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4英寸低位错锗单晶生长技术

【技术开发单位】北京有色金属研究总院

【技术简介】近年来,我国航天事业快速发展,逐步成为航空航天大国,各种航天器都需要高性能的空间电源系统,但由于国外垄断了4英寸低位错锗单晶的市场,产品价格十分昂贵。由于低位错单晶生长和加工属于高新技术,而且产品应用在敏感的空间能源领域,国外控制着我国相关部门的使用数量和质量,而且供货时间也不能按照我们的要求进行提供,需求严重受制于人,对我国空间用GaAs/Ge太阳电池的研制和批量生产产生极大的影响。

低位错锗单晶研制水平落后已经影响到我国高性能空间电源系统的研制和发展,继而影响航天事业的快速发展,需要尽快研制成功满足GaAs/Ge太阳电池用的4英寸低位错锗单晶,提升锗单晶研制水平,逐步取代进口,实现空间GaAs/Ge太阳电池材料国产化,满足国家多种航天工程的需要。

北京有色金属研究总院(以下简称有研总院)采用直拉法生长锗单晶,开展了小温度梯度热场、单晶生长工艺(包括缩颈对单晶位错的影响、固液界面形状对单晶位错密度的影响、收尾情况对位错密度的影响、降温过程对晶体位错密度的影响的研究)、单晶电阻率均匀性控制技术、单晶退火工艺(包括退火对单晶导电型号和电阻率影响、退火对单晶位错密度的影响、退火对单晶机械性能影响)等研究工作,突破了小温度梯度热场的设计、低位错单晶生长技术、单晶残余应力测量技术等三项关键技术,获得满足技术指标要求的4英寸锗单晶。

利用有研总院提供的单晶产品制备成GaAs/Ge太阳能电池,电池的技术指标和采用进口锗片制备的电池相当。目前,采用有研总院低位错锗单晶制备的部分太阳电池产品已经应用在空间电源系统上。

技术特点】4英寸低位错单晶研制技术难度大,有研总院率先开展了研制工作,并且给国内用户提供了产品,基本垄断国内4英寸低位错单晶市场,技术水平处于国内领先水平。国外主要是比利时Umicore公司和美国AXT公司开展研制生产工作。从对比表中可以看出,有研总院达到的技术水平和国际先进水平虽存在一定差距,但打破了国外的垄断,有力支持了国内相关单位空间GaAs/Ge太阳电池的研制工作,推动了空间电源关键材料国产化进程。

产品主要性能比较表

指标名称

北京有色院

Umicore公司

美国AXT公司

直径(mm)

105

100200

100

长度(mm

100120

300

120

单晶晶向

100

100

100

导电型号

N

N

N

电阻率(Ωcm)

0.030.3

0.0250

0.020.04

 

【技术指标】

(1)单晶直径>103mm

(2)长度≥100mm

(3)晶向〈100〉

(4)导电型号:N型

(5)电阻率:<0.4Ωcm

(6)电阻率不均匀性:<15%

(7)少子寿命:≥60μs

(8)位错密度:<3000/cm2

【技术水平】国内领先

【可应用领域和范围】空间高效GaAs基太阳电池

【专利状态】已取得专利1项

【技术状态】批量生产阶段

【合作方式】技术服务、产品销售

【投入需求】2000万元


    【转化周期】1年

【预期效益】GaAs/Ge太阳电池是新一代空间太阳电池,它具有转化效率高、耐辐照性能好等优点,成为主要的空间电池。为实现空间GaAs/Ge太阳能电池关键材料国产化及行业技术进步,有研总院突破了多项技术关键,成功开发出拥有自主知识产权的4英寸低位错单晶生长技术,形成了批量生产能力,打破国外的垄断,有力支持了我国空间GaAs/Ge太阳能电池的研制和生产,促进高性能空间电源系统的研制和发展,为我国航天事业的快速发展起到积极的推动作用。

我国是产锗大国,锗产量占世界总产量的50%以上,但目前绝大部分锗都是以原料状态出口到国外,国外加工成锗单晶或抛光片,赚取产业链上的巨大利润。4英寸低位错的研制成功,大幅度提高我国锗单晶研制水平,拓展锗材料的应用领域,提高锗单晶应用水平,推动锗产业链的升级并形成高技术产业,为产业结构优化起到重大作用。

随着传统能源的存量日趋减少,新能源技术开发越来越紧迫,目前全世界都在积极研制和开发的与新能源相关的技术和材料,以锗片为衬底的太阳电池可以制备多种结构,如单结GaAs/Ge太阳电池、多结GaInPGaAs/Ge太阳电池、聚光型太阳电池以及全光谱太阳电池等,转换效率最高达到42%,除了应用在空间电源系统外,也可以应用在地面系统,预期可取得良好经济效益。

    【联系方式】冯德伸  010-82241150/13910327620