为水下航行器提供动力

将较粗的叉指结构间距缩小，可提高 GaInP 功率转换器的转换效率

日本千叶理工学院（Chiba Institute of Technology）的研究人员声称，他们为GaInP功率转换器的性能设定了一个新的基准。他们的最新器件在功率密度为17wcm^-2的638nm激光器的照明下提供了43%的功率转换效率。

这些 GaInP 器件是为自主水下航行器供电的光学无线传输系统中的光接收器的有希望的候选者。对于此应用，激光应在 400 nm 至 700 nm 范围内发射，因为这是海水中透射率高波段。该要求排除了 GaAs 电源转换器；虽然它们在 825 nm 至 850 nm 之间的效率超过 80%，但在 700 nm 或更短的波长下效率降至 30% 以下。

去年，该团队报告了他们的第一个采用分布式布拉格反射器 (DBR) 的 GaInP 功率转换器的结果。这种反射器的引入将功率转换效率提高到 43%，但仅适用于低于 3 W cm^-2 的辐射密度。

自主水下航行器需要更高的密度。该团队推断，对于功耗为 350 W 的车辆，假设光损耗为 40%，功率转换效率为 40%，则激光器的功率需要超过 1458 W。在这种情况下，如果转换单元的直径为 10 cm，则激光强度功率密度需要大于 11.1 W cm^-2。

为了开发在这种情况下能更好地工作的新一代器件，该团队研究了将 DBR 与更好的表面电极相结合的功率转换器，从而减少了横向扩散电阻。

工程师首先制造了四个 GaInP 功率转换器单元，所有尺寸均为 2.4 毫米 x 2.4 毫米（有关设计的详细信息，请参见上图）。该四单元包括带和不带 DBR 的器件，具有 12 µm 宽的 Ti/Pt/Au 指状电极，呈 485 µm 间距的检查图案；和一对变体，具有用于指状金属电极，不过几何布局是11 µm 宽度和 115 µm 间距。

对更宽间距单元的测量表明，对于大约 0.1 W cm^-2 的功率密度，引入 DBR 通过提高开路电压提高了转换效率。但在更高的功率密度下，由于与 DBR 相关的电阻和热阻增加，这些优势被焦耳热损失抵消了。

缩小间距可显著提高在高入射功率密度下的填充因子和效率。为了进一步降低横向扩展电阻，工程师将 AlGaInP 窗口层的厚度从 30 nm 增加到 125 nm，并将前表面场层从 100 nm 加宽到 300 nm。通过这些额外的改进，具有 115 µm 间距的器件产生了超过 43% 的效率，从 2.8 W cm^-2 到 17.1 W cm^-2。

尽管这些电极中的指状电阻率仅为 4-6 x 10^-8 Ωm，但假设长度为 1.0 mm，宽度为 11 µm，厚度为 475 nm，一根指电阻高达 9.6Ω。因此，对于照明区域中的 12 个平行指电极，总电阻为 0.8 Ω。为了减少这种阻力，该团队将指厚度增加到 900 nm。这导致在辐照密度分别为 1.1 W cm^-2 和 8.8 W cm^-2 下的转换效率分别为 46.0% 和约 45%。

团队发言人 Shiro Uchida 表示，更小的间距、使用更厚的电极并在电极堆栈中添加更多的银和金可能会带来更好的效果——这可能会降低电阻。

参考文献

'A 43.0% efficient GaInP photonic power converter with a distributed Bragg reflector under high-power 638 nm laser irradiation of 17 W cm-2' by Y. Komuro et al. Appl. Phys. Express 14 041004 (2021)