空间GaAs太阳能电池用Ge单晶的位错形态及硬度研究

论文摘要

GaAs太阳能电池因其光电转换率高,抗空间辐射性能好,温度特性好,寿命长等优点而越来越多的被各国运用到空间供电电源中。低位错Ge单晶作为单结GaAs/Ge太阳能电池和GaAs/Ge基多结太阳能电池的关键组成材料,其质量的高低直接关系到空间太阳能电池性能的好坏。随着近年来GaAs太阳能电池在空间航天器上的广泛应用,以及近来人们对其在民用上探索研究的不断增加,为进一步提高太阳能电池的转化效率,对衬底Ge片的质量提出更高要求。本论文通过对直拉法(CZ)生长的低位错Ge单晶中的位错形态及相关机械特性进行了详细研究,最终得到了4尺寸低位错Ge单晶,满足了空间高效GaAs太阳能电池对衬底Ge片的要求。具体内容包括以下几个方面：1.通过改善热场条件和改进拉晶工艺参数,采用CZ法成功生长出4英寸低位错(位错密度(EPD)<3000/cm2) Ge单晶,满足了空间高效GaAs太阳能电池对衬底Ge片的要求；2.Ge单晶中易出现三种位错形态,分别为位错排、小角晶界、花形结构。通过Raman、SEM、XREDS等测试方法分析发现夹杂是产生花形结构的主要原因,碳夹杂来源于炉体系统,单晶中少量的氧来源于未完全还原的氧化锗或生长气氛中混入的水蒸气。采取有效措施严格控制炉体系统环境,避免碳对单晶的污染,可以有效消除单晶中出现的花形结构位错形态,降低Ge单晶的位错密度,提高单晶的质量；3.对多炉实验制备出的Ge单晶的纵向位错分布进行统计分析得出,在放肩初始位置(φ8mm)出现的位错大量增殖现象,是由于单晶生长结束后重力因素所致,但是这种位错在单晶整个生长过程中不会发生延伸；4.首次采用维氏显微硬度法对Ge超薄抛光片进行测试,测试结果表明硬度是存在各向异性的,在相同载荷下, (111)面的硬度要高于(100)面的硬度；相同工艺条件下拉制的低位错Ge单晶(EPD<3000/cm2)的硬度要高于相同规格红外Ge单晶(EPD>10000/cm2)的硬度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 Ge的性质
• 1.2.1 Ge的物理性质
• 1.2.2 Ge的电学性质
• 1.2.3 Ge的机械性质
• 1.2.4 Ge的光学性质
• 1.3 Ge单晶的应用
• 1.4 Ge单晶的生长方法简介
• 1.4.1 CZ法
• 1.4.2 VGF法
• 1.5 国内外Ge的研究现状
• 1.5.1 国外Ge的研究现状
• 1.5.2 国内Ge的研究现状
• 1.6 论文的研究内容和研究意义
• 1.6.1 论文的研究内容
• 1.6.2 论文的研究意义
• 2. 低位错Ge单晶的制备
• 2.1 实验设备及工艺参数介绍
• 2.2 Ge单晶的制备工艺
• 2.2.1 装炉
• 2.2.2 引晶
• 2.2.3 缩颈
• 2.2.4 放肩
• 2.2.5 等径
• 2.2.6 收尾
• 2.3 降低位错密度的工艺方法
• 2.3.1 设计合理的热场
• 2.3.2 缩颈工艺排除籽晶中位错的延伸
• 2.3.3 控制合适的固液界面形状
• 2.4 小结
• 3. Ge单晶中位错形态的研究
• 3.1 单晶中存在的缺陷类型
• 3.1.1 空位团
• 3.1.2 位错
• 3.1.3 夹杂
• 3.1.4 空洞
• 3.1.5 杂质析出
• 3.1.6 孪晶
• 3.1.7 PN结
• 3.2 低位错Ge单晶生长中常见位错形态
• 3.3 花形结构位错形态的研究
• 3.3.1 实验
• 3.3.2 分析与讨论
• 3.4 Ge单晶纵向位错分布研究
• 3.4.1 单晶头部位错分布
• 3.4.2 单晶尾部位错分布
• 3.4.3 单晶重量对位错产生的影响
• 3.5 小结
• 4. Ge单晶硬度特性的研究
• 4.1 维氏硬度测试方法
• 4.2 实验
• 4.3 结果及讨论
• 4.3.1 晶向对硬度特性的影响
• 4.3.2 位错对硬度特性的影响
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢