CN104854709A - 激光功率转换器 - Google Patents

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Abstract

一种激光功率转换器LPC器件(1)包括抗反射涂层(10)、窗口层(20)、有源区域(30)、电子阻挡层(40)、分布式布拉格反射器DBR(50)和基板(60)。所述器件还包括阳极(70)、阴极(80)和绝缘层(90)。有源区域(30)由磷砷化铟稼InGaAsP形成，InGaAsP层中的化学元素的比例为InyGa1-yAsxP1-x，并被设计为将波长为1.55μm的电磁辐射转换为电能。然而，InGaAsP的确切组成被选择为具有略高于1.55μm的带隙波长，因为在操作中，器件变热并且带隙向较长的波长移位。为了获得合适的带隙，组成可以是InyGa1-yAsxP1-x，其中分别为x＝0.948、0.957、0.965、0.968、0.972或0.976，y＝0.557、0.553、0.549、0.547、0.545或0.544。

Description

激光功率转换器
技术领域
本发明涉及用于将电磁能转换为电能的激光功率转换器(LPC)器件。具体地讲，本发明涉及一种被优化以接收期望波长的电磁辐射的LPC。
背景技术
用于将电磁能转换为电能的器件到如今已经存在了几十年。这些器件常常称为光伏器件。任何此类器件的基本特性是其效率，即，与接收的电磁能相比提取的电能的量。光伏电池设计的目标是实现最高可能效率，即，从接收的给定量的电磁能提取尽可能多的电能。
最常见形式的光伏器件也许是太阳能电池，其被设计为利用太阳能来产生电能。从袖珍计算器到太阳能飞行器的广泛应用中均可找到太阳能电池。在尝试使太阳能电池的效率最大化时的一个设计考虑是发射来自太阳的光的波长范围。
还关注用于电力传输的另一形式的光伏器件。传统上，通过电线将电力从其源头输送至其使用地点。然而，利用光伏器件，可接收以高频电磁辐射的形式传输的能量。
已做出努力来设计在电力传输系统内从窄光谱线宽光源(通常为激光器)接收能量的光伏器件。例如，电驱动激光器可生成电磁辐射，所述电磁辐射继而可被光伏器件接收，该光伏器件能够将电磁辐射转换回电能。在这种情况下光伏器件常常被称作激光功率转换器(LPC)。
一般来说，使用光伏器件的电力传输适合于传统电线或者遭受不想要的电磁干扰或者难以安装的情况。例如，电线在紧邻高压时会面临干扰。如果通过光纤线缆以电磁辐射的形式输送能量，则这种干扰影响是可忽略的。使用光纤线缆的附加优点是降低不想要的电火花(这在许多情况下会很危险)的可能性。
在难以或无法安装任何类型的线缆的情况下应用光伏器件来进行电力传输可允许通过自由空间来传输电磁能。例如，围绕地球运行的卫星处于理想位置来利用太阳能生成电能。可通过激光器将该能量利用光束发射至地面，随后可在接收站处通过光伏电池将它重新转换为电能。这可允许将能量传输至出于实际原因无法连接到现有电源的地面区域。
另外，LPC还可用于包括用于医学诊断的皮下电器件的远程供电及相关应用、电子设备的视距无线供电在内的应用。
由激光器生成的电磁辐射基本上是单色的，即，与从太阳发射的宽的波长范围相比，激光器在非常窄的波长范围上发射。因此，使LPC器件的效率最大化的设计考虑不同于使太阳能电池的效率最大化的设计考虑。
例如，V.Andreev等人在“High current density GaAs and GaSb photovoltaic cells forlaser power beaming”(Photovoltaic Energy Conversion Conference，第761页(2003))中报告了基于GaAs的光伏器件在820nm至850nm区域内的波长下实现了50％以上的效率。此文献描述了形成在GaAs基板上的光伏器件，所述光伏器件包括由AIAs和GaAs的交替层形成的分布式布拉格反射器，以便增加器件在830nm到870nm之间的波长下的响应率。该文献还描述了在电力传输中使用在1315nm的波长下运行的碘激光器，并且研究了基于GaSb基板的光伏器件接收此波长的电磁辐射的概率。
A.W.Bett等人在“Ill-V solar cells under monochromatic illumination”(PhotovoltaicSpecialists Conference，第1页(2008))中比较了利用具有由不同材料(即，GaAs、GalnP和GaSb)形成的有源区域的光伏器件实现的效率。利用GaAs有源区域实现了54％的峰值效率，该峰值在810nm左右的波长下实现。该文献还描述了采用分布式布拉格反射器的双结GaAs光伏器件。
尽管设计用于特定波长的LPC的上述努力已得到一些成功，但是它们的应用受到限制。具体地讲，尽管实现了50％以上的最大效率，但是这是在810nm至870nm左右的波长下实现的。实际上，此类波长的使用有限。例如，在此波长下，电磁辐射不是“对人眼安全的”和对皮肤安全的。“对人眼安全的”辐射出现在1.4μm左右及以上的波长，与较短波长下的辐射相比基本上降低了对人眼造成损害的风险。对人眼安全的辐射通常被认为是对皮肤安全的。显然在使用激光器来传输电力时使用对人眼安全的辐射是有益的。
具有在810nm至870nm左右的区域内的波长的电磁辐射的另一缺点是此类辐射在其穿过传统光纤或大气时发生的衰减。在任一情况下，能量在被光伏器件接收之前损失。
出于这些原因，已对使用较长波长的电磁辐射的电力传输进行了研究。然而，在较长波长下实现的效率与800nm区域中的效率相比降低了许多。
S.J.Wojtczuk等人在“Long-wavelength laser power converters for optical fibers”(Photovoltaic Specialists Conference，第971页(1997))中讨论了用于接收波长为1.55μm和2.1μm的电磁辐射的光伏器件。在这种情况下，该文献描述了使用形成在InP晶片上的InGaAs的光伏器件。使用InGaAs的光伏电池的报告的最大效率在1.55μm的波长下为35％左右。
H.Miyakawa等人在“Photovoltaic cell characteristics for high-intensity laser light”(Solar Energy Materials&Solar Cells，第253页(2005))中也描述了InGaAs/InP光伏器件。然而，此文献中描述的峰值效率在1480nm的波长下为24％左右。
可以看出这两个系统中实现的效率非常低，甚至没有接近50％。具有这样效率的器件在实际LPC系统中的益处有限。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于接收波长为约1550nm的入射电磁辐射的激光功率转换器‘LPC’器件，该LPC包括：基板；以及有源区域，该有源区域包括n掺杂层和p掺杂层，所述n掺杂层和p掺杂层由InGaAsP形成，所述有源区域被布置为吸收具有约1550nm的关联波长的电磁辐射的光子；其中，所述InGaAsP与所述基板晶格匹配。
与已知LPC相比，该LPC器件将1550nm辐射转换为电能的效率可增加。例如，效率在1kWm-2的功率密度(太阳能电池效率通常所引用的在地球表面由太阳提供的功率密度)下可为至少44％，并且可为50％以上。
当光子在光伏器件的有源区域中生成载流子对时，这涉及横跨带隙从价带至导带激发电子。通过此过程形成的电能非常接近于吸收材料的带隙能(形成的能量接近于带隙，等于准费米能级的间距乘以电子的电荷)。如果入射光子的能量小于带隙，则它不被吸收，无法激发电子，没有生成电能。另一发明，如果入射光子的能量大于带隙，则可激发电子，但是任何多余能量在可被提取到外部电路之前作为热损失到系统。所述多余能量称为量子亏损。通过适当地选择InGaAsP合金组成，从而对于一定范围的操作条件在由量子亏损引起的损失与器件中的能态密度的增加带来的增益之间实现适当平衡，InGaAsP有源区域的带隙可被选择为使得LPC器件的响应率在1550nm的波长下最大。这增加了器件的光电转换效率或电池效率。
电磁波在基于二氧化硅的光纤线缆中的衰减在1.55μm处最小，使得转换此波长的辐射的LPC特别有用。此外，在此波长下存在大气窗口(即，穿过大气的电磁波的最小衰减)。如上所述，波长为1.4μm以上的激光常常被称为“对人眼安全的”，因为此频率的光在可到达并损伤视网膜之前被眼睛中的角膜和水晶体强烈吸收。1.4μm及以上的波长对皮肤也是安全的。具体地讲，最高至1KW/m2的功率密度，这些波长是对眼睛安全并且对皮肤安全的。因此，使用高于1.4μm的波长进行电力传输在安全方面是有利的。
与基板晶格匹配的InGaAsP有源区域可使由电子或空穴的缺陷相关复合引起的损失最小化。
所述有源区域优选由InyGa1-yAsxP1-x形成，其中分别为x＝0.948、0.957、0.965、0.968、0.972或0.976，y＝0.557、0.553、0.549、0.547、0.545或0.544。这些组成可从具有InGaAsP有源区域的LPC针对1550nm入射辐射实现最大转换效率。这可在有源区域的环境温度左右，最高至高于环境温度30摄氏度左右的温度下实现。
所述组成可平衡影响器件效率的因素，态密度、量子亏损以及吸收LPC中的有源区域的自热(导致带隙收缩)。由于例如上述效应，可选择比1550nm长的波长下的带隙以使1550nm辐射的吸收效率最大化。
由于InGaAsP的吸收在比带隙波长短的波长下呈平稳状态，所以在接近于带隙波长的波长下入射光子至电子的转换效率(最终决定在单色照明下LPC的光电转换效率)对于接近于带隙波长的一定范围的波长几乎相同。因此，不止一种组成是可能的。
有源区域与基板晶格匹配，优选地，与器件的所有其它层晶格匹配。这消除了器件中的应变。因此，可制造具有相对厚的层的器件而不会在晶格中引起不想要的缺陷，相对厚度增加了穿过有源层的光子将生成载流子对的可能性，同时缺陷的缺少增加了载流子一旦生成就可被成功提取的可能性。因此，器件的效率可增加。
优选地，基板由二元合金形成，该二元合金包括有源半导体材料(activesemiconductor material)的两种III族元素之一以及有源半导体材料的两种V族元素之一。还可利用变质生长在其它基板上生长例如IV族元素材料(例如硅)。使用基于III-V的基板确保了器件的材料特性尽可能一致，有助于制造工艺以及有源层的有源半导体材料与基板的晶格匹配。在优选实施方式中，基板由InP形成。
优选地，所述器件还包括反射元件，该反射元件被调整以反射期望波长的电磁辐射。因此，反射元件可用于将在第一次穿过时未被有源区域吸收的电磁辐射反射回有源区域，从而有第二次机会被吸收。这增加了给定光子将在有源区域中生成载流子对从而将电磁能转换为电能的总体可能性。因此，反射元件增加了器件的效率。
优选地，反射元件是包括第一材料和第二材料的交替层的分布式布拉格反射器。优选地，分布式布拉格反射器的材料与器件的其余部分的材料一致。具体地讲，第一材料优选为有源半导体材料。另外或另选地，第二材料可以与形成基板的材料相同。还可使用多层介质涂层来形成分布式布拉格反射器。例如，在本发明的基板由InP形成的实施方式中，分布式布拉格反射器的交替层可由InGaAsP和InP形成。
优选地，反射元件与基板晶格匹配，从而抗少器件中的应变。在优选实施方式中，反射元件设置在基板与有源区域之间。因此，从反射元件反射到有源区域的电磁辐射不需要穿过基板。
优选地，所述器件还包括：与p掺杂层直接接触的阳极；以及与n掺杂层直接接触的阴极，其中，所述阳极和阴极被布置为使得在有源区域与反射元件之间存在不穿过阳极或阴极的光路。
优选地，n掺杂层和p掺杂层在第一方向上分离开，阳极和阴极在垂直于第一方向的第二方向上分离开。
阴极、电极和反射元件的布置方式允许光从反射元件反射到有源区域，而不会被阳极或阴极阻挡。然而，由于阳极和阴极均与有源区域直接接触，所以可提取在有源区域中生成的载流子，而不需要它们穿过反射元件。这种布置方式确保了载流子的最短可能提取路径，从而使载流子将复合并因此未能被提取的概率最小化。通常，载流子将在10ns左右的时段之后复合。通过提供短的提取路径长度，较大比例的载流子将在辐射或非辐射地复合之前被提取到外部电路。因此，阳极和阴极的布置方式增加了器件的效率。
优选地，阳极和阴极设置在从器件的表面向有源区域延伸的槽中。这种布置方式提供了一种方便且有效的方式来允许阳极和阴极横向上分离开，从而保持从有源区域至反射元件的光路不受阳极或阴极阻碍。
在优选实施方式中，所述器件还包括设置在有源区域的p掺杂部分与阴极之间和/或有源区域的n掺杂区域与阳极之间的一个或更多个绝缘层。这确保了阳极和/或阴极仅与有源区域的需要的层接触。
优选地，n掺杂层包括n掺杂吸收层和n掺杂接触层，阴极与n掺杂接触层直接接触。n掺杂接触层的n掺杂水平可高于n掺杂吸收层，从而提供了n掺杂层与阴极之间的改进的欧姆接触。
在优选实施方式中，所述器件还包括设置在有源区域与基板之间的电子阻挡层，其中，电子阻挡层的组成使得在有源区域与电子阻挡层之间的界面处存在导带偏移能。
电子阻挡层可抗少泄漏到器件的不想要的部分中的电子的数量。具体地讲，电子阻挡层可帮助确保电子由阴极直接提取。
在优选实施方式中，n掺杂层包括n掺杂吸收层和n掺杂接触层，电子阻挡层与有源区域之间的界面在电子阻挡层与n掺杂接触层之间。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用于接收波长为约1550nm的入射电磁辐射的激光功率转换器‘LPC’的方法，该方法包括以下步骤：
形成基板；以及
形成有源区域，该有源区域包括n掺杂层和p掺杂层，所述n掺杂层和所述p掺杂层由InGaAsP形成，所述有源区域被布置为吸收具有约1550nm的关联波长的电磁辐射的光子；
其中，所述InGaAsP与所述基板晶格匹配。
附图说明
仅作为示例，下面参照附图描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1示出根据本发明的优选实施方式的LPC器件的侧视图；
图2A示出图1所示的优选实施方式的俯视图；
图2B示出本发明的另选实施方式的俯视图；
图3示出横跨优选实施方式的层的导带能和价带能以及费米能级；
图4示出在1.55μm的波长下以1W/m2照射时优选实施方式的电流密度-电压曲线图；
图5A示出计算的具有二十对InGaAsP层和InP层的微分布拉格反射器随着波长变化的反射率；
图5B示出计算的具有三十对InGaAsP层和InP层的微分布拉格反射器随着波长变化的反射率；以及
图6A至图6C示出包含LPC的示例系统。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的第一优选实施方式，提供一种LPC器件1。器件1包括抗反射涂层10、窗口层20、有源区域30、电子阻挡层40、分布式布拉格反射器(DBR)50和基板60。该器件还包括阳极70、阴极80和绝缘层90。
有源区域30由磷砷化铟镓(InGaAsP)形成，InGaAsP层中的化学元素的比例为InyGa1-yAsxP1-x。
图1所示的优选实施方式的LPC器件被设计用于将波长为1.55μm的电磁辐射转换为电能。然而，InGaAsP的确切组成可被选择为具有略高于1.55μm的带隙波长，因为在操作中，器件变热并且带隙向更长的波长移位。在操作中，结温通常可为从环境温度到高于环境温度30摄氏度的任何温度。
为了获得合适的带隙，组成可为InyGa1-yAsxP1-x，其中分别为x＝0.948、0.957、0.965、0.968、0.972或0.976，y＝0.557、0.553、0.549、0.547、0.545或0.544。所有这些组成均可在升高的结温下实现高转换效率，但是根据特定温度，一些组成可能比其它组成更合适并且将给予略微高一些的转换效率。这是因为这样的事实：尽管低于吸收体的带隙的吸收分布呈平稳状态，但是这种平稳状态不是绝对平坦的，而是朝着较短波长略陡。技术人员可根据情况选择最适合的组成。换言之，可根据LPC如何部署来选择最佳组成，不同的组成更好地适合于不同的操作条件。例如，在导致结温升高的高照明强度条件或者高环境温度下，可选择较短带边电池。在较冷环境下，可选择较长波长组成。
在此实施方式中，基板60包括磷化铟(InP)晶片(例如可得自晶圆技术有限公司(Wafer Technology Ltd))。基板大约为80μm厚。
DBR 50直接设置在基板上，并被优化以反射波长为1.55μm的电磁辐射。DBR 50由InP和InGaAsP的交替层形成，InGaAsP层中的化学元素的比例同样为InyGa1-yAsxP1-x。InGaAsP层与InP晶格匹配，从而使DBR 50的层之间的应变最小化。
在优选实施方式中，DBR 50的InP层和InGaAsP层的折射率比为3.48:3.17。如上所述，DBR 50被优化以反射波长为1.55μm的电磁辐射。例如，InP层和InGaAsP层的厚度被优化以反射波长为1.55μm的电磁辐射。在优选实施方式中，在DBR 50中InP和InGaAsP各自有10层到30个层。
电子阻挡层40设置在DBR 50上。电子阻挡层由n掺杂InP形成，并且具有0.1μm左右的厚度。电子阻挡层40中的n掺杂水平在5*1018cm-3至1*1019cm-3的范围内，并且优选为1*1019cm-3左右。电子阻挡层40防止电子从有源区域30泄漏。
有源区域30包括p掺杂层31和n掺杂层32、33。n掺杂层32、33包括两个分开的子层(n掺杂吸收层32和n掺杂接触层33)。n掺杂吸收层32与p掺杂层31相邻设置，n掺杂接触层33与n掺杂吸收层32相邻设置。图1还示出形成在p掺杂层31与n掺杂吸收层32之间的界面处的耗尽区域34。
p掺杂层31的掺杂在1*1018cm-3至3*1018cm-3的范围内，优选为2*1018cm-3左右。p掺杂层31具有0.75μm左右的厚度。优选的是不采用显著较厚的p掺杂层31，这是由于p掺杂层31中的可能载流子复合效应(例如，价带间吸收)。
n掺杂吸收层32相对厚，具有4.75μm左右的厚度，并且具有在1*1017cm-3至3*1017cm-3的范围内(优选1*1017cm-3左右)的相对低的掺杂水平。n掺杂吸收层32的相对厚度增加了穿过器件1的光子将在n掺杂吸收层32中被吸收的可能性。
n掺杂接触层33具有0.5μm左右的厚度以及在5*1018cm-3至1*1019cm-3的范围内(优选1*1019cm-3左右)的掺杂。与n掺杂吸收层32相比，n掺杂接触层33的相对高的掺杂用于给予有源区域与阴极80之间优异的欧姆接触，从而允许从器件1进行有效的电流提取。此外，n掺杂接触层33与n掺杂吸收层32之间的掺杂水平的梯度提供了势差，该势差促进了从n掺杂吸收层32提取电流。
有源区域30中的元素比例使得有源区域30与光伏器件1的其它特征晶格匹配。具体地讲，有源区域30与基板60晶格匹配。这抗小了器件1中的应变，意味着在器件1生长时形成较少缺陷。结果，器件1的效率增加，因为缺陷会使器件对载流子的电阻增大。也就是说，通过抗少器件1中的缺陷的数量，器件1将载流子对转换为由阳极70和阴极80成功提取的电能的效率增加。较高的缺陷水平通常导致能量作为热量损失。
由于有源区域30与器件1的剩余特征晶格匹配，可生长有源区域30的相对厚的层，而不会导致过多缺陷。继而，这增加了穿过有源区域30的光子将被捕获，从而生成载流子对的可能性。
此外，有源区域30中的化学元素的比例被选择为使得有源区域30的响应率在1.55μm的波长下最大。通过选择化学元素的比例，有源区域30的带隙可被选择为使得有源区域30的响应率最大化。此外，由于有源区域30包含两种III族元素(铟、稼)以及两种V族元素(砷、磷)，所以可使有源区域30与基板60晶格匹配，同时选择适合的带隙。
窗口层20设置在有源区域30上，并且由p掺杂InP形成。窗口层20中的p掺杂水平在1*1018cm-3至3*1018cm-3的范围内，优选为2*1018cm-3左右。窗口层的厚度为0.2μm左右。窗口层对防止空穴向上从p掺杂层31泄漏有效，从而帮助阳极70直接从p掺杂层31提取空穴。
抗反射涂层10设置在窗口层20上。抗反射涂层由氮化硅(Si3N4)形成，并且具有210nm左右的厚度。这在1.55μm下提供了0.4％左右的反射率。在另选实施方式中，其它材料可用于抗反射涂层，例如二氧化硅(SiO2)。
阳极70和阴极80在横向上间隔开，并且均与有源区域30直接接触。阳极70和阴极80的布置方式允许有源区域30与DBR 50之间的光路不穿过阳极70或阴极80。阳极70和阴极80的横向延伸均在0.2μm至0.4μm的范围内，优选为0.2μm左右。阳极70和/或阴极80优选为金属，具体地讲，可以是由Ti/Pt/Au(钛/铂/金)或Au/Ge/Ni(金/锗/镍)形成的触点。
阳极70和阴极80二者从器件的相同表面延伸。如图1所示，这是器件的顶表面。
阳极70和阴极80的布置方式允许在没有被吸收的情况下穿过有源区域30的光子随后被DBR 50反射回到有源区域30中，从而为光子提供被吸收的又一机会。此外，由于阳极70和阴极80与有源区域30直接接触，所以在从器件1提取电能时，载流子在器件1的其它层中没有损失能量。
绝缘层90设置在阴极80与有源区域30的p掺杂层32之间，以便防止器件短路。在优选实施方式中，绝缘层90由二氧化硅(SiO2)形成，并且为0.2μm左右厚。图1还示出在阳极70穿过窗口层10时围绕阳极70的附加绝缘层90。
图2A示出优选实施方式的光伏器件1的俯视图。可以看出，器件1具有圆形外形。图2A示出阳极70和阴极80如何横向分离。在优选实施方式中，阳极包括分离开0.64cm左右的一系列同心圆以及连接这些同心圆的径向突出部(spur)，并提供外接触。阴极80围绕器件1的外周边形成。
阳极70的同心圆的间距被选择为在载流子在有源区域30中在由阳极70提取电能之前必须经过的距离与阳极覆盖有源区域30的“遮蔽”量之间提供最佳平衡，从而防止光子到达有源区域30。本领域技术人员将认识到，可使用横向间隔开的阳极70和阴极80的另选布置方式。
在一些另选实施方式中，图2A所示的器件1的圆形外形可被改变，以提供可更容易被镶嵌成阵列的器件。例如，图2B示出具有六边形外形的器件1。因此，可在浪费的空间极少的情况下并排地紧密填充器件的阵列。
器件1通过分子束外延(MBE)或金属有机化学汽相沉积(MOCVD)(这有时也称为金属有机汽相外延(MOVPE))来形成，其中各种层在高真空下顺序生长。首先，在基板上通过形成InP和InGaAsP的交替层来设置DBR 50。接下来，通过在DBR50上形成n掺杂InP层来设置子阻挡层40。然后，在电子阻挡层40上通过顺序形成n掺杂接触层33、n掺杂吸收层32和p掺杂层31来设置有源区域30。这些层中的每一个如上所述由InGaAsP以适合的掺杂形成。有源区域30中的化学元素的比例使得它与基板50晶格匹配并且具有与1.55μm的波长下器件的最大响应率对应的带隙。在有源区域30上通过形成p掺杂InP层来形成窗口层20。然后在窗口层20上形成抗反射涂层10。
当p掺杂层31和n掺杂吸收层32彼此相邻地形成时，自然地出现耗尽区域34。耗尽表示这样的区域，横跨该区域形成了势差，从而确保在有源区域30中形成载流子对时，可在阳极70和阴极80处提取这些载流子对。
然后，通过光刻技术形成阳极70、阴极80和绝缘层90。即，它们通过在器件1的设置有阳极70、阴极80和绝缘层90的表面中创建槽来形成。
在使用中，激光器可用于提供单色(即单一波长)电磁辐射源，如图1中的平坦波前100所示，但是技术人员将理解，入射波前无需总是平坦的。如图1所示，电磁辐射从上面进入器件，首先穿过抗反射涂层10。
抗反射涂层10使从器件1反射的电磁辐射的量最小化。电磁辐射然后穿过窗口层20。窗口层20阻挡p掺杂层31中形成的空穴到达器件1的表面。这特别有利，因为器件1(实际上，任何生长的半导体器件)的表面将具有相对大密度的缺陷。因此，如果空穴到达器件1的表面，则它们可能与这些缺陷处的电子复合，导致光生载流子的损失。因此，窗口层20对于抗少这些损失是有效的。窗口层不阻止由激光器提供的1.55μm左右的电磁辐射的传输。
电磁辐射然后进入有源区域30。此时，可通过将电磁辐射视为一系列光子来最佳地理解电磁辐射的效应。当各个光子穿过有源区域30时，它可与有源层的材料相互作用以便从价带到导带激发电子，从而形成载流子对(即，激发的电子和它留在价带中的空穴)。载流子对的载流子然后行进到阴极70和阳极80，以允许从器件1提取电能。
在图1所示的器件1的有源区域30中，大部分的光子吸收发生在相对厚的n掺杂吸收层32中。然而，吸收还可发生在p掺杂层31或n掺杂接触层33中。
给予电子以将它从价带激发至导带的能量必须至少等于材料的带隙。因此，通过适当地选择有源区域30的材料，有源区域30可被优化以接收给定波长的电磁辐射(因为各个光子的能量取决于波长)。如果入射光子具有大于带隙被吸收的能量，则生成的电子将需要在它们到达带边之前将此多余能量作为热量损失，并且可作为电能被提取。另一发明，能量小于带隙的光子将不被吸收，并且将没有光生载流子供提取。结果，选择适合的带隙可确保针对给定波长的入射光子可提取最大电能。
在有源区域30中未被吸收的光子穿过电子阻挡层40到达DBR 50，在那里它们被反射。结果，使光子返回到有源区域30，在有源区域30中它们有进一步的机会将电子从价带激发至导带。因此，DBR 50增加了给定光子将被转换为载流子对的可能性，因为光子有两次机会被有源区域30吸收。
图1和图2所示的优选实施方式提供了被设计为在1.55μm下操作的有效光伏器件。可参照图3进一步理解器件1的操作。图3示出在照射下横跨器件1的窗口层20、p掺杂层31、n掺杂吸收层32、n掺杂接触层33和电子阻挡层40的导带能Ec、价带能Ev、导带费米能级Fn和价带费米能级Fp。
具体地讲，图3示出这些层之间的跃迁。例如，图3示出在p掺杂层31和窗口层20的界面处的价带偏移301。价带偏移301阻止空穴在p掺杂层31与窗口层20之间流动，从而将空穴保持在p掺杂层中以由阳极80提取。因此，防止了空穴到达器件1的表面并在此区域中与缺陷复合。
图3还示出了p掺杂层31与n掺杂吸收层31之间的同质结(homojunction)302。当这些层具有相同的带隙时，载流子相对容易跨越并随后由阳极70和阴极80提取。
在n掺杂接触层33和电子阻挡层40的界面处可看到导带偏移303。这具有阻止电子从n掺杂接触层33转移至电子阻挡层40的效果。因此，将电子保持在n掺杂接触层33内以由阴极80提取。
图4示出在通过波长为1.55um的激光以每单位面积1W/m2的功率照射时，器件1的电流密度-电压响应。具体地讲，相对于x轴上的横跨器件1的电压，在y轴上示出从器件1提取的短路电流密度。阴影区域401反映了器件1的填充因子。填充因子被定义为器件的最大功率输出(VMP·JMP)与开路电压(VOC)和短路电流密度(JSC))的乘积之比，所述乘积表示最大理论功率输出。因此，填充因子是与器件1的性能有关的重要质量。本发明的优选实施方式的效率可被计算为63.2565％。
图5A和图5B示出随着波长变化的DBR 50的反射率。具体地讲，图5A示出由20对InGaAsP层和InP层形成的DBR 50的反射率，而图5B示出由30对InGaAsP层和InP层形成的DBR 50的反射率。如上所述，InGaAsP/InP DBR 50的折射率比为3.48:3.17。图5A和图5B均示出DBR 50已被优化用以在1.55μm下反射。从图5A和图5B的比较可以看出，通过具有30对InGaAsP层和InP层的DBR 50实现此波长下的优异反射率。上述示例使用了p在n上设计(例如，如图1所示)，基板为n掺杂的。然而，作为替代，n在p上型器件也是可以的。
所述的LPC可用在诸如基于空间的太阳能系统的系统中，图6A中示出该系统的一个示例(用于设备的远程供电的系统)，图6B中示出该系统的一个示例(远程输送光纤电力的系统)，图6C中示出该系统的一个示例(用于诸如起搏器(未示出)的设备的皮下供电的系统)。
在图6所示的系统中，太阳电池板200将来自太阳210的光能转换为电能，该电能用于驱动太阳同步卫星230上所载的大功率激光器220(1550nm下)。激光束240被向下发射到目标位置250(例如，地球、月球基地或者需要电力的另一卫星)，在目标位置250处利用LPC阵列(未示出)将激光的光能转换回电能。这可在任何时间在配备有LPC阵列的任何目标位置得到需要的电力。
在图6B所示的系统中，诸如无人驾驶飞行器(UAV)300的设备可配有LPC阵列，并且利用来自1550nm激光源320的激光束310远程视距供电。
在图6C所示的系统中，具有LPC阵列的设备400可经由光纤420从1550nm激光源410远程供电。
尽管上面激光器被描述为合适的窄线宽光源并且使用术语“激光功率转换器”，但是如本领域技术人员已知的，根据应用，存在其它光源并且可随LPC一起使用，例如超发光LED或来自宽带光源的过滤光。
将理解，对于本领域技术人员而言，对本文所描述的优选实施方式以及一般原理和特征的各种修改将易于明显。本发明并非旨在限于所示的实施方式，这些变化和修改也落入权利要求的精神和范围内。

Claims (26)

1.一种用于接收波长为约1550nm的入射电磁辐射的激光功率转换器‘LPC’器件，该器件包括：
基板；以及
有源区域，该有源区域包括n掺杂层和p掺杂层，所述n掺杂层和所述p掺杂层由InGaAsP形成，所述有源区域被布置为吸收具有约1550nm的关联波长的电磁辐射的光子；
其中，所述InGaAsP与所述基板晶格匹配。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述InGaAsP是InyGa1-yAsxP1-x，其中分别为x＝0.948、0.957、0.965、0.968、0.972或0.976，y＝0.557、0.553、0.549、0.547、0.545或0.544。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的器件，其中，所述基板是InP。
4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，该器件还包括反射元件，该反射元件被调整以反射波长为约1550nm的电磁辐射。
5.根据权利要求4所述的器件，其中，所述反射元件是包括第一材料和第二材料的交替层的分布式布拉格反射器。
6.根据权利要求5所述的器件，其中，所述第一材料是有源半导体材料。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的器件，其中，所述基板由所述第二材料形成。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的器件，其中，所述分布式布拉格反射器与所述基板晶格匹配。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的器件，其中，所述分布式布拉格反射器设置在所述基板与所述有源区域之间。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的器件，该器件还包括：
阳极，该阳极与所述p掺杂层直接接触；以及
阴极，该阴极与所述n掺杂层直接接触，
其中，所述阳极和所述阴极被布置为使得在所述有源区域与所述反射元件之间存在不穿过所述阳极或所述阴极的光路。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的器件，其中，所述n掺杂层和所述p掺杂层在第一方向上分离开，所述阳极和阴极在与所述第一方向垂直的第二方向上分离开。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的器件，其中，所述阳极和所述阴极设置在从所述器件的表面延伸至所述有源区域的槽中。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的器件，该器件还包括设置在所述有源区域的所述p掺杂部分与所述阴极之间和/或所述有源区域的所述n掺杂区域与所述阳极之间的一个或更多个绝缘层。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的器件，其中，所述n掺杂层包括n掺杂吸收层和n掺杂接触层，并且其中，所述阴极与所述n掺杂接触层直接接触。
22.根据前述权利要求中任一项所述的器件，该器件还包括设置在所述有源区域与基板之间的电子阻挡层，其中，所述电子阻挡层的组成使得在所述有源区域与所述电子阻挡层之间的界面处存在导带偏移。
23.一种LPC器件的阵列，该阵列包括：
根据任何前述权利要求所述的多个LPC器件；
被布置为连接所述阵列内的所述器件的多个连接装置。
24.一种用于接收电磁辐射的系统，该系统包括：
根据任何前述权利要求所述的LPC器件或器件的阵列。
25.根据权利要求24所述的系统，该系统还包括光纤，所述LPC被布置为从所述光纤接收所述电磁辐射。
26.根据权利要求24或25所述的系统，该系统还包括被布置为发射所述电磁辐射的窄线宽光源。
27.根据权利要求26所述的系统,其中，所述窄线宽光源是激光器。
28.根据从属于权利要求24时的权利要求26或权利要求27所述的系统，其中，所述系统是激光功率聚束系统。
29.一种将电磁辐射转换为电力的方法，该方法包括以下步骤：
在LPC器件处接收波长为约1550nm的电磁辐射；
所述LPC器件的InGaAsP有源区域吸收具有约1550nm的关联波长的电磁辐射的光子；
从所述LPC器件提取电能。
30.一种电力传输方法，该方法包括以下步骤：
将电力输入窄线宽光源；
从激光器输出波长为约1550nm的电磁辐射；
在LPC器件处接收所述电磁辐射；
所述LPC器件的InGaAsP有源区域吸收具有约1550nm的关联波长的电磁辐射的光子；
从所述LPC器件提取电能。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述窄线宽光源是激光器。
32.一种制造用于接收波长为约1550nm的入射电磁辐射的激光功率转换器‘LPC’的方法，该方法包括以下步骤：
形成基板；以及
形成有源区域，该有源区域包括n掺杂层和p掺杂层，所述n掺杂层和所述p掺杂层由InGaAsP形成，所述有源区域被布置为吸收具有约1550nm的关联波长的电磁辐射的光子；
其中，所述InGaAsP与所述基板晶格匹配。
33.一种如本文描述并在附图1至图7C中示出的LPC器件或系统。
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