太阳能电池作为一种高效的光电转化器, 被广泛地应用于光伏发电系统中。 激光作为一种高亮度光源辐照电池时, 会导致其出现损伤, 可利用电池的表面散射光谱特性, 对其损伤程度进行判别。 通过目标表面散射光谱测量系统, 对激光辐照后的三结砷化镓电池散射光谱进行测量, 并计算双向反射分布函数（BRDF）。 其中测量系统主要由FX 2000和NIR 17型光纤光谱仪组成, 针对电池表面的强镜反射特性, 在实验中采用了入射角和反射角为30°的测量几何模型。 原始三结砷化镓太阳能电池的结构主要包括减反射膜DAR层、 顶电池GaInP层、 中电池GaAs层和底电池Ge层, 其散射光谱特征包括可见光谱段(500~900 nm)的吸收特性及近红外谱段(900~1 200 nm)的类周期振荡特性, 在对连续激光辐照损伤后电池的光谱特性进行实验测量后, 得到了损伤电池光谱BRDF的变化, 并结合基于薄膜干涉理论的电池散射光谱模型, 对各膜层损伤后的特征进行了分析。 结果表明: DAR层的主要作用是降低光谱反射能量, 对光谱曲线的特性影响较小; Ge层对光谱曲线形状基本无影响; 电池散射光谱吸收和干涉等特征主要由GaInP层和GaAs层所引起, 其中, GaInP层主要影响可见光谱段的吸收特性, 并对近红外谱段内的干涉特性起到调制作用, 而GaAs层主要影响近红外谱段的干涉特性, 当其损伤到一定程度后, 会导致可见光谱段内出现干涉特性。 最后, 在实验结果分析的基础上, 通过模型研究了电池各层对散射光谱特性的影响, 并讨论了基于散射光谱特性的电池损伤程度判别, 研究结果可为电池激光损伤判别提供参考。

为了定量研究红外激光辐照下砷化镓的损伤过程,采用波长1080 nm的光纤激光作为光源,接收砷化镓前后表面经激光照射产生的散射光,依据接收到的散射光强度对损伤过程进行实时监测,并建立有限元模型研究了砷化镓温度场和散射信号的演变规律。结果表明,散射曲线的3个阶段分别代表了砷化镓处于非本征吸收阶段、本征吸收阶段和表面损伤阶段; 当激光功率密度为1.8 kW/cm2、辐照时间为193 ms时,表面开始损伤,可以观察到滑移线; 对损伤中心的元素含量进行分析,氧元素含量大大增加,说明热应力和氧化反应是激光致砷化镓表面产生损伤的主要机制。此研究可为激光辐照过程中砷化镓的温升、热应力和烧蚀等深入研究提供理论和实验依据。

采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术在斜切的砷化镓(GaAs)衬底上低温沉积了氮化镓(GaN)薄膜，对生长过程、表面机制以及界面特性等进行分析，得到GaN在215~270 ℃的温度窗口内生长速度(Growth-Per-Cycle，GPC)为0.082 nm/cycle，并从表面反应动力学和热力学方面对GPC的变化进行了分析。研究发现，生长的GaN薄膜为多晶，具有六方纤锌矿结构，且出现(103)结晶取向。在GaN/GaAs界面处观察到约1 nm厚的非晶层，这可能与生长前衬底表面活性位点的限制和前驱体的空间位阻效应有关。值得注意的是，在沉积的GaN薄膜中，所有的N皆与Ga以Ga-N键结合生成GaN，但是存在少部分Ga形成了Ga-O键和Ga-Ga键。这种成键方式，可能与GaN薄膜中存在的缺陷和杂质有关。

基于超短激光脉冲泵浦砷化镓（GaAs）p-i-n异质结结构产生太赫兹辐射模型，通过数值模拟和理论分析，研究了干扰效应对产生太赫兹辐射的影响，以及i层厚度与干扰效应之间的相关性。结果显示，干扰效应会降低太赫兹脉冲的强度并使其频谱展宽，而且随着i层厚度的增加干扰效应的影响也在增加，该结果与已有的蒙特卡罗模拟结果相近。数值实验表明，超短激光泵浦GaAs p-i-n结构产生太赫兹脉冲源自于该结构中i层内的载流子振荡，且太赫兹脉冲特性依赖于载流子的浓度分布，干扰效应的影响以及载流子浓度分布依赖于i层厚度。

太赫兹调制器作为太赫兹技术应用的重要器件之一，在太赫兹通信、成像和传感等领域具有广泛应用前景。但是目前太赫兹调制器调制深度、工作带宽、稳定性等有待提升，这制约了太赫兹技术的进一步推广与发展。基于此，设计并制备了一种新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤（SPTF）调制器，将砷化镓转移到太赫兹光纤抛磨区，增强太赫兹波倏逝场与砷化镓相互作用。在外置808 nm激光器照射下实现对太赫兹波幅度调制，调制深度达到97.4%。实验结果表明，这种新型的光纤调制器具有较好的光控调制效果。同时，该器件体积小、集成度高，具有广泛应用的潜力。

GaAs单晶是当前光电子器件的主要衬底材料之一，在红外LED中有着重要应用。但杂质浓度高、迁移率低等缺点会严重影响红外LED器件性能。为生产出低杂质浓度、高迁移率、载流子分布均匀、高利用率的红外LED用掺硅垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶，本文研究了热场分布、合成舟和炉膛材质、工艺参数对单晶的成晶质量、杂质浓度、迁移率、载流子分布的影响。利用CGSim软件对单晶生长热场系统进行数值模拟研究，温区一至温区六长度比例为8∶12∶9∶5∶5∶7时，恒温区达到最长，位错密度达到1 000 cm-2以下，成晶率达到85%。采用打毛石英合成舟进行GaAs合成，用莫来石炉膛替代石英炉膛，可以获得迁移率整体高于3 000 cm2/(V·s)的GaAs单晶，满足红外LED使用要求。对单晶生长工艺参数展开研究，采用提高头部生长速度、降低尾部生长速度的方式提高单晶轴向载流子浓度均匀性，头尾部载流子浓度差降低33%，尾部迁移率从2 900 cm2/(V·s)提高到3 560 cm2/(V·s)。单晶有效利用长度提高33%，单晶利用率达到75%，大幅降低了原料损耗成本。

本文提出了一种有效改善GaAs/Si（001）材料表面形貌和晶体质量的应变平衡超晶格结构及其制备方案。在无偏角Si（001）衬底上，采用金属有机化学气相沉积技术生长了具有应变平衡超晶格结构的GaAs外延层，并在相同条件下仅生长了GaAs外延层作为比较。采用原子力显微镜、光致荧光光谱仪和双晶X射线衍射仪对两种样品进行表征与测试。测试结果表明：与未采用该方案生长的样品相比，采用应变平衡超晶格结构方案生长的样品的均方根表面粗糙度由1.92 nm（10 μm×10 μm）降至1.16 nm（10 μm×10 μm），光致荧光光谱峰值强度提高5倍以上，光致荧光光谱峰值半峰全宽从31.6 nm降为23.4 nm，XRD曲线峰值半峰全宽降低了30.4%，X射线衍射峰值强度提升了472.2%。该方案可显著改善GaAs/Si（001）材料的表面形貌及晶体质量，对制备硅基电子和光电子器件具有重要意义。

为了实现Ⅲ-V器件在硅基平台上单片集成, 近年来Ⅲ-V半导体在硅衬底上的异质外延得到了广泛研究。由于Ⅲ-V半导体与Si之间大的晶格失配以及晶格结构不同, 在Si上生长的Ⅲ-V半导体中存在较多的失配位错及反相畴, 对器件性能造成严重影响。而Si(111)表面的双原子台阶可以避免Ⅲ-V异质外延过程中形成反相畴。本文利用分子束外延技术通过Al/AlAs作为中间层首次在Si(111)衬底上外延生长了GaAs(111)薄膜。通过一系列对比实验验证了Al/AlAs中间层的插入对GaAs薄膜质量的调控作用, 并在此基础上通过低温-高温两步法优化了GaAs的生长条件。结果表明Al/AlAs插层可以为GaAs外延生长提供模板, 并在一定程度上释放GaAs与Si之间的失配应力, 从而使GaAs薄膜的晶体质量得到提高。以上工作为Ⅲ-V半导体在硅上的生长提供了新思路。

太阳电池阵可以将光能转换为电能，是航天器能源系统的重要组成，而利于光伏效应制成的太阳电池是能源获取的重要载体。通过从硅电池到砷化镓电池、从单结到多结技术的应用发展，结合晶格失配、多结生长、倒装结构及薄膜化等半导体相关制备技术分析了各种空间太阳电池的现状及应用前景。根据其基板结构及型式，对体装式、刚性、半刚性、柔性及聚光太阳电池阵的特点及未来发展方向进行了叙述，为实现高效率、轻量化、高质量功率比的电池电路能源功能提供技术支持。