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TWI484625B - 一種半導體變壓結構和具有其的晶片 - Google Patents

一種半導體變壓結構和具有其的晶片 Download PDF

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TWI484625B
TWI484625B TW101142011A TW101142011A TWI484625B TW I484625 B TWI484625 B TW I484625B TW 101142011 A TW101142011 A TW 101142011A TW 101142011 A TW101142011 A TW 101142011A TW I484625 B TWI484625 B TW I484625B
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Lei Guo
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Lei Guo
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F55/00—Radiation-sensitive semiconductor devices covered by groups H10F10/00, H10F19/00 or H10F30/00 being structurally associated with electric light sources and electrically or optically coupled thereto
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Description

一種半導體變壓結構和具有其的晶片
本發明涉及電流電壓變換領域，特別涉及一種半導體變壓結構和具有其的晶片。
隨著發光裝置特別是LED與光伏電池技術的日益成熟，一種光電變壓器被提了出來，該光電變壓器一般包括LED組成的電光轉換模組和光伏電池組成的光電轉換模組，利用光電-電光能量轉換過程來實現變壓目的。這類光電變壓器中，電光轉換模組與光電轉換模組之間通常採用透明絕緣材料的隔離層進行電氣隔離。
但實際運用中，由於光學特性與電學特性難以同時得到匹配，隔離層材料選擇十分受限。具體地，絕緣特性好的材料往往折射率不匹配，從而電光轉換模組的發射光在絕緣層的介面上發生全反射，光線不能順利傳輸到光電轉換模組，導致總體能量轉換效率降低；而與電光轉換模組及光電轉換模組的折射率匹配的材料往往屬於半導體，絕緣特性不佳。此外，在加工形成隔離層的過程中，存在著外延襯底選擇困難以及工藝複雜度的問題。
隨著發光裝置特別是LED與光伏電池技術的日益成熟，一種光電變壓器被提了出來，該光電變壓器一般包括LED組成的電光轉換模組和光伏電池組成的光電轉換模組，利用光電-電光能量轉換過程來實現變壓目的。這類光電變壓器中，電光轉換模組與光電轉換模組之間通常採用透明絕緣材料的隔離層進行電氣隔離。
但實際運用中，由於光學特性與電學特性難以同時得到匹配，隔離層材料選擇十分受限。具體地，絕緣特性好的材料往往折射率不匹配，從而電光轉換模組的發射光在絕緣層的介面上發生全反射，光線不能順利傳輸到光電轉換模組，導致總體能量轉換效率降低；而與電光轉換模組及光電轉換模組的折射率匹配的材料往往屬於半導體，絕緣特性不佳。此外，在加工形成隔離層的過程中，存在著外延襯底選擇困難以及工藝複雜度的問題。
1‧‧‧半導體電光轉換結構
2‧‧‧半導體光電轉換結構
3、106、107‧‧‧隔離層
12、102‧‧‧電光轉換層
3a、3b、3c、11、13、21、23‧‧‧半導體摻雜層
22、110、110A、110B‧‧‧光電轉換層
31‧‧‧摻雜區
32‧‧‧反光結構
100‧‧‧半導體變壓結構、電極層
101、111‧‧‧反射層
104、108、112‧‧‧電極層
200‧‧‧襯底
300‧‧‧電源管腳
400‧‧‧片內電源分佈網路
500‧‧‧電路功能模組
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：第1圖為本發明的半導體變壓結構的工作原理圖；第2圖為本發明第一實施例的半導體變壓結構的結構示意圖；第3圖為本發明第二實施例的半導體變壓結構的結構示意圖；第4圖為本發明第三實施例的半導體變壓結構的結構示意圖； 第5圖為本發明第四實施例的半導體變壓結構的結構示意圖；第6圖為本發明第五實施例的半導體變壓結構的結構示意圖；第7圖為本發明第六實施例的半導體變壓結構的結構示意圖；第8圖為本發明第七實施例的半導體變壓結構的結構示意圖；第9圖為雙面外延工藝形成本發明的半導體變壓結構的流程圖；第10圖為單面外延工藝形成本發明的半導體變壓結構的流程圖；和第11圖為本發明的具有半導體變壓結構的晶片的結構示意圖。
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數位和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特徵在第二特徵之“上”的結構可以包括第一和第二特徵形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特徵形成在第一和第二特徵之間的實 施例，這樣第一和第二特徵可能不是直接接觸。
為使本領域技術人員更好地理解本發明，先對現有技術與本發明的原理進行闡述和對比。從物理原理上說，傳統的交流變壓器利用的是電磁感應原理，導體中的自由電子震盪產生電磁波作為能量傳遞的，通過主次線圈之間的耦合傳遞能量，從而實現交流電壓變換。本發明中的半導體變壓結構遵循的是量子力學原理，通過半導體材料中載流子在不同能級間的躍遷產生光子，利用光子作為能量傳遞介質，再在另外的半導體材料中激發產生載流子，從而實現電壓變換。因此，由於傳遞能量介質的不同，粒子(光子)特性取代波(電磁波)的特性在本發明的直流變壓器中成為基本的工作原理。
本發明中的半導體變壓結構的總體能量轉換效率主要由三個因素決定：電光能量轉換效率，光電能量轉換效率，光能量損失。由於LED和光伏電池技術的發展，現在先進的半導體裝置的電光轉換效率和光電轉換效率已經達到了很高的水準，例如AlGaInP材料製備的紅光LED的內量子效率已經接近100%，GaN材料製備的藍光LED內量子效率也已達到80%，而III-V族光伏電池的內量子效率也已接近100%，因此光能量損失就成為了限制本發明直流變壓器能量轉換效率的主要因素，因此本發明中提出了三種技術來儘量減小光能量損失，提高能量轉換效率，分別是：電光轉換結構發射光譜與光電轉換結構吸收光譜之間的頻譜匹配以減少光子的非吸收損失和熱損失，光線傳播路徑上的各個材料的折射係數匹配以減少全反射臨界角損失和菲涅耳損失，光陷阱以減少光線洩露引起的能量損失。這些在下文中有具體的說明。
本發明提供一種半導體變壓結構，其工作原理如第1圖所示：在輸入端的每個半導體電光轉換結構上輸入直流電壓，以在半導體電光轉換結構中注入載流子複合產生光子，光子傳輸至半導體光電轉換結構，以在半導體光電轉換結構中激發產生不同的載流子，並通過內建電場分離，每個半導體光電轉換結構上輸出直流電壓，從而利用光波實現能量傳輸。在該能量傳輸過程中，一方面，和V2的數值取決於半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的材料特性參數，如材料種類、應變特性、禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調節相應的特性參數以實現能量轉換效率最優化；另一方面，通過在輸入端和輸出端分別串聯數目成比例的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構，利用電光轉換結構和光電轉換結構的數目比實現變壓。例如，假設半導體電光轉換結構為m個，半導體光電轉換結構為n個，則輸出總電壓/輸入總電壓=。在本發明的實施例中，以串聯多個半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構為例進行了介紹，但是也可實現半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的並聯，或者串並聯等，在此不再贅述。
在本發明的半導體變壓結構中，半導體電光轉換結構可為發光二極體(LED)、諧振發光二極體(RC_LED)或鐳射二極體(LD)。這幾種LED均能夠有效地將電能轉換為光能，工作性能穩定可靠，並且熱效應少，並且RC_LED進一步具有方向性好、調變速度較高的優點，LD進一步具有單色性好、亮度較高的優點。半導體電光轉換結構包括電光轉換層，其材料可為紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN、AlGaInN和ZnO，紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAs、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs， InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合，有機發光材料或量子點發光材料。
在本發明的半導體變壓結構中，半導體光電轉換結構可為具有背接觸(back contact)或埋接觸(buried contact)的單面引出電極結構的光電池。具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結構的光電池，其受光面可以避免受到電極遮光影響，故能量轉換效率更高。半導體光電轉換結構包括光電轉換層，其材料可為AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合，有機光伏材料或量子點光伏材料。
需要指出的是，光電轉換層的吸收光譜與所述電光轉換層的發射光譜之間頻譜匹配，即，電光轉換層發出的光線要與光電轉換層光電轉換效率最優化的光線特性匹配，以使裝置的電光-光電能量轉換效率較高，轉換過程中光子的能損較少。具體地：電光轉換層的發射光可以是與光電轉換層的吸收效率最大處一致對應的單色光，也可能為其他頻率的、能使光電轉換層發生光伏效應的量子效率大於1的特定頻率光線，一種優化的情況是電光轉換層發射的光子能量的大小既能確保光子可以被光電轉換層吸收，又不會由於光子能量過高導致多餘能量作為熱損失掉，一種可能的理想狀況是電光轉換層與光電轉換層有源材料的禁帶寬度一致，從而既能確保光線吸收又不會引起剩餘光子能量的損失。需要說明的是，在本發明的實施例中單色光具有一定的光譜寬度，例如，對於紅光LED來說具有20nm左右的光譜寬度，而非限定某個具體的頻率點，此為公知技術，在此不再 贅述。
在本發明的半導體變壓結構中，半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構之間通過反偏PN結結構進行隔離，其中，用於隔離的材料需要對工作光線透明。所謂透明是指材料的禁帶寬度大於光子的能量，這樣能夠保證不會引起能帶躍遷，導致作為能量載體的光子的損耗。根據反偏PN結結構實現電氣隔離的具體形式不同，可細分為多種情況。下面參考附圖描述根據本發明實施例的半導體變壓結構。在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構可為一個，半導體光電轉換結構可為多個；在本發明的另一個實施例中，半導體電光轉換結構可為多個，半導體光電轉換結構可為一個；在本發明的再一個實施例中，半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構可為均為多個。在以下的實施例中，將以多個半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構為例進行描述，但需要說明的是以下實施例僅是示意性地，並不是對本發明的限制。
第2圖所示為根據本發明第一實施例的半導體變壓結構的結構示意圖。
如第2圖所示，半導體變壓結構包括多個串聯的半導體電光轉換結構1、多個串聯的半導體光電轉換結構2和隔離層3。其中，多個半導體電光轉換結構1形成在隔離層3一側，且每個半導體電光轉換結構1包括電光轉換層12(電光轉換層12圖中未示出)，以及多個半導體光電轉換結構2形成在隔離層3另一側，且每個半導體光電轉換結構2包括光電轉換層22(光電轉換層22圖中未示出)。隔離層3對電光轉換層12發出的發射光透明，使攜帶能量的光線能夠從半導體電光轉換結構1傳輸到半導體光電轉換結構 2，實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。隔離層3的材料可為GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料及其組合，且為第一摻雜類型。隔離層3與多個半導體電光轉換結構1之間以及隔離層3與多個半導體光電轉換結構2之間具有第二摻雜類型的摻雜區31，其中隔離層3與摻雜區31形成的PN結呈反偏狀態。具體地，當隔離層3為P型摻雜而摻雜區31為N型摻雜時，可以對隔離層3施加低電位而對摻雜區31施加高電位。或者，當隔離層3為N型摻雜而摻雜區31為P型摻雜時，可以對隔離層3施加高電位而對摻雜區31施加低電位。從而，多個半導體電光轉換結構1與多個半導體光電轉換結構2之間的PN結結構均呈反偏，載流子無法通過，無導通電流，可以實現電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。
第3圖所示為根據本發明第二實施例的半導體變壓結構的結構示意圖。
如第3圖所示，半導體變壓結構包括多個串聯的半導體電光轉換結構1、多個串聯的半導體光電轉換結構2和隔離層3。其中，多個半導體電光轉換結構1形成在隔離層3一側，且多個半導體光電轉換結構2形成在隔離層3另一側。隔離層3對電光轉換層12發出的發射光透明，隔離層3的材料可為GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料及其組合，且為第一摻雜類型。其中，半導體光電轉換結構1包括第一半導體摻雜層11、電光轉換層12和第二半導體摻雜層13，其中第二半導體摻雜層13與隔離層3接觸，第一半導體摻雜層11為第一摻雜類型，第二半導體摻雜層13為第二摻雜類型，隔離層3與第二半導體摻雜層13形成的PN結呈反偏狀態。其中，半導體電光轉換結構2包括第三半導體摻雜層21、 光電轉換層22和第四半導體摻雜層23，第四半導體摻雜層23與隔離層3接觸，第三半導體摻雜層21為第一摻雜類型，第四半導體摻雜層23為第二摻雜類型，隔離層3與第四半導體摻雜層23形成的PN結呈反偏狀態。與上述第一實施例類似，本實施例的多個半導體電光轉換結構1與多個半導體光電轉換結構2之間具有反偏PN結結構，可以實現電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。
第4圖所示為根據本發明第三實施例的半導體變壓結構的結構示意圖。
如第4圖所示，半導體變壓結構包括多個串聯的半導體電光轉換結構1、多個串聯的半導體光電轉換結構2和隔離層3。其中，多個半導體電光轉換結構1形成在隔離層3一側，且每個半導體電光轉換結構1包括電光轉換層12(電光轉換層12圖中未示出)，以及多個半導體光電轉換結構2形成在隔離層3另一側，且每個半導體光電轉換結構2包括光電轉換層22(光電轉換層22圖中未示出)。隔離層3對電光轉換層12發出的發射光透明，使攜帶能量的光線能夠從半導體電光轉換結構1傳輸到半導體光電轉換結構2，實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。隔離層3的材料可為GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料及其組合。其中隔離層3具有多個半導體摻雜層。例如，隔離層3包括第一半導體摻雜層3a、第二半導體摻雜層3b和第三半導體摻雜層3c，其中第一半導體摻雜層3a和第二半導體摻雜層3b的摻雜類型相反，第二半導體摻雜層3b和第三半導體摻雜層3c的摻雜類型相反。從而，多個半導體電光轉換結構1與多個半導體光電轉換結構2之間具有3a-3b介面的第一PN結和3b-3c介面的第二PN 結，將第一PN結和第二PN結均反偏，即可以實現電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。需要指出的是，隔離層3可以包括更多層半導體摻雜層結構，只需要其中至少兩組相鄰的半導體摻雜層摻雜類型相反，以形成至少兩組PN結，使這些PN結均呈反偏狀態，便可以實現電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。
需要說明的是，上述第一實施例、第二實施例和第三實施例中，可以使半導體電光轉換結構1位於隔離層3之上、半導體光電轉換結構2位於隔離層3之下，也可以使半導體電光轉換結構1位於隔離層3之下、半導體光電轉換結構2位於隔離層3之上，這一相對位置的改變並不對半導體變壓結構的工作造成實質影響。
第5圖所示為根據本發明第四實施例的半導體變壓結構的結構示意圖。
如第5圖所示，半導體變壓結構包括多個串聯的半導體電光轉換結構1、多個串聯的半導體光電轉換結構2和襯底層3。其中，多個半導體電光轉換結構1和多個半導體光電轉換結構2形成在襯底層3之上，且每個半導體電光轉換結構1具有電光轉換層11(電光轉換層12圖中未示出)，每個半導體光電轉換結構2具有光電轉換層22(光電轉換層22圖中未示出)。襯底層3對電光轉換層12發出的發射光透明，且襯底層3具有反光結構32，反光結構32用於改變光的傳播方向，使半導體電光轉換結構1發出的光傳播到半導體光電轉換結構2上，以實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。其中，襯底層3的材料可為GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料及其組合，且為第一摻雜類型。襯底層3與多個半 導體電光轉換結構1之間以及襯底層3與多個半導體光電轉換結構2之間具有第二摻雜類型的摻雜區31，襯底層3與摻雜區31形成的PN結呈反偏狀態。與上述第一實施例類似，本實施例的多個半導體電光轉換結構1與多個半導體光電轉換結構2之間具有反偏PN結結構，可以實現電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。
在本發明的實施例中，優選地，半導體電光轉換結構1、隔離層或襯底層3和半導體光電轉換結構2的折射係數匹配，以減少光線傳播過程中在各層材料介面發生全反射導致光能量損耗。其中折射係數匹配是指三者的折射係數類似，或者三者的折射係數沿著光路傳播的方向各層材料的折射係數逐漸遞增。
在本發明的實施例中，優選地，半導體變壓結構還進一步包括光學陷阱，用於將發射光限制在半導體變壓結構內部，特別是限制在電光轉換層和光電轉換層之間，以避免漏光帶來的光能量損失，提高能量轉換效率。
為使本發明的半導體變壓結構更好地被本領域技術人員理解，發明人將本發明中的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構進一步劃分為多個層次進行詳細介紹。需要說明的是，下文對本發明的闡述側重於各層次的材料及用途，為簡便起見，設定半導體光電變壓器為雙面結構，半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的數目均為一個。
第6圖所示為根據本發明第五實施例的半導體變壓結構的結構示意圖。該半導體變壓結構包括：第一電極層100；形成在第一電極層100之上的電光轉換層102；形成在電光轉換層102之上的第二電極層104；形成 在第二電極層104之上的第一隔離層106；形成在第一隔離層106之上的第三電極層108；形成在第三電極層108之上的光電轉換層110；以及形成在光電轉換層110之上的第四電極層112。
其中，電光轉換層102用以將輸入的直流電轉換為光，發出所需要的波長範圍的工作光線。工作光線包括從100nm的紫外光到10um的紅外光的整個光譜範圍中的一個或多個波段的組合，優選為單頻率的光線，例如620nm的紅光、460nm的藍光、380nm的紫光，以有利於運用成熟的現有技術製造電光轉換層。例如電光轉換層102可以採用具有高量子效率、高電光轉換效率的結構和材料。具體地，可以為LED結構或雷射器結構，一般包括有源層，限制層，電流分散層，PN結等結構，其中有源層可以為多量子阱結構，雷射器結構的電光轉換層還包括諧振腔，LED結構包括諧振LED結構。電光轉換層102的材料選擇基於材料自身特性(如缺陷密度、能帶結構等)和所需要的光波特性(如波長範圍)，例如可以採用紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO、紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、以及其他III族氮系化合物、III族As系或磷系化合物半導體材料及其組合，其中缺陷密度低、光轉換效率高的材料(如AlGaInP、InGaN，GaN)為優選。
其中，光電轉換層110用以將光轉換為電以實現變壓。光電轉換層110的材料包括AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，InGaP，以及其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。電光轉換層102一般可以選用直接禁帶半導體材料，其能帶結構和光電轉換層110的能帶結構相匹配以使電光轉換層102發出的工作光線的波段與光電轉換層110吸收效率最高的 波段相匹配，以達到最高的光波能量轉換效率。
其中，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108對電光轉換層102發出的工作光線透明。在本發明實施例中，第二電極層104、第一隔離層106和第三電極層108材料的禁帶寬度大於電光轉換層102發出的工作光線的光子能量，以防止第二電極層104、隔離106層和第三電極層108對所述工作光線的吸收，提高光波轉換效率。
此外，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108的材料折射係數與電光轉換層102和光電轉換層110的材料折射係數匹配，以避免光傳播過程中在介面處發生全反射。由於當且僅當光線從折射係數較大的材料進入折射係數較小的材料時發生全反射，故在本發明一個優選的實施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110的材料折射係數相同，以避免光從電光轉換層102傳輸至光電轉換層110時在各介面處發生全發射；在本發明一個更優選的實施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110的材料折射係數梯次增加。所述“梯次增加”的含義是：每個所述層的材料折射係數不小於其前一個所述層的材料折射係數，即某些所述層的材料折射係數可以與其前一個所述層相同，但所述各層的材料折射係數整體呈遞增趨勢；在本發明一個更優選的實施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110的材料折射係數逐漸增加。通過上述更優選的實施例，一方面避免光沿電光轉化層102向光電轉換層110方向傳輸時(包括電光轉換層102產生的光以及所述各電極層和各反射層反射的光)發生全反射，以提高光的傳輸效率；另一方面促使光從光電轉換層110向電光轉換層 102方向傳輸時(主要包括光電轉換層110的第三和第四電極以及第二反射層反射的光)發生全發射，以將更多的光限制在光電轉化層110中，從而提高光轉換為電的效率。
另外，本發明還可以採用在不同材料層的介面處通過粗糙化或規則的圖形如光子晶體結構等來減低全反射。故在本發明優選的實施例中，電光轉換層102、第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110中的至少一個具有粗糙化表面或光子晶體結構，以增大光透射率，降低光的全反射。
第一隔離層106用於實現電光轉換層102和光電轉換層110的電氣隔離，使輸入電壓和輸出電壓不相互影響，同時對工作光線透明，使攜帶能量的光線能夠從光電轉換層102傳輸到電光轉換層110，實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。
第一隔離層除了利用上文敍述的“隔離層採用半導體材料，設置反偏的PN結結構”實現電氣隔離之外，還可以利用“隔離層採用絕緣材料”的方法來實現電氣隔離。
第一隔離層106的厚度取決於輸入輸出的電壓的大小以及絕緣要求，第一隔離層越厚，絕緣效果越好，能承受的擊穿電壓越高，但同時對光的衰減可能越大，因此絕緣層厚度的確定原則為：在滿足絕緣要求下越薄越好。基於上述要求，在本發明實施例中，第一隔離層106的材料優選為，AlN，，MgO，，BN，金剛石，，，半絕緣的GaAs、SiC或GaP，GaN中的一種及其組合，以及稀土氧化物REO及其組合。第二電極層104和第三電極層108的材料可以為重摻雜的GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、 AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO(銦錫氧化物)、、ZnO及其組合等。
在本發明一個優選的實施例中，第一電極層100和電光轉換層102之間還包括第一反射層101，第四電極層112和光電轉換層110之間還包括第二反射層111，如第6圖所示。所述第一和第二反射層將光限制在電光轉換層102和光電轉換層110之間來回反射，以防止光洩露，提高光的能量轉換效率。反射層的材料需要滿足對工作光線反射效率高、材料性能穩定、介面接觸電阻低、導電性好等要求。具體可以通過以下兩種方式實現：一種是布拉格反射鏡結構，利用多層折射率不同的材料層實現反射，比如採用兩種不同折射率的材料(例如折射率相差的0.6的GaAs和AlAs，折射率相差2.2的Si和稀土氧化物REO)製成多層結構以實現反射；一種是金屬全反射鏡結構，可以直接澱積高導電率和導熱率的金屬實現反射，例如Ag、Au、Cu、Ni、Al、Sn、Co、W及其組合等。由於與反射層相接觸的背電極層(即第一電極層100和第四電極層112)的厚度較厚，故反射層採用金屬全反射鏡結構同時兼具散熱的功能，可以將變壓器內部產生的熱量傳導出來。
其中，第一電極層100和第四電極層112用作引出電極以輸入輸出電流，由於不需要對工作光線透明，故可以採用金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑膠、導電氧化物等材料形成單層和/或多層複合結構，其中優選為低電阻率的金屬，例如Cu。優選地，可以通過增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時起到熱沉的作用以散熱。
需指出的是，由於該半導體變壓結構的輸入閾值電壓和輸出 電壓決定於光電轉換層和電光轉換層的材料特性參數，如禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調節相應的特性參數以實現變壓。進一步地，可以根據實際需要，通過調整電光轉換層102和光電轉換層110的數目比以提高變壓幅度，實現預期變壓，例如，如第7圖所示，半導體變壓結構包括一個電光轉換層102和兩個光電轉換層110A和110B，該結構相對於包含相同單個電光轉換層和單個光電轉換層的半導體變壓結構，增加了垂直結構的變壓，故變壓比更大。
在本發明的一個實施例中，將第一電極層100、形成在第一電極層100之上的電光轉換層102、以及形成在電光轉換層102之上的第二電極層104作為一個電光轉換結構；同理將第三電極層108、形成在第三電極層108之上的光電轉換層110、以及形成在光電轉換層110之上的第四電極層112作為一個光電轉換結構。該半導體直流光電變壓器還可以在垂直方向上包括多層交替堆疊的電光轉換結構和光電轉換結構。每相鄰的電光轉換結構和光電轉換結構之間包括隔離層，以進一步提高直流電壓變壓比。其中，多個電光轉換結構(或多個光電轉換結構)相互串聯，每個電光轉換結構(或每個光電轉換結構)的結構可以參考上述實施例所述的結構。第8圖所示為在垂直方向上具有兩個電光轉換結構和一個光電轉換結構的半導體直流光電變壓器結構示意圖，其中，電光轉換結構和光電轉換結構之間分別包括第一隔離層106和第二隔離層107。需指出的是，在該結構中，除首個和末個電光(或光電)轉換結構之外，中間每個電光轉換結構和光電轉換結構的第一電極層和第四電極層不能選用金屬電極，而選用與第二和第三電極層相同的重摻雜的半導體材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、 AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、、ZnO及其組合，從而有利於光線傳播。
本發明提供一種半導體變壓結構，通過在半導體變壓結構的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將直流電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為電能輸出，由於輸入端與輸出端單位單元的電壓分別取決於電光轉換層和光電轉換層材料的特性參數及數目，故該變壓器可直接實現直流電壓的變壓。
現有技術的利用材料隔離的半導體變壓結構，需要先在犧牲襯底上分別形成半導體光電/電光轉換結構，然後剝離犧牲襯底，將半導體光電/電光轉換結構轉移到隔離層上，然後進行刻蝕及連線，其工藝複雜，生產效率較低。而在本發明的實施例中，由於隔離層採用半導體材料，其晶格常數等物理參數與半導體電光轉換結構以及半導體光電轉換結構相近，因此本發明的半導體變壓結構中的隔離層有可能直接作為襯底材料，或者通過外延形成隔離層後，在隔離層上再外延光電或電光結構，整個半導體變壓結構通過雙面外延或單面外延工藝形成，免去剝離轉移等步驟，具有易於實現，免犧牲襯底、生產效率較高，成本較低的優點。具體地，雙面外延工藝形成本發明半導體變壓結構的過程如第9圖所示：
S101.提供襯底。該襯底為對工作光線透明的半導體材料，在最終成型的半導體變壓結構中相當於隔離層3。襯底的兩個側面均做拋光處理，可用於雙面外延生長。
S102.在襯底的一個側面上外延形成半導體電光轉換結構層10。
S103.在襯底的另一個側面上外延形成半導體光電轉換結構層20。
S104.對半導體電光轉換結構層10刻蝕分割和沉積電極，以形成一個或多個半導體電光轉換結構1，然後利用平面金屬化工藝將半導體電光轉換結構1進行串聯和/或並聯。
S105.對半導體光電轉換結構層20刻蝕分割和沉積電極，以形成一個或多個半導體光電轉換結構2，然後利用平面金屬化工藝將半導體光電轉換結構2進行串聯和/或並聯。
需要說明的是，上述形成方法中，步驟S204和步驟S205的順序可以調換，兩種方式並無本質差別。以及，需要說明的是，為了形成起電氣隔離作用的PN結結構，需要在合適的時候對合適的材料層進行摻雜、注入等處理(例如：雙面外延形成本發明第三實施例的半導體變壓結構，需要在步驟S101中提供具有多層摻雜層的襯底)。該處理的技術細節靈活多樣，但屬於本領域一般技術，故不贅述。
在本發明的一些實施例中，隔離層的厚度可能較薄，不能以隔離層為襯底做雙面外延工藝。此時，可採用單面外延工藝。
單面外延工藝形成本發明半導體變壓結構的過程如第10圖所示：
S201.提供襯底。襯底單面拋光，用於進行單面外延生長。
S202.在襯底上外延形成半導體電光轉換結構層10。
S203.在半導體電光轉換結構層10上外延形成隔離層3。
S204.在隔離層3上形成半導體光電轉換結構層20。
S205.對半導體電光轉換結構層10和半導體光電轉換結構層20進行刻蝕，分割以形成一個或多個半導體電光轉換結構1和一個或多個半導體光電轉換結構2。
S206.通過沉積電極、平面金屬化等工藝，將半導體電光轉換結構1進行串和/或並聯，以及將半導體光電轉換結構2進行串和/或並聯。
需要說明的是，上述形成方法中，步驟S202-S303和步驟S205-S206的順序可以調換，兩種方式並無本質差別。以及，需要說明的是，為了形成起隔離作用的反偏PN結結構，需要在合適的時候對合適的材料層進行摻雜、注入等處理(例如：雙面外延形成本發明第三實施例的半導體變壓結構，需要在步驟S101中提供具有多層摻雜層的襯底)。該處理的技術細節靈活多樣，但屬於本領域一般技術，故不贅述。
本發明提供的半導體變壓結構，通過在半導體變壓結構的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為電輸出，輸入端與輸出端直接採用半導體材料的隔離層(或襯底層)，依靠反偏PN結結構來實現電氣隔離，大大擴展了隔離層(或材料層)的選擇範圍，具有易於獲得、成本低廉、折射率匹配更優的優點。此外，由於本發明的半導體變壓結構的隔離層可通過外延形成結晶結構，其上還可以進一步外延其他半導體結構，避免了剝離、鍵合(bonding)等複雜工序，進一步降低了生產成本，使大規模製造成為可能。
本發明還提出一種晶片，該晶片包括至少一個上述任一種半導體變壓結構，該半導體變壓結構用於將外部電源的輸入電壓轉變為晶片內的各個電路功能模組所需的特定工作電壓。具體地，如第11圖所示，本發明的晶片除上述任一種半導體變壓結構100外，還包括：襯底200，一個或多個電源管腳300、片內電源分佈網路400以及電路功能模組500。其中，電源管腳300與外部電源相連；片內電源分佈網路400連接電源管腳300和至少一個半導體變壓結構100的輸入端，從而實現半導體變壓結構100的輸入端接入外部電源；半導體變壓結構100的輸出端則與需要供電的電路功能模組500相連，為其提供工作所需的電能。其中，電路功能模組500是指集成在同一晶片上的數位邏輯電路、類比電路、RF電路、flash電路、MEMS裝置等需要不同電壓的模組。比如flash晶片上就需要多組不同的供電電壓，電壓值跨度可達1.2V-20V，尤其是其寫入編程電壓，往往需要10-20V。
在本發明一個實施例中，該晶片還包括：至少一個控制模組600，控制模組600與至少一個半導體變壓結構100相連，並對其進行控制。具體地，控制模組600可對半導體變壓結構100的輸入輸出端的電流電壓進行採樣和控制，以實現電壓調節、穩壓、電源效率優化、電源節能關斷等目標。
在本發明一個實施例中，該晶片為全片集成。
本發明還有其他一些變形的實施方案，例如利用三維晶片堆疊，互連或鍵合技術把實現電源直流變壓的晶片和實現存儲，運算和MEMS傳感等功能的晶片集成在一起形成一個完整的系統，或者是通過系統級封裝把實現直流變壓的晶片和其他功能模組封裝在一起形成一個系統。
根據本發明實施例的晶片由於其內部的半導體變壓結構可以通過外延形成，故可以很方便地與其他部件進行集成，具有工藝成熟，成本較小，簡化電源方案，可實現全片集成的優點。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同限定。

Claims (13)

  1. 一種半導體變壓結構，其特徵在於，包括：一個或多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述電光轉換層用於將輸入電能轉換為光能；和一個或多個半導體光電轉換結構，所述半導體光電轉換結構包括光電轉換層，所述光電轉換層用於將所述光能轉換為輸出電能，其中，所述光電轉換層的吸收光譜與所述電光轉換層的發射光譜之間頻譜匹配，其中，所述半導體電光轉換結構、所述半導體光電轉換結構之間通過反偏PN結結構進行隔離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構和所述半導體光電轉換結構為多個且相互串聯，且所述半導體光電轉換結構的數目與所述半導體電光轉換結構的數目成比例。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，還包括：隔離層，所述隔離層為半導體，且所述隔離層為第一摻雜類型，其中，所述半導體電光轉換結構形成在所述隔離層一側，所述半導體光電轉換結構形成在所述隔離層另一側，所述隔離層對所述電光轉換層的發射光透明，其中，所述隔離層與所述半導體電光轉換結構之間以及所述隔離層與所 述半導體光電轉換結構之間具有第二摻雜類型的摻雜區，所述隔離層與所述摻雜區形成的PN結呈反偏狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，還包括：隔離層，所述隔離層為半導體，且所述隔離層為第一摻雜類型，其中，所述半導體電光轉換結構形成在所述隔離層一側，所述半導體光電轉換結構形成在所述隔離層另一側，所述隔離層所述電光轉換層的發射光透明，其中，所述半導體電光轉換結構包括第一半導體摻雜層、所述電光轉換層和第二半導體摻雜層，所述第二半導體摻雜層與所述隔離層接觸，並且所述第一半導體摻雜層為第一摻雜類型，所述第二半導體摻雜層為第二摻雜類型，所述隔離層與所述第二半導體摻雜層形成的PN結呈反偏狀態，其中，所述半導體光電轉換結構包括第三半導體摻雜層、所述光電轉換層和第四半導體摻雜層，所述第四半導體摻雜層與所述隔離層接觸，並且所述第三半導體摻雜層為第一摻雜類型，所述第四半導體摻雜層為第二摻雜類型，所述隔離層與所述第四摻雜層形成的PN結呈反偏狀態
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，還包括：隔離層，所述隔離層為半導體，其中，所述半導體電光轉換結構形成在所述隔離層一側，所述半導體光電轉換結構形成在所述隔離層另一側，所述隔離層所述電光轉換層的發 射光透明，其中，所述隔離層具有多個半導體摻雜層，並且所述多個半導體摻雜層中至少兩組相鄰的所述半導體摻雜層摻雜類型相反，以形成至少兩組PN結，其中，所述PN結呈反偏狀態。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，還包括：襯底層，所述襯底層為半導體，且所述襯底層為第一摻雜類型，其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構形成在所述襯底層的同一側，所述襯底層對所述電光轉換層的發射光透明，且所述襯底層底部具有反光結構，其中，所述襯底層與所述半導體電光轉換結構之間以及所述襯底層與所述半導體光電轉換結構之間具有第二摻雜類型的摻雜區，所述襯底層與所述摻雜區形成的PN結呈反偏狀態。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，光線傳播路徑上的各層材料的折射係數匹配。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，還包括：光學陷阱，所述光學陷阱用於將光限制在所述半導體變壓結構內部，以防止光洩露引起的能量損失。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，所述電光轉換層的材料為：AlGaInP，GaN，InGaN，InGaN，AlGaInN，ZnO，AlGaInAs，GaAs，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaInSb，InGaAsNSb 以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合，有機發光材料或量子點發光材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，所述光電轉換層的材料為：AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合，有機光伏材料或量子點光伏材料。
  11. 如申請專利範圍第6項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，所述隔離層或襯底層的材料包括GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料及其組合。
  12. 如申請專利範圍第1、2、9或10項所述的半導體變壓結構，其特徵在於，所述半導體變壓結構通過雙面外延或單面外延工藝實現。
  13. 一種晶片，其特徵在於，包括申請專利範圍第1項至第12項中任一項所述的半導體變壓結構，所述半導體變壓結構用於將外部電源的輸入電壓轉變為所述晶片上其他部件所需的特定工作電壓。
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