GaN基半导体技术的空间应用研究与展望①

0 引言

通过空间太阳能电站可大规模的稳定利用太阳能，未来空间太阳能电站会成为实现可再生能源战略储备的一种重要手段。空间太阳能电站(Space Solar Power Station，SSPS)是在空间将太阳能收集、转换为电能，并通过无线能量传输装置传回地面，再经由地面装置转换为地面电力的系统，可为人类提供丰富、可靠的清洁能源。从SSPS概念提出至今，以美国、日本、欧洲和中国为代表的国家和地区广泛开展了相关研究工作，多数设计方案对太阳能收集系统的构形进行了创新性设计。典型设计方案有：1979基准系统(Reference model)、太阳塔方案(sun tower)、帆/塔方案(Sail-Tower)、集成对称聚光(ISC)、分布绳系(Tethered)和任意相控阵空间太阳能电站(SPS-ALPHA)方案和球形薄膜能量收集阵(OMEGA)等[1-8]。现有的多数SSPS太阳能收集系统方案不同程度存在太阳光收集效率低、收集功率波动大、系统质量大、控制系统复杂、系统可靠性低等不足，且因技术成熟度低和加工制造问题，导致技术上难以实现，成本上难以负担，而新材料、新技术、新结构、新理论和新方法的发展和应用，将对太阳能收集系统及SSPS系统的实现提供推动作用。

SSPS太阳能收集系统具有大功率、轻质量和高可靠性的要求。为了适应新的任务要求，亟需研发高效率、良好环境适应性、高功率质量比和长寿命的新型的光电转换材料，还需针对新的太阳能收集系统构形，发展兼具分布式与集中式优点的空间能量管理和传输技术，加快如超导材料，大功率半导体器件等相关材料和器件的研究工作，以期在该能量传输环节中实现90%以上的效率目标[9]。新型半导体材料和器件的创新，会带来新的发展机遇，对现阶段遇到的问题提供一种全新的思路。新型半导体材料中以GaN为代表的第三代半导体材料创新和发展，为空间太阳能电站的实现提出了一种全新的方案，其具有宽带隙、高热导率、大电子漂移速度、耐辐照、耐高电压、抗腐蚀、耐高温等突出优点，特别适合制作高频、耐高温、耐高电压、高效率的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)具有输出功率密度大、耐辐照、耐高温等特点，能满足空间太阳能电站中对微波功率器件大功率、高频率、小体积和恶劣条件(高温度)下工作的要求。另外，InGaN合金禁带宽度在0.7～3.4 eV范围内连续可调，基本覆盖太阳光光谱，而且相比多结叠层电池外延工艺相对简单，其发展前景广阔，由此衍生的InGaN全光谱太阳能电池，也成为发展太阳能电站的备选新材料和新技术[10-11]。

1 宽禁带半导体技术应用和发展状况

半导体材料研制可分为三个阶段：以Si、Ge为代表的第一代半导体材料，奠定了20世纪电子工业的基础；以GaAs和InP为代表的第二代半导体材料，奠定了20世纪光电子产业的基础，形成了规模化的信息光电产业群。半导体能带结构中，导带最低点与价带最高点之间的能量间隙称为禁带宽度(单位为eV)。根据禁带宽度的不同，将半导体材料分为窄禁带半导体与宽禁带半导体材料。若禁带宽度Eg<2 eV，则称为窄禁带半导体，如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)；若禁带宽度Eg>2 eV，则称为宽禁带半导体，如碳化硅(Sic)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化镓铝(AlGaN)等。自20世纪90年代初，以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料开始成为半导体领域的研究热点[12]。

宽禁带半导体为第三代半导体，其中最具有代表性的是氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN high mobility transistor，HEMT)。GaN HEMT具有二维电子气(Two-dimensional electron gas，2DEG)密度高，击穿电压高，功率密度大，电子饱和漂移速度高等优点，非常适合于制作大功率、高效率、高频率器件。另外，由于GaN的禁带宽度是3.4 eV，InN的禁带宽度在0.7 eV左右，这样调整 InGaN中In所占的比例，就可实现禁带宽度在0.7～3.4 eV之间的连续可调，可用于高效太阳能电池[13]。

小学生对事物的认识往往很主观也很肤浅，很多只是看表面现象而已，对于现象内在的本质他们是体会不到的。例如，教师在讲“卵生动物”的内容时，如果只是按照课本讲解或是从网上下载几张图片，学生是很难理解动物是如何出生成长的。这时，应下载相关的视频进行讲解补充，让学生有身临其境的感觉，使他们理解起来更容易，有助于学生的长久记忆。

1.1 GaN基材料的性能

1.1.1 GaN基半导体材料结构及特性

GaN及化合物通过三种晶体结构形式在自然界中出现，使其具有六方对称性的纤锌矿结构(Wurtzite)、立方对称的闪锌矿结构(Zinc blende)和岩盐矿结构(Rocksalt)。其中，纤锌矿结构为III-族氮化物的稳定晶体结构，闪锌矿结构则为亚稳相，岩盐结构则只能存在于高压情况下。目前，研究最多的GaN材料主要是稳定态的纤锌矿结构，具有很多其他半导体所不具备的物理特性，如高熔点、高硬度和稳定的化学性质，使得GaN 基半导体发光器件具有很好的耐热性和抗压性，并在常温下不溶于酸和碱等腐蚀性化学溶液。表1给出了几种常见半导体材料的典型性能参数，从表1中可看出，GaN材料相比于第一代和第二代半导体材料有以下优点：禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小、热导率较高、抗腐蚀和抗辐照能力强[14]。

1.1.2 GaN基半导体材料优势

GaN材料与同为第三代宽禁带半导体的SiC材料相比，二者在击穿电场、最高工作温度和抗辐照能力差别不大，但由于SiC制备高质量的异质结比较困难，且与GaN基异质结器件中主要靠极化产生载流子不同，SiC基微波功率器件通常使用本体材料作导电沟道，载流子主要是通过掺杂来提供，整体迁移率不高，渡越时间较长。GaN具有禁带宽度更大、电子漂移饱和速度更高、临界击穿电场和热导率更高，介电常数较小等特点，GaN材料在高温、微波和高频应用方面还是具有优势的，这主要是因为：

单晶Si太阳能电池已得到广泛的应用，其工业转换效率约为20%。然而，由于材料特性上的限制，晶体Si电池的效率基本已达到极限，进一步提升空间有限，难度也很大。根据理论计算单晶Si电池的极限效率也只有30%。因此，Si材料很难在高效率太阳能电池方面发展。

(1)两种或两种以上氮化嫁基材料长在一起可以形成异质结，如GaN材料与AlN材料就可形成带隙从3.46～6.2 eV连续变化的合金，这样的异质结有两个用途：

一是可当异质结双极晶体管(HBT)的发射极(用AlGaN作发射极，GaN作基极)，形成从到的热电子注入；二是用来实现二维电子气(2DEG)，这主要是指那些聚集在异质结界面处的薄层电子，AlGaN/GaN二维电子气的迁移率比GaN单层的电子迁移率高得多，由于AlGaN和GaN之间的电子势能差较大，因而可形成较高密度的二维电子气，有利于提高诸如场效应晶体管这类器件的性能。

 

表1 几种半导体材料的典型性能参数对照表

 

Table 1 Typical performance parameters of several semiconductor materials

  

材料名称SiGaAsGaNSiC禁带宽度Eg/(eV)1.121.423.43.25击穿电场Ec/(MV/cm)0.30.443电子漂移速度v/(cm/s)1×10-71.3×10-73×10-72×10-7相对介电常数εr11.812.89.59.7电子迁移率μ/[cm2/(V·s)]150085001000^2000700热导率κ/[W/(cm·K)]1.50.51.34.9最大工作温度T/℃300300700600抗辐照能力/rad104^51061010109^10

(2)当场效应晶体管的栅长减小至亚微米级时就制成所谓的短沟道器件，其短沟中的电场非常大，这些沟道电子一般以饱和漂移速度从源极漂移到漏极。GaN材料的电子饱和漂移速度较大(2.5×107 cm/s)，因此适合制作高速、微波器件。另外，的介电常数比Si、GaAs等常用材料都小，这使得产生的器件寄生电容更小[15]。

1.2 GaN基半导体器件

现在高效太阳能电池主要是航空航天工业中得到广泛应用为第二代半导体InGaAsP系列材料，单结GaAs太阳能电池的转换效率已达到27.6%。为了使太阳能电池的转换效率进一步提升，必须利用不同带隙材料制作多结结构的太阳能电池，确保每一结子电池吸收相应的太阳光。据文献报道，目前3结电池InGaP/GaAs/InGaAs[26]，GaInP/GaInAs/Ge[27]和GaInP/GaAs/GaInNAs[28]的效率较高，其转换效率可达到41.6%～44%．根据理论计算[29]，电池结数目越多，效率越高，需要具有不同带隙的材料种类将越多，且顶部子电池的带隙也越大(如5结电池顶部子电池的带隙为2.68 eV)。

2010年7月19日00时,850 hPa上江淮地区东部有一中心位势高度为1 430 hPa的低涡存在,并伴随着西南暖湿气流向东北方向移动,移动过程中强度略有增大。

1.2.1 GaN基HEMT器件

国际上最受重视、发展最快的是GaN基FET，主要是GaN基异质结FET(HFET，又称GaN基HEMT)，GaN基HEMT器件通过栅极电压调控异质界面的能带弯曲，从而控制界面沟道中的 2DEG 密度，达到调制源漏间电导的目的。Ga N 基 HEMT，特别是基于Al-GaN/GaN异质结构的器件有一个显著特点，就是异质界面2DEG的面密度ns和迁移率μ的乘积ns×μ远高于GaAs基HEMT。同时，2DEG 的高迁移率进一步拓展了 GaN 基HEMT的高频功率应用，目前器件工作频率可达到～100 GHz的W波段。另一方面，2DEG 的高输运能力显著降低了GaN 基HEMT 器件的源漏导通电阻(ON-resistance)，具有很好的高频电能转换效率。因此，GaN基HEMT 器件在功率电子应用中也非常具有竞争力[17]。

在功率电子器件(又称电力电子器件、功率开关器件)方面，由于GaN基异质结构的高2DEG 密度，基于GaN基异质结构的功率电子器件的导通电阻比相应的Si和SiC器件分别低两个和一个数量级，节能效益显著，并具有开关速度快、体积小、工作温度高等优势，在工业控制、电动汽车、IT 以及消费电子领域具有广泛应用价值。美国宜普公司(Efficient Power Conversion Corporation，EPC)于2009年首次推出耐压分别为40、100、200 V的商用增强型(常断型)Si基氮化镓功率晶体管。后来，EPC公司又陆续推出了增强型氮化镓晶体管，其在性能上的改进表现为：驱动速度更快，栅极电荷更小，导通电阻更小，额定电流更高。EPC在2014年再次更新产品，进一步显著减小了导通电阻，并提高了开关管所允许的载流能力。以EPC的40 V晶体管为例，第二代产品EPC2015的导通电阻为4 mΩ，所允许通过的最大电流值为33 A；而第四代产品EPC2024的导通电阻下降到1.5 mΩ，所允许通过的最大电流上升到60 A。EPC公司现有的氮化镓晶体管均采用触点阵列封装(Land Grid Array，LGA)，图2给出了EPC几种不同大小的GaN晶体管底部引脚试图。从图2中可见，源极S、漏极D交错分布，占据布局空间极小，非常有助于提高变换器的功率密度，可为系统小型化做出贡献。减小体积带来的另一个好处是可减小引线电阻和寄生电感。这有利于提高氮化镓晶体管的工作频率，从而达到大幅减小无源元件体积、提高系统功率密度的目的[24]。

1.2.2 GaN基HEMT器件的潜在应用

3)铁链等金属材料质量较重，抱杆安装过程繁琐，导致劳动强度大，安装抱杆的时间普遍就占用整个作业一般以上的时间，作业效率低下。

空间太阳能电站的核心-微波能量传输(Microwave Power Transmission，MPT)成为研究的重点之一。其中，高效直流微波能量转换技术是重点研究内容之一，而高效的微波功率放大器是支撑微波能量传输是否有效的必要条件。高效微波功率放大器除了大功率电真空器件以外，近年来以第三代半导体GaN等为代表的固态功率器件，因其功率密度高，对提高转换效率、减小尺寸和简化电路设计具有重要意义，已得到了广泛关注。

  

图1 微波能量传输系统结构

 

Fig.1 Schematic of MPT demonstration system

孙正义：对于一个项目，只要有70%的成功概率，我就会出手；如果等到成功概率达到90%时，那可能就来不及了。

1.2.3 GaN基器件的应用研究现状

GaN HEMT器件即为GaN异质结构的高电子迁移率晶体管，其主要优势在于：它可通过在 AlGaN/GaN、InAlN/GaN等氮化物形成异质结构界面，这个界面具有很高迁移率和极高载流子密度的二维电子气(2DEG)特性。因此，GaN HEMT器件很适合应用于高频大功率的功放设计，已被认为是现今最为理想的微波功率器件。氮化镓器件具有高的电子迁移率和高的击穿电压，其工作频带范围可从直流到接近100 GHZ。在0.1 μm和0.15 μm特征栅长的器件问世后，多个工作频率超过70 GHZ的氮化镓功率放大器已被验证。在低于30 GHZ的频率，毫米波功率放大器芯片已在功率、效率和带宽方面表现出非常出众的性能，如ACTELTHALES III-V实验室研制的氮化镓功率放大器，输出功率达到43 W的同时保持了52%的功率附加效率，而由Mitsubishi Electric公司研制的功率放大器可在14～16 GHZ频带范围输出60 W的功率和45%的功率附加效率。由于氮化镓器件的高功率特性，使得用该种器件设计的功率放大电路可以用较少的晶体管进行末级合成，就能匹敌用更多砷化镓器件实现的指标[18]。

  

图2 触点阵列封装氮化镓晶体管(EPC公司)

 

Fig.2 Gallium nitride transistor with land grid array package(EPC)

高输出功率模块需要模块包含数个独立封装的器件，以保证足够的散热能力。因此，模块体积难以缩小。此外，由于信号损失，模块内部的连接端子需工作在更高的频率，为器件整体工作在毫米波带来了挑战。富士通新开发的高输出功率毫米波收发器模块采用多层陶瓷嵌入式热沉技术，可保证有效散热。图3所示的氮化镓(GaN)毫米波收发器模新模块尺寸仅为12 mm×36 mm×3.3 mm，还不到传统模块尺寸的1/20。该新技术使得在单个产品内，可包含多个芯片。因此，可用于研发更紧凑的雷达器件和无线通信设备。富士通实验室公司计划将该技术用于更广泛需要紧凑模块、高输出、宽带宽的应用中，包括无线设备和雷达系统。

绵羊、山羊、牛非胃肠道给药可用于治疗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌引起的呼吸道感染，肌注林可霉素-大观霉素还可用于治疗绵羊的恶性腐蹄病，Venning（1990）等报道按1 ml/10 kg林可霉素-大观霉素（每ml含有50 mg林可霉素和100 mg大观霉素）肌注给药治疗绵羊的恶性腐蹄病，其治愈率为92.5%，效果优于肌注青霉素-链霉素。

随着A1GaN/GaN HEMT的应用范围增大，在电路产品方面，AIGaN/GaN HEMT也从分立电路逐步的向集成方向进行发展。由于氮化镓最主要应用方向就是微波功率放大器，且由于氮化镓在高频时，功率密度较大，其非常适合用于制备成单片集成电路。国内中电13所基于0.25 μm GaN HEMT工艺，研制了一款两级拓扑放大结构的2～8 GHz宽带功率放大器MMIC(单片微波集成电路，见图4)。

2)从现场监测和模拟结果来看，第一道混凝土支撑对围护桩桩顶位移控制较好.围护桩桩体位移最大的位置，从一开始的桩顶，逐渐下移.基坑开挖至底部时，最大位移位置在第三道内支撑左右.

  

图3 氮化镓(GaN)毫米波收发器模块

 

Fig.3 GaN HEMT high power amplifier

如图4所示，MMIC所用GaN HEMT器件结构经过优化，提高了放大器的可靠性和性能；电路采用多极点电抗匹配网络，扩展了放大器的带宽，减小了电路的损耗。测试结果表明，在2～8 GHz测试频带内，在脉冲偏压28 V(脉宽1 ms，占空比30%)时，峰值输出功率大于30 W，功率附加效率大于25%，小信号增益大于24 dB，输入电压驻波比在2.8以下，在6 GHz处的峰值输出功率达到50 W，功率附加效率达到40%；在稳态偏压28 V时，连续波饱和输出功率大于20 W，功率附加效率大于20%。尺寸为4.0 mm×5.0 mm。相比于国外的发展，国内由于受到设计水平和半导体工艺水平的限制，主要应用还是以内匹配器件和氮化镓功率模块为主，而关于氮化镓单片电路的研究相对来说较少，随着器件材料制备工艺的发展和成熟，GaN集单片集成电路有很大的应用前景[25]。

  

图4 GaN功率放大器MMIC

 

Fig.4 GaN MMIC power amplifier

1.3 GaN基太阳能电池

太阳能电池通过利用光伏效应，可将太阳光能转换为电能的器件，其核心技术为半导体材料。第一个真正意义的Si太阳能电池在美国贝尔实验室研制出以来，各国研制单位积极推进了太阳能电池的发展，各种新材料，新结构层出不穷。利用传统的方法制作的太阳能电池效率很难提升，为了突破目前的技术瓶颈，研发出大量新型的结构和材料在太阳能电池中被使用，主要有中间带太阳能电池、层叠结构电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池等。新型的太阳能电池为太阳能的开发带来了新的曙光，光电转换效率进一步得到提升。

第二，会计独立性被弱化。大数据时代的到来，财务工作由手工账转化为电子账簿，各种数据均以数字化形式呈现，但运用财务软件的同时就会有信息系统管理，当审批不规范或授权等出现问题时，就可能会有人员违规登录、篡改数据或越权等行为使财务信息失真等危害出现。这不仅弱化了会计人员的独立性，影响了会计人员的工作，也会增加财务人员的职业风险。

（5）堤内为白洋淀芦苇分布区，水位埋深一般小于2.0m，土层含芦根、螺壳等杂质较多，且含水量较大，不宜取土。

GaN属于宽禁带半导体，相较于传统的半导体材料，具有更优越的材料特性，如高击穿场强、大的禁带宽度、高电子饱和速度等，十分适合微波/毫米波大功率器件的应用。GaN基电子器件种类繁多，一般分为双极型器件(HBT)和场效应器件(FET)。场效应器件主要有以下几种：金属半导体场效应管(MESFET，Metal Semiconductor FET)、金属-绝缘体-半导体场效应管(MISFET，Metal Insulator Semiconductor FET)、结场效应管(JFET，Junction FET)、金属氧化物场效应管(MOSFET，Metal Oxide FET)和调制掺杂场效应管(MODFET，Modulation Doped FET)，也叫高电子迁移率晶体管(HEMT，High Electron Mobility Transistor)或异质结场效应管(HFET，Heterostructure FET)[16]。

为了取得转换效率大于50%的太阳能电池，必须寻求满足多结电池带隙要求，且具有良好光伏特性的新型材料。结合低N和低In含量的GaInNAs材料具有独特的优点，其带隙宽度和晶格常数独自进行调整。其带隙宽度在0.8～1.4 eV范围可通过GaAs中少量加入N和In来调节，其晶格常数仍能保持GaAs、Ge、GaAlAs、GaInP和AlGaInP相匹配，这些材料覆盖了从近红外到近紫外的宽广太阳光谱范围，从而可构建晶格匹配的多结(4～6结)叠层太阳能电池(见图5)，使其每个子电池都具有最佳带隙宽度，可望将太阳电池效率提升到50%[30]。

  

(a)GaInNAs带隙宽度与晶格常数的关系

  

(b)空间用四结叠层电池结构

 

图5 GaInNAs带隙宽度与晶格常数的关系、空间用四结叠层电池结构

 

Fig.5 Relationship between the band gap width and the lattice constant of GaInNAs, the structure of the four junction layer battery

1.3.2 GaN基太阳能电池的优势

1.3.1 太阳能电池应用现状

近年来，GaN基半导体InGaN材料以其优越的光伏特性，吸引人们探索其在太阳能电池方面的应用。InGaN材料带隙可在3.4 eV(GaN)到0.7 eV(InN)之间连续可调，相应的光波长从紫外(365 nm)一直延伸到近红外(1900 nm)，几乎涵盖了整个太阳光谱．相比其他体系材料，InGaN合金更容易满足多结电池对材料带隙的要求，这给进一步提高多结电池转换效率带来新的契机。此外，该材料在整个In组分变化范围内均为直接带隙，吸收入射光后产生载流子的效率较高，相比于Si、GaP等间接带隙材料，InGaN吸收入射光后产生载流子的效率更高，除了具有宽大且连续可调的直接带隙，InGaN也具备其他优越的光伏特性：

之前，微波放大器主要通过真空管来实现，如磁控管和行波。现今微波放大器主要用固态器件来实现。相对于行波管放大器，固态放大器有很多优势，比如说，更高的集成度，设计更加灵活，更小的尺寸，体积更轻，更高的可靠性，更低的供电电压，应用的多样性。同时，固态放大器的寿命更长，且随着微电子加工技术的成熟，微波单片电路的使用，使固态放大器的集成度提高的同时，可大批量生产，降低了每个放大器的整体费用。在直流-微波能量转换环节，采用新型电路和新型GaN器件，通过谐波调谐等技术，利用特定比例的谐波分量调控晶体管漏极电压和电流波形，实现固态微波功率放大器的高效率和大功率。半导体晶体管只有具有高击穿电场、高电子迁移率等特性，才能满足制作高频大功率高效率功率放大器的需求[19-23]。

(1)InGaN具有较高的吸收系数，其带边吸收系数达到105 cm-1，这意味着400 nm的InGaN材料就可以吸收98%以上的入射光．相比于上百微米的Si太阳能电池，InGaN电池可节省更多的材料，使电池质量变得更轻，这对太空应用尤其重要。

(2)InGaN具有较高的电子迁移率，这使得电池中的光生载流子在材料内部复合概率减小，有利于提高电池的短路电流。

(3)InGaN具有很强的抗辐射能力[31]，各项研究表明，经过高能粒子轰击，InGaN的光电特性并没有明显的变化，而InGaAsP等体系材料性质却有明显的退化，这说明InGaN在制作全光谱太阳能电池和高效空间太阳能电池方面极具发展潜力．理想情况下，如果将InGaN电池做到很多结，其理论转换效率可以达到Marti等所预算的最大值85%[32]。

从实际操作上看，InGaN材料生长便捷，因为生长只需要3种元素的源，而对于InGaAsP系列材料则需要In、Ga、As和P的4种元素的源，生长源PH3和AsH3都是剧毒气体，而生长InGaN的NH3源毒性较小。与其他材料制作多结电池相比，采用三元合金InGaN制作多结电池既可简化外延材料的沉积过程，也可使各子电池有更好的匹配参数，克服多项技术难题[33]。

1.3.3 InGaN 多结太阳能电池的研究背景

InN的禁带宽度在0.7 eV左右，由于GaN的禁带宽度是3.4 eV，这样，改变InGaN 中 In的组分，就可以实现禁带宽度在0.7～3.4 eV之间的连续可调，如果加上 AlN(禁带宽度为6.2 eV)，则改变In和Al的组分，可实现禁带宽度在0.7～6.2 eV范围内的连续可调。多结太阳电池之所以转换效率可以大大地提高，最根本原因就是对太阳光谱不同区域的选择性吸收，而这正是通过对禁带宽度的优化选择实现的，这样当InGaN用于多结太阳电池时，能够实现最优化的禁带宽度组合，从而使转换效率达到最高，目前已经制造出来的砷化镓三结太阳电池主要是由Ge(0.66 eV)、GaAs(1.43 eV)、GaInP(1.9 eV)三结组成[30]，而InGaN通过改变 In的组分，就可实现禁带宽度从0.7～3.4 eV连续可调的p-n结，从工艺角度看可大大地简化工艺难度。

InGaN 多结太阳能电池的主要用途是为宇宙空间站或者卫星等太空产品提供重要的长期电源，InGaN 是直接带隙半导体，相对于硅(间接带隙)更易于光生载流子的产生，高电子迁移率有助于电子和空穴的分离。有实验表明，InN 和 InGaN的抗辐照能力比GaAs和GaInP高两个数量级[30]，这些都说明 InGaN 多结太阳能电池相对于传统硅和GaAs太阳能电池，更适合充满宇宙射线的太空中应用。由氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及其化合物构成的多结太阳能电池的研究是最近几年逐渐热门起来的，现在只有单结结构的太阳能电池制作出样品，但有一些工艺技术问题有待解决，使多结InGaN太阳能电池还未成功制作出来[34-36]。

数目众多的重点学科、大量高精尖技术项目的开展，是此种效应得以发挥的关键原因。当前，医院拥有临床医技科室182个，其中心血管内科、神经内科、肿瘤科等5个专业的27个临床科室为省级重点及重点发展学科；急诊科、神经外科、新生儿科、医学影像科、胸外科等22个专业的71个临床科室，为省级临床重点建设（培育）专科。

目前，InGaN全光谱电池的研制中有一系列有待解决的工艺问题：一方面，由于氮化物外延一般都采用蓝宝石为衬底，二蓝宝石和GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，GaN外延层中一般都不可避免的存在很大密度的穿透位错，而位错在材料内部一般是非平衡载流子的非辐射复合中心，对电池的载流子寿命、迁移率和量子效率等光电性能都会产生不利影响。高的位错密度还会引起InGaN材料中In组分的不均匀，即相分离，这些都严重影响电池效率的提高。因此，如何减小材料的位错密度成为高效InGaN基太阳能电池效率必须解决的一个问题。另一方面，由于InN和GaN晶格常数差异较大，高质量的InGaN外延层生长受到临界厚度的限制，随着In组分升高，临界厚度迅速减小。为了避免新的失配位错的产生，InGaN电池的吸收层厚度通常较薄，导致入射光不能得到充分的吸收，从而光电转换效率较低。如何在保证InGaN晶体质量的基础上提高InGaN层厚度是目前制约InGaN电池效率提高的重要原因之一[37]。

他写下了“行到水穷处，坐看云起时”，写下了“返景入深林，复照青苔上”，写下了“独坐幽篁里，弹琴复长啸。深林人不知，明月来相照”。每一个字都能让人感受到他心绪的平静。

2 结论

空间太阳能电站(Space Solar Power Station，SSPS)需要高效率、良好环境适应性、高功率质量比和长寿命的新型的光电转换材料和大功率半导体器件。GaN基宽禁带半导体具有击穿电压高、功率密度大、工作效率高、工作结温高、特别适合在高温环境下工作和抗辐射能力强等技术特点，采用宽禁带半导体设计的高效固态功放具有可靠性高、效率高、体积小、质量轻、优越的线性度等优点。新型的基于 GaN 的太阳能电池研究，通过添加In 来减小带隙，对于InGaN 这种直接带隙的半导体材料，通过调整In 组分，可使其禁带宽度连续可调，且具有高的电子迁移率和抗辐射能力。因此，InGaN 材料的太阳能电池具有很好的发展潜力。虽然由于工艺，由于工艺水平限制和一些技术问题有待解决，还没有多结 InGaN 太阳能电池制作出来，但随着材料和工艺的发展，GaN基宽禁带半导体材料及器件的发展必将促进国内空间太阳能电站发展目标的实现。

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