專利名稱：一種半導體直流光電變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流電壓變壓領(lǐng)域，特別涉及一種半導體直流光電變壓器。
背景技術(shù)：
日常應(yīng)用中，傳統(tǒng)的電力輸送主要采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(xiàn)遠距離電力傳輸，以及與用戶端的低壓配電變電。但是，采用交流輸電存在很大缺陷首先，交流電產(chǎn)生的感抗效應(yīng)不容忽視，尤其是對高頻交流電，其感抗效應(yīng)會對交流電產(chǎn)生極大影響；同時，由于趨膚效應(yīng)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(chǎn)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(wǎng)需要同步運行，所有的發(fā)電系統(tǒng)要同步在同一相位，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行，交流相位同步困難，一個發(fā)電系統(tǒng)的變化就會影響整個電網(wǎng)的穩(wěn) 定。另外，在小功率電子產(chǎn)品應(yīng)用中，傳統(tǒng)的直流低壓變?yōu)橹绷鞲邏和枰茸優(yōu)榻涣鞯蛪?，再用線圈變壓器變?yōu)榻涣鞲邏?，再變?yōu)橹绷鞲邏旱姆椒ǎ@種方法電路復雜，元件多，體積大，成本高而且轉(zhuǎn)換效率低。與交流輸電相比，直流輸電具有諸多優(yōu)點I、線路造價低對于架空線路，直流單極只需一根，雙極只需兩根，更為經(jīng)濟。同時每根導線都可以作為一個獨立回路運行，并且可以采用大地或海水作回路。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(yīng)，其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小。并且電纜線路可以在較高的電位梯度下運行。3、電網(wǎng)運行更穩(wěn)定直流本身帶有調(diào)制功能，可根據(jù)系統(tǒng)的要求作出反應(yīng)，運行更穩(wěn)定。可以聯(lián)絡(luò)兩個不同頻率的交流系統(tǒng)，聯(lián)絡(luò)線上的功率易于控制。但是，目前的直流輸電，只在輸電這個環(huán)節(jié)是直流，發(fā)電仍是交流。在輸電線路的起端有換流設(shè)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(shè)備制造困難、價格昂貴，因此現(xiàn)階段的直流輸電應(yīng)用范圍主要局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(yīng)用領(lǐng)域。為使直流輸電得到普遍應(yīng)用，發(fā)展直流變壓技術(shù)和研制直流變壓器件是亟待解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是提出一種半導體直流光電變壓器。本發(fā)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(zhuǎn)換層；形成在所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層；以及形成在所述光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層發(fā)出的工作光線透明。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，還包括位于所述第一電極層和所述電光轉(zhuǎn)換層之間的第一反射層；以及位于所述第四電極層和所述光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層和所述光電轉(zhuǎn)換層之間來回反射，防止光泄露，提高光波傳輸效率。根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，所述第一隔離層材料為Al2O3, AIN, 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，耐聞壓防擊穿。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層的材料折射系數(shù)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系數(shù)均相對于其前一個所述層遞加，某些所述層的材料折射系數(shù)可以與其前一個所述層相同，即所述各層的材料折射系數(shù)整體呈遞增趨勢即可。一方面避免光沿所述電光轉(zhuǎn)化層向所述光電轉(zhuǎn)換層方向傳輸時(包括所述電光轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的光以及所述各電極層和各反射層反射的光)發(fā)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(zhuǎn)換層向所述電光轉(zhuǎn)換層方向傳輸時(主要包括所述光電轉(zhuǎn)換層的第三和第四電極以及第二反射層反射的光)發(fā)生全發(fā)射，以將更多的光限制在光電轉(zhuǎn)化層中，從而提高光轉(zhuǎn)換為電的效率。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的半導體直流光電變壓器，所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層的材料折射系數(shù)接近。內(nèi)部各層材料優(yōu)選為折射系數(shù)相同或相近的材料以減少光的反射和損失。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層中的至少一個具有粗糙化表面或光子晶體結(jié)構(gòu)，以增大光透射率，降低光的全反射。根據(jù)本發(fā)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于所述電光轉(zhuǎn)換層發(fā)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(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，所述光電轉(zhuǎn)換層為LED結(jié)構(gòu)或激光器結(jié)構(gòu)，所述LED結(jié)構(gòu)包括諧振LED結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的半導體直流光電變壓器，所述電光轉(zhuǎn)換層的材料包括紅黃光的AlGalnP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGalnN、ZnO、紅光或紅外光的AlGaInAs, GaAS, InGaAs,以及其它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。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的半導體直流光電變壓器，所述光電轉(zhuǎn)換層的材料包括AlGalnP, InGaAs, InGaNjAlGaInN, InGaAsP, InGaP,以及其它 III-V 族直接禁帶半導體材料
及其組合。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉(zhuǎn)換層和所述光電轉(zhuǎn)換層的能帶結(jié)構(gòu)相匹配以使所述電光轉(zhuǎn)換層發(fā)出的工作光線的波段與所述光電轉(zhuǎn)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(jù)本發(fā)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，AlGalnP、AlGalnN、AlGaInAs,或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2, ZnO及其組合。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的直流變壓器，所述電光轉(zhuǎn)換層和/或所述光電轉(zhuǎn)換層為
多層多結(jié)結(jié)構(gòu)。 根據(jù)本發(fā)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換層、以及形成在所述電光轉(zhuǎn)換層之上的所述第二電極層。該結(jié)構(gòu)可以進一步提高直流電壓變壓比。在該結(jié)構(gòu)中，中間的第四電極層為重摻雜的半導體材料GaAs、GaN、GaP，AlGalnP、AlGalnN、AlGaInAs,或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2, ZnO及其組合。本發(fā)明提供一種直流變壓器，通過在直流變壓器的輸入端設(shè)置電光轉(zhuǎn)換層，利用半導體電子能級間躍遷產(chǎn)生的光輻射，將直流電轉(zhuǎn)換為光進行傳輸，在輸出端設(shè)置光電轉(zhuǎn)換層以將光轉(zhuǎn)化為直流電輸出，由于輸入端與輸出端單位單兀的電壓分別取決于電光轉(zhuǎn)換層和光電轉(zhuǎn)換層材料的特性參數(shù)，故該變壓器可直接實現(xiàn)直流電壓的變壓。同時具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結(jié)構(gòu)，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(yōu)點。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)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(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明實施例的直流變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的包括一個電光轉(zhuǎn)換層和兩個光電轉(zhuǎn)換層的直流變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的包括兩個電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和一個光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的直流變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)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，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)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(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數(shù)字和/或字母。這種重復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(shè)置之間的關(guān)系。此夕卜，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。本發(fā)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復合產(chǎn)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(chǎn)生躍遷，并通過內(nèi)建電場分離，從而實現(xiàn)能量傳輸與變壓。 圖I所示為根據(jù)本發(fā)明實施例的直流變壓器的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換層102 ;形成在電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層110 ;以及形成在光電轉(zhuǎn)換層110之上的第四電極層112。其中，電光轉(zhuǎn)換層102用以將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為光，發(fā)出所需要的波長范圍的工作光線。工作光線包括從IOOnm的紫外光到IOum的紅外光的整個光譜范圍中的一個或多個波段的組合，優(yōu)選為單頻率的光線，例如620nm的紅光、460nm的藍光、380nm的紫光，以有利于運用成熟的現(xiàn)有技術(shù)制造電光轉(zhuǎn)換層。例如電光轉(zhuǎn)換層102可以采用具有高量子效率、高電光轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)和材料。具體地，可以為LED結(jié)構(gòu)或激光器結(jié)構(gòu)，一般包括有源層，限制層，電流分散層，PN結(jié)等結(jié)構(gòu)，其中有源層可以為多量子阱結(jié)構(gòu)，激光器結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換層還包括諧振腔，LED結(jié)構(gòu)包括諧振LED結(jié)構(gòu)。電光轉(zhuǎn)換層102的材料選擇基于材料自身特性(如缺陷密度、能帶結(jié)構(gòu)等)和所需要的光波特性(如波長范圍)，例如可以采用紅黃光的AlGalnP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO、紅光或紅外光的AlGaInAs, GaAS, InGaAs,以及其它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(zhuǎn)換效率高的材料(如AlGalnP、InGaN, GaN)為優(yōu)選。其中，光電轉(zhuǎn)換層110用以將光轉(zhuǎn)換為電以實現(xiàn)變壓。光電轉(zhuǎn)換層110的材料包括 AlGalnP，InGaAs, InGaN, AlGalnN, InGaAsP, InGaP,以及其它 III-V 族直接禁帶半導體材料及其組合。電光轉(zhuǎn)換層102—般可以選用直接禁帶半導體材料，其能帶結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換層110的能帶結(jié)構(gòu)相匹配以使電光轉(zhuǎn)換層102發(fā)出的工作光線的波段與光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換層102發(fā)出的工作光線透明。在本發(fā)明實施例中，第二電極層104、第一隔離層106和第三電極層108材料的禁帶寬度大于電光轉(zhuǎn)換層102發(fā)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(zhuǎn)換效率。此外，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108的材料折射系數(shù)與電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)匹配，以避免光傳播過程中在界面處發(fā)生全反射。由于當且僅當光線從折射系數(shù)較大的材料進入折射系數(shù)較小的材料時發(fā)生全反射，故在本發(fā)明一個優(yōu)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(zhuǎn)換層Iio的材料折射系數(shù)相同，以避免光從電光轉(zhuǎn)換層102傳輸至光電轉(zhuǎn)換層110時在各界面處發(fā)生全發(fā)射；在本發(fā)明一個更優(yōu)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(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)梯次增加。所述“梯次增加”的含義是每個所述層的材料折射系數(shù)不小于其前一個所述層的材料折射系數(shù)，即某些所述層的材料折射系數(shù)可以與其前一個所述層相同，但所述各層的材料折射系數(shù)整體呈遞增趨勢；在本發(fā)明一個更優(yōu)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(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)逐漸增加。通過上述更優(yōu)選的實施例，一方面避免光沿電光轉(zhuǎn)化層102向光電轉(zhuǎn)換層110方向傳輸時(包括電光轉(zhuǎn)換層102產(chǎn)生的光以及所述各電極層和各反射層反射的光)發(fā)生全反射，以提高光的傳輸效率；另一方面促使光從光電轉(zhuǎn)換層Iio向電光轉(zhuǎn)換層102方向傳輸時(主要包括光電轉(zhuǎn)換層110的第三和第四電極以及第二反射層反射的光)發(fā)生全發(fā)射，以將更多的光限制在光電轉(zhuǎn)化層Iio中，從而提高光轉(zhuǎn)換為電的效率。另外，本發(fā)明還可以采用在不同材料層的界面處通過粗糙化或規(guī)則的圖形如光子晶體結(jié)構(gòu)等來減低全反射。故在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層110中的至少一個具有粗糙化表面或光子晶體結(jié)構(gòu)，以增大光透射率，降低光的全反射。第一隔離層106用于實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層102傳輸?shù)诫姽廪D(zhuǎn)換層110，實現(xiàn)能量的傳輸，最終實現(xiàn)電壓變換。第一隔離層106的厚度取決于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?；谏鲜鲆螅诒景l(fā)明實施例中，第一隔離層106的材料優(yōu)選為Al2O3,A1N，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, AlGalnP、AlGalnN、AlGalnAs，或者導電透明金屬氧化物材料ΙΤ0、SnO2、ZnO及其組合等。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施例中，第一電極層100和電光轉(zhuǎn)換層102之間還包括第一反射層101，第四電極層112和光電轉(zhuǎn)換層110之間還包括第二反射層111，如圖I所示。所述第一和第二反射層將光限制在電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110之間來回反射，以防止光泄露，提高光波轉(zhuǎn)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(wěn)定、界面接觸電阻低、導電性好等要求。具體可以通過以下兩種方式實現(xiàn)一種是布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，利用多層折射率不同的材料層實現(xiàn)反射，比如采用兩種不同折射率的材料(例如折射率相差的O. 6GaAs和AlAs，折射率相差2. 2的Si和稀土氧化物RE0)制成多層結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)反射；一種是金屬全反射鏡結(jié)構(gòu)，可以直接淀積高導電率和導熱率的金屬實現(xiàn)反射，例如Ag、Au、Cu、Ni、Al、Sn、Co、W及其組合等。由于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，故反射層采用金屬全反射鏡結(jié)構(gòu)同時兼具散熱的功能，可以將變壓器內(nèi)部產(chǎn)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，由于不需要對工作光線透明，故可以采用金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑料、導電氧化物等材料形成單層和/或多層復合結(jié)構(gòu)，其中優(yōu)選為低電阻率的金屬，例如Cu。優(yōu)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，由于該直流變壓器的輸入閾值電壓和輸出電壓決定于光電轉(zhuǎn)換層和電光轉(zhuǎn)換層的材料特性參數(shù)，如禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的特性參數(shù)以實現(xiàn)變壓。進一步地，可以根據(jù)實際需要，通過調(diào)整電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110的數(shù)目比以提高變壓幅度，實現(xiàn)預期變壓，例如，如圖2所示，直流變壓器包括一個電光轉(zhuǎn)換層102和兩個光電轉(zhuǎn)換層IlOA和110B，該結(jié)構(gòu)相對于包含相同單個電光轉(zhuǎn)換層和單個光電轉(zhuǎn)換層的直流變壓器，增加了垂直結(jié)構(gòu)的變壓，故變壓比更大。在本發(fā)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(zhuǎn)換層102、以及形成在電光轉(zhuǎn)換層102之上的第二電極層104作為一個電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；同理將第三電極層108、形成在第三電極層108之上的光電轉(zhuǎn)換層110、以及形成在光電轉(zhuǎn)換層110之上的第四電極層112作為一個光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。每相鄰的電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(或多個光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))相互串聯(lián)，每個電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(或每個光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))的結(jié)構(gòu)可以參考上述實施例所述的結(jié)構(gòu)。圖3所不為在垂直方向上具有兩個電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和一個光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的半導體直流光電變壓器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，除首個和末個電光(或光電)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之外，中間每個電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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IT0、Sn02、Zn0及其組合，從而有利于光線傳播。本發(fā)明提供一種直流變壓器，通過在直流變壓器的輸入端設(shè)置電光轉(zhuǎn)換層，利用半導體電子能級間躍遷產(chǎn)生的光輻射，將直流電轉(zhuǎn)換為光進行傳輸，在輸出端設(shè)置光電轉(zhuǎn)換層以將光轉(zhuǎn)化為直流電輸出，由于輸入端與輸出端單位單兀的電壓分別取決于電光轉(zhuǎn)換層和光電轉(zhuǎn)換層材料的特性參數(shù)，故該變壓器可直接實現(xiàn)直流電壓的變壓。同時具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結(jié)構(gòu)，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(yōu)點。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)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(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種半導體直流光電變壓器，其特征在于，包括 第一電極層； 形成在所述第一電極層之上的電光轉(zhuǎn)換層； 形成在所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層；以及 形成在所述光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層發(fā)出的工作光線透明。
2.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，還包括 位于所述第一電極層和所述電光轉(zhuǎn)換層之間的第一反射層；以及 位于所述第四電極層和所述光電轉(zhuǎn)換層之間的第二反射層。
3.如權(quán)利要求2所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，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。
4.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述第一電極層和所述第四電極層為金屬電極。
5.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述第一隔離層為Al2O3,AIN, 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。
6.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層的材料折射系數(shù)梯次增加。
7.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層的材料折射系數(shù)接近。
8.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層中的至少一個具有粗糙化表面或光子晶體結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，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于所述電光轉(zhuǎn)換層發(fā)出的工作光線的光子倉tfi。
10.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換層為LED結(jié)構(gòu)或激光器結(jié)構(gòu)，其中，所述LED結(jié)構(gòu)包括諧振LED結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)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、以及其它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。
12.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換層的材料包括 AlGalnP，InGaAs, InGaN, AlGaInN, InGaAsP, InGaP,以及其它 III-V 族直接禁帶半導體材料及其組合。
13.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)換層和所述光電轉(zhuǎn)換層的能帶結(jié)構(gòu)相匹配以使所述電光轉(zhuǎn)換層發(fā)出的工作光線的波段與所述光電轉(zhuǎn)換層吸收效率最高的波段相匹配。
14.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，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，AlGalnP、AlGalnN、AlGaInAs,或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2, ZnO及其組合。
15.如權(quán)利要求I所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)換層和/或所述光電轉(zhuǎn)換層為多層多結(jié)結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求1-15任一項所述的半導體直流光電變壓器，其特征在于，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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換層、以及形成在所述電光轉(zhuǎn)換層之上的所述第二電極層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體直流光電變壓器，包括第一電極層；形成在所述第一電極層之上的電光轉(zhuǎn)換層；形成在所述電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層；以及形成在所述光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層發(fā)出的工作光線透明。根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體直流光電變壓器可直接實現(xiàn)直流電壓的變壓。同時具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結(jié)構(gòu)，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(yōu)點。
文檔編號H01L31/12GK102832287SQ201210326559
公開日2012年12月19日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者郭磊 申請人:郭磊