CN102832287B - 一种半导体直流光电变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体直流光电变压器，包括：第一电极层；形成在所述第一电极层之上的电光转换层；形成在所述电光转换层之上的第二电极层；形成在所述第二电极层之上的第一隔离层；形成在所述第一隔离层之上的第三电极层；形成在所述第三电极层之上的光电转换层；以及形成在所述光电转换层之上的第四电极层，其中，所述第一隔离层、所述第二电极层和所述第三电极层对所述电光转换层发出的工作光线透明。根据本发明实施例的半导体直流光电变压器可直接实现直流电压的变压。同时具有耐高压，无电磁辐射，无线圈结构，不受太阳辐射及太阳风暴等的影响，安全可靠，体积小，寿命长，重量轻，安装维护方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电流电压变压领域，特别涉及一种半导体直流光电变压器。
背景技术
日常应用中，传统的电力输送主要采用交流电流进行传输，主要是因为交流电变压容易，容易实现远距离电力传输，以及与用户端的低压配电变电。但是，采用交流输电存在很大缺陷：首先，交流电产生的感抗效应不容忽视，尤其是对高频交流电，其感抗效应会对交流电产生极大影响；同时，由于趋肤效应的存在，使得交流电传输导线的有效面积较小，在远距离输电过程中会损失大量电能。其次，交流输电线一般都是架空线，也有水下电缆和地下电缆，它们和电缆产生的“旁路电容”，造成交流电“分流”，造成输电过程中的电能损失。还有，在交流输电过程中，整个电网需要同步运行，所有的发电系统要同步在同一相位，以确保电网稳定运行，交流相位同步困难，一个发电系统的变化就会影响整个电网的稳定。另外，在小功率电子产品应用中，传统的直流低压变为直流高压往往需要先变为交流低压，再用线圈变压器变为交流高压，再变为直流高压的方法，这种方法电路复杂，元件多，体积大，成本高而且转换效率低。
与交流输电相比，直流输电具有诸多优点：
1、线路造价低：对于架空线路，直流单极只需一根，双极只需两根，更为经济。同时每根导线都可以作为一个独立回路运行，并且可以采用大地或海水作回路。
2、损耗小：直流线路没有无功损耗，没有充电功率和充电电流，直流架空线路没有趋肤效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。并且电缆线路可以在较高的电位梯度下运行。
3、电网运行更稳定：直流本身带有调制功能，可根据系统的要求作出反应，运行更稳定。可以联络两个不同频率的交流系统，联络线上的功率易于控制。
但是，目前的直流输电，只在输电这个环节是直流，发电仍是交流。在输电线路的起端有换流设备将交流变换为直流，到线路末端再将直流变回交流。目前这种换流设备制造困难、价格昂贵，因此现阶段的直流输电应用范围主要局限在远距离大容量输电以及海底电缆输电等，极大地限制了直流输电的应用领域。为使直流输电得到普遍应用，发展直流变压技术和研制直流变压器件是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提出一种半导体直流光电变压器。
本发明提出了一种直流变压器，包括：第一电极层；形成在所述第一电极层之上的电光转换层；形成在所述电光转换层之上的第二电极层；形成在所述第二电极层之上的第一隔离层；形成在所述第一隔离层之上的第三电极层；形成在所述第三电极层之上的光电转换层；以及形成在所述光电转换层之上的第四电极层，其中，所述第一隔离层、所述第二电极层和所述第三电极层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
根据本发明一个实施例的直流变压器，还包括：位于所述第一电极层和所述电光转换层之间的第一反射层；以及位于所述第四电极层和所述光电转换层之间的第二反射层。所述第一和第二反射层将光限制在所述电光转换层和所述光电转换层之间来回反射，防止光泄露，提高光波传输效率。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述第一反射层和第二反射层为布拉格反射镜或金属全反射镜。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述第一电极层和所述第四电极层为金属电极。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述第一隔离层材料为Al2O3，AlN，SiO2，MgO，Si3N4，BN，金刚石，LiAlO2，LiGaO2，半绝缘的GaAs、SiC或GaP，GaN中的一种及其组合，以及稀土氧化物REO及其组合，以使所述第一隔离层对所述工作光线透明，绝缘特性好，耐高压防击穿。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述电光转换层、所述第二电极层、所述第一隔离层、所述第三电极层和所述光电转换层的材料折射系数梯次增加。所述“梯次增加”的含义是：不要求每个所述层的材料折射系数均相对于其前一个所述层递加，某些所述层的材料折射系数可以与其前一个所述层相同，即所述各层的材料折射系数整体呈递增趋势即可。一方面避免光沿所述电光转化层向所述光电转换层方向传输时(包括所述电光转换层产生的光以及所述各电极层和各反射层反射的光)发生全反射，以提高光的传输效率；另一方面促使光从所述光电转换层向所述电光转换层方向传输时(主要包括所述光电转换层的第三和第四电极以及第二反射层反射的光)发生全发射，以将更多的光限制在光电转化层中，从而提高光转换为电的效率。
根据本发明一个实施例的半导体直流光电变压器，所述电光转换层、所述第二电极层、所述第一隔离层、所述第三电极层和所述光电转换层的材料折射系数接近。内部各层材料优选为折射系数相同或相近的材料以减少光的反射和损失。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述电光转换层、所述第二电极层、所述第一隔离层、所述第三电极层和所述光电转换层中的至少一个具有粗糙化表面或光子晶体结构，以增大光透射率，降低光的全反射。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述第二电极层、所述第一隔离层和所述第三电极层材料的禁带宽度大于所述电光转换层发出的工作光线的光子能量，以防止所述第二电极层、所述第一隔离层和所述第三电极层对所述工作光线的吸收，提高光波传输效率。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述光电转换层为LED结构或激光器结构，所述LED结构包括谐振LED结构。
根据本发明一个实施例的半导体直流光电变压器，所述电光转换层的材料包括红黄光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、蓝紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO、红光或红外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、以及其它III族氮系化合物、III族As系或磷系化合物半导体材料及其组合。
根据本发明一个实施例的半导体直流光电变压器，所述光电转换层的材料包括AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，InGaP，以及其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述电光转换层和所述光电转换层的能带结构相匹配以使所述电光转换层发出的工作光线的波段与所述光电转换层吸收效率最高的波段相匹配，以达到最高的光波能量传输效率。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述第二电极层和所述第三电极层为重掺杂的半导体材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO及其组合。
根据本发明一个实施例的直流变压器，所述电光转换层和/或所述光电转换层为多层多结结构。
根据本发明一个实施例的直流变压器，还包括形成在所述第四电极层上的第二隔离层，以及形成在所述第二隔离层上的电光转换结构，所述电光转换结构包括所述第一电极层、形成在所述第一电极层之上的所述电光转换层、以及形成在所述电光转换层之上的所述第二电极层。该结构可以进一步提高直流电压变压比。在该结构中，中间的第四电极层为重掺杂的半导体材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO及其组合。
本发明提供一种直流变压器，通过在直流变压器的输入端设置电光转换层，利用半导体电子能级间跃迁产生的光辐射，将直流电转换为光进行传输，在输出端设置光电转换层以将光转化为直流电输出，由于输入端与输出端单位单元的电压分别取决于电光转换层和光电转换层材料的特性参数，故该变压器可直接实现直流电压的变压。同时具有耐高压，无电磁辐射，无线圈结构，不受太阳辐射及太阳风暴等的影响，安全可靠，体积小，寿命长，重量轻，安装维护方便等优点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的直流变压器的结构示意图；
图2为本发明实施例的包括一个电光转换层和两个光电转换层的直流变压器的结构示意图；
图3为本发明实施例的包括两个电光转换结构和一个光电转换结构的直流变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/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”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明提供一种直流变压器，通过利用输入端的半导体材料中注入载流子的复合产生光子，光波传输至输出端的半导体材料中，引起被束缚的电子在不同能带之间产生跃迁，并通过内建电场分离，从而实现能量传输与变压。
图1所示为根据本发明实施例的直流变压器的结构示意图。该直流变压器包括：第一电极层100；形成在第一电极层100之上的电光转换层102；形成在电光转换层102之上的第二电极层104；形成在第二电极层104之上的第一隔离层106；形成在第一隔离层106之上的第三电极层108；形成在第三电极层108之上的光电转换层110；以及形成在光电转换层110之上的第四电极层112。
其中，电光转换层102用以将输入的直流电转换为光，发出所需要的波长范围的工作光线。工作光线包括从100nm的紫外光到10um的红外光的整个光谱范围中的一个或多个波段的组合，优选为单频率的光线，例如620nm的红光、460nm的蓝光、380nm的紫光，以有利于运用成熟的现有技术制造电光转换层。例如电光转换层102可以采用具有高量子效率、高电光转换效率的结构和材料。具体地，可以为LED结构或激光器结构，一般包括有源层，限制层，电流分散层，PN结等结构，其中有源层可以为多量子阱结构，激光器结构的电光转换层还包括谐振腔，LED结构包括谐振LED结构。电光转换层102的材料选择基于材料自身特性(如缺陷密度、能带结构等)和所需要的光波特性(如波长范围)，例如可以采用红黄光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、蓝紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO、红光或红外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、以及其它III族氮系化合物、III族As系或磷系化合物半导体材料及其组合，其中缺陷密度低、光转换效率高的材料(如AlGaInP、InGaN，GaN)为优选。
其中，光电转换层110用以将光转换为电以实现变压。光电转换层110的材料包括AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，InGaP，以及其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合。电光转换层102一般可以选用直接禁带半导体材料，其能带结构和光电转换层110的能带结构相匹配以使电光转换层102发出的工作光线的波段与光电转换层110吸收效率最高的波段相匹配，以达到最高的光波能量转换效率。
其中，第一隔离层106、第二电极层104和第三电极层108对电光转换层102发出的工作光线透明。在本发明实施例中，第二电极层104、第一隔离层106和第三电极层108材料的禁带宽度大于电光转换层102发出的工作光线的光子能量，以防止第二电极层104、隔离106层和第三电极层108对所述工作光线的吸收，提高光波转换效率。
此外，第一隔离层106、第二电极层104和第三电极层108的材料折射系数与电光转换层102和光电转换层110的材料折射系数匹配，以避免光传播过程中在界面处发生全反射。由于当且仅当光线从折射系数较大的材料进入折射系数较小的材料时发生全反射，故在本发明一个优选的实施例中，第二电极层104、第一隔离层106、第三电极层108和光电转换层110的材料折射系数相同，以避免光从电光转换层102传输至光电转换层110时在各界面处发生全发射；在本发明一个更优选的实施例中，第二电极层104、第一隔离层106、第三电极层108和光电转换层110的材料折射系数梯次增加。所述“梯次增加”的含义是：每个所述层的材料折射系数不小于其前一个所述层的材料折射系数，即某些所述层的材料折射系数可以与其前一个所述层相同，但所述各层的材料折射系数整体呈递增趋势；在本发明一个更优选的实施例中，第二电极层104、第一隔离层106、第三电极层108和光电转换层110的材料折射系数逐渐增加。通过上述更优选的实施例，一方面避免光沿电光转化层102向光电转换层110方向传输时(包括电光转换层102产生的光以及所述各电极层和各反射层反射的光)发生全反射，以提高光的传输效率；另一方面促使光从光电转换层110向电光转换层102方向传输时(主要包括光电转换层110的第三和第四电极以及第二反射层反射的光)发生全发射，以将更多的光限制在光电转化层110中，从而提高光转换为电的效率。
另外，本发明还可以采用在不同材料层的界面处通过粗糙化或规则的图形如光子晶体结构等来减低全反射。故在本发明优选的实施例中，电光转换层102、第二电极层104、第一隔离层106、第三电极层108和光电转换层110中的至少一个具有粗糙化表面或光子晶体结构，以增大光透射率，降低光的全反射。
第一隔离层106用于实现电光转换层102和光电转换层110的电气隔离，使输入电压和输出电压不相互影响，同时对工作光线透明，使携带能量的光线能够从光电转换层102传输到电光转换层110，实现能量的传输，最终实现电压变换。第一隔离层106的厚度取决于输入输出的电压的大小以及绝缘要求，第一隔离层越厚，绝缘效果越好，能承受的击穿电压越高，但同时对光的衰减可能越大，因此绝缘层厚度的确定原则为：在满足绝缘要求下越薄越好。基于上述要求，在本发明实施例中，第一隔离层106的材料优选为Al2O3，AlN，SiO2，MgO，Si3N4，BN，金刚石，LiAlO2，LiGaO2，半绝缘的GaAs、SiC或GaP，GaN中的一种及其组合，以及稀土氧化物REO及其组合。第二电极层104和第三电极层108的材料可以为重掺杂的GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO及其组合等。
在本发明一个优选的实施例中，第一电极层100和电光转换层102之间还包括第一反射层101，第四电极层112和光电转换层110之间还包括第二反射层111，如图1所示。所述第一和第二反射层将光限制在电光转换层102和光电转换层110之间来回反射，以防止光泄露，提高光波转换效率。反射层的材料需要满足对工作光线反射效率高、材料性能稳定、界面接触电阻低、导电性好等要求。具体可以通过以下两种方式实现：一种是布拉格反射镜结构，利用多层折射率不同的材料层实现反射，比如采用两种不同折射率的材料(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)制成多层结构以实现反射；一种是金属全反射镜结构，可以直接淀积高导电率和导热率的金属实现反射，例如Ag、Au、Cu、Ni、Al、Sn、Co、W及其组合等。由于与反射层相接触的背电极层(即第一电极层100和第四电极层112)的厚度较厚，故反射层采用金属全反射镜结构同时兼具散热的功能，可以将变压器内部产生的热量传导出来。
其中，第一电极层100和第四电极层112用作引出电极以输入输出电流，由于不需要对工作光线透明，故可以采用金属、合金、陶瓷、玻璃、塑料、导电氧化物等材料形成单层和/或多层复合结构，其中优选为低电阻率的金属，例如Cu。优选地，可以通过增加金属电极层的厚度以降低电阻，同时起到热沉的作用以散热。
需指出的是，由于该直流变压器的输入阈值电压和输出电压决定于光电转换层和电光转换层的材料特性参数，如禁带宽度、掺杂浓度等，故通过调节相应的特性参数以实现变压。进一步地，可以根据实际需要，通过调整电光转换层102和光电转换层110的数目比以提高变压幅度，实现预期变压，例如，如图2所示，直流变压器包括一个电光转换层102和两个光电转换层110A和110B，该结构相对于包含相同单个电光转换层和单个光电转换层的直流变压器，增加了垂直结构的变压，故变压比更大。
在本发明的一个实施例中，将第一电极层100、形成在第一电极层100之上的电光转换层102、以及形成在电光转换层102之上的第二电极层104作为一个电光转换结构；同理将第三电极层108、形成在第三电极层108之上的光电转换层110、以及形成在光电转换层110之上的第四电极层112作为一个光电转换结构。该半导体直流光电变压器还可以在垂直方向上包括多层交替堆叠的电光转换结构和光电转换结构。每相邻的电光转换结构和光电转换结构之间包括隔离层，以进一步提高直流电压变压比。其中，多个电光转换结构(或多个光电转换结构)相互串联，每个电光转换结构(或每个光电转换结构)的结构可以参考上述实施例所述的结构。图3所示为在垂直方向上具有两个电光转换结构和一个光电转换结构的半导体直流光电变压器结构示意图，其中，电光转换结构和光电转换结构之间分别包括第一隔离层106和第二隔离层107。需指出的是，在该结构中，除首个和末个电光(或光电)转换结构之外，中间每个电光转换结构和光电转换结构的第一电极层和第四电极层不能选用金属电极，而选用与第二和第三电极层相同的重掺杂的半导体材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO及其组合，从而有利于光线传播。
本发明提供一种直流变压器，通过在直流变压器的输入端设置电光转换层，利用半导体电子能级间跃迁产生的光辐射，将直流电转换为光进行传输，在输出端设置光电转换层以将光转化为直流电输出，由于输入端与输出端单位单元的电压分别取决于电光转换层和光电转换层材料的特性参数，故该变压器可直接实现直流电压的变压。同时具有耐高压，无电磁辐射，无线圈结构，不受太阳辐射及太阳风暴等的影响，安全可靠，体积小，寿命长，重量轻，安装维护方便等优点。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (16)
1.一种半导体直流光电变压器，其特征在于，包括：
第一电极层；
形成在所述第一电极层之上的电光转换层，用以将输入的直流电转换为光；
形成在所述电光转换层之上的第二电极层；
形成在所述第二电极层之上的第一隔离层；
形成在所述第一隔离层之上的第三电极层；
形成在所述第三电极层之上的光电转换层，用以将光转换为电；以及
形成在所述光电转换层之上的第四电极层，其中，所述第一隔离层、所述第二电极层和所述第三电极层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
2.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，还包括：
位于所述第一电极层和所述电光转换层之间的第一反射层；以及
位于所述第四电极层和所述光电转换层之间的第二反射层。
3.如权利要求2所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述第一反射层和第二反射层为布拉格反射镜或金属全反射镜。
4.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述第一电极层和所述第四电极层为金属电极。
5.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述第一隔离层为Al2O3，AlN，SiO2，MgO，Si3N4，BN，金刚石，LiAlO2，LiGaO2，半绝缘的GaAs、SiC或GaP，GaN中的一种及其组合，或者所述第一隔离层为稀土氧化物REO及其组合。
6.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述电光转换层、所述第二电极层、所述第一隔离层、所述第三电极层和所述光电转换层的材料折射系数梯次增加。
7.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述电光转换层、所述第二电极层、所述第一隔离层、所述第三电极层和所述光电转换层的材料折射系数接近。
8.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述电光转换层、所述第二电极层、所述第一隔离层、所述第三电极层和所述光电转换层中的至少一个具有粗糙化表面或光子晶体结构。
9.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述第二电极层、所述第一隔离层和所述第三电极层材料的禁带宽度大于所述电光转换层发出的工作光线的光子能量。
10.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述光电转换层为LED结构或激光器结构，其中，所述LED结构包括谐振LED结构。
11.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述电光转换层的材料包括红黄光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN，蓝紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，红光或红外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs及其组合。
12.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述光电转换层的材料包括AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，InGaP及其组合。
13.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述电光转换层和所述光电转换层的能带结构相匹配以使所述电光转换层发出的工作光线的波段与所述光电转换层吸收效率最高的波段相匹配。
14.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述第二电极层和所述第三电极层为重掺杂的半导体材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO及其组合。
15.如权利要求1所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，所述电光转换层和/或所述光电转换层为多层多结结构。
16.如权利要求1-15任一项所述的半导体直流光电变压器，其特征在于，还包括形成在所述第四电极层上的第二隔离层，以及形成在所述第二隔离层上的电光转换结构，所述电光转换结构包括所述第一电极层、形成在所述第一电极层之上的所述电光转换层、以及形成在所述电光转换层之上的所述第二电极层。
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