TWI493731B - 一種半導體直流光電變壓器 - Google Patents
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Description
本發明涉及電流電壓變壓領域，特別涉及一種半導體直流光電變壓器。
日常應用中，傳統的電力輸送主要採用交流電流進行傳輸，主要是因為交流電變壓容易，容易實現遠距離電力傳輸，以及與用戶端的低壓配電變電。但是，採用交流輸電存在很大缺陷：首先，交流電產生的感抗效應不容忽視，尤其是對高頻交流電，其感抗效應會對交流電產生極大影響；同時，由於趨膚效應的存在，使得交流電傳輸導線的有效面積較小，在遠距離輸電過程中會損失大量電能。其次，交流輸電線一般都是架空線，也有水下電纜和地下電纜，它們和電纜產生的“旁路電容”，造成交流電“分流”，造成輸電過程中的電能損失。還有，在交流輸電過程中，整個電網需要同步運行，所有的發電系統要同步在同一相位，以確保電網穩定運行，交流相位同步困難，一個發電系統的變化就會影響整個電網的穩定。另外，在小功率電子產品應用中，傳統的直流低壓變為直流高壓往往需要先變為交流低壓，再用線圈變壓器變為交流高壓，再變為直流高壓的方法，這種方法電路複雜，元件多，體積大，成本高而且轉換效率低。
與交流輸電相比，直流輸電具有諸多優點：
1、線路造價低：對於架空線路，直流單極只需一根，雙極只需兩根，更為經濟。同時每根導線都可以作為一個獨立迴路運行，並且可以採用大地或海水作迴路。
2、損耗小：直流線路沒有無功損耗，沒有充電功率和充電電流，直流架空線路沒有趨膚效應，其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小。並且電纜線路可以在較高的電位梯度下運行。
3、電網運行更穩定：直流本身帶有調製功能，可根據系統的要求作出反應，運行更穩定。可以聯絡兩個不同頻率的交流系統，聯絡線上的功率易於控制。
但是，目前的直流輸電，只在輸電這個環節是直流，發電仍是交流。在輸電線路的起端有換流設備將交流變換為直流，到線路末端再將直流變回交流。目前這種換流設備製造困難、價格昂貴，因此現階段的直流輸電應用範圍主要侷限在遠距離大容量輸電以及海底電纜輸電等，極大地限制了直流輸電的應用領域。為使直流輸電得到普遍應用，發展直流變壓技術和研製直流變壓裝置是亟待解決的關鍵問題。
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是提出一種半導體直流光電變壓器。
本發明提出了一種直流變壓器，包括：第一電極層；形成在所述第一電極層之上的電光轉換層；形成在所述電光轉換層之上的第二電極層；形成在所述第二電極層之上的第一隔離層；形成在所述第一隔離層之上的第三電極層；形成在所述第三電極層之上的光電轉換層；以及形成
在所述光電轉換層之上的第四電極層，其中，所述第一隔離層、所述第二電極層和所述第三電極層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，還包括：位於所述第一電極層和所述電光轉換層之間的第一反射層；以及位於所述第四電極層和所述光電轉換層之間的第二反射層。所述第一和第二反射層將光限制在所述電光轉換層和所述光電轉換層之間來回反射，防止光洩露，提高光波傳輸效率。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述第一反射層和第二反射層為布拉格反射鏡或金屬全反射鏡。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述第一電極層和所述第四電極層為金屬電極。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述第一隔離層材料為Al2O3，AlN，SiO2，MgO，Si3N4，BN，金剛石，LiAlO2，LiGaO2，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，以使所述第一隔離層對所述工作光線透明，絕緣特性好，耐高壓防擊穿。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉換層、所述第二電極層、所述第一隔離層、所述第三電極層和所述光電轉換層的材料折射係數梯次增加。所述“梯次增加”的含義是：不要求每個所述層的材料折射係數均相對於其前一個所述層遞加，某些所述層的材料折射係數可以與其前一個所述層相同，即所述各層的材料折射係數整體呈遞增趨勢即可。一方面避免光沿所述電光轉化層向所述光電轉換層方向傳輸時(包
括所述電光轉換層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；另一方面促使光從所述光電轉換層向所述電光轉換層方向傳輸時(主要包括所述光電轉換層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中，從而提高光轉換為電的效率。
根據本發明一個實施例的半導體直流光電變壓器，所述電光轉換層、所述第二電極層、所述第一隔離層、所述第三電極層和所述光電轉換層的材料折射係數接近。內部各層材料優選為折射係數相同或相近的材料以減少光的反射和損失。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉換層、所述第二電極層、所述第一隔離層、所述第三電極層和所述光電轉換層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。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述第二電極層、所述第一隔離層和所述第三電極層材料的禁帶寬度大於所述電光轉換層發出的工作光線的光子能量，以防止所述第二電極層、所述第一隔離層和所述第三電極層對所述工作光線的吸收，提高光波傳輸效率。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述光電轉換層為LED結構或雷射器結構，所述LED結構包括諧振LED結構。
根據本發明一個實施例的半導體直流光電變壓器，所述電光轉換層的材料包括紅黃光的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族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流光電變壓器，所述光電轉換層的材料包括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。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉換層和所述光電轉換層的能帶結構相匹配以使所述電光轉換層發出的工作光線的波段與所述光電轉換層吸收效率最高的波段相匹配，以達到最高的光波能量傳輸效率。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述第二電極層和所述第三電極層為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(銦錫氧化物)、SnO2、ZnO及其組合。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉換層和/或所述光電轉換層為多層多結結構。
根據本發明一個實施例的直流變壓器，還包括形成在所述第四電極層上的第二隔離層，以及形成在所述第二隔離層上的電光轉換結構，所述電光轉換結構包括所述第一電極層、形成在所述第一電極層之上的所述電光轉換層、以及形成在所述電光轉換層之上的所述第二電極層。該結構可以進一步提高直流電壓變壓比。在該結構中，中間的第四電極層為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、SnO2、ZnO及其組合。
本發明提供一種直流變壓器，通過在直流變壓器的輸入端設
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直流電輸出，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，故該變壓器可直接實現直流電壓的變壓。同時具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，不受太陽輻射及太陽風暴等的影響，安全可靠，體積小，壽命長，重量輕，安裝維護方便等優點。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐瞭解到。
100，104，108，112‧‧‧電極層
101，111‧‧‧反射層
102‧‧‧電光轉換層
106，107‧‧‧隔離層
110，110A，110B‧‧‧光電轉換層
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圖為本發明實施例的直流變壓器的結構示意圖；第2圖為本發明實施例的包括一個電光轉換層和兩個光電轉換層的直流變壓器的結構示意圖；第3圖為本發明實施例的包括兩個電光轉換結構和一個光電轉換結構的直流變壓器的結構示意圖。
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。
本發明提供一種直流變壓器，通過利用輸入端的半導體材料中注入載流子的複合產生光子，光波傳輸至輸出端的半導體材料中，引起被束縛的電子在不同能帶之間產生躍遷，並通過內建電場分離，從而實現能量傳輸與變壓。
第1圖所示為根據本發明實施例的直流變壓器的結構示意圖。該直流變壓器包括：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族砷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Al2O3，AlN，SiO2，MgO，Si3N4，BN，金剛石，LiAlO2，LiGaO2，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、SnO2、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1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，提高光波轉換效率。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0.6GaAs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，由於該直流變壓器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2圖所示，直流變壓器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直流變壓器，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3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、SnO2、ZnO及其組合，從而有利於光線傳播。
本發明提供一種直流變壓器，通過在直流變壓器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直流電輸出，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，故該變壓器可直接實現直流電壓的變壓。同時具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，不受太陽輻射及太陽風暴等的影響，安全可靠，體積小，壽命長，重量輕，安裝維護方便等優點。
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。
100，104，108，112‧‧‧電極層
101，111‧‧‧反射層
102‧‧‧電光轉換層
106‧‧‧隔離層
110‧‧‧光電轉換層
Claims (16)
- 一種半導體直流光電變壓器，其特徵在於，包括：第一電極層；形成在所述第一電極層之上的電光轉換層；形成在所述電光轉換層之上的第二電極層；形成在所述第二電極層之上的第一隔離層；形成在所述第一隔離層之上的第三電極層；形成在所述第三電極層之上的光電轉換層；以及形成在所述光電轉換層之上的第四電極層，其中，所述第一隔離層、所述第二電極層和所述第三電極層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，還包括：位於所述第一電極層和所述電光轉換層之間的第一反射層；以及位於所述第四電極層和所述光電轉換層之間的第二反射層。
- 如申請專利範圍第2項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述第一反射層和第二反射層為布拉格反射鏡或金屬全反射鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述第一電極層和所述第四電極層為金屬電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述第一隔離層為Al2O3，AlN，SiO2，MgO，Si3N4，BN，金剛石，LiAlO2，LiGaO2，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。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述電光轉換層、所述第二電極層、所述第一隔離層、所述第三電極層和所述光電轉換層的材料折射係數梯次增加。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述電光轉換層、所述第二電極層、所述第一隔離層、所述第三電極層和所述光電轉換層的材料折射係數接近。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述電光轉換層、所述第二電極層、所述第一隔離層、所述第三電極層和所述光電轉換層中的至少一個具有粗糙化表面或光子晶體結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述第二電極層、所述第一隔離層和所述第三電極層材料的禁帶寬度大於所述電光轉換層發出的工作光線的光子能量。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述光電轉換層為LED結構或雷射器結構，其中，所述LED結構包括諧振LED結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述電光轉換層的材料包括紅黃光的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族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述光電轉換層的材料包括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。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述電光轉換層和所述光電轉換層的能帶結構相匹配以使所述電光轉換層發出的工作光線的波段與所述光電轉換層吸收效率最高的波段相匹配。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述第二電極層和所述第三電極層為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、SnO2、ZnO及其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流光電變壓器，其中，所述電光轉換層和/或所述光電轉換層為多層多結結構。
- 如申請專利範圍第1-15項任一項所述的半導體直流光電變壓器，還包括形成在所述第四電極層上的第二隔離層，以及形成在所述第二隔離層上的電光轉換結構，所述電光轉換結構包括所述第一電極層、形成在所述第一電極層之上的所述電光轉換層、以及形成在所述電光轉換層之上的所述第二電極層。
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