特許 6017106 多数の電圧デバイスの実現を有する多接合レーザ光検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6017106

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年10月26日

(54)【発明の名称】多数の電圧デバイスの実現を有する多接合レーザ光検出器

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20161013BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 A

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2007-531169(P2007-531169)

(86)(22)【出願日】2005年8月3日

(65)【公表番号】特表2008-512870(P2008-512870A)

(43)【公表日】2008年4月24日

(86)【国際出願番号】US2005027483

(87)【国際公開番号】WO2006031305

(87)【国際公開日】20060323

【審査請求日】2008年8月1日

【審判番号】不服2015-5217(P2015-5217/J1)

【審判請求日】2015年3月18日

(31)【優先権主張番号】10/937,807

(32)【優先日】2004年9月9日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】クラット，ドミトリ

(72)【発明者】

【氏名】サダーサナン，レンガラジャン

(72)【発明者】

【氏名】カラム，ナサー・エイチ

(72)【発明者】

【氏名】キング，リチャード・アール

【合議体】

【審判長】 川端 修

【審判官】 伊藤 昌哉

【審判官】 井口 猶二

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−２０４６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−６４４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−７８１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４１２７８６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０８４８４３３（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開平２−１７７３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第１１３４８１３（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開昭６３−２８３０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２３９０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01L31/04-31/06,31/10-31/111,51/42

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水平に集積された複数の区分を含むレーザパワー変換器であって、
各区分はそれぞれ、
単色照明を受け、第１の電流出力を生成するように構成された第１のサブセルと、
第１のサブセルが単色照明を受けた後で単色照明の一部を受け、第１の電流出力と実質的に等しい第２の電流出力を生成するように構成された第２のサブセルと、
第１のサブセルと第２のサブセルとの間に配置されたトンネル接合と、を含む、レーザパワー変換器であって、
前記水平に集積された複数の区分は、中央の円形区分である第１の部分及び、直列相互接続された多数のより小さい区分を含む周辺区分である第２の部分を含み、第２の部分は第１の部分に比べてより低い電流及びかつより高い電圧を生成する、レーザパワー変換器。

【請求項2】

第１のサブセルおよび第２のサブセルは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＳｂ、およびＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（ここでｘは約３モルパーセント〜約５モルパーセントである）からなる群から選択される材料で構成されている、請求項１に記載のレーザパワー変換器。

【請求項3】

第１のサブセルおよび第２のサブセルは実質的に等しいバンドギャップを有する、請求項１に記載のレーザパワー変換器。

【請求項4】

レーザパワー変換システムであって、
単色照明を提供するレーザ源と、
単色照明を、水平に集積された複数の区分を含むレーザパワー変換器に伝送するための手段とを含み、
前記レーザパワー変換器の各区分はそれぞれ、
伝送するための手段を介してレーザ源から単色照明を受け、第１の電流出力を生成するように構成された第１のサブセルと、
第１のサブセルが単色照明を受けた後で単色照明の一部を受け、第１の電流出力と実質的に等しい第２の電流出力を生成するように構成された第２のサブセルと、
第１のサブセルと第２のサブセルとの間に配置されたトンネル接合と、を含む、レーザパワー変換システムであって、
前記水平に集積された複数の区分は、中央の円形区分である第１の部分及び、直列相互接続された多数のより小さい区分を含む周辺区分である第２の部分を含み、第２の部分は第１の部分に比べてより低い電流で及びより高い電圧を生成する、
レーザパワー変換システム。

【請求項5】

水平に集積された複数の区分を含み、前記水平に集積された複数の区分は、中央の円形区分である第１の部分及び、直列相互接続された多数のより小さい区分を含む周辺区分である第２の部分を含み、前記水平に集積された複数区分のそれぞれが、第１のサブセルと第２のサブセルとトンネル接合とを含む、レーザパワー変換器によるレーザパワーを変換する方法であって、
第１のサブセルを通る伝送によって、単色光を第１の電流出力に変換するステップと、
第１のサブセルからの単色光の一部を、トンネル接合を通して伝送するステップと、
第２のサブセルを通る伝送によって、トンネル接合からの単色光を第２の電流出力に変換するステップとを含み、第２の電流出力は第１の電流出力と実質的に等しく、
前記第２の部分は第１の部分に比べてより低い電流及びかつ高い電圧を生成するように、異なる出力を生成するステップをさらに含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は一般にパワー変換装置に関し、より特定的にはレーザパワー変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

背景
レーザパワー変換装置は、レーザからの単色照明を電流および電圧出力に変換できる。レーザパワー変換器の用途は、高度の絶縁、電気ノイズ耐力、本質的安全、低い磁気特性、および／または小型でクリーンなパワー源を必要とする遠隔装置への動力供給を含んできた。遠隔パワー用途は、数例挙げると、医療、航空および火薬爆発の分野に見られる。そのような幅広い用途は、さまざまな電圧および電流出力要望に対処可能なレーザパワー変換器に対する要望をもたらしている。

【0003】

地上環境での用途、または宇宙空間といった非地上環境での用途にかかわりなく、レーザパワー変換システムの出力および／または効率の増加についても、引続き努力が注がれている。

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

結果として、効率および出力が増加し、さまざまな電圧および電流構成に適用できる柔軟で拡張可能な装置構造を有し、かつ材料コストおよび製造コストの点でコスト効率が高い、改良されたレーザパワー変換器に対する要望がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

概要
増加した出力を生成するために積み重ねられた多数の接合またはサブセルを用いたレーザパワー変換を提供する装置、システムおよび方法がここに開示される。柔軟で、効率的で、かつコスト効率の高いレーザパワー変換のために、垂直集積および水平集積の双方が開示される。たとえば、この発明の一実施例によれば、レーザパワー変換器は、単色照明を受け、第１の電流出力を生成する第１のサブセルと、第１のサブセルが単色照明を受けた後で単色照明の一部を受ける第２のサブセルとを含み、第２のサブセルは、第１の電流出力と実質的に等しい第２の電流出力を生成する。第１のサブセルと第２のサブセルとの間には、トンネル接合が配置されている。

【0006】

この発明の別の実施例によれば、多電圧実現を有するレーザパワー変換器が提供され、第１および第２のサブセルは、第１および第２のサブセルの第１の部分が、第１および第２のサブセルの第２の部分とは異なる電流および電圧出力を生成するような、水平に集積されたサブセルを含んでいる。

【0007】

この発明の別の実施例によれば、レーザパワー変換システムが提供され、単色照明を提供するレーザ源と、前述のようなレーザパワー変換器と、単色照明をレーザパワー変換器に伝送するための手段とを含んでいる。一例では、単色照明を伝送するための手段は、光ファイバである。

【0008】

この発明の別の実施例によれば、レーザパワーを変換する方法が提供され、第１のサブセルを通る伝送によって、単色光を第１の電流出力に変換するステップと、第１のサブセルからの単色光の一部を、トンネル接合を通して伝送するステップと、第２のサブセルを
通る伝送によって、トンネル接合からの単色光を第２の電流出力に変換するステップとを含んでおり、第２の電流出力は第１の電流出力と実質的に等しい。

【0009】

この発明の範囲は、この項に引用により援用されている請求項によって定義される。この発明の実施例のより完全な理解、およびその追加的利点の実現は、以下の１つ以上の実施例の詳細な説明を検討することによって当業者に与えられるであろう。後に簡単に説明される、添付された図面用紙を参照する。

【0010】

図面のうちの１つ以上に示されている同じ要素を識別するために同じ参照番号が使用されることが理解されるべきである。さらに、図面は必ずしも縮尺通りに描かれてはいない。この発明の実施例およびそれらの利点は、以下の詳細な説明を参照することによって最良に理解される。

【発明を実施するための最良の形態】

【0011】

詳細な説明
この発明は、レーザパワー変換器の各接合における吸収によって入来単色光を分割する、実質的に等しいバンドギャップを有する同様のまたは異なる材料の多接合形成を提供する。一般に、この発明のレーザパワー変換器は、入射レーザ光を受ける第１のまたは上部サブセル（全体を通して「接合」と交換可能に使用される）と、第１サブセルの下方にあり、レーザ光を次に受ける第２のサブセルと、第１のサブセルと第２のサブセルとの間のトンネル接合とを少なくとも含む。接合が２つまたは３つの設計が開示されているが、より多くの接合がこの発明の範囲内にある。そのような場合、トンネル接合は、複数のサブセルの各々同士の間に配置される。

【0012】

サブセルが多数あるデバイスでは、半導体材料は、多数のｐ−ｎ（またはｎ−ｐ）接合を形成するために格子整合されてもよい。ｐ−ｎ（またはｎ−ｐ）接合は、ホモ接合タイプまたはへテロ接合タイプのものであり得る。接合でレーザエネルギを受けると、接合に隣接する半導体材料の伝導帯および価電子帯に少数キャリア（すなわち電子および正孔）が生成される。それにより電圧が接合の両端に生成され、そこから電流を利用することができる。吸収されなかった（および変換されなかった）レーザエネルギは電圧および電流への変換のために次の接合へと通過するため、全体的な変換効率の向上および出力電圧の増加が得られる。

【0013】

図１は、この発明の一実施例に従ったレーザパワー変換システム１００を示す。システム１００は、一例ではＧａＡｓまたは同様のレーザダイオードからなるレーザ源である、単色照明の源１０２と、一例では光ファイバである、単色照明をレーザパワー変換器１０４に伝送するための伝送手段１０３とを含んでいる。次に、レーザパワー変換器１０４から電流および電圧１０６が出力される。

【0014】

図２は、この発明の一実施例に従った二接合レーザパワー変換器２０４を示す図である。レーザパワー変換器２０４は、核形成層およびバッファ（双方とも図示せず）の形成に続き、一例ではＧａＡｓまたはゲルマニウム（Ｇｅ）といった半絶縁材料で構成された基板２１０の上に形成された、光学的に厚い底部接合またはサブセル２２０を含んでいる。次に、薄く低吸収の相互接続トンネル接合２３０が、サブセル２２０の上に形成されている。通常、トンネル接続は、変換器に入射するレーザ光よりもバンドギャップエネルギが好ましくは高い、高ドープ半導体材料の１〜数百オングストロームの薄い層を含む。次に、微調整され、厚さが調節された第２の接合またはサブセル２４０がトンネル接合２３０の上に形成されて、二接合積層体を形成している。

【0015】

一例ではＧａＡｓおよび／またはアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ、こ
こでｘは約３モルパーセント〜約５モルパーセント）から選択された材料を用いたレーザパワー変換器２０４の二接合設計は、約８１０ｎｍ〜約８４０ｎｍの波長での単色照明の下で約２ボルトの出力を産出する。第１および第２の接合は同じ材料系であってもよいが、この発明は、接合の材料が異なり得ることを考えている。

【0016】

底部サブセル２２０は、上部サブセルを通って受けられた単色光の残りを完全に吸収するよう形成されており、一例では約５，４００Å〜約３０，０００Å、好ましくは約２０，０００Å〜約３０，０００Åの厚さを有する。

【0017】

多接合積層体では、サブセル間で電気的接続を行なう必要がある。好ましくは、これらの接点は、サブセル間の電力損失を非常に少なくするべきであり、ひいては最小の電気抵抗を有するべきである。トンネル接合は、低い抵抗率、少ない光エネルギ損失、および上部サブセルと底部サブセルとの結晶学的互換性を有するべきである。トンネル接合２３０は、レーザ光吸収を最小限に抑えるために、好ましくはバンドギャップがより大きい材料で形成される。ＧａＡｓデバイスの実現のための、トンネル接合用のバンドギャップがより大きい材料の一例として、インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）およびＡｌＧａＡｓが含まれるが、これらに限定されない。トンネル接合２３０は、あらゆる目的のためにここに引用により援用される米国特許第５，４０７，４９１号に示すような、太陽電池の技術分野において周知の設計に従って構築されてもよい。

【0018】

サブセル２４０の厚さは、直列接続された構成における最適な効率を得るために、底部サブセル２２０との電流整合条件を達成するよう調節される。上部サブセルの厚さの簡単な概算は、以下の式から得ることができる。

【0019】

目標厚さ＝ｌｎ（０．５）／波長での吸収係数
ＧａＡｓダイオードの吸収係数および基本デバイス特性といった利用可能な材料特性に基づいたモデル化計算が、図３に要約されている。このグラフは、モデル化計算に基づいた、図２の二接合レーザパワー変換器における上部サブセルの厚さの関数としての電流生成を図示している。実現のために選択された他の半導体材料に基づいたモデル化計算も、この発明の範囲内にある。

【0020】

このモデル化計算は、２つのサブセル間のトンネル接合における吸収損失を考慮に入れていなかった。サブセル間のトンネル接合および他の層における光学的損失に対処するには、上部サブセル２４０が全電流のうち約４４％〜約４８％を生成するよう、上部サブセル２４０の厚さを調節する必要がある。したがって、上部サブセル２４０の厚さは、この実施例では、約５，４０００Å〜約５，６００Å、好ましくは約５，０００Åに保たれるよう計算される。しかしながら、上部セルの厚さは、レーザの選択および半導体材料の選択に依存して変わってもよい。

【0021】

図には示されてはいないものの、各サブセル２２０および２４０は、たとえばあらゆる目的のためにここに引用により援用されている米国特許第５，８００、６３０号に示すような太陽電池に使用されているものと同様のベースおよびエミッタを含んでいる。各サブセル２２０および２４０は、太陽電池の技術分野で同様に公知であり、たとえばあらゆる目的のためにここに引用により援用されている米国特許第５，４０７，４９１号に示すような窓層および／または裏面電界層を、任意で含んでいてもよい。サブセルについての記載された厚さおよび組成は、各サブセルにおける主吸収層に言及しており、言い換えれば、ホモ接合サブセルについてはベースおよびエミッタ層に、または、へテロ接合エミッタサブセルについてはベースのみに言及している。

【0022】

サブセル２２０および２４０のバンドギャップは実質的に等しく、一例では約１．３９
ｅＶ〜約１．４５ｅＶである。一実施例では、双方のサブセルの格子定数も実質的に同じである。これにより、デバイスの効率を著しく低下させ得る結晶構造における欠陥の形成が回避される。「格子整合された」という用語をここで使用する場合、それは、材料間の格子定数の差が０．３％以下であることを表している。

【0023】

この発明のレーザパワー変換器を形成する異なる半導体層（たとえば基板２１０、底部サブセル２２０、トンネル接合２３０、および上部サブセル２４０）は、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、液相エピタキシ（ＬＰＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、有機金属分子線エピタキシ（ＭＯＭＢＥ）、およびガスソース分子線エピタキシ（ＧＳＭＢＥ）といった、当該技術分野において周知のさまざまな手法によって形成されてもよい。そのような方法に従い、半導体層を構成する特定の材料は、特定の状況の要件を満たすよう変更および最適化されてもよい。

【0024】

レーザパワー変換器２０４は、変換器２０４の微細構成の上に配置された反射防止（ＡＲ）層またはコーティング（図示せず）を通過する入射光を受けることができる。反射防止層は、変換器上方の光学的に透明の媒体（たとえば空気、ガラス、またはポリマー）と変換器２０４の半導体層との間の表面反射を最低限に抑えるよう意図されており、それにより、より多くの光子が変換器に入ることができるようにする。反射防止コーティングは単一層または多数の層からなることができ、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、およびＭｇＦ₂といった周知の材料から作製可能である。反射防止コーティング層の厚さは変更可能であり、一例では約５００オングストローム〜約１２００オングストロームである。

【0025】

図４は、この発明の別の実施例に従った三接合レーザパワー変換器４０４を示す図である。レーザパワー変換器４０４の層は、図２および図３に関して上述した二接合レーザパワー変換器２０４と同様である。しかしながら、レーザパワー変換器４０４は三つの接合またはサブセル４２０、４４０および４６０を含んでおり、トンネル接合４３０および４５０が、サブセル４２０と４４０との間、およびサブセル４４０と４６０との間にそれぞれ配置されている。サブセルおよびトンネル接合の積層体は、基板４１０の上に形成されている。

【0026】

上述のレーザパワー変換器２０４と同様に、基板４１０、サブセル４２０、４４０および４６０、ならびにトンネル接合４３０および４５０はすべて、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、液相エピタキシ（ＬＰＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、有機金属分子線エピタキシ（ＭＯＭＢＥ）、およびガスソース分子線エピタキシ（ＧＳＭＢＥ）といった、当該技術分野において周知のさまざまな手法によって堆積されてもよい。

【0027】

一例では、ＧａＡｓおよび／またはＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（ここでｘは０モルパーセント〜約５モルパーセント）材料をここでも接合に使用して、約８１０ｎｍ〜約８４０ｎｍの範囲の単色照明の下で約３ボルトの出力を産出してもよい。ここでもＧｅが基板４１０に使用可能である。

【0028】

サブセル４２０、４４０および４６０の厚さも、互いとの電流整合条件を達成するよう調節される。したがって、この実施例では、サブセル４６０の厚さは約１，０００Å〜約３，０００Åに保たれる。サブセル４４０も、この実施例では、約１，０００Å〜約３，０００Åに保たれる。サブセル４２０は、この実施例では、単色照明の残りを完全に吸収するよう形成され、約３０，０００Åよりも大きい厚さを有するよう形成される。

【0029】

レーザ光吸収を最小限に抑えるために、ここでもバンドギャップがより大きい材料のトンネル接合が好ましくは使用される。ＧａＡｓデバイスの実現のための、トンネル接合用
のバンドギャップがより大きい材料の一例として、インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）およびＡｌＧａＡｓが含まれるが、これらに限定されない。

【0030】

上述の実施例ではある特定の材料、波長、および層厚が説明されたが、この発明はそう限定されない。設計および用途仕様に基づいて、他の材料、波長、および層厚が利用されてもよい。以下の表１は、接合、基板、およびレーザ照明に利用され得る他の材料および波長を列挙している。

【0031】

【表1】

【0032】

見てわかるように、サブセルに利用される好ましい半導体は、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ族複合材料を含む。ガリウムインジウム砒素リン（ＧａＩｎＡｓＰ）、アルミニウムインジウムガリウムリン（ＡｌＩｎＧａＰ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、アルミニウムインジウムガリウム砒素（ＡｌＩｎＧａＡｓ）、およびガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）といった他の吸収接合材料が使用されてもよい。有利には、バンドギャップがより大きい半導体で形成された接合を利用することは、たとえば上部接合において８１０−８４０ｎｍの波長範囲で、吸収係数を低下させつつ電力出力を増加させることを可能にする。より少ない吸収によって、より厚い上部接合の成長が可能になり、このため、たとえば層のＭＯＶＰＥ成長を実行する際、製造パラメータが緩和される。

【0033】

Ｇｅは、基板２１０に有利に使用可能である。Ｇｅは、ＧａＡｓよりもコストが低く、より頑強であり、処理が容易である。ＧｅはＧａＡｓよりも熱転写特性が優れており、通常、同等の面積のＧａＡｓ基板よりも薄いため、より良好なデバイス冷却が期待される。

【0034】

基板の格子定数に整合していない変成材料も、この発明の別の実施例に従って、さらに幅広い範囲の可能なレーザ波長に対処するために使用されてもよい。一例では、ＧａＡｓまたはＧｅ基板上に構築された変成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓデバイス（ここでＩｎの組成は約１５モルパーセント〜約２３モルパーセントの範囲内にある）によって、９８０ｎｍのレーザ波長が対処されてもよい。

【0035】

さらに、多数のフォトリソグラフィステップおよびメタライゼーションステップを用いて構造を処理し、同一平面に（通常放射形状の）多数の区分を有するモノリシックデバイスを製造する水平集積も可能である。このため、この発明の多接合の性質により、単一接合法を用いて可能なものよりも水平区分または区画が少ない、より高電圧のデバイスの形成が可能になる。したがって、垂直集積および水平集積の双方により、デバイス作製プロセスの簡略化が可能になり、活性の平面区画の電気的絶縁を行なう最中の垂直エッチングに関連する活性領域の損失を伴わずに、より活性の領域を維持することができる。

【0036】

図５は、この発明の別の実施例に従った、水平に集積された区分または区画を有する多接合レーザパワー変換器を示す図である。より高い電圧構成および他の可能な電圧構成を達成するために、レーザパワー変換器の個々の区分を、水平レベルにおいて電気的に絶縁し、それから相互接続することが可能である。たとえば、６つの二接合ＧａＡｓデバイスは約１２ボルトを生成し、一方、直列に相互接続された薄いＧａＩｎＰＡｓ／厚いＧａＩｎＰＡｓのサブセルは、約１３ボルト〜約１４ボルトを生成する。半絶縁基板上への水平集積に三接合構成が使用される場合、たとえばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、およびＧａＩｎＰＡｓ接合で作られた、直列に接続された４つの三接合デバイスを用いて、１２−１４ボルトのデバイスが構築可能である。

【0037】

したがって、図５は、水平に集積された６つの区分５１０、５２０、５３０、５４０、５５０および５６０を有するレーザパワー変換器５０４を示している。レーザパワー変換器５０４が２つの接合を含む場合、それは約１２ボルト〜約１４ボルトを出力するかもしれない。レーザパワー変換器５０４が３つの接合を含む場合、それは約１８ボルト〜約２０ボルトを出力するかもしれない。

【0038】

図６および図７は、多数の電圧および電流を提供可能な、水平に集積された区分を有する多接合レーザパワー変換器の異なる実施例を示している。分割された電圧および／または不平衡電流の要件に対処するために、正および負双方のより高い電圧の区分、およびより低い電圧／より高い電流の区分が可能である。

【0039】

ここで図６を参照すると、レーザパワー変換器６０４の内側区分６１０は入射光の大部分を受け、電極６３０および６３０′によって示されるように、約２ボルトが、レーザパワー変換器６０４の二接合実現において生成されるかもしれない。外輪として集積されている外側区分６２０は、より少ない入射光を受け、このためより少ない電流を生成する。しかしながら、外側区分６２０は、より高い電圧、およびバイポーラ実現さえも作り出すために、より小さくモノリシックに集積された区分へと再分割されてもよい。たとえば、内側区分が低電圧（たとえば約２ボルト）および高電流出力（たとえば１５０ｍＡ）を生成する一方で、外側区分６２０は、高電圧および低電流出力を生成するよう構成されてもよい。外側区分はまた、バイポーラ電圧源として、または、さらにより高い電圧を有する単一極性のデバイスとして構成されてもよい。図６を見てわかるように、外側区分６２０は８つの区分６２０ａ−６２０ｈへと構成されてバイポーラ電圧源を形成しており、これにより、電極６４０、６４０′および６５０、６５０′によってそれぞれ示すように、１ｍＡで＋８ボルト、および１ｍＡで−８ボルトを生成する。

【0040】

ここで図７に示す多電圧の実施例を参照すると、レーザパワー変換器７０４は、図６に示すレーザパワー変換器６０４と同様である。活性区域のの内側区分７１０は入射光の大部分を受け、電極７３０および７３０′によって示されるように、約２ボルトが、レーザパワー変換器７０４の二接合実現において生成されるかもしれない。外側区分７２０も外輪として集積され、より少ない入射光を受け、このためより少ない電流を生成する。外側区分７２０は、より高い電圧、およびバイポーラ実現さえも作り出すために、より小さくモノリシックに集積された区分へと再分割されてもよい。たとえば、外側区分７２０は、４つの区分およびバイポーラ電圧源へと構成されており、これにより、電極７４０、７４０′および７５０、７５０′によってそれぞれ示すように、１ｍＡで＋４ボルト、および１ｍＡで−４ボルトを生成する。一例では、ファイバ７６０から放射された光のガウス形円錐が図７に、垂直線（すなわち光ファイバ）に接続された点線によって示されている。

【0041】

レーザパワー変換器の多電圧実現の形成は、半導体業界で採用されている標準的なフォトリソグラフィ手法を用いて行なわれる。１つの可能な実現順序は、化学的エッチングス
テップによる形成を介した絶縁を含んでいてもよい。そのようなプロセスは、中央の円形区分（たとえば内側区分６１０および７１０）を、周辺のより小さな区分（たとえば外側区分６２０および７２０）とともに規定してもよい。第２のステップは、表面上への金属の形成を伴い得る。材料の選択に依存して、このステップは、Ｎ型接点およびＰ型接点を堆積させる１つ以上のステップを含んでいてもよい。ＡＲコーティングステップが次に続いてもよい。

【0042】

図８は、この発明の別の実施例に従った、上部サブセル用のヘテロ接合エミッタを含む二接合レーザパワー変換器を示す図である。図２および図３に関して上に開示した実施例と同様に、二接合レーザパワー変換器８０４は、基板８１０と、ＧａＡｓベース層８２０およびＧａＡｓエミッタ層８３０を含む底部接合とを含んでいる。エミッタ層８３０の上にトンネル接合８４０が形成されている。

【0043】

しかしながら、この実施例では、上部接合のＧａＡｓエミッタが、バンドギャップがより大きい材料、たとえばＧａＡｓベース８５０の上のＩｎＧａＰエミッタ８６０と置き換えられている。バンドギャップが大きいヘテロ接合エミッタはレーザ光に対して光学的に透明であり、このため、エミッタ８６０は、バンドギャップがより小さい材料を用いる場合よりも厚く作製されてもよく、それにより、シート抵抗率が低下し、面積抵抗損失の低減およびグリッド線の曖昧さの低減によってデバイス性能が向上する。別の利点は、上部接合のベースを他の場合よりも厚く成長させることができることであり、それにより、電子特性および製造考慮事項が改良される。同様のヘテロ接合エミッタは三接合構成において実現可能であり、特に上部二接合について利点をもたらす。

【0044】

上述の実施例はこの発明を説明しているものの、この発明を制限してはいない。この発明は宇宙船の状況において特に有用であり得るが、センサおよび他の光電子デバイスといった他の用途および状況がこの発明の範囲内にあると考えられる。また、この発明の原理に従って多くの修正および変更が可能であることが理解されるべきである。したがって、この発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ規定される。
また、本願は以下に記載する態様を含む
（態様１）
レーザパワー変換器であって、
単色照明を受け、第１の電流出力を生成する第１のサブセルと、
第１のサブセルが単色照明を受けた後で単色照明の一部を受ける第２のサブセルとを含み、第２のサブセルは、第１の電流出力と実質的に等しい第２の電流出力を生成し、前記レーザパワー変換器はさらに、
第１のサブセルと第２のサブセルとの間に配置されたトンネル接合を含む、レーザパワー変換器。
（態様２）
第１のサブセルはベースとエミッタとを含む、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様３）
ベースはＧａＡｓで構成され、エミッタはＩｎＧａＰで構成されている、態様２に記載のレーザパワー変換器。
（態様４）
第１のサブセルは、第１のサブセルおよび第２のサブセルによって生成された全電流の約４４％〜約４９％を生成する、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様５）
第１のサブセルは約５，０００Å〜約６，０００Åの厚さを有し、第２のサブセルは約６，０００Å〜約３０，０００Åの厚さを有する、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様６）
第１のサブセルおよび第２のサブセルは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＳｂ、およびＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（ここでｘは約３モルパーセント〜約５モルパーセントである）からなる群から選択される材料で構成されている、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様７）
第２のサブセルはベースとエミッタとを含む、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様８）
第１のサブセルおよび第２のサブセルは実質的に等しいバンドギャップを有する、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様９）
第１のサブセルおよび第２のサブセルは異なる材料で構成されている、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１０）
第１のサブセルおよび第２のサブセルは同じ材料で構成されている、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１１）
単色照明はレーザによって提供される、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１２）
単色照明は、約８１０ｎｍ〜約８４０ｎｍ、および約６３０ｎｍ〜約６７０ｎｍからなる群から選択される波長範囲で提供される、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１３）
単色照明は、約９８０ｎｍ、約１３１０ｎｍ、および約１５５０ｎｍからなる群から選択される波長で提供される、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１４）
単色照明は、光ファイバおよび大気からなる群から選択される伝送手段を介して提供される、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１５）
トンネル接合は約１００Å〜約１，０００Åの厚さを有する、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１６）
トンネル接合は、ＩｎＧａＰおよびＡｌＧａＡｓからなる群から選択される材料で構成されている、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１７）
半絶縁基板をさらに含み、第２のサブセルは基板とトンネル接合との間に位置している、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様１８）
半絶縁基板は、ＧａＡｓ、Ｇｅ、およびＩｎＰからなる群から選択される材料で構成されている、態様１７に記載のレーザパワー変換器。
（態様１９）
第２のサブセルに隣接する第３のサブセルと、第２のサブセルと第３のサブセルとの間に配置された第２のトンネル接合とをさらに含む、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様２０）
第１のサブセルは約１，０００Å〜約３，０００Åの厚さを有し、第２のサブセルは約１，０００Å〜約３、０００Åの厚さを有し、第３のサブセルは３０，０００Åよりも大きい厚さを有する、態様１９に記載のレーザパワー変換器。
（態様２１）
第１、第２、および第３のサブセルは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＳｂ、およびＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（ここでｘは約０モルパーセント〜約５モルパーセントである）からなる群から選択される材料で構成されている、態様２０に記載のレーザパワー変換器。
（態様２２）
第２のサブセルに隣接する複数のサブセルと、複数のサブセル間に配置された複数のトンネル接合とをさらに含む、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様２３）
第１および第２のサブセルの水平に集積された複数のサブセルをさらに含み、水平に集積された複数のサブセルは電気的に直列に連結されている、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様２４）
第１のサブセルは第１の部分と第２の部分とを含み、第１の部分は第２の部分とは異なる電流出力を生成する、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様２５）
第１のサブセルは第１の部分と第２の部分とを含み、第１の部分は第２の部分とは異なる電圧出力を生成する、態様１に記載のレーザパワー変換器。
（態様２６）
多電圧実現を有するレーザパワー変換器であって、
単色照明を受け、第１の電流出力を生成する第１のサブセルと、
第１のサブセルが単色照明を受けた後で単色照明の一部を受ける第２のサブセルとを含み、第２のサブセルは、第１の電流出力と実質的に等しい第２の電流出力を生成し、前記レーザパワー変換器はさらに、
第１のサブセルと第２のサブセルとの間に配置されたトンネル接合を含み、
第１および第２のサブセルは、第１および第２のサブセルの第１の部分が、第１および第２のサブセルの第２の部分とは異なる電流および電圧出力を生成するような、水平に集積されたサブセルを含む、レーザパワー変換器。
（態様２７）
第１の部分は、第２の部分に比べてより低い電流およびより高い電圧出力を生成する、態様２６に記載のレーザパワー変換器。
（態様２８）
第１の部分は中央の円形区分であり、第２の部分は、直列相互接続された多数のより小さい区分を含む周辺区分であり、第１の部分は第２の部分に比べてより高い電流を生成し、第２の部分は第１の部分に比べてより低い電流でより高い電圧を生成する、態様２６に記載のレーザパワー変換器。
（態様２９）
レーザパワー変換システムであって、
単色照明を提供するレーザ源と、
単色照明をレーザパワー変換器に伝送するための手段とを含み、前記レーザパワー変換器は、
伝送するための手段を介してレーザ源から単色照明を受け、第１の電流出力を生成する第１のサブセルと、
第１のサブセルが単色照明を受けた後で単色照明の一部を受ける第２のサブセルとを含み、第２のサブセルは、第１の電流出力と実質的に等しい第２の電流出力を生成し、前記レーザパワー変換器はさらに、
第１のサブセルと第２のサブセルとの間に配置されたトンネル接合を含む、レーザパワー変換システム。
（態様３０）
伝送するための手段は、光ファイバおよび大気からなる群から選択される、態様２９に記載のシステム。
（態様３１）
レーザパワーを変換する方法であって、
第１のサブセルを通る伝送によって、単色光を第１の電流出力に変換するステップと、
第１のサブセルからの単色光の一部を、トンネル接合を通して伝送するステップと、
第２のサブセルを通る伝送によって、トンネル接合からの単色光を第２の電流出力に変換するステップとを含み、第２の電流出力は第１の電流出力と実質的に等しい、方法。
（態様３２）
第１のサブセルの第１の部分が、第１のサブセルの第２の部分とは異なる電流および電圧出力を生成するよう、第１のサブセルの水平に集積されたサブセルを提供するステップをさらに含む、態様３１に記載の方法。
（態様３３）
第１の部分は、第２の部分に比べてより低い電流およびより高い電圧出力を生成する、態様３２に記載の方法。
（態様３４）
第１および第２のサブセルの水平に集積された複数のサブセルを提供するステップをさらに含み、水平に集積された複数のサブセルは電気的に直列に連結されている、態様３１に記載の方法。
（態様３５）
レーザパワー変換器であって、
高電流を生成する中央の集光および電気変換領域と、
中央の集光および電気変換領域の周辺に沿った複数の区分とを含み、複数の区分は直列に相互接続されており、前記レーザパワー変換器はさらに、
中央の集光および電気変換領域、ならびに周辺に沿った複数の区分への独立した接点を含む、レーザパワー変換器。
（態様３６）
中央の集光および電気変換領域、ならびに複数の区分は各々、トンネル接合を間に挟んだ少なくとも２つのサブセルで形成されている、態様３５に記載のレーザパワー変換器。

【図面の簡単な説明】

【0045】

【図1】この発明の一実施例に従ったレーザパワー変換システムを示す図である。

【図2】この発明の一実施例に従った二接合レーザパワー変換器を示す図である。

【図3】二接合レーザパワー変換器における、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）の上部サブセルの厚さの関数としての電流生成を示すグラフである。

【図4】この発明の別の実施例に従った三接合レーザパワー変換器を示す図である。

【図5】この発明の別の実施例に従った、水平に集積された区分を有する多接合レーザパワー変換器を示す図である。

【図6】この発明の別の実施例に従った、多数のボルトおよび電流を提供可能な、水平に集積された区分を有する多接合レーザパワー変換器を示す図である。

【図7】この発明の別の実施例に従った、多数のボルトおよび電流を提供可能な、水平に集積された区分を有する多接合レーザパワー変換器を示す図である。

【図8】この発明の別の実施例に従った、上部サブセル用のヘテロ接合エミッタを含む二接合レーザパワー変換器を示す図である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】