ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER RADIATION POWER CONVERTER

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к устройствам преобразователей мощности лазерного излучения (ПМЛИ) для преобразования электромагнитной энергии в электрическую энергию. В частности, настоящее изобретение относится к ПМЛИ, оптимизированному так, чтобы принимать электромагнитное излучение на требуемой длине волны.
Предпосылки изобретения
Устройства для преобразования электромагнитной энергии в электрическую энергию существуют уже в течение нескольких десятилетий. Данные устройства часто известны как фотогальванические устройства. Основной характеристикой любого из таких устройств является его коэффициент полезного действия (КПД), то есть количество выделенной электрической энергии по сравнению с принятой электромагнитной энергией. Цель разработки фотогальванического элемента состоит в том, чтобы достигнуть максимально возможного КПД, то есть, чтобы выделить максимально возможное количество электрической энергии из заданного количества принятой электромагнитной энергии.
Возможно, наиболее распространенной разновидностью фотогальванического устройства является солнечный элемент, предназначенный для использования энергии солнца для выработки электроэнергии. Солнечные элементы имеют широкий диапазон применений от карманных калькуляторов до летательных аппаратов с солнечной электростанцией. При попытке максимизировать КПД солнечных элементов одно конструктивное соображение заключается в использовании диапазона длин волн, на которых передается световое излучение от солнца.
Существует также интерес к другой разновидности фотогальванических устройств для передачи мощности. Обычно электрическая мощность переносится от своего источника до точки, где она должна быть использована, с помощью электрических проводов. Однако, используя фотогальванические устройства, можно принимать энергию, которая передается в виде высокочастотного электромагнитного излучения.
Были предприняты усилия по разработке фотогальванических устройств для приема энергии от светового источника с узкой шириной спектральной линии, обычно лазера, в пределах системы передачи электроэнергии. Например, лазер с электропитанием может генерировать электромагнитное излучение, которое, в свою очередь, может быть принято фотогальваническими устройством, способным преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Фотогальванические устройства в данном контексте часто называют преобразователями мощности лазерного излучения (ПМЛИ).
В общем, передача энергии с использованием фотогальванических устройств как таковая сводится к ситуациям, при которых обычная электрическая проводка либо страдает от нежелательных электромагнитных помех, либо ее трудно установить. Например, если электрическая проводка расположена в непосредственной близости от источников высокого напряжения, она сталкивается с проблемой наличия помех. Это влияние помех ничтожно мало, если энергия переносится в виде электромагнитного излучения посредством оптоволоконных кабелей. Использование оптоволоконных кабелей имеет дополнительное преимущество, заключающееся в снижении вероятности нежелательного искрообразования, которое может быть опасным при различных обстоятельствах.
Применение фотогальванических устройств для передачи мощности в условиях, в которых трудно или невозможно установить кабельную проводку любого вида, может обеспечить возможность, чтобы электромагнитная энергия была передана через безвоздушное пространство. Например, спутники, движущиеся по орбите Земли, являются идеальным местом для генерации электрической энергии, используя солнечную энергию. Может оказаться возможным, чтобы эта энергия была направлена вниз на землю с помощью лазера, где она потом может быть повторно преобразована в электрическую энергию с помощью фотогальванических элементов на принимающей станции. Это может сделать возможным, чтобы энергия была передана в районы Земли, которые по практическим соображениям не могут быть соединены с имеющимся источником питания.
Кроме того, устройства ПМЛИ также могут быть полезными для приложений, включающих в себя дистанционное питание для подкожных электрических устройств для медицинской диагностики и связанных с ними приложений, а также для беспроводного питания электронного оборудования в пределах прямой видимости.
Электромагнитное излучение, сгенерированное лазером, является по существу монохроматическим, то есть, лазер излучает в очень узком диапазоне длин волн по сравнению с широкополосным диапазоном длин волн, передаваемым от солнца. Таким образом, конструктивные соображения для максимизации КПД устройств ПМЛИ отличаются от таковых, для максимизации КПД солнечных элементов.
Например, V. Andreev et. al. «High current density GaAs and GaSb photovoltaic cells for laser power beaming», Photovoltaic Energy Conversion Conference, page 761 (2003) сообщает о КПД выше 50%, достигнутом для фотогальванического устройства на основе GaAs на длинах волн в области от 820 нм до 850 нм. Данный документ описывает фотогальванические устройства, образованные на подложках из GaAs, которые с целью увеличения чувствительности устройств на длинах волн между 830 нм и 870 нм включают в себя распределенный брэгговский отражатель, образованный из чередующихся слоев AlAs и GaAs. Документ дополнительно описывает использование йодных лазеров, работающих на длине волны 1315 нм при передаче мощности, и исследует возможность фотогальванических устройств на основе подложки из GaSb принимать электромагнитное излучение на данной длине волны.
A. W. Bett et. al. "III-V solar cells under monochromatic illumination", Photovoltaic Specialists Conference, page 1 (2008) предоставляет сравнение КПД, достигнутых при использовании фотогальванических устройств, имеющих активные области, образованные из различающихся материалов, а именно, GaAs, GaInP и GaSb. Пиковый КПД, равный 54%, достигнут при использовании активной области из GaAs, при этом пик достигнут на длине волны примерно 810 нм. Также документ описывает двухпереходное фотогальваническое устройство на основе GaAs, использующее распределенный брэгговский отражатель.
Хотя описанные выше усилия по разработке устройств ПМЛИ для конкретных длин волн имели определенный успех, они ограничены в своем применении. В частности, хотя был достигнут максимальный КПД свыше 50%, он достигнут на длинах волны примерно от 810 нм до 870 нм. На практике, такие длины волны используются ограниченно. Например, на данной длине волны электромагнитное излучение не является излучением безопасным для глаз и кожи. Безопасное для глаз излучение возникает на длинах волны примерно 1.4 мкм и выше и обеспечивает существенно более низкий риск повреждения человеческого глаза, чем излучение на более коротких длинах волн. В общем, "безопасное для глаз" излучение считается безопасным для кожи. Очевидным преимуществом при использовании лазеров для передачи мощности является использование "безопасного для глаз" излучения.
Другим недостатком электромагнитного излучения, имеющего длину волны в области примерно от 810 нм до 870 нм, является ослабление такого излучения, которое возникает либо при его прохождении через обычные оптические волокна, либо через атмосферу. В обоих случаях, энергия теряется до того, как она принимается фотогальваническим устройством.
По этим причинам были проведены исследования по передаче мощности с использованием электромагнитного излучения на больших длинах волн. Однако, КПД, достигнутый на больших длинах волн, был гораздо ниже, чем таковые в области 800 нм.
В Wojtczuk et. al. "Long-wavelength laser power converters for optical fibers", Photovoltaic Specialists Conference, page 971 (1997) обсуждаются фотогальванические устройства для приема электромагнитного излучения на длинах волн 1,55 мкм и 2,1 мкм. В данном контексте документ описывает фотогальванические устройства, использующие InGaAs, образованный на пластине InP. Сообщается, что максимальный КПД фотогальванических элементов при использовании InGaAs, составляет примерно 35% на длине волны 1,55 мкм.
Miyakawa et. al. "Photovoltaic cell characteristics for high-intensity laser light" Solar Energy Materials & Solar Cells, p. 253 (2005) также описывает фотогальванические устройства из InGaAs/lnP. Однако, пиковый КПД, описанный в данном документе, составляет примерно 24% на длине волны 1480 нм.
Можно видеть, что КПД, достигнутые в этих двух системах довольно низкие и нигде не составляют даже 50%. Устройства с такими КПД представляют ограниченную ценность для практической системы ПМЛИ.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено устройство преобразователя мощности лазерного излучения «ПМЛИ» для приема падающего электромагнитного излучения на длине волны примерно 1550 нм, причем ПМЛИ содержит: подложку; и активную область, содержащую n-легированный слой и p-легированный слой, причем эти n-легированный и p-легированный слои образованы из InGaAsP, упомянутая активная область выполнена с возможностью поглощать фотоны электромагнитного излучения с соответствующей длиной волны примерно 1550 нм; при этом InGaAsP по параметрам решетки согласован с подложкой.
-2
Устройство ПМЛИ может иметь увеличенный КПД для преобразования излучения на длине волны 1550 нм в электрическую энергию по сравнению с известными ПМЛИ. Например, КПД может составлять по меньшей мере 44% при плотности мощности 1 кВт·м (плотности мощности, обеспечиваемой солнцем на поверхности земли, на которой обычно приводят КПД солнечного элемента) и может быть выше 50%.
Когда фотон генерирует пару носителей заряда в активной области фотогальванического устройства, это вызывает возбуждение электрона из валентной зоны в зону проводимости через запрещенную зону. Электрическая энергия, создаваемая этим процессом, очень близка к энергии запрещенной зоны поглощающего материала (создаваемая энергия всего немного меньше ширины запрещенной зоны, равной разделению квазиуровней Ферми, умноженному на заряд электрона). Если падающий фотон имеет энергию меньше, чем ширина запрещенной зоны, он не поглощается, при этом электрон не может быть возбужден и электрическая энергия не вырабатывается. С другой стороны, если энергия падающего фотона больше, чем ширина запрещенной зоны, то электрон может быть возбужден, но любой избыток энергии теряется в системе в виде тепла, прежде чем он может быть извлечен во внешнюю цепь. Избыток энергии известен как квантовый дефицит. Путем соответствующего выбора состава сплава InGaAsP ширина запрещенной зоны для активной области из InGaAsP может быть выбрана так, что чувствительность устройства ПМЛИ максимизируется на длине волны 1550 нм, приводя к соответствующему балансу между потерей вследствие квантового дефицита и усилением вследствие увеличения плотности состояний с энергией для диапазона рабочих условий в устройстве. Это увеличивает эффективность оптико-электрического преобразования или КПД элемента устройства.
2
Ослабление электромагнитных волн в оптоволоконных кабелях на основе кремния является минимальным на длине 1,55 мкм, делая преобразование излучения ПМЛИ на этой длине волны особенно практичным. Кроме того, существует окно прозрачности атмосферы (то есть, минимальное ослабление электромагнитных волн, проходящих через атмосферу) на данной длине волны. Как отмечено выше, свет лазера на длинах волн выше 1,4 мкм часто называют "безопасным для глаз", поскольку выше этой частоты свет сильно поглощается роговицей и хрусталиком глаза, прежде чем он может достигнуть и повредить сетчатку. Длины волн 1,4 мкм и выше, кроме того, являются безопасными для кожи. Точнее говоря, такие длины волны являются безопасными для глаз и безопасными для кожи вплоть до плотности мощности 1 кВт/м. Соответственно, существуют преимущества в использовании длин волн выше 1,4 мкм для передачи мощности.
Активная область из InGaAsP, согласованная по параметрам решетки с подложкой, может минимизировать потери, вызванные связанной с дефектами рекомбинацией, как электронов, так и дырок.
y
1-y
x
1-x
Активная область предпочтительно образована из InGaAsP, где x=0,948, 0,957, 0,965, 0,968, 0,972 или 0,976 и y=0,557, 0,553, 0,549, 0,547, 0,545, 0,544 соответственно. Эти составы могут достигать максимального коэффициента преобразования для ПМЛИ с активной областью из InGaAsP для падающего излучения с длиной волны 1550 нм. Это может быть достигнуто примерно при температуре окружающей среды активной области и вплоть до примерно 30 градусов Цельсия выше температуры окружающей среды.
Составы могут уравновешивать факторы, влияющие на КПД устройства, такие как плотность состояний, квантовый дефицит и самонагревание поглощающей активной области в ПМЛИ, которые вызывают сужение запрещенной зоны. Может быть выбрана ширина запрещенной зоны на длине волны большей, чем 1550 нм, чтобы максимизировать эффективность поглощения излучения на длине 1550 нм, например, благодаря упомянутым эффектам.
Поскольку поглощение для плато InGaAsP (происходит) при длинах волн более коротких, чем длина волны запрещенной зоны, КПД преобразования падающих фотонов в электроны при длинах волн немного короче длины волны запрещенной зоны является практически таким же для диапазона длин волн немного короче длины волны запрещенной зоны, которая, в конечном итоге, определяет оптико-электрический КПД преобразования ПЛМИ при монохроматическом освещении. Таким образом, существует возможность использования более чем одного состава.
Активная область по параметрам решетки согласована с подложкой, и, предпочтительно, также все остальные слои устройства. Это устраняет деформацию в устройстве. Соответственно, существует возможность изготавливать устройства, имеющие относительно толстые слои, не вызывая нежелательных дефектов в кристаллической решетке, причем относительная толщина увеличивает вероятность того, что фотоны, проходящие через активный слой, будут генерировать пары носителей заряда, в то время как отсутствие дефектов увеличивает вероятность того, что после того, как носители зарядов сгенерированы, они могут быть благополучно извлечены. Соответственно, КПД устройства может быть повышен.
Предпочтительно, подложка образована из бинарного сплава, содержащего один из двух элементов группы III активного полупроводникового материала и один из двух элементов группы V активного полупроводникового материала. Выращивание на других подложках, например, материалах, относящихся к элементам IV группы, таких как, кремний, также может быть возможным при метаморфическом выращивании. Использование подложки на основе элементов III-V групп гарантирует, что свойства материала устройства согласованы насколько это возможно, способствуя процессу изготовления и согласованию кристаллической решетки активного полупроводникового материала активного слоя с подложкой. В предпочтительных вариантах осуществления подложка образована из InP.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит отражающий элемент, настроенный отражать электромагнитное излучение на требуемой длине волны. Соответственно, отражающий элемент может быть использован для отражения электромагнитного излучения, которое не поглощено активной областью, когда оно первый раз проходит через нее обратно к активной области для второй возможности быть поглощенным. Это увеличивает общую вероятность того, что данный фотон сгенерирует пару носителей зарядов в активной области, таким образом преобразовывая электромагнитную энергию в электрическую энергию. Поэтому отражающий элемент увеличивает КПД устройства.
Предпочтительно, отражающий элемент представляет собой распределенный брэгговский отражатель, содержащий чередующиеся слои первого материала и второго материала. Предпочтительно, материалы распределенного брэгговского отражателя совместимы с материалами остальной части устройства. В частности, первый материал, предпочтительно, представляет собой активный полупроводниковый материал. В дополнение или альтернативно, второй материал может быть тем же, из которого образована подложка. Кроме того, для образования распределенного брэгговского отражателя можно использовать многослойное диэлектрическое покрытие. Например, в варианте осуществления изобретения, в котором подложка образована из InP, чередующиеся слои распределенного брэгговского отражателя могут быть образованы из InGaAsP и InP.
Предпочтительно, отражающий элемент согласован по параметрам решетки с подложкой, посредством этого снижая деформацию в устройстве. В предпочтительных вариантах осуществления, отражающий элемент размещен между подложкой и активной областью. Соответственно, электромагнитному излучению, которое отражается от отражающего элемента к активной области, нет необходимости проходить через подложку.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит анод в непосредственном контакте с p-легированным слоем; и катод в непосредственном контакте с n-легированным слоем, причем анод и катод расположены так, что существует оптический путь между активной областью и отражающим элементом, который не проходит ни через анод, ни через катод.
Предпочтительно, n-легированный слой и p-легированный слой отделены в первом направлении, а анод и катод отделены во втором направлении, перпендикулярном первому направлению.
Расположение катода, электрода и отражающего элемента обеспечивает возможность свету быть отраженным от отражающего элемента к активной области, не будучи блокированным анодом или катодом. Однако, поскольку анод и катод, оба находятся в непосредственном контакте с активной областью, существует возможность выделять носители зарядов, сгенерированные в активной области без какой-либо необходимости их прохождения через отражающий элемент. Такое расположение гарантирует кратчайшую возможную траекторию вывода носителей зарядов, минимизирующую вероятность того, что они будут рекомбинировать и поэтому не смогут быть выделены. Обычно, носители зарядов будут рекомбинировать после периода времени примерно 10 нс. За счет обеспечения короткой длины траектории вывода во внешнюю электрическую цепь будет извлекаться большая доля носителей зарядов, прежде чем они рекомбинируют либо с излучением, либо без излучения. Соответственно, расположение анода и катода увеличивает КПД устройства.
Предпочтительно, анод и катод размещены в канавках, простирающихся от поверхности устройства до активной области. Данное расположение обеспечивает удобный и эффективный метод, в котором аноду и катоду обеспечивается возможность быть разделенными сбоку так, чтобы сохранять оптический путь от активной области к отражающему элементу, который не заблокирован ни анодом, ни катодом.
В предпочтительном варианте осуществления, устройство дополнительно содержит один или более изолирующих слоев, размещенных между p-легированной секцией активной области и катодом, и/или между n-легированным участком активной области и анодом. Это обеспечивает контакт анода и/или катода с требуемым слоем активной области.
Предпочтительно, n-легированный слой содержит n-легированный поглощающий слой и n-легированный контактный слой, и катод находится в непосредственном контакте с контактным n-легированным слоем. n-легированный контактный слой может иметь более высокий уровень n-легирования, чем n-легированный поглощающий слой, посредством этого обеспечивая улучшенный омический контакт между n-легированным слоем и катодом.
В предпочтительных вариантах осуществления, устройство дополнительно содержит запирающий слой для электронов, размещенный между активной областью и подложкой, причем состав запирающего слоя для электронов является таким, что на границе между активной областью и запирающим слоем для электронов существует энергия разрыва зоны проводимости.
Запирающий слой для электронов может уменьшить количество электронов, утекающих в нежелательные части устройства. В частности, запирающий слой для электронов может помочь обеспечению того, чтобы электроны непосредственно выделялись анодом и /или катодом.
В предпочтительных вариантах осуществления n-легированный слой содержит n-легированный поглощающий слой и n-легированный контактный слой и граница между запирающим слоем для электронов и активной областью находится между запирающим слоем для электронов и n-легированным контактным слоем.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления устройства преобразователя мощности лазерного излучения «ПМЛИ» для приема падающего электромагнитного излучения на длине волны примерно 1550 нм, содержащий этапы:
образования подложки; и
образования активной области, содержащей n-легированный слой и p-легированный слой, причем эти n-легированный и p-легированный слои образованы из InGaAsP, упомянутая активная область выполнена с возможностью поглощать фотоны электромагнитного излучения с соответствующей длиной волны примерно 1550 нм;
при этом InGaAsP согласован по параметрам решетки с подложкой.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже, только в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает вид сбоку устройства ПМЛИ в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2A показывает вид сверху предпочтительного варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг. 1;
фиг. 2B показывает вид сверху альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 показывает энергии зоны проводимости и валентной зоны и уровни Ферми через слои по предпочтительному варианту осуществления;
2
фиг. 4 показывает кривую плотности электрического тока по предпочтительному варианту осуществления при облучении с мощностью 1 Вт/м на длине волны 1,55 мкм;
фиг. 5A показывает расчетный коэффициент отражения распределенного брэгговского отражателя, имеющего двадцать пар слоев InGaAsP и InP, как функцию от длины волны;
фиг. 5B показывает расчетный коэффициент отражения распределенного брэгговского отражателя имеющего тридцать пар слоев InGaAsP и InP, как функцию длины волны; и
фиг. 6A до 6G демонстрирует пример систем, включающих в свой состав ПМЛИ.
Подробное описание
Со ссылкой на фиг. 1, в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления изобретения предложено устройство 1 ПМЛИ. Устройство 1 содержит противоотражающее покрытие 10, оконный слой 20, активную область 30, запирающий слой 40 для электронов, распределенный брэгговский отражатель (РБО) 50 и подложку 60. Устройство дополнительно содержит анод 70, катод 80 и изолирующие слои 90.
y
1-y
x
1-x
Активная область 30 образована из фосфида-арсенида индия-галлия (InGaAsP) со следующим соотношением химических элементов InGaAsP в слоях InGaAsP.
Устройство ПМЛИ предпочтительного варианта осуществления, показанный на фиг. 1, разработан для преобразования электромагнитного излучения, имеющего длину волны 1,55 мкм, в электрическую энергию. Однако может быть выбран точный состав InGaAsP, чтобы иметь длину волны запрещенной зоны незначительно выше 1,55 мкм, поскольку при работе устройство нагревается, и ширина запрещенной зоны сдвигается в область больших длин волн. При работе температура перехода обычно может быть любой от температуры окружающей среды до на 30 градусов Цельсия выше температуры окружающей среды.
y
1-y
x
1-x
Чтобы получить подходящую ширину запрещенной зоны, состав может представлять собой InGaAsP, где x=0,948; 0,957; 0,965; 0,968; 0,972 или 0,976 и y=0,557; 0,553; 0,549; 0,547; 0,545 или 0,544, соответственно. Все эти составы могут достигать высокого КПД преобразования при повышенных температурах перехода, хотя будучи зависимыми от конкретной температуры, некоторые могут быть подходящими лучше, чем другие и будут давать незначительно более высокий КПД преобразования. Такое происходит благодаря тому факту, что хотя профиль поглощения лежит ниже ширины запрещенной зоны плато поглотителя, однако плато не является абсолютно плоским и немного опускается в направлении более коротких длин волн. В сложившихся обстоятельствах специалист может выбрать наиболее подходящий состав. Другими словами, оптимальный состав может быть выбран в зависимости от того, как ПМЛИ применяется с различными составами, подходящими для различных рабочих условий, наилучшим образом. Например, в условиях высокой интенсивности освещения, вызывающих рост температуры перехода, или при высоких температурах окружающей среды может быть выбран элемент с более коротковолнового края зоны. В более холодных ситуациях может быть выбран более длинноволновый состав.
В данном варианте осуществления подложка 60 содержит пластину из фосфида индия (InP), например, предусмотренную технологией Wafer Technology Ltd. Толщина подложки составляет приблизительно 80 мкм.
y
1-y
x
1-x
РБО 50 размещен непосредственно над подложкой и оптимизирован для отражения электромагнитного излучения, имеющего длину волны 1,55 мкм. РБО 50 образован из чередующихся слоев InP и InGaAsP с таким же соотношением химических элементов в слое InGaAsP, как InGaAsP. Слои InGaAsP согласованы по параметрам решетки с InP, посредством чего минимизируется деформация между слоями РБО 50.
В предпочтительном варианте осуществления слои InP и InGaAsP РБО 50 имеют отношение показателей преломления, равное 3,48:3,17. Как отмечено выше, РБО 50 оптимизирован для отражения электромагнитного излучения, имеющего длину волны 1,55 мкм. Например, толщина слоев InP и InGaAsP оптимизирована, чтобы отражать электромагнитное излучение, имеющее длину волны 1,55 мкм. В предпочтительном варианте осуществления в РБО 50 имеется от 10 до 30 слоев каждого из InP и InGaAsP.
18
-3
19
-3
19
-3
Запирающий слой 40 для электронов размещен на РБО 50. Запирающий слой для электронов образован из n-легированного InP и имеет толщину примерно 0,1 мкм. Уровень n-легирования в запирающем слое 40 для электронов находится в диапазоне от 5×10 см до 1×10 см, и, предпочтительно, примерно 1×10 см. Запирающий слой 40 для электронов предотвращает утечку электронов из активной области 30. Активная область 30 содержит p-легированный слой 31 и n-легированный слой 32, 33. n-легированный слой 32, 33 содержит два четко различающихся подслоя, n-легированный поглощающий слой 32 и n-легированный контактный слой 33. n-легированный поглощающий слой 32 размещен смежно с p-легированным слоем 31, и n-легированный контактный слой 33 размещен смежно с поглощающим n-легированным слоем 32. Фиг. 1 также иллюстрирует обедненную область 34, которая образована на границе между p-легированным слоем 31 и n-легированным поглощающим слоем 32.
18
-3
18
-3
18
-3
p-легированный слой 31 имеет легирование в диапазоне от 1×10 смдо 3×10 см, и, предпочтительно, примерно 2×10 см. p-легированный слой 31 имеет толщину примерно 0,75 мкм. Предпочтительно, не использовать значительно более толстый p-легированный слой 31 из-за возможных эффектов рекомбинации носителей зарядов в p-легированном слое 31, например, поглощения внутри валентной зоны.
17
-3
17
-3
17
-3
n-легированный поглощающий слой 32 является относительно толстым с толщиной примерно 4,75 мкм и имеет относительно низкий уровень легирования в диапазоне от 1×10 см до 3×10 сми, предпочтительно, примерно 1×10 см. Относительная толщина n-легированного поглощающего слоя 32 увеличивает вероятность того, что фотоны, проходящие через устройство 1, будут поглощены в n-легированном поглощающем слое 32.
18
-3
19
-3
19
-3
n-легированный контактный слой 33 имеет толщину примерно 0,5 мкм и легирование в диапазоне от 5×10 см до 1×10 см, и, предпочтительно, примерно 1×10 см. Обеспечено относительно высокое легирование n-легированного контактного слоя 33 по сравнению с n-легированным поглощающим слоем 32, что дает наилучший омический контакт между активной областью и катодом 80, позволяя посредством этого эффективно извлекать ток из устройства 1. Кроме того, градиент в легированных уровнях между n-легированным контактным слоем 33 и n-легированным поглощающим слоем 32 обеспечивает разность потенциалов, которая помогает извлекать ток из n-легированного поглощающего слоя 32.
Соотношение элементов в активной области 30 такое, что активная область 30 согласована по параметрам решетки с другими признаками фотогальванического устройства 1. В частности, активная область 30 по параметрам решетки согласована с подложкой 60. Это уменьшает деформацию в устройстве 1, что означает, что образуется меньшее количество дефектов по мере роста устройства 1. В результате, КПД устройства 1 возрастает, поскольку дефекты эффективно увеличивают сопротивление устройства носителям зарядов. Иными словами, за счет уменьшения числа дефектов в устройстве 1 увеличивается КПД устройства 1 при преобразовании пар носителей зарядов в электрическую энергию, успешно извлекаемую анодом 70 и катодом 80. Более высокие уровни дефектов, как правило, приводят к тому, что энергия теряется в виде тепла.
Поскольку активная область 30 по параметрам решетки согласована с остальными признаками устройства 1, можно выращивать относительно толстые слои активной области 30, не вызывая появления избыточных дефектов. В свою очередь, это увеличивает вероятность того, что фотон, проходящий через активную область 30, будет захвачен, формируя посредством этого пары носителей заряда.
Кроме того, соотношение химических элементов в активной области 30 выбрано так, что чувствительность активной области 30 находится на максимуме на длине волны 1,55 мкм. Выбирая соотношение химических элементов, может быть выбрана ширина запрещенной зоны активной области 30 так, чтобы чувствительность активной области 30 была максимальной. Кроме того, поскольку активная область 30 содержит два элемента группы III (индий, галлий) вместе с двумя элементами группы V (мышьяк, фосфор), можно одновременно образовать кристаллическую решетку активной области 30, согласовав ее с подложкой 60, и выбрать соответствующую ширину запрещенной зоны.
18
-3
18
-3
18
-3
Оконный слой 20 размещен на активной области 30 и образован р-легированным InP. Уровень р-легирования в оконном слое 20 находится в диапазоне от 1×10 см до 3×10 см, и, предпочтительно, примерно 2×10 см. Толщина оконного слоя составляет примерно 0,2 мкм. Оконный слой является эффективным для предотвращения просачивания дырок вверх из р-легированного слоя 31, посредством этого помогая извлекать дырки непосредственно из р-легированного слоя 31 на аноде 70.
3
4
2
Противоотражающее покрытие 10 размещено на оконном слое 20. Противоотражающее покрытие образовано из нитрида кварца (SiN) и имеет толщину примерно 210 нм. Это обеспечивает коэффициент отражения на длине волны 1,55 мкм примерно 0,4%. В альтернативных вариантах осуществления в качестве противоотражающего покрытия могут быть использованы другие материалы, например, диоксид кремния (Si0).
Анод 70 и катод 80 расположены по бокам и оба находятся в непосредственном контакте с активной областью 30. Расположение анода 70 и катода 80 обеспечивает оптический путь между активной областью 30 и РБО 50, который не проходит ни через анод 70, ни через катод 80. Анод 70 и катод 80, оба имеют протяженность по простиранию в диапазоне от 0,2 мкм до 0,4 мкм, и, предпочтительно, примерно 0,2 мкм. Анод 70 и/или катод 80 предпочтительно являются металлическими, и, в частности, могут быть контактами, образованными из Ti/Pt/Au (титан/платина/золото) или Au/Ge/Ni (золото/германий/никель).
Оба, и анод 70, и катод 80 простираются от одной и той же поверхности устройства. Как показано на фиг. 1, данная поверхность является верхней поверхностью устройства.
Расположение анода 70 и катода 80 принимает во внимание фотоны, которые проходят через активную область 30 без поглощения, и затем отражаются посредством РБО 50 обратно в активную область 30, таким образом, обеспечивая дополнительную возможность поглощения фотонов. Кроме того, поскольку анод 70 и катод 80 находятся в непосредственном контакте с активной областью 30, носители зарядов не теряют энергию в других слоях устройства 1, по мере того, как электрическая энергия извлекается из устройства 1.
2
С целью предотвращения короткого замыкания, изолирующий слой 90 размещен между катодом 80 и p-легированным слоем 32 активной области 30. В предпочтительном варианте осуществления изолирующий слой 90 образован из диоксида кремния (Si0) и составляет примерно 0.21 мкм в толщину. Фиг. 1 также показывает дополнительные изолирующие слои 90, окружающие анод 70 по мере его прохода через оконный слой 10.
Фиг. 2A показывает вид сверху фотогальванического устройства 1 по предпочтительному варианту осуществления. Можно видеть, что устройство 1 имеет круглый профиль. Фиг.2A иллюстрирует, как анод 70 и катод 80 разделены сбоку. В предпочтительном варианте осуществления изобретения анод содержит серию концентрических окружностей, разделенных расстоянием примерно 0,64 см наряду с радиальным отводом, который соединяет концентрические окружности и обеспечивает внешний контакт. Катод 80 образован вокруг внешней окружности устройства 1.
Разделение концентрических окружностей анода 70 выбрано так, чтобы обеспечить оптимальный баланс между расстоянием, на которое носители зарядов должны переместиться в активной области 30, прежде чем электрическая энергия извлекается анодом 70, и величиной "затенения", которым анод покрывает активную область 30, тем самым предотвращая попадание фотонов активную область 30. Специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть использованы альтернативные поперечные расположения анода 70 и катода 80.
В некоторых альтернативных вариантах осуществления круговой профиль устройства 1, показанного на фиг.2А, может быть изменен для предоставления устройства, который может быть легко выложен в матрицу. Например, на фиг. 2В показано устройство 1 с шестисторонним профилем. В таком виде матрицы устройств могут быть плотно упакованы бок-о-бок с минимальным пустым пространством.
Устройство 1 образовано посредством молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы (ОМОСГФ) (это также иногда называют газофазовой эпитаксией из металлоорганических соединений (МОСГФЭ)), где различные слои выращивают последовательно в условиях высокого вакуума. Сначала путем образования чередующихся слоев InP и InGaAsP на подложке создается РБО 50. Затем путем образования n-легированного слоя InP в DBR 50 создается запирающий слой 40 для электронов. Далее на запирающем слое 40 для электронов создается активная область 30 путем последовательного формирования n-легированного контактного слоя 33, p-легированного поглощающего слоя 32 и р-легированного слоя 31. Каждый из них образован из InGaAsP с соответствующим легированием, как описано выше. Соотношение химических элементов в активной области 30 таково, что она согласована по параметрам решетки с подложкой 50 и имеет ширину запрещенной зоны, которая соответствует максимальной чувствительности устройства на длине волны 1,55 мкм. Оконный слой 20 образован на активной области 30 с помощью образования слоя из p-легированного InP. Затем на оконном слое 20 образовано противоотражающее покрытие 10.
Обедненная область 34 возникает естественным образом, когда p-легированный слой 31 и n-легированный поглощающий слой 32 формируются рядом друг с другом. Обеднение представляет собой область, через которую создана разность потенциалов, гарантируя посредством этого, что по мере того, как в активной области 30 образуются пары носителей заряда, они могут быть извлечены на аноде 70 и катоде 80.
Затем с помощью литографических технологий образуются анод 70, катод 80 и изолирующие слои 90. То есть, они образуются путем создания на поверхности устройства 1 канавок, в которых размещаются анод 70, катод 80 и изолирующие слои 90.
При эксплуатации может быть использован лазер для предоставления источника монохроматического (то есть, на одной длине волны) электромагнитного излучения, проиллюстрированного в виде плоского волнового фронта 100 на фиг. 1, хотя специалисту в данной области будет понятно, что падающий волновой фронт не обязательно должен быть плоским. Как показано на фиг. 1, электромагнитное излучение попадает в устройство сверху, сначала проходя через противоотражающее покрытие 10.
Противоотражающее покрытие 10 минимизирует количество электромагнитного излучения, которое отражается от устройства 1. Электромагнитное излучение затем проходит через оконный слой 20. Оконный слой 20 запирает дырки, созданные в p-легированном слое 31, чтобы они не достигали поверхности устройства 1. Это обеспечивает особые преимущества, так как поверхность устройства 1 (и также любой выращенный полупроводниковый прибор) будет иметь относительно большую плотность дефектов. В связи с этим, если дырки достигают поверхности устройства 1, они с большой вероятностью рекомбинируют с электронами на этих дефектах, что приводит к потере фотогенерированных носителей. Соответственно, оконный слой 20 является эффективным для снижения этих потерь. Оконный слой не препятствует прохождению созданного лазером электромагнитного излучения на длине волны примерно 1,55 мкм.
Затем электромагнитное излучение поступает в активную область 30. На данном этапе, действие электромагнитного излучения можно быть лучше понято, если рассматривать его как последовательность фотонов. По мере того, как каждый фотон проходит через активную область 30, он может взаимодействовать с материалом активного слоя с целью возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости, тем самым создавая пару носителей зарядов (то есть, возбужденный электрон и дырку, которая остается в валентной зоне). Затем носители зарядов пар носителей зарядов перемещаются к катоду 70 и аноду 80, обеспечивая возможность извлекать из устройства 1 электрическую энергию.
В активной области 30 устройства 1, показанного на фиг. 1, основное поглощение фотонов происходит в относительно толстом n-легированном поглощающем слое 32. Однако поглощение может также происходить в p-легированном слое 31 или n-легированном контактном слое 33.
Энергия, передаваемая электрону для его возбуждения из валентной зоны в зону проводимости, должна быть по меньшей мере равна ширине запрещенной зоны материала. Соответственно, подходящим образом выбирая материал активной области 30, активная область 30 может быть оптимизирована, чтобы принимать электромагнитное излучение определенной длины волны (поскольку энергия каждого фотона зависит от длины волны). Если падающие фотоны, имеющие энергию больше, чем ширина запрещенной зоны, поглощаются, то сгенерированные электроны должны будут потерять эту избыточную энергию в виде тепла, прежде чем они достигнут края зоны и смогут быть извлечены в качестве электрической энергии. С другой стороны, фотоны с энергией, меньшей, чем ширина запрещенной зоны, не будут поглощены и не будет образовано фотогенерированных носителей для извлечения. В результате, выбор подходящей ширины запрещенной зоны может гарантировать максимальную электрическую энергию, которая может быть извлечена при падении фотона с данной длиной волны.
Фотоны, которые не поглощены в активной области 30, проходят через запирающий слой 40 для электронов к РБО 50, где они отражаются. В результате, фотоны возвращаются в активную область 30, где они имеют дополнительную возможность возбуждать электроны из валентной зоны в зону проводимости. Соответственно, РБО 50 увеличивает вероятность того, что данный фотон будет преобразован в пару носителей зарядов, поскольку для фотона существует две возможности быть поглощенным активной областью 30.
Предпочтительный вариант осуществления, показанный на фиг. 1 и 2, обеспечивает эффективное фотогальваническое устройство, предназначенное для работы на длине волны 1,55 мкм. Работа устройства 1 может быть дополнительно понята со ссылкой на фиг. 3. Фиг. 3 иллюстрирует энергию зоны проводимости, Ec, энергию валентной зоны, Ev, уровень Ферми Fn зоны проводимости и уровень Ферми Fp валентной зоны по оконному слою 20, p-легированному слою 31, n-легированному поглощающему слою 32, n-легированному контактному слою 33 и запирающему слою 40 для электронов устройства 1 при его освещении.
В частности, фиг. 3 иллюстрирует переходы между этими слоями. Например, фиг. 3 показывает разрыв 301 валентной зоны на границе p-легированного слоя 31 и оконного слоя 20. Разрыв 301 валентной зоны препятствует потоку дырок между p-легированным слоем 31 и оконным слоем 20, посредством этого оставляя дырки в p-легированном слое для извлечения анодом 80. Соответственно, предотвращается попадание дырок на поверхность устройства 1 и объединение с дефектами в данной зоне.
Также фиг. 3 иллюстрирует гомопереход 302 между p-легированным слоем 31 и n-легированным поглощающим слоем 31. Поскольку данные слои имеют одни и те же запрещенные зоны, носители зарядов могут относительно легко пересекать и затем быть извлеченными анодом 70 и катодом 80.
На границе n-легированного контактного слоя 33 и запирающего слоя 40 для электронов можно видеть разрыв 303 зоны проводимости. Это имеет эффект препятствия передачи электронов от n-легированного контактного слоя 33 к запирающему слою 40 для электронов. Соответственно, электроны остаются внутри n-легированного контактного слоя 33 для извлечения катодом 80.
2
MP
MP
OC
sc
Фиг. 4 показывает ответный сигнал по плотности тока-напряжению устройства 1 при освещении излучением лазера на длине волны 1,55 нм при мощности на единицу площади 1 Вт/м. В частности, плотность тока в режиме короткого замыкания, извлеченная из устройства 1, показана на оси Y как зависимость от напряжения вдоль всего устройства 1 по оси Х. Затененная область 401 отображает коэффициент заполнения устройства 1. Коэффициент заполнения определен как отношение максимальной выходной мощности устройства (V·J) к произведению напряжения разомкнутой цепи (V) и плотности тока в режиме короткого замыкания (J), который представляет максимальную теоретическую выходную мощность. В связи с этим, коэффициент заполнения является важным показателем, относящимся к эксплуатационным параметрам устройства 1. КПД предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения может быть рассчитан как 63,2565%.
Фиг. 5A и 5B иллюстрируют чувствительность РБО 50 как функцию длины волны. В частности, фиг. 5A показывает чувствительность РБО 50, образованного 20 парами слоев InGaAsP и InP, в то время как фиг. 5B показывает чувствительность РБО 50, образованного 30 парами слоев InGaAsP и InP. Как отмечено выше, отношение показателей преломления для InGaAsP/InP РБО 50 составляет 3,48:3,17. Обе фиг. 5A и 5B иллюстрируют, что РБО 50 оптимизирован для отражения на 1,55 мкм. Сравнивая фиг. 5A и 5B можно видеть, что максимальная чувствительность на данной длине волны достигнута с помощью РБО 50, имеющего 30 пар слоев InGaAsP и InP. Описанные выше примеры используют структуру p-на-n, например, как показано на фиг. 1, с n-легированной подложкой. Однако, в качестве альтернативы, также возможно устройство типа n-на-p.
Как это описано, ПМЛИ может быть использован в системах, таких как орбитальная система солнечной электростанции, пример которой показан на фиг. 6A, система для удаленного питания оборудования, пример которой показан на фиг. 6B, система, которая доставляет мощность удаленно по оптоволокну, пример которой показан на фиг. 6G, и система питания подкожного оборудования, например, кардиостимулятор (не показано).
В системе, показанной на фиг. 6, солнечные панели 200 преобразуют оптическую энергию от солнца 210 в электрическую энергию, которая используется для приведения в действие высокомощного лазера 220 (на длине волны 1550 нм) на борту гелиосинхронного спутника 230. Лазерный луч 240 направлен вниз в целевое положение 250 (например, Землю, лунную базу или другой спутник, нуждающийся в питании), где оптическая энергия лазера преобразуется обратно в электрическую энергию, используя матрицу ПМЛИ (не показано). Это может обуславливать получение энергии по запросу в любое время и при любом расположении цели, оснащенной матрицей ПМЛИ.
В системе, показанной на фиг. 6B, оборудование, такое как беспилотный летательный аппарат (UAV) 300, может быть оснащено матрицей ПМЛИ и удаленно обеспечиваться энергией по линии прямой видимости лазерным лучом 310 от лазерного источника 320 на длине волны 1550 нм.
В системе, показанной на фиг. 6G, оборудование 400, имеющее матрицу ПМЛИ, может быть обеспечено питанием удаленно от лазерного источника 410 с длиной волны 1550 нм через оптоволокно 420.
Хотя лазер описан выше в качестве подходящего источника, имеющего узкую ширину спектральной линии, и использован термин «преобразователь мощности лазерного излучения», как известно специалистам, существуют другие источники и могут быть использованы с ПМЛИ в зависимости от практического применения, такие как суперлюминесцентные СИДы или фильтрованный свет от широкополосного источника.
Следует понимать, что различные модификации предпочтительного варианта осуществления и общие принципы и признаки, описанные в данном документе, будут легко поняты специалистами в данной области техники. Настоящее изобретение не предназначено быть ограниченным проиллюстрированными вариантами осуществления, и такие изменения и модификации также находятся в пределах сущности и объема формулы изобретения.