专利名称：一种半导体变压结构和具有其的芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及电流电压变换领域，特别涉及一种半导体变压结构和具有其的芯片。
背景技术：
随着发光器件特别是LED与光伏电池技术的日益成熟，一种光电变压器被提了出来，该光电变压器一般包括LED组成的电光转换模块和光伏电池组成的光电转换模块,利用光电-电光能量转换过程来实现变压目的。这类光电变压器中，电光转换模块与光电转换模块之间通常采用透明绝缘材料的隔离层进行电气隔离。但实际运用中，由于光学特性与电学特性难以同时得到匹配，隔离层材料选择十 分受限。具体地，绝缘特性好的材料往往折射率不匹配，从而电光转换模块的发射光在绝缘层的界面上发生全反射，光线不能顺利传输到光电转换模块，导致总体能量转换效率降低；而与电光转换模块及光电转换模块的折射率匹配的材料往往属于半导体，绝缘特性不佳。此外，在加工形成隔离层的过程中，存在着外延衬底选择困难以及工艺复杂度的问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，提出一种基于反偏PN结结构隔离的半导体变压结构及具有其的芯片。本发明提出一种半导体变压结构，包括多个串联的半导体电光转换结构，所述半导体电光转换结构包括电光转换层，所述电光转换层用于将输入电能转换为光能；和多个串联的半导体光电转换结构，所述半导体电光转换结构包括光电转换层，所述光电转换层用于将所述光能转换为输出电能，其中，所述半导体光电转换结构的数目与所述半导体电光转换结构的数目成比例以实现变压，且所述光电转换层的吸收光谱与所述电光转换层的发射光谱之间频谱匹配，其中，所述多个半导体电光转换结构、所述多个半导体光电转换结构之间通过反偏PN结结构进行隔离。在本发明的一个实施例中，还包括隔离层，所述隔离层为半导体，且所述隔离层为第一掺杂类型，其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，所述隔离层对所述电光转换层的发射光透明，其中，所述隔离层与所述多个半导体电光转换结构之间以及所述隔离层与所述多个半导体光电转换结构之间具有第二掺杂类型的掺杂区，所述隔离层与所述掺杂区形成的PN结呈反偏状态。在本发明的一个实施例中，还包括隔离层，所述隔离层为半导体，且所述隔离层为第一掺杂类型，其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，所述隔离层所述电光转换层的发射光透明，其中，所述半导体光电转换结构包括第一半导体掺杂层、所述电光转换层和第二半导体掺杂层，所述第二半导体掺杂层与所述隔离层接触，并且所述第一半导体掺杂层为第一掺杂类型，所述第二半导体掺杂层为第二掺杂类型，所述隔离层与所述第二半导体掺杂层形成的PN结呈反偏状态，其中，所述半导体电光转换结构包括第三半导体掺杂层、所述光电转换层和第四半导体掺杂层，所述第四半导体掺杂层与所述隔离层接触，并且所述第三半导体掺杂层为第一掺杂类型，所述第四半导体掺杂层为第二掺杂类型，所述隔离层与所述第四掺杂层形成的PN结呈反偏状态。在本发明的一个实施例中，还包括隔离层，所述隔离层为半导体，其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，所述隔离层所述电光转换层的发射光透明，其中，所述隔离层具有多个半导体掺杂层，并且所述多个半导体掺杂层中至少两组相邻的所述半导体掺杂层掺杂类型相反，以形成至少两组PN结，其中，所述PN结呈反偏状态。在本发明的一个实施例中，还包括衬底层，所述衬底层为半导体，且所述衬底层为第一掺杂类型，其中，所述多个半导体光电转换结构和多个半导体电光转换结构形成在所述衬底层的同一侧，所述衬底层对所述电光转换层的发射光透明，且所述衬底层底部具有反光结构，其中，所述衬底层与所述多个半导体电光转换结构之间以及所述衬底层与所 述多个半导体光电转换结构之间具有第二掺杂类型的掺杂区，所述衬底层与所述掺杂区形成的PN结呈反偏状态。在本发明的一个实施例中，光线传播路径上的各层材料的折射系数匹配。在本发明的一个实施例中，还包括光学陷阱，所述光学陷阱用于将所述电光转换层的发射光限制在所述半导体变压结构内部，以防止光泄露引起的能量损失。在本发明的一个实施例中，所述电光转换层的材料为=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导体材料及其组合，有机发光材料或量子点发光材料。在本发明的一个实施例中，所述光电转换层的材料为AlGaInP、InGaAs, InGaN、AlGalnN, InGaAsP，GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP，AlGaAs, AlGaP, InAlP, AlGaAsSb,InGaAsNSb,其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合，有机光伏材料或量子点光伏材料。在本发明的一个实施例中，所述隔离层或衬底层的材料包括GaP，GaAs, InP, GaN,Si, Ge, GaSb以及其它对工作光线透明的半导体材料及其组合。在本发明的一个实施例中，所述半导体变压结构通过双面外延或单面外延工艺实现。根据本发明实施例的半导体变压结构，运用半导体中设置反偏PN结结构的方法以实现电气隔离，使得隔离层的材料选择范围更广，具有易于获得、成本低廉、折射率匹配更优的优点。此外，由于本发明的半导体变压结构的隔离层可通过外延形成结晶结构，其上还可以进一步外延其它半导体结构，避免了剥离、键合(bonding)等复杂工序，进一步降低了生产成本，使大规模制造成为可能。本发明还提出一种芯片，该芯片包括上述任一种半导体变压结构，所述半导体变压结构用于在片上将外部电源的输入电压转变为所述芯片上其他部件所需的特定工作电压。根据本发明实施例的芯片由于其内部的半导体变压结构可以通过外延形成，故可以很方便地与其他部件进行集成，具有工艺成熟，成本较小，简化电源方案，可实现单片集成的优点。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。
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I为本发明的半导体变压结构的工作原理图；图2为本发明第一实施例的半导体变压结构的结构示意图；图3为本发明第二实施例的半导体变压结构的结构示意图； 图4为本发明第三实施例的半导体变压结构的结构示意图；图5为本发明第四实施例的半导体变压结构的结构示意图；图6为本发明第五实施例的半导体变压结构的结构示意图；图7为本发明第六实施例的半导体变压结构的结构示意图；图8为本发明第七实施例的半导体变压结构的结构示意图；图9为双面外延工艺形成本发明的半导体变压结构的流程图；图10为单面外延工艺形成本发明的半导体变压结构的流程图；和图11为本发明的具有半导体变压结构的芯片的结构示意图。
具体实施例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。此夕卜，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。为使本领域技术人员更好地理解本发明，先对现有技术与本发明的原理进行阐述和对比。从物理原理上说，传统的交流变压器利用的是电磁感应原理，导体中的自由电子震荡产生电磁波作为能量传递的，通过主次线圈之间的耦合传递能量，从而实现交流电压变换。本发明中的半导体变压结构遵循的是量子力学原理，通过半导体材料中载流子在不同能级间的跃迁产生光子，利用光子作为能量传递介质，再在另外的半导体材料中激发产生载流子，从而实现电压变换。因此，由于传递能量介质的不同，粒子(光子)特性取代波(电磁波)的特性在本发明的直流变压器中成为基本的工作原理。
本发明中的半导体变压结构的总体能量转换效率主要由三个因素决定电光能量转换效率，光电能量转换效率，光能量损失。由于LED和光伏电池技术的发展，现在先进的半导体器件的电光转换效率和光电转换效率已经达到了很高的水平，例如AlGaInP材料制备的红光LED的内量子效率已经接近100%，GaN材料制备的蓝光LED内量子效率也已达到80%，而III-V族光伏电池的内量子效率也已接近100%，因此光能量损失就成为了限制本发明直流变压器能量转换效率的主要因素，因此本发明中提出了三种技术来尽量减小光能量损失，提高能量转换效率，分别是电光转换结构发射光谱与光电转换结构吸收光谱之间的频谱匹配以减少光子的非吸收损失和热损失，光线传播路径上的各个材料的折射系数匹配以减少全反射临界角损失和菲涅耳损失，光陷阱以减少光线泄露引起的能量损失。这些在下文中有具体的说明。本发明提供一种半导体变压结构，其工作原理如图I所示在输入端的每个半导体电光转换结构上输入直流电压V1,以在半导体电光转换结构中注入载流子复合产生光子，光子传输至半导体光电转换结构，以在半导体光电转换结构中激发产生不同的载流子，并通过内建电场分离，每个半导体光电转换结构上输出直流电压V2，从而利用光波实现能量传输。在该能量传输过程中，一方面，V1和V2的数值取决于半导体电光转换结构和半导 体光电转换结构的材料特性参数，如材料种类、应变特性、禁带宽度、掺杂浓度等，故通过调节相应的特性参数以实现能量转换效率最优化；另一方面，通过在输入端和输出端分别串联数目成比例的半导体电光转换结构和半导体光电转换结构，利用电光转换结构和光电转换结构的数目比实现变压。例如，假设半导体电光转换结构为m个，半导体光电转换结构为η个，贝1J输出总电压/输入总电压=(n*V2)/ (IiPiiV1)。在本发明的半导体变压结构中，半导体电光转换结构可为发光二极管(LED)、谐振发光二极管(RC_LED)或激光二极管(LD)。这几种LED均能够有效地将电能转换为光能，工作性能稳定可靠，并且热效应少，并且RC_LED进一步具有方向性好、调变速度较高的优点，LD进一步具有单色性好、亮度较高的优点。半导体电光转换结构包括电光转换层，其材料可为红黄光的AlGaInP,紫外的GaN和InGaN、蓝紫光的InGaN、AlGaInN和ZnO，红光或红外光的 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导体材料及其组合，有机发光材料或量子点发光材料。在本发明的半导体变压结构中，半导体光电转换结构可为具有背接触(backcontact)或埋接触(buried contact)的单面引出电极结构的光电池。具有背接触或埋接触的单面引出电极结构的光电池，其受光面可以避免受到电极遮光影响，故能量转换效率更高，。半导体光电转换结构包括光电转换层，其材料可为AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP,InGaAs,InGaAsP,AlGaAs,AlGaP,InAlP,AlGaAsSb,InGaAsNSb,其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合，有机光伏材料或量子点光伏材料。需要指出的是，光电转换层的吸收光谱与所述电光转换层的发射光谱之间频谱匹配，即，电光转换层发出的光线要与光电转换层光电转换效率最优化的光线特性匹配，以使器件的电光-光电能量转换效率较高，转换过程中光子的能损较少。具体地电光转换层的发射光可以是与光电转换层的吸收效率最大处一致对应的单色光，也可能为其他频率的、能使光电转换层发生光伏效应的量子效率大于I的特定频率光线，一种优化的情况是电光转换层发射的光子能量的大小既能确保光子可以被光电转换层吸收，又不会由于光子能量过高导致多余能量作为热损失掉，一种可能的理想状况是电光转换层与光电转换层有源材料的禁带宽度一致，从而既能确保光线吸收又不会引起剩余光子能量的损失。需要说明的是，在本发明的实施例中单色光具有一定的光谱宽度，例如，对于红光LED来说具有20nm左右的光谱宽度，而非限定某个具体的频率点，此为公知技术，在此不再赘述。在本发明的半导体变压结构中，多个半导体电光转换结构和多个半导体光电转换结构之间通过反偏PN结结构进行隔离，其中，用于隔离的材料需要对工作光线透明。所谓透明是指材料的禁带宽度大于光子的能量，这样能够保证不会引起能带跃迁，导致作为能量载体的光子的损耗。根据反偏PN结结构实现电气隔离的具体形式不同，可细分为多种情况。下面参考附图描述根据本发明实施例的半导体变压结构。图2所示为根据本发明第一实施例的半导体变压结构的结构示意图。如图2所示，半导体变压结构包括多个串联的半导体电光转换结构I、多个串联的 半导体光电转换结构2和隔离层3。其中，多个半导体电光转换结构I形成在隔离层3 —侦牝且每个半导体电光转换结构I包括电光转换层12 (电光转换层12图中未示出)，以及多个半导体光电转换结构2形成在隔离层3另一侧，且每个半导体光电转换结构2包括光电转换层22 (光电转换层22图中未不出)。隔离层3对电光转换层12发出的发射光透明，使携带能量的光线能够从半导体电光转换结构I传输到半导体光电转换结构2，实现能量的传输，最终实现电压变换。隔离层3的材料可为GaP，GaAs，InP, GaN, Si, Ge, GaSb以及其它对工作光线透明的半导体材料及其组合，且为第一掺杂类型。隔离层3与多个半导体电光转换结构I之间以及隔离层3与多个半导体光电转换结构2之间具有第二掺杂类型的掺杂区31，其中隔离层3与掺杂区31形成的PN结呈反偏状态。具体地，当隔离层3为P型掺杂而惨杂区31为N型惨杂时，可以对隔尚层3施加低电似而对惨杂区31施加闻电似。或者，当隔离层3为N型掺杂而掺杂区31为P型掺杂时，可以对隔离层3施加高电位而对掺杂区31施加低电位。从而，多个半导体电光转换结构I与多个半导体光电转换结构2之间的PN结结构均呈反偏，载流子无法通过，无导通电流，可以实现电气隔离，使输入端和输出端互不影响。图3所示为根据本发明第二实施例的半导体变压结构的结构示意图。如图3所示，半导体变压结构包括多个串联的半导体电光转换结构I、多个串联的半导体光电转换结构2和隔离层3。其中，多个半导体电光转换结构I形成在隔离层3 —侦牝且多个半导体光电转换结构2形成在隔离层3另一侧。隔离层3对电光转换层12发出的发射光透明，隔离层3的材料可为GaP，GaAs，InP, GaN, Si, Ge, GaSb以及其它对工作光线透明的半导体材料及其组合，且为第一掺杂类型。其中，半导体光电转换结构I包括第一半导体掺杂层11、电光转换层12和第二半导体掺杂层13,其中第二半导体掺杂层13与隔离层3接触，第一半导体掺杂层11为第一掺杂类型，第二半导体掺杂层13为第二掺杂类型，隔离层3与第二半导体掺杂层13形成的PN结呈反偏状态。其中，半导体电光转换结构2包括第三半导体掺杂层21、光电转换层22和第四半导体掺杂层23，第四半导体掺杂层23与隔离层3接触，第三半导体掺杂层21为第一掺杂类型，第四半导体掺杂层23为第二掺杂类型，隔离层3与第四半导体掺杂层23形成的PN结呈反偏状态。与上述第一实施例类似，本实施例的多个半导体电光转换结构I与多个半导体光电转换结构2之间具有反偏PN结结构，可以实现电气隔离，使输入端和输出端互不影响。
图4所示为根据本发明第三实施例的半导体变压结构的结构示意图。如图4所示，半导体变压结构包括多个串联的半导体电光转换结构I、多个串联的半导体光电转换结构2和隔离层3。其中，多个半导体电光转换结构I形成在隔离层3 —侦牝且每个半导体电光转换结构I包括电光转换层12 (电光转换层12图中未示出)，以及多个半导体光电转换结构2形成在隔离层3另一侧，且每个半导体光电转换结构2包括光电转换层22 (光电转换层22图中未不出)。隔离层3对电光转换层12发出的发射光透明，使携带能量的光线能够从半导体电光转换结构I传输到半导体光电转换结构2，实现能量的传输，最终实现电压变换。隔离层3的材料可为GaP，GaAs, InP, GaN, Si，Ge, GaSb以及其它对工作光线透明的半导体材料及其组合。其中隔离层3具有多个半导体掺杂层。例如，隔离层3包括第一半导体掺杂层3a、第二半导体掺杂层3b和第三半导体掺杂层3c,其中第一半导体掺杂层3a和第二半导体掺杂层3b的掺杂类型相反,第二半导体掺杂层3b和第三半导体掺杂层3c的掺杂类型相反。从而，多个半导体电光转换结构I与多个半导体光电转换结构2之间具有3a-3b界面的第一 PN结和3b_3c界面的第二 PN结，将第一 PN结和第二PN结均反偏，即可以实现电气隔离，使输入端和输出端互不影响。需要指出的是，隔离层3 可以包括更多层半导体掺杂层结构，只需要其中至少两组相邻的半导体掺杂层掺杂类型相反，以形成至少两组PN结，使这些PN结均呈反偏状态，便可以实现电气隔离，使输入端和输出端互不影响。需要说明的是，上述第一实施例、第二实施例和第三实施例中，可以使半导体电光转换结构I位于隔离层3之上、半导体光电转换结构2位于隔离层3之下，也可以使半导体电光转换结构I位于隔离层3之下、半导体光电转换结构2位于隔离层3之上，这一相对位置的改变并不对半导体变压结构的工作造成实质影响。图5所示为根据本发明第四实施例的半导体变压结构的结构示意图。如图5所示，半导体变压结构包括多个串联的半导体电光转换结构I、多个串联的半导体光电转换结构2和衬底层3。其中，多个半导体电光转换结构I和多个半导体光电转换结构2形成在衬底层3之上,且每个半导体电光转换结构I具有电光转换层11 (电光转换层12图中未示出)，每个半导体光电转换结构2具有光电转换层22 (光电转换层22图中未不出)。衬底层3对电光转换层12发出的发射光透明，且衬底层3具有反光结构32,反光结构32用于改变光的传播方向，使半导体电光转换结构I发出的光传播到半导体光电转换结构2上，以实现能量的传输，最终实现电压变换。其中，衬底层3的材料可为GaP，GaAs,InP, GaN, Si，Ge, GaSb以及其它对工作光线透明的半导体材料及其组合，且为第一掺杂类型。衬底层3与多个半导体电光转换结构I之间以及衬底层3与多个半导体光电转换结构2之间具有第二掺杂类型的掺杂区31，衬底层3与掺杂区31形成的PN结呈反偏状态。与上述第一实施例类似，本实施例的多个半导体电光转换结构I与多个半导体光电转换结构2之间具有反偏PN结结构，可以实现电气隔离，使输入端和输出端互不影响。在本发明的实施例中，优选地，半导体电光转换结构I、隔离层或衬底层3和半导体光电转换结构2的折射系数匹配，以减少光线传播过程中在各层材料界面发生全反射导致光能量损耗。其中折射系数匹配是指三者的折射系数类似，或者三者的折射系数沿着光路传播的方向各层材料的折射系数逐渐递增。在本发明的实施例中，优选地，半导体变压结构还进一步包括光学陷阱，用于将发射光限制在半导体变压结构内部，特别是限制在电光转换层和光电转换层之间，以避免漏光带来的光能量损失，提高能量转换效率。为使本发明的半导体变压结构更好地被本领域技术人员理解，发明人将本发明中的半导体电光转换结构和半导体光电转换结构进一步划分为多个层次进行详细介绍。需要说明的是，下文对本发明的阐述侧重于各层次的材料及用途，为简便起见，设定半导体光电变压器为双面结构，半导体电光转换结构和半导体光电转换结构的数目均为一个。图6所示为根据本发明第五实施例的半导体变压结构的结构示意图。该半导体变压结构包括第一电极层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IOOnm的紫外光到IOum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AlGalnP、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 AlGalnP，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—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Iio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Iio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。第一隔离层除了利用上文叙述的“隔离层采用半导体材料，设置反偏的pn结结构”实现电气隔离之外，还可以利用“隔离层采用绝缘材料”的方法来实现电气隔离。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, AIN, 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6&48、63队63 ，416311^、416311^、416311^8，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6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，提高光的能量转换效率。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、C0、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，由于该半导体变压结构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7所示，半导体变压结构包括一个电光转换层102和两个光电转换层IlOA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半导体变压结构，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8所不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IT0、Sn02、Zn0及其组合，从而有利于光线传播。本发明提供一种半导体变压结构，通过在半导体变压结构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电能输出，由于输入端与输出端单位单兀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及数目，故该变压器可直接实现直流电压的变压。现有技术的利用材料隔离的半导体变压结构，需要先在牺牲衬底上分别形成半导体光电/电光转换结构，然后剥离牺牲衬底，将半导体光电/电光转换结构转移到隔离层上，然后进行刻蚀及连线，其工艺复杂，生产效率较低。而在本发明的实施例中，由于隔离层采用半导体材料，其晶格常数等物理参数与半导体电光转换结构以及半导体光电转换结构相近，因此本发明的半导体变压结构中的隔离层有可能直接作为衬底材料，或者通过外延形成隔离层后，在隔离层上再外延光电或电光结构，整个半导体变压结构通过双面外延或单面外延工艺形成，免去剥离转移等步骤，具有易于实现，免牺牲衬底、生产效率较高，成本较低的优点。具体地，双面外延工艺形成本发明半导体变压结构的过程如图9所示S101.提供衬底。该衬底为对工作光线透明的半导体材料，在最终成型的半导体变压结构中相当于隔离层3。衬底的两个侧面均做抛光处理，可用于双面外延生长。S102.在衬底的一个侧面上外延形成半导体电光转换结构层10。S103.在衬底的另一个侧面上外延形成半导体光电转换结构层20。S104.对半导体电光转换结构层10刻蚀分割和沉积电极，以形成多个半导体电光转换结构1，然后利用平面金属化工艺将多个半导体电光转换结构I进行串联和/或并联。
S105.对半导体光电转换结构层20刻蚀分割和沉积电极，以形成多个半导体光电转换结构2，然后利用平面金属化工艺将多个半导体光电转换结构2进行串联和/或并联。需要说明的是，上述形成方法中，步骤S204和步骤S205的顺序可以调换，两种方式并无本质差别。以及，需要说明的是，为了形成起电气隔离作用的PN结结构，需要在合适的时候对合适的材料层进行掺杂、注入等处理(例如双面外延形成本发明第三实施例的半导体变压结构，需要在步骤SlOl中提供具有多层掺杂层的衬底)。该处理的技术细节灵活多样，但属于本领域一般技术，故不赘述。在本发明的一些实施例中， 隔离层的厚度可能较薄，不能以隔离层为衬底做双面外延工艺。此时，可采用单面外延工艺。单面外延工艺形成本发明半导体变压结构的过程如图10所示S201.提供衬底。衬底单面抛光，用于进行单面外延生长。S202.在衬底上外延形成半导体电光转换结构层10。S203.在半导体电光转换结构层10上外延形成隔离层3。S204.在隔离层3上形成半导体光电转换结构层20。S205.对半导体电光转换结构层10和半导体光电转换结构层20进行刻蚀，分割以形成多个半导体电光转换结构I和多个半导体光电转换结构2。S206.通过沉积电极、平面金属化等工艺，将多个半导体电光转换结构I进行串和/或并联，以及将多个半导体光电转换结构2进行串和/或并联。需要说明的是，上述形成方法中，步骤S202-S303和步骤S205-S206的顺序可以调换，两种方式并无本质差别。以及，需要说明的是，为了形成起隔离作用的反偏PN结结构，需要在合适的时候对合适的材料层进行掺杂、注入等处理(例如双面外延形成本发明第三实施例的半导体变压结构，需要在步骤SlOl中提供具有多层掺杂层的衬底)。该处理的技术细节灵活多样，但属于本领域一般技术，故不赘述。本发明提供的半导体变压结构，通过在半导体变压结构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电输出，输入端与输出端直接采用半导体材料的隔离层(或衬底层)，依靠反偏PN结结构来实现电气隔离，大大扩展了隔离层(或材料层)的选择范围，具有易于获得、成本低廉、折射率匹配更优的优点。此外，由于本发明的半导体变压结构的隔离层可通过外延形成结晶结构，其上还可以进一步外延其它半导体结构，避免了剥离、键合(bonding)等复杂工序,进一步降低了生产成本，使大规模制造成为可能。本发明还提出一种芯片，该芯片包括至少一个上述任一种半导体变压结构，该半导体变压结构用于将外部电源的输入电压转变为芯片内的各个电路功能模块所需的特定工作电压。具体地，如图11所示，本发明的芯片除上述任一种半导体变压结构100外，还包括衬底200，一个或多个电源管脚300、片内电源分布网络400以及电路功能模块500。其中，电源管脚300与外部电源相连；片内电源分布网络400连接电源管脚300和至少一个半导体变压结构100的输入端，从而实现半导体变压结构100的输入端接入外部电源；半导体变压结构100的输出端则与需要供电的电路功能模块500相连，为其提供工作所需的电能。其中，电路功能模块500是指集成在同一芯片上的数字逻辑电路、模拟电路、RF电路、flash电路、MEMS器件等需要不同电压的模块。比如flash芯片上就需要多组不同的供电电压，电压值跨度可达I. 2V-20V，尤其是其写入编程电压，往往需要10-20V。在本发明一个实施例中，该芯片还包括至少一个控制模块600,控制模块600与至少一个半导体变压结构100相连，并对其进行控制。具体地，控制模块600可对半导体变压结构100的输入输出端的电流电压进行采样和控制，以实现电压调节、稳压、电源效率优化、电源节能关断等目标。在本发明一个实施例中，该芯片为全片集成。本发明还有其它一些变形的实施方案，例如利用三维芯片堆叠，互连或键合技术把实现电源直流变压的芯片和实现存储，运算和MEMS传感等功能的芯片集成在一起形成一个完整的系统，或者是通过系统级封装把实现直流变压的芯片和其他功能模块封装在一起形成Iv系统。根据本发明实施例的芯片由于其内部的半导体变压结构可以通过外延形成，故可以很方便地与其他部件进行集成，具有工艺成熟，成本较小，简化电源方案，可实现全片集 成的优点。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。
权利要求
1.一种半导体变压结构，其特征在于，包括 多个串联的半导体电光转换结构，所述半导体电光转换结构包括电光转换层，所述电光转换层用于将输入电能转换为光能；和 多个串联的半导体光电转换结构，所述半导体电光转换结构包括光电转换层，所述光电转换层用于将所述光能转换为输出电能， 其中，所述半导体光电转换结构的数目与所述半导体电光转换结构的数目成比例以实现变压，且所述光电转换层的吸收光谱与所述电光转换层的发射光谱之间频谱匹配， 其中，所述多个半导体电光转换结构、所述多个半导体光电转换结构之间通过反偏PN结结构进行隔离。
2.如权利要求I所述的半导体变压结构，其特征在于，还包括 隔离层，所述隔离层为半导体，且所述隔离层为第一掺杂类型， 其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，所述隔离层对所述电光转换层的发射光透明， 其中，所述隔离层与所述多个半导体电光转换结构之间以及所述隔离层与所述多个半导体光电转换结构之间具有第二掺杂类型的掺杂区，所述隔离层与所述掺杂区形成的PN结呈反偏状态。
3.如权利要求I所述的半导体变压结构，其特征在于，还包括 隔离层，所述隔离层为半导体，且所述隔离层为第一掺杂类型， 其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，所述隔离层所述电光转换层的发射光透明， 其中，所述半导体光电转换结构包括第一半导体掺杂层、所述电光转换层和第二半导体掺杂层，所述第二半导体掺杂层与所述隔离层接触，并且所述第一半导体掺杂层为第一掺杂类型，所述第二半导体掺杂层为第二掺杂类型，所述隔离层与所述第二半导体掺杂层形成的PN结呈反偏状态， 其中，所述半导体电光转换结构包括第三半导体掺杂层、所述光电转换层和第四半导体掺杂层，所述第四半导体掺杂层与所述隔离层接触，并且所述第三半导体掺杂层为第一掺杂类型，所述第四半导体掺杂层为第二掺杂类型，所述隔离层与所述第四掺杂层形成的PN结呈反偏状态。
4.如权利要求I所述的半导体变压结构，其特征在于，还包括 隔离层，所述隔离层为半导体， 其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，所述隔离层所述电光转换层的发射光透明， 其中，所述隔离层具有多个半导体掺杂层，并且所述多个半导体掺杂层中至少两组相邻的所述半导体掺杂层掺杂类型相反，以形成至少两组PN结，其中，所述PN结呈反偏状态。
5.如权利要求I所述的半导体变压结构，其特征在于，还包括 衬底层，所述衬底层为半导体，且所述衬底层为第一掺杂类型， 其中，所述多个半导体光电转换结构和多个半导体电光转换结构形成在所述衬底层的同一侧，所述衬底层对所述电光转换层的发射光透明，且所述衬底层底部具有反光结构，其中，所述衬底层与所述多个半导体电光转换结构之间以及所述衬底层与所述多个半导体光电转换结构之间具有第二掺杂类型的掺杂区，所述衬底层与所述掺杂区形成的PN结呈反偏状态。
6.如权利要求2-5中任一项所述的半导体变压结构，其特征在于，光线传播路径上的各层材料的折射系数匹配。
7.如权利要求6中任一项所述的半导体变压结构，其特征在于，还包括 光学陷阱，所述光学陷阱用于将光限制在所述半导体变压结构内部，以防止光泄露引起的能量损失。
8.如权利要求7所述的半导体变压结构，其特征在于，所述电光转换层的材料为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导体材料及其组合，有机发光材料或量子点发光材料。
9.如权利要求8所述的半导体变压结构，其特征在于，所述光电转换层的材料为AlGalnP、InGaAsΛ InGaN、AlGalnN，InGaAsP, GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP, AlGaAs,AlGaP, InAlP，AlGaAsSb, InGaAsNSb，其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合，有机光伏材料或量子点光伏材料。
10.如权利要求9所述的半导体变压结构，其特征在于，所述隔离层或衬底层的材料包括GaP，GaAs, InP, GaN, Si，Ge，GaSb以及其它对工作光线透明的半导体材料及其组合。
11.如权利要求ι- ο任一项所述的半导体变压结构，其特征在于，所述半导体变压结构通过双面外延或单面外延工艺实现。
12.一种芯片，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的半导体变压结构，所述半导体变压结构用于将外部电源的输入电压转变为所述芯片上其他部件所需的特定工作电压。
全文摘要
本发明提供一种半导体变压结构和具有其的芯片，其中半导体变压结构包括多个串联的半导体电光转换结构，半导体电光转换结构包括电光转换层，电光转换层用于将输入电能转换为光能；和多个串联的半导体光电转换结构，半导体电光转换结构包括光电转换层，光电转换层用于将光能转换为输出电能，其中，半导体光电转换结构的数目与半导体电光转换结构的数目成比例以实现变压，且光电转换层的吸收光谱与电光转换层的发射光谱之间频谱匹配，其中，多个半导体电光转换结构、多个半导体光电转换结构之间通过反偏PN结结构进行隔离。本发明具有材料易于获得、成本低廉、工艺成熟等优点。
文档编号H01L31/12GK102832288SQ201210326608
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月5日 优先权日2011年11月10日
发明者郭磊 申请人:郭磊