[发明专利]一种兼顾光热协同管理的半导体器件

说明书

本发明公开了一种兼顾光热协同管理的半导体器件，所述的半导体器件的出光面或入光面设有微纳结构层；所述的微纳结构层由一种或多种微纳结构排列堆积而成，所述的微纳结构贴近半导体器件出光面或入光面的一端最大宽度为1～3um，且最大宽度沿高度方向逐渐减小。该器件能够增加可见光(380～780nm)、太阳光谱主能量波段(小于2um)光的透射能力，且提升器件本身在8～13um红外波段的热辐射能力。

技术领域

本发明属于半导体领域，具体涉及一种兼顾光热协同管理的半导体器件。

背景技术

1887年德国科学家赫兹(Heinrich Hertz)发现光电效应，1905年爱因斯坦(Albert Einstein)提出了光量子假设，将光与能带概念相联系。随着人类科学技术尤其是半导体相关理论的发展，基于半导体能带工程的光电/电光转换技术日新月异，如光电探测器、太阳能光伏电池、发光二极管、半导体激光器等各类基于光电/电光转换的器件不断出现，尤其是太阳能光伏技术以及基于发光二极管的半导体照明技术，在人类社会向清洁、无污染能源保障以及低碳环保能源使用方向转变中，起到了巨大的贡献和推动作用。以硅基太阳能光伏为代表的新能源技术、以氮化镓基发光二极管为代表的半导体照明技术，不但已经形成了巨大的社会效应和经济效应，同时也继续展示着更好的技术潜力与更广的应用领域。

无论是光能转换为电能的光伏电池还是电能转化为光能的发光二极管，备受瞩目的是对能源的有效转化与光能的高效利用。在光伏电池中，除不断提升基于材料半导体能带工程技术的光电转换效率目标之外，强调的是小于2um波段的太阳光能的充分吸收，为此人们采用了诸多技术手段以降低各种光能损耗，特别是各类界面的反射损耗，如基于光学相干的减反膜技术、基于几何陷光机制的硅电池制绒与光伏玻璃压花技术等。而在半导体照明领域，则体现在追求高的光提取效率，如基于折射率匹配的封装材料优化、基于散射机制的图形化衬底技术等。

从另一方面来说，光电/电光转换过程，不可避免存在发热效应。首先是由于半导体能带中光生复合产生电子空穴对或电子空穴对复合产生光子的过程，一定存在由于高频或高能态量子向低频或低能态量子转换导致的能量损失；其次是由于各种弛豫复合产生低频态声子并最终转化为热弥散在器件中。因此，无论是光伏电池还是发光二极管在工作状态都呈现发热态势，并随着时间积累，温度逐渐升高直至与环境达成热平衡。而相关研究表明，这种基于半导体能带功程技术的光电/电光转换器件，其器件能量转换效率通常都与器件的工作温度呈现负相关特性。如硅基光伏电池，其器件或组件工作温度每升高1摄氏度，开路电压Voc会降低0.4％，输出功率降低0.4％[HJ Hovel.Semiconductors andSemimetals Series[J].New York:Academic Press,Solar cells,1975,11]。发光二极管中，典型的器件效率同样随温度升高而降低。同时，较高的工作温度，也会加速器件老化，提升包括电极、封装材料、电气焊点等外围元件的失效几率，影响器件工作寿命。因此，降低器件的工作温度，不仅可以提高光电/电光转换效率，也可以提升器件寿命。

典型的降温技术可以分为主动式和被动式两种。主动降温技术通过驱动较冷的水流或气流等媒质将器件工作产生的热量带离器件，其优点是降温效果显著，但需消耗能源为代价，在光伏电池/发光二极管中较少使用。被动降温技术，主要通过散热器、散热涂层或器件本身，以红外辐射的形式将热量散发到大气中。散热器的降温原理在于通过热传导，将半导体器件工作热量传导至散热器，并利用散热器具有更大面积和空气接触对流特性将热量辐射出去。散热器方案虽然有效，但明显增加半导体器件成本，因此在大规模、大面积应用的半导体器件(如晶硅光伏电池组件)上很少采用。相比之下散热涂层或器件自身的散热性能提升，并不影响散热器制冷这一有效手段，并可以实现更高的降温性能。此外，在实际应用中，周围的空气由于会吸收特定波段(除8～13um波段透明窗口)辐射热量并将热量反馈到器件。因此，要达到理想的被动辐射制冷，必须提升器件或散热器在8～13微米波段的辐射能力，通过这一“大气窗口”通道辐射热量、降低热量反馈，达到降温目的。