專(zhuān)利名稱(chēng)：一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)和具有其的芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流電壓變換領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)和具有其的芯片。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)光器件特別是LED與光伏電池技術(shù)的日益成熟，一種光電變壓器被提了出來(lái)，該光電變壓器一般包括LED組成的電光轉(zhuǎn)換模塊和光伏電池組成的光電轉(zhuǎn)換模塊,利用光電-電光能量轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓目的。這類(lèi)光電變壓器中，電光轉(zhuǎn)換模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊之間通常采用透明絕緣材料的隔離層進(jìn)行電氣隔離。但實(shí)際運(yùn)用中，由于光學(xué)特性與電學(xué)特性難以同時(shí)得到匹配，隔離層材料選擇十 分受限。具體地，絕緣特性好的材料往往折射率不匹配，從而電光轉(zhuǎn)換模塊的發(fā)射光在絕緣層的界面上發(fā)生全反射，光線不能順利傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換模塊，導(dǎo)致總體能量轉(zhuǎn)換效率降低；而與電光轉(zhuǎn)換模塊及光電轉(zhuǎn)換模塊的折射率匹配的材料往往屬于半導(dǎo)體，絕緣特性不佳。此外，在加工形成隔離層的過(guò)程中，存在著外延襯底選擇困難以及工藝復(fù)雜度的問(wèn)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，提出一種基于反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)隔離的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)及具有其的芯片。本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述電光轉(zhuǎn)換層用于將輸入電能轉(zhuǎn)換為光能；和多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述光電轉(zhuǎn)換層用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出電能，其中，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目與所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目成比例以實(shí)現(xiàn)變壓，且所述光電轉(zhuǎn)換層的吸收光譜與所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光譜之間頻譜匹配，其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括隔離層，所述隔離層為半導(dǎo)體，且所述隔離層為第一摻雜類(lèi)型，其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層一側(cè)，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層另一側(cè)，所述隔離層對(duì)所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，其中，所述隔離層與所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間以及所述隔離層與所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間具有第二摻雜類(lèi)型的摻雜區(qū)，所述隔離層與所述摻雜區(qū)形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括隔離層，所述隔離層為半導(dǎo)體，且所述隔離層為第一摻雜類(lèi)型，其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層一側(cè)，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層另一側(cè)，所述隔離層所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，其中，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體摻雜層、所述電光轉(zhuǎn)換層和第二半導(dǎo)體摻雜層，所述第二半導(dǎo)體摻雜層與所述隔離層接觸，并且所述第一半導(dǎo)體摻雜層為第一摻雜類(lèi)型，所述第二半導(dǎo)體摻雜層為第二摻雜類(lèi)型，所述隔離層與所述第二半導(dǎo)體摻雜層形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括第三半導(dǎo)體摻雜層、所述光電轉(zhuǎn)換層和第四半導(dǎo)體摻雜層，所述第四半導(dǎo)體摻雜層與所述隔離層接觸，并且所述第三半導(dǎo)體摻雜層為第一摻雜類(lèi)型，所述第四半導(dǎo)體摻雜層為第二摻雜類(lèi)型，所述隔離層與所述第四摻雜層形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括隔離層，所述隔離層為半導(dǎo)體，其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層一側(cè)，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層另一側(cè)，所述隔離層所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，其中，所述隔離層具有多個(gè)半導(dǎo)體摻雜層，并且所述多個(gè)半導(dǎo)體摻雜層中至少兩組相鄰的所述半導(dǎo)體摻雜層摻雜類(lèi)型相反，以形成至少兩組PN結(jié)，其中，所述PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括襯底層，所述襯底層為半導(dǎo)體，且所述襯底層為第一摻雜類(lèi)型，其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述襯底層的同一側(cè)，所述襯底層對(duì)所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，且所述襯底層底部具有反光結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底層與所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間以及所述襯底層與所 述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間具有第二摻雜類(lèi)型的摻雜區(qū)，所述襯底層與所述摻雜區(qū)形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光線傳播路徑上的各層材料的折射系數(shù)匹配。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括光學(xué)陷阱，所述光學(xué)陷阱用于將所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光限制在所述半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以防止光泄露引起的能量損失。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電光轉(zhuǎn)換層的材料為=AlGaInP，GaN, InGaN,InGaN, AlGalnN, ZnO, AlGalnAs, GaAs, InGaAs, InGaAsP, AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsNSb 以及其它III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)發(fā)光材料或量子點(diǎn)發(fā)光材料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述光電轉(zhuǎn)換層的材料為AlGaInP、InGaAs, InGaN、AlGalnN, InGaAsP，GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP，AlGaAs, AlGaP, InAlP, AlGaAsSb,InGaAsNSb,其它III-V族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)光伏材料或量子點(diǎn)光伏材料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述隔離層或襯底層的材料包括GaP，GaAs, InP, GaN,Si, Ge, GaSb以及其它對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料及其組合。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)通過(guò)雙面外延或單面外延工藝實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，運(yùn)用半導(dǎo)體中設(shè)置反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)的方法以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使得隔離層的材料選擇范圍更廣，具有易于獲得、成本低廉、折射率匹配更優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的隔離層可通過(guò)外延形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其上還可以進(jìn)一步外延其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，避免了剝離、鍵合(bonding)等復(fù)雜工序，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，使大規(guī)模制造成為可能。本發(fā)明還提出一種芯片，該芯片包括上述任一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)用于在片上將外部電源的輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲂酒掀渌考璧奶囟üぷ麟妷?。根?jù)本發(fā)明實(shí)施例的芯片由于其內(nèi)部的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)可以通過(guò)外延形成，故可以很方便地與其他部件進(jìn)行集成，具有工藝成熟，成本較小，簡(jiǎn)化電源方案，可實(shí)現(xiàn)單片集成的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)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(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的工作原理圖；圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明第三實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明第四實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明第五實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明第六實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明第七實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為雙面外延工藝形成本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的流程圖；圖10為單面外延工藝形成本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的流程圖；和圖11為本發(fā)明的具有半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)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(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，先對(duì)現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明的原理進(jìn)行闡述和對(duì)比。從物理原理上說(shuō)，傳統(tǒng)的交流變壓器利用的是電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體中的自由電子震蕩產(chǎn)生電磁波作為能量傳遞的，通過(guò)主次線圈之間的耦合傳遞能量，從而實(shí)現(xiàn)交流電壓變換。本發(fā)明中的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)遵循的是量子力學(xué)原理，通過(guò)半導(dǎo)體材料中載流子在不同能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生光子，利用光子作為能量傳遞介質(zhì)，再在另外的半導(dǎo)體材料中激發(fā)產(chǎn)生載流子，從而實(shí)現(xiàn)電壓變換。因此，由于傳遞能量介質(zhì)的不同，粒子(光子)特性取代波(電磁波)的特性在本發(fā)明的直流變壓器中成為基本的工作原理。
本發(fā)明中的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的總體能量轉(zhuǎn)換效率主要由三個(gè)因素決定電光能量轉(zhuǎn)換效率，光電能量轉(zhuǎn)換效率，光能量損失。由于LED和光伏電池技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在先進(jìn)的半導(dǎo)體器件的電光轉(zhuǎn)換效率和光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，例如AlGaInP材料制備的紅光LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)接近100%，GaN材料制備的藍(lán)光LED內(nèi)量子效率也已達(dá)到80%，而III-V族光伏電池的內(nèi)量子效率也已接近100%，因此光能量損失就成為了限制本發(fā)明直流變壓器能量轉(zhuǎn)換效率的主要因素，因此本發(fā)明中提出了三種技術(shù)來(lái)盡量減小光能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率，分別是電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)發(fā)射光譜與光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)吸收光譜之間的頻譜匹配以減少光子的非吸收損失和熱損失，光線傳播路徑上的各個(gè)材料的折射系數(shù)匹配以減少全反射臨界角損失和菲涅耳損失，光陷阱以減少光線泄露引起的能量損失。這些在下文中有具體的說(shuō)明。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖I所示在輸入端的每個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上輸入直流電壓V1,以在半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光子，光子傳輸至半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，以在半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中激發(fā)產(chǎn)生不同的載流子，并通過(guò)內(nèi)建電場(chǎng)分離，每個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上輸出直流電壓V2，從而利用光波實(shí)現(xiàn)能量傳輸。在該能量傳輸過(guò)程中，一方面，V1和V2的數(shù)值取決于半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo) 體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)，如材料種類(lèi)、應(yīng)變特性、禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的特性參數(shù)以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)化；另一方面，通過(guò)在輸入端和輸出端分別串聯(lián)數(shù)目成比例的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，利用電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目比實(shí)現(xiàn)變壓。例如，假設(shè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為m個(gè)，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為η個(gè)，貝1J輸出總電壓/輸入總電壓=(n*V2)/ (IiPiiV1)。在本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為發(fā)光二極管(LED)、諧振發(fā)光二極管(RC_LED)或激光二極管(LD)。這幾種LED均能夠有效地將電能轉(zhuǎn)換為光能，工作性能穩(wěn)定可靠，并且熱效應(yīng)少，并且RC_LED進(jìn)一步具有方向性好、調(diào)變速度較高的優(yōu)點(diǎn)，LD進(jìn)一步具有單色性好、亮度較高的優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，其材料可為紅黃光的AlGaInP,紫外的GaN和InGaN、藍(lán)紫光的InGaN、AlGaInN和ZnO，紅光或紅外光的 AlGaInAs、GaAs、InGaAs, InGaAsP, AlGaAs, InGaAsNSb 以及其它 III 族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)發(fā)光材料或量子點(diǎn)發(fā)光材料。在本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為具有背接觸(backcontact)或埋接觸(buried contact)的單面引出電極結(jié)構(gòu)的光電池。具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結(jié)構(gòu)的光電池，其受光面可以避免受到電極遮光影響，故能量轉(zhuǎn)換效率更高，。半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，其材料可為AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP,InGaAs,InGaAsP,AlGaAs,AlGaP,InAlP,AlGaAsSb,InGaAsNSb,其它III-V族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)光伏材料或量子點(diǎn)光伏材料。需要指出的是，光電轉(zhuǎn)換層的吸收光譜與所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光譜之間頻譜匹配，即，電光轉(zhuǎn)換層發(fā)出的光線要與光電轉(zhuǎn)換層光電轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)化的光線特性匹配，以使器件的電光-光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，轉(zhuǎn)換過(guò)程中光子的能損較少。具體地電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光可以是與光電轉(zhuǎn)換層的吸收效率最大處一致對(duì)應(yīng)的單色光，也可能為其他頻率的、能使光電轉(zhuǎn)換層發(fā)生光伏效應(yīng)的量子效率大于I的特定頻率光線，一種優(yōu)化的情況是電光轉(zhuǎn)換層發(fā)射的光子能量的大小既能確保光子可以被光電轉(zhuǎn)換層吸收，又不會(huì)由于光子能量過(guò)高導(dǎo)致多余能量作為熱損失掉，一種可能的理想狀況是電光轉(zhuǎn)換層與光電轉(zhuǎn)換層有源材料的禁帶寬度一致，從而既能確保光線吸收又不會(huì)引起剩余光子能量的損失。需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明的實(shí)施例中單色光具有一定的光譜寬度，例如，對(duì)于紅光LED來(lái)說(shuō)具有20nm左右的光譜寬度，而非限定某個(gè)具體的頻率點(diǎn)，此為公知技術(shù)，在此不再贅述。在本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離，其中，用于隔離的材料需要對(duì)工作光線透明。所謂透明是指材料的禁帶寬度大于光子的能量，這樣能夠保證不會(huì)引起能帶躍遷，導(dǎo)致作為能量載體的光子的損耗。根據(jù)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電氣隔離的具體形式不同，可細(xì)分為多種情況。下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)包括多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I、多個(gè)串聯(lián)的 半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2和隔離層3。其中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I形成在隔離層3 —偵牝且每個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括電光轉(zhuǎn)換層12 (電光轉(zhuǎn)換層12圖中未示出)，以及多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2形成在隔離層3另一側(cè)，且每個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括光電轉(zhuǎn)換層22 (光電轉(zhuǎn)換層22圖中未不出)。隔離層3對(duì)電光轉(zhuǎn)換層12發(fā)出的發(fā)射光透明，使攜帶能量的光線能夠從半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I傳輸?shù)桨雽?dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，最終實(shí)現(xiàn)電壓變換。隔離層3的材料可為GaP，GaAs，InP, GaN, Si, Ge, GaSb以及其它對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料及其組合，且為第一摻雜類(lèi)型。隔離層3與多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I之間以及隔離層3與多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間具有第二摻雜類(lèi)型的摻雜區(qū)31，其中隔離層3與摻雜區(qū)31形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。具體地，當(dāng)隔離層3為P型摻雜而慘雜區(qū)31為N型慘雜時(shí)，可以對(duì)隔尚層3施加低電似而對(duì)慘雜區(qū)31施加聞電似?；蛘?，當(dāng)隔離層3為N型摻雜而摻雜區(qū)31為P型摻雜時(shí)，可以對(duì)隔離層3施加高電位而對(duì)摻雜區(qū)31施加低電位。從而，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間的PN結(jié)結(jié)構(gòu)均呈反偏，載流子無(wú)法通過(guò)，無(wú)導(dǎo)通電流，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。圖3所示為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)包括多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I、多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2和隔離層3。其中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I形成在隔離層3 —偵牝且多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2形成在隔離層3另一側(cè)。隔離層3對(duì)電光轉(zhuǎn)換層12發(fā)出的發(fā)射光透明，隔離層3的材料可為GaP，GaAs，InP, GaN, Si, Ge, GaSb以及其它對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料及其組合，且為第一摻雜類(lèi)型。其中，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括第一半導(dǎo)體摻雜層11、電光轉(zhuǎn)換層12和第二半導(dǎo)體摻雜層13,其中第二半導(dǎo)體摻雜層13與隔離層3接觸，第一半導(dǎo)體摻雜層11為第一摻雜類(lèi)型，第二半導(dǎo)體摻雜層13為第二摻雜類(lèi)型，隔離層3與第二半導(dǎo)體摻雜層13形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。其中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括第三半導(dǎo)體摻雜層21、光電轉(zhuǎn)換層22和第四半導(dǎo)體摻雜層23，第四半導(dǎo)體摻雜層23與隔離層3接觸，第三半導(dǎo)體摻雜層21為第一摻雜類(lèi)型，第四半導(dǎo)體摻雜層23為第二摻雜類(lèi)型，隔離層3與第四半導(dǎo)體摻雜層23形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。與上述第一實(shí)施例類(lèi)似，本實(shí)施例的多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間具有反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)包括多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I、多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2和隔離層3。其中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I形成在隔離層3 —偵牝且每個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括電光轉(zhuǎn)換層12 (電光轉(zhuǎn)換層12圖中未示出)，以及多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2形成在隔離層3另一側(cè)，且每個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括光電轉(zhuǎn)換層22 (光電轉(zhuǎn)換層22圖中未不出)。隔離層3對(duì)電光轉(zhuǎn)換層12發(fā)出的發(fā)射光透明，使攜帶能量的光線能夠從半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I傳輸?shù)桨雽?dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，最終實(shí)現(xiàn)電壓變換。隔離層3的材料可為GaP，GaAs, InP, GaN, Si，Ge, GaSb以及其它對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料及其組合。其中隔離層3具有多個(gè)半導(dǎo)體摻雜層。例如，隔離層3包括第一半導(dǎo)體摻雜層3a、第二半導(dǎo)體摻雜層3b和第三半導(dǎo)體摻雜層3c,其中第一半導(dǎo)體摻雜層3a和第二半導(dǎo)體摻雜層3b的摻雜類(lèi)型相反,第二半導(dǎo)體摻雜層3b和第三半導(dǎo)體摻雜層3c的摻雜類(lèi)型相反。從而，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間具有3a-3b界面的第一 PN結(jié)和3b_3c界面的第二 PN結(jié)，將第一 PN結(jié)和第二PN結(jié)均反偏，即可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。需要指出的是，隔離層3 可以包括更多層半導(dǎo)體摻雜層結(jié)構(gòu)，只需要其中至少兩組相鄰的半導(dǎo)體摻雜層摻雜類(lèi)型相反，以形成至少兩組PN結(jié)，使這些PN結(jié)均呈反偏狀態(tài)，便可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。需要說(shuō)明的是，上述第一實(shí)施例、第二實(shí)施例和第三實(shí)施例中，可以使半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I位于隔離層3之上、半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2位于隔離層3之下，也可以使半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I位于隔離層3之下、半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2位于隔離層3之上，這一相對(duì)位置的改變并不對(duì)半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的工作造成實(shí)質(zhì)影響。圖5所示為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)包括多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I、多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2和襯底層3。其中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2形成在襯底層3之上,且每個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I具有電光轉(zhuǎn)換層11 (電光轉(zhuǎn)換層12圖中未示出)，每個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2具有光電轉(zhuǎn)換層22 (光電轉(zhuǎn)換層22圖中未不出)。襯底層3對(duì)電光轉(zhuǎn)換層12發(fā)出的發(fā)射光透明，且襯底層3具有反光結(jié)構(gòu)32,反光結(jié)構(gòu)32用于改變光的傳播方向，使半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I發(fā)出的光傳播到半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2上，以實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，最終實(shí)現(xiàn)電壓變換。其中，襯底層3的材料可為GaP，GaAs,InP, GaN, Si，Ge, GaSb以及其它對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料及其組合，且為第一摻雜類(lèi)型。襯底層3與多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I之間以及襯底層3與多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間具有第二摻雜類(lèi)型的摻雜區(qū)31，襯底層3與摻雜區(qū)31形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。與上述第一實(shí)施例類(lèi)似，本實(shí)施例的多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間具有反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使輸入端和輸出端互不影響。在本發(fā)明的實(shí)施例中，優(yōu)選地，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I、隔離層或襯底層3和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的折射系數(shù)匹配，以減少光線傳播過(guò)程中在各層材料界面發(fā)生全反射導(dǎo)致光能量損耗。其中折射系數(shù)匹配是指三者的折射系數(shù)類(lèi)似，或者三者的折射系數(shù)沿著光路傳播的方向各層材料的折射系數(shù)逐漸遞增。在本發(fā)明的實(shí)施例中，優(yōu)選地，半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)還進(jìn)一步包括光學(xué)陷阱，用于將發(fā)射光限制在半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部，特別是限制在電光轉(zhuǎn)換層和光電轉(zhuǎn)換層之間，以避免漏光帶來(lái)的光能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。為使本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)更好地被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，發(fā)明人將本發(fā)明中的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劃分為多個(gè)層次進(jìn)行詳細(xì)介紹。需要說(shuō)明的是，下文對(duì)本發(fā)明的闡述側(cè)重于各層次的材料及用途，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，設(shè)定半導(dǎo)體光電變壓器為雙面結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目均為一個(gè)。圖6所示為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。該半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(gè)光譜范圍中的一個(gè)或 多個(gè)波段的組合，優(yōu)選為單頻率的光線，例如620nm的紅光、460nm的藍(lán)光、380nm的紫光，以有利于運(yùn)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L(zhǎng)ED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(zhǎng)范圍)，例如可以采用紅黃光的AlGaInP,紫外的GaN和InGaN、藍(lán)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)變壓。光電轉(zhuǎn)換層110的材料包括 AlGalnP，InGaAs, InGaN, AlGaInN, InGaAsP, InGaP,以及其它 III-V 族直接禁帶半導(dǎo)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(dǎo)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(dá)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(duì)電光轉(zhuǎn)換層102發(fā)出的工作光線透明。在本發(fā)明實(shí)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(duì)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(guò)程中在界面處發(fā)生全反射。由于當(dāng)且僅當(dāng)光線從折射系數(shù)較大的材料進(jìn)入折射系數(shù)較小的材料時(shí)發(fā)生全反射，故在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)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)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(shí)在各界面處發(fā)生全發(fā)射；在本發(fā)明一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)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(gè)所述層的材料折射系數(shù)不小于其前一個(gè)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(gè)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(shì)；在本發(fā)明一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)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(guò)上述更優(yōu)選的實(shí)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(shí)(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(shí)(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(guò)粗糙化或規(guī)則的圖形如光子晶體結(jié)構(gòu)等來(lái)減低全反射。故在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)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(gè)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(shí)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(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)能量的傳輸,最終實(shí)現(xiàn)電壓變換。第一隔離層除了利用上文敘述的“隔離層采用半導(dǎo)體材料，設(shè)置反偏的pn結(jié)結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)電氣隔離之外，還可以利用“隔離層采用絕緣材料”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。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(shí)對(duì)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(shí)施例中，第一隔離層 106 的材料優(yōu)選為 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。第二電極層104和第三電極層108的材料可以為重?fù)诫s的6&48、63隊(duì)63 ，416311^、416311^、416311^8，或者導(dǎo)電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2> ZnO及其組合等。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)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6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(lái)回反射，以防止光泄露，提高光的能量轉(zhuǎn)換效率。反射層的材料需要滿足對(duì)工作光線反射效率高、材料性能穩(wěn)定、界面接觸電阻低、導(dǎo)電性好等要求。具體可以通過(guò)以下兩種方式實(shí)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(shí)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. 6的GaAs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(shí)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(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的金屬實(shí)現(xiàn)反射，例如Ag、Au、Cu、Ni、Al、Sn、C0、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(shí)兼具散熱的功能，可以將變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出來(lái)。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(duì)工作光線透明，故可以采用金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑料、導(dǎo)電氧化物等材料形成單層和/或多層復(fù)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(guò)增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時(shí)起到熱沉的作用以散熱。
需指出的是，由于該半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)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(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的特性參數(shù)以實(shí)現(xiàn)變壓。進(jìn)一步地，可以根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)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(shí)現(xiàn)預(yù)期變壓，例如，如圖7所示，半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)包括一個(gè)電光轉(zhuǎn)換層102和兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換層IlOA和110B,該結(jié)構(gòu)相對(duì)于包含相同單個(gè)電光轉(zhuǎn)換層和單個(gè)光電轉(zhuǎn)換層的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，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(gè)實(shí)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(gè)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(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)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(jìn)一步提高直流電壓變壓比。其中，多個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(或多個(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))相互串聯(lián)，每個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(或每個(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))的結(jié)構(gòu)可以參考上述實(shí)施例所述的結(jié)構(gòu)。圖8所不為在垂直方向上具有兩個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和一個(gè)光電 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)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(gè)和末個(gè)電光(或光電)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之外，中間每個(gè)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?fù)诫s的半導(dǎo)體材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導(dǎo)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)明提供一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，通過(guò)在半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的輸入端設(shè)置電光轉(zhuǎn)換層，利用半導(dǎo)體電子能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的光輻射，將直流電轉(zhuǎn)換為光進(jìn)行傳輸，在輸出端設(shè)置光電轉(zhuǎn)換層以將光轉(zhuǎn)化為電能輸出，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)及數(shù)目，故該變壓器可直接實(shí)現(xiàn)直流電壓的變壓?，F(xiàn)有技術(shù)的利用材料隔離的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，需要先在犧牲襯底上分別形成半導(dǎo)體光電/電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，然后剝離犧牲襯底，將半導(dǎo)體光電/電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到隔離層上，然后進(jìn)行刻蝕及連線，其工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低。而在本發(fā)明的實(shí)施例中，由于隔離層采用半導(dǎo)體材料，其晶格常數(shù)等物理參數(shù)與半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以及半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相近，因此本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)中的隔離層有可能直接作為襯底材料，或者通過(guò)外延形成隔離層后，在隔離層上再外延光電或電光結(jié)構(gòu)，整個(gè)半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)通過(guò)雙面外延或單面外延工藝形成，免去剝離轉(zhuǎn)移等步驟，具有易于實(shí)現(xiàn)，免犧牲襯底、生產(chǎn)效率較高，成本較低的優(yōu)點(diǎn)。具體地，雙面外延工藝形成本發(fā)明半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的過(guò)程如圖9所示S101.提供襯底。該襯底為對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料，在最終成型的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于隔離層3。襯底的兩個(gè)側(cè)面均做拋光處理，可用于雙面外延生長(zhǎng)。S102.在襯底的一個(gè)側(cè)面上外延形成半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層10。S103.在襯底的另一個(gè)側(cè)面上外延形成半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層20。S104.對(duì)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層10刻蝕分割和沉積電極，以形成多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，然后利用平面金屬化工藝將多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I進(jìn)行串聯(lián)和/或并聯(lián)。
S105.對(duì)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層20刻蝕分割和沉積電極，以形成多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，然后利用平面金屬化工藝將多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2進(jìn)行串聯(lián)和/或并聯(lián)。需要說(shuō)明的是，上述形成方法中，步驟S204和步驟S205的順序可以調(diào)換，兩種方式并無(wú)本質(zhì)差別。以及，需要說(shuō)明的是，為了形成起電氣隔離作用的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，需要在合適的時(shí)候?qū)线m的材料層進(jìn)行摻雜、注入等處理(例如雙面外延形成本發(fā)明第三實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，需要在步驟SlOl中提供具有多層摻雜層的襯底)。該處理的技術(shù)細(xì)節(jié)靈活多樣，但屬于本領(lǐng)域一般技術(shù)，故不贅述。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中， 隔離層的厚度可能較薄，不能以隔離層為襯底做雙面外延工藝。此時(shí)，可采用單面外延工藝。單面外延工藝形成本發(fā)明半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的過(guò)程如圖10所示S201.提供襯底。襯底單面拋光，用于進(jìn)行單面外延生長(zhǎng)。S202.在襯底上外延形成半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層10。S203.在半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層10上外延形成隔離層3。S204.在隔離層3上形成半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層20。S205.對(duì)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層10和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層20進(jìn)行刻蝕，分割以形成多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2。S206.通過(guò)沉積電極、平面金屬化等工藝，將多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I進(jìn)行串和/或并聯(lián)，以及將多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2進(jìn)行串和/或并聯(lián)。需要說(shuō)明的是，上述形成方法中，步驟S202-S303和步驟S205-S206的順序可以調(diào)換，兩種方式并無(wú)本質(zhì)差別。以及，需要說(shuō)明的是，為了形成起隔離作用的反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)，需要在合適的時(shí)候?qū)线m的材料層進(jìn)行摻雜、注入等處理(例如雙面外延形成本發(fā)明第三實(shí)施例的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，需要在步驟SlOl中提供具有多層摻雜層的襯底)。該處理的技術(shù)細(xì)節(jié)靈活多樣，但屬于本領(lǐng)域一般技術(shù)，故不贅述。本發(fā)明提供的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，通過(guò)在半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的輸入端設(shè)置電光轉(zhuǎn)換層，利用半導(dǎo)體電子能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的光輻射，將電轉(zhuǎn)換為光進(jìn)行傳輸，在輸出端設(shè)置光電轉(zhuǎn)換層以將光轉(zhuǎn)化為電輸出，輸入端與輸出端直接采用半導(dǎo)體材料的隔離層(或襯底層)，依靠反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，大大擴(kuò)展了隔離層(或材料層)的選擇范圍，具有易于獲得、成本低廉、折射率匹配更優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于本發(fā)明的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)的隔離層可通過(guò)外延形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其上還可以進(jìn)一步外延其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，避免了剝離、鍵合(bonding)等復(fù)雜工序,進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，使大規(guī)模制造成為可能。本發(fā)明還提出一種芯片，該芯片包括至少一個(gè)上述任一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)用于將外部電源的輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒瑑?nèi)的各個(gè)電路功能模塊所需的特定工作電壓。具體地，如圖11所示，本發(fā)明的芯片除上述任一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)100外，還包括襯底200，一個(gè)或多個(gè)電源管腳300、片內(nèi)電源分布網(wǎng)絡(luò)400以及電路功能模塊500。其中，電源管腳300與外部電源相連；片內(nèi)電源分布網(wǎng)絡(luò)400連接電源管腳300和至少一個(gè)半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)100的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)100的輸入端接入外部電源；半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)100的輸出端則與需要供電的電路功能模塊500相連，為其提供工作所需的電能。其中，電路功能模塊500是指集成在同一芯片上的數(shù)字邏輯電路、模擬電路、RF電路、flash電路、MEMS器件等需要不同電壓的模塊。比如flash芯片上就需要多組不同的供電電壓，電壓值跨度可達(dá)I. 2V-20V，尤其是其寫(xiě)入編程電壓，往往需要10-20V。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，該芯片還包括至少一個(gè)控制模塊600,控制模塊600與至少一個(gè)半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)100相連，并對(duì)其進(jìn)行控制。具體地，控制模塊600可對(duì)半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)100的輸入輸出端的電流電壓進(jìn)行采樣和控制，以實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓、電源效率優(yōu)化、電源節(jié)能關(guān)斷等目標(biāo)。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，該芯片為全片集成。本發(fā)明還有其它一些變形的實(shí)施方案，例如利用三維芯片堆疊，互連或鍵合技術(shù)把實(shí)現(xiàn)電源直流變壓的芯片和實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，運(yùn)算和MEMS傳感等功能的芯片集成在一起形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，或者是通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝把實(shí)現(xiàn)直流變壓的芯片和其他功能模塊封裝在一起形成Iv系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的芯片由于其內(nèi)部的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)可以通過(guò)外延形成，故可以很方便地與其他部件進(jìn)行集成，具有工藝成熟，成本較小，簡(jiǎn)化電源方案，可實(shí)現(xiàn)全片集 成的優(yōu)點(diǎn)。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)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(duì)這些實(shí)施例進(jìn)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(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述電光轉(zhuǎn)換層用于將輸入電能轉(zhuǎn)換為光能；和 多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述光電轉(zhuǎn)換層用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出電能， 其中，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目與所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目成比例以實(shí)現(xiàn)變壓，且所述光電轉(zhuǎn)換層的吸收光譜與所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光譜之間頻譜匹配， 其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括 隔離層，所述隔離層為半導(dǎo)體，且所述隔離層為第一摻雜類(lèi)型， 其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層一側(cè)，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層另一側(cè)，所述隔離層對(duì)所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明， 其中，所述隔離層與所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間以及所述隔離層與所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間具有第二摻雜類(lèi)型的摻雜區(qū)，所述隔離層與所述摻雜區(qū)形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括 隔離層，所述隔離層為半導(dǎo)體，且所述隔離層為第一摻雜類(lèi)型， 其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層一側(cè)，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層另一側(cè)，所述隔離層所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明， 其中，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體摻雜層、所述電光轉(zhuǎn)換層和第二半導(dǎo)體摻雜層，所述第二半導(dǎo)體摻雜層與所述隔離層接觸，并且所述第一半導(dǎo)體摻雜層為第一摻雜類(lèi)型，所述第二半導(dǎo)體摻雜層為第二摻雜類(lèi)型，所述隔離層與所述第二半導(dǎo)體摻雜層形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)， 其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括第三半導(dǎo)體摻雜層、所述光電轉(zhuǎn)換層和第四半導(dǎo)體摻雜層，所述第四半導(dǎo)體摻雜層與所述隔離層接觸，并且所述第三半導(dǎo)體摻雜層為第一摻雜類(lèi)型，所述第四半導(dǎo)體摻雜層為第二摻雜類(lèi)型，所述隔離層與所述第四摻雜層形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括 隔離層，所述隔離層為半導(dǎo)體， 其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層一側(cè)，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述隔離層另一側(cè)，所述隔離層所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明， 其中，所述隔離層具有多個(gè)半導(dǎo)體摻雜層，并且所述多個(gè)半導(dǎo)體摻雜層中至少兩組相鄰的所述半導(dǎo)體摻雜層摻雜類(lèi)型相反，以形成至少兩組PN結(jié)，其中，所述PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括 襯底層，所述襯底層為半導(dǎo)體，且所述襯底層為第一摻雜類(lèi)型， 其中，所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形成在所述襯底層的同一側(cè)，所述襯底層對(duì)所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，且所述襯底層底部具有反光結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底層與所述多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間以及所述襯底層與所述多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間具有第二摻雜類(lèi)型的摻雜區(qū)，所述襯底層與所述摻雜區(qū)形成的PN結(jié)呈反偏狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，光線傳播路徑上的各層材料的折射系數(shù)匹配。
7.如權(quán)利要求6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括 光學(xué)陷阱，所述光學(xué)陷阱用于將光限制在所述半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以防止光泄露引起的能量損失。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)換層的材料為AlGalnP, GaN, InGaN, InGaN, AlGalnN, ZnO, AlGalnAs, GaAs, InGaAs, InGaAsP, AlGaAs,AlGaInSb，InGaAsNSb以及其它III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)發(fā)光材料或量子點(diǎn)發(fā)光材料。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換層的材料為AlGalnP、InGaAsΛ InGaN、AlGalnN，InGaAsP, GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP, AlGaAs,AlGaP, InAlP，AlGaAsSb, InGaAsNSb，其它III-V族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)光伏材料或量子點(diǎn)光伏材料。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隔離層或襯底層的材料包括GaP，GaAs, InP, GaN, Si，Ge，GaSb以及其它對(duì)工作光線透明的半導(dǎo)體材料及其組合。
11.如權(quán)利要求ι- ο任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)通過(guò)雙面外延或單面外延工藝實(shí)現(xiàn)。
12.一種芯片，其特征在于，包括權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)用于將外部電源的輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲂酒掀渌考璧奶囟üぷ麟妷骸?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)和具有其的芯片，其中半導(dǎo)體變壓結(jié)構(gòu)包括多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，電光轉(zhuǎn)換層用于將輸入電能轉(zhuǎn)換為光能；和多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，光電轉(zhuǎn)換層用于將光能轉(zhuǎn)換為輸出電能，其中，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目與半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目成比例以實(shí)現(xiàn)變壓，且光電轉(zhuǎn)換層的吸收光譜與電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光譜之間頻譜匹配，其中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。本發(fā)明具有材料易于獲得、成本低廉、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/12GK102832288SQ201210326608
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者郭磊 申請(qǐng)人:郭磊