14、锗：开启硅光子学与高效太阳能电池新时代

锗：开启硅光子学与高效太阳能电池新时代

1. 锗的重要地位与应用背景

在当今科技飞速发展的时代，锗作为一种关键材料，在多个领域展现出了重要价值。它不仅是固态电子学的起源材料，用于制造晶体管；如今，更是在硅互补金属氧化物半导体（CMOS）电路中作为应力源，推动着现代电子技术的发展。同时，锗还在硅光子学领域发挥着核心作用，使电子学和光子学在硅CMOS平台上得以融合。

锗的应用十分广泛，它能够实现与CMOS兼容的光电探测器、调制器，甚至在光通信波长范围内充当光增益介质。而在当前硅光子学的发展阶段，超薄的锗层（以下简称(Ge)）作为Ge和Si之间的缓冲层，为结合异质材料（如GaAs与Si）创造了条件。这种(Ge)技术有望构建一个“绿色发电平台”，例如设计出高效且经济的串联太阳能电池。

2. 材料特性与设计

2.1 锗与相关材料的特性对比

锗在元素周期表中位于Ga和As之间，因此在物理和化学性质上与GaAs有许多相似之处，如晶格常数、线性膨胀系数和热导率等，具体数据如下表所示：
| 材料 | 晶格常数 (nm) | 线性膨胀系数 (10⁻⁶/°C) | 热导率 (W/cm/°C) | 带隙 (eV) |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| Ge | 0.5658 | 5.9 | 0.58 | 0.661 |
| GaAs | 0.565325 | 5.73 | 0.55 | 1.424 |
| Si | 0.5431 | 2.6 | 1.3 | 1.12 |

这些相似性有利于GaAs在Ge上进行异质外延生长。尽管Ge是非极性材料，而GaAs是极性材