6个分块，但是典型的装置可以具有2-16个或更多个分块。

[8]图2所示装置的缺点之一在于蚀刻沟槽26会聚的感光结构中心有一小孔；因此，对进入该装置中心的光线被丢失。一般来说，所述装置每块分块将光转变成电能的效率与所述感光区域和所述沟槽区域的比率成比例。如图2所示装置中，所述转变比率在所述感光区域周边处具有最大值，朝向所述装置中心99而逐渐降低，在该装置中心99处完全为零。由于典型的光束(如从光纤中发出的光束)的分布大约接近高斯分布，在光束中心处光强最大，因此如图2所示的扇形分块导致入射光重要部分的丢失，并因此对于装置的总功率转换效率产生消极影响。