Эпитаксиального пластина [1] (также называемый эпи пластины , [2] epiwafer , [3] или epiwafer [4] ) представляет собой пластину из полупроводникового материала , изготовленного путем эпитаксиального роста ( эпитаксии ) для использования в фотонике , микроэлектронике , спинтроники , или фотоэлектрические . Эпи-слой может быть из того же материала, что и подложка, обычно из монокристаллического кремния , или это может быть более экзотический материал с определенными желательными качествами.
Кремниевые epi-пластины были впервые разработаны примерно в 1966 году и получили коммерческое распространение к началу 1980-х годов. [5] Способы выращивания эпитаксиального слоя на монокристаллическом кремнии или других пластинах включают: различные типы химического осаждения из паровой фазы (CVD), классифицируемые как CVD при атмосферном давлении (APCVD) или химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), а также молекулярно-лучевая эпитаксия. (MBE). [6] Два метода «без пропила » (без абразивной резки) для отделения эпитаксиального слоя от подложки называются «имплантат-скол» и «снятие напряжения». Метод, применимый, когда эпислой и подложка являются одним и тем же материалом, использует ионную имплантацию для осаждения тонкого слоя кристаллических примесных атомов и результирующего механического напряжения на точной глубине предполагаемой толщины эпислоя. Индуцированное локализованное напряжение обеспечивает контролируемый путь для распространения трещины на следующем этапе раскола. [7] В процессе снятия напряжения в сухом состоянии, применяемом, когда эпислой и подложка представляют собой подходящие разные материалы, управляемая трещина вызывается изменением температуры на границе эпи / пластина исключительно из-за термических напряжений из-за несоответствия термических характеристик. расширение между эпитаксиальным слоем и подложкой без необходимости применения какой-либо внешней механической силы или инструмента, способствующих распространению трещин. Сообщалось, что этот процесс приводит к расщеплению одной атомной плоскости, уменьшая потребность в полировке после отрыва и позволяя многократно использовать субстрат до 10 раз. [8]
Эпитаксиальные слои могут состоять из соединений с особыми желательными характеристиками, таких как нитрид галлия (GaN), арсенид галлия (GaAs) или некоторая комбинация элементов галлия , индия , алюминия , азота , фосфора или мышьяка . [9]
Фотоэлектрические исследования и разработки
Солнечные элементы или фотоэлектрические элементы (ФЭ) для производства электроэнергии из солнечного света могут быть выращены в виде толстых эпи-пластин на монокристаллической кремниевой «затравочной» пластине путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), а затем отсоединены как самонесущие пластины некоторой стандартной толщины. (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную, и непосредственно заменять пластинчатые ячейки, вырезанные из слитков монокристаллического кремния. Солнечные элементы, изготовленные с помощью этого метода, могут иметь эффективность, приближающуюся к эффективности ячеек, нарезанных пластиной, но при значительно более низкой стоимости, если CVD можно проводить при атмосферном давлении в высокопроизводительном поточном процессе. В сентябре 2015 года Институт Фраунгофера для солнечной энергии систем (Fraunhofer ISE) объявила о достижении КПД выше 20% таких клеток. Работа по оптимизации производственной цепочки проводилась в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, выделившейся из Fraunhofer ISE для коммерциализации производства. [10] [11] Поверхность эпитаксиальных пластин может быть текстурирована для увеличения поглощения света. [12] [13] В апреле 2016 года компания Crystal Solar из Санта-Клары, Калифорния , в сотрудничестве с европейским исследовательским институтом IMEC объявила, что они достигли эффективности ячеек эпитаксиального кремния на уровне 22,5% с nPERT (пассивированный элемент n-типа. эмиттер, задний полностью рассеянный) структура, выращенная на 6-дюймовых (150 мм) пластинах. [14] В сентябре 2015 года Hanwha Q Cells представила достигнутую эффективность преобразования 21,4% (подтверждено независимыми источниками) для солнечных элементов с трафаретной печатью, изготовленных из эпитаксиальных пластин Crystal Solar. [15]
В июне 2015 года сообщалось, что солнечные элементы с гетеропереходом, выращенные эпитаксиально на пластинах монокристаллического кремния n-типа, достигли эффективности 22,5% при общей площади ячейки 243,4 см.. [16]
В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающий высокую эффективность многопереходных солнечных элементов III-V с экономией и богатым опытом, связанным с кремнием. Технические сложности, связанные с выращиванием материала III-V на кремнии при требуемых высоких температурах, что является предметом изучения в течение примерно 30 лет, устраняются за счет эпитаксиального роста кремния на GaAs при низкой температуре с помощью плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). [17]
Рекомендации
- Свингер, Патрисия. Опираясь на прошлом, Готовность к будущему: пятидесятилетие Празднование MEMC Electronic Materials, Inc. . Компания Доннинг , 2009 г.
Заметки
- ^ Свингер, стр. 20, 21, 40, 47.
- ^ Claeys, Cor L. (2006). Кремний особой чистоты 9, выпуск 4 . Электрохимическое общество. п. 162. ISBN. 9781566775045.
- ^ Хуа, Ю. Н. Идентификация кристаллических дефектов кремния на эпи-пластине при изготовлении пластин . Chartered Semiconductor Mfg. Ltd., 2001 .
- ^ Szweda, Р. Диодный лазер Материалы и устройства - мировой рынок и Технологии Обзор к 2005 . Эльзевир, 2001. px
- ^ Свингер, стр. 20-22.
- ^ III-V Технология изготовления интегральных схем: изготовление, интеграция и приложения . CRC Press. 2016. С. 97–136. ISBN 9789814669313.
- ^ US 9336989 , Хенли, Франсуа Дж., «Метод отщепления тонкого слоя сапфира от объемного материала путем имплантации множества частиц и выполнения контролируемого процесса расщепления», опубликовано 10 мая 2016 г.
- ^ Фара, Джон; Николсон, Джон; Тирунавуккарасу, Секар; Васмер, Килиан (2014). «Сухой эпитаксиальный отрыв для высокоэффективных солнечных элементов». 2014 IEEE 40-я конференция специалистов по фотогальванике : 1796–1801. DOI : 10,1109 / PVSC.2014.6925271 . ISBN 978-1-4799-4398-2. S2CID 25203578 .
- ^ III-V Технология изготовления интегральных схем: изготовление, интеграция и приложения . CRC Press. 2016. ISBN. 9789814669313.
- ^ Янц, Стефан; Ребер, Стефан (14 сентября 2015 г.). «Солнечные элементы с КПД 20% на EpiWafer» . Фраунгофера ISE . Проверено 15 октября 2015 года .
- ^ Дрисен, Марион; Амири, Диана; Миленкович, Нена; Штайнхаузер, Бернд; Линдекугель, Стефан; Беник, Ян; Ребер, Стефан; Янц, Стефан (2016). «Солнечные элементы с эффективностью 20% и оценка срока службы эпитаксиальных пластин» . Энергетические процедуры . 92 : 785–790. DOI : 10.1016 / j.egypro.2016.07.069 . ISSN 1876-6102 .
- ^ Гоше, Александр; Каттони, Андреа; Дюпюи, Кристоф; Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдына, Мартин; Lalouat, Loıc; Друар, Эммануэль; Сассал, Кристиан; Рока-и-Кабаррокас, Пере; Коллин, Стефан (2016). «Ультратонкие эпитаксиальные кремниевые солнечные элементы с перевернутыми матрицами нанопирамид для эффективного улавливания света». Нано-буквы . 16 (9): 5358. Bibcode : 2016NanoL..16.5358G . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.6b01240 . PMID 27525513 .
- ^ Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдына, Мартин; Депау, Валери; Тромпукис, Христос; Друар, Эммануэль; Лалуа, Лоик; Харури, Абдельмунаим; Лю, Цзя; Любимая, Ален; Оробчук, Режис; Мандорло, Фабьен; Сассал, Кристиан; Массиот, Инес; Дмитриев, Александр; Ли, Ки-Донг; Кабаррокас, Пере Рока я (2016). «Низкотемпературные эпитаксиальные солнечные элементы из кристаллического кремния на основе нанофотоники». Журнал физики D: Прикладная физика . 49 (12): 125603. Bibcode : 2016JPhD ... 49l5603C . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 49/12/125603 . ISSN 0022-3727 .
- ^ Пророк, Грэм (18 апреля 2016 г.). «Более дешевые солнечные элементы благодаря пластинам без пропила» . EE Times (Европа) . European Business Press SA . Проверено 3 января 2017 года .
- ^ В. Мертенс, С. Бордин, А. Мор, К. Петтер, Дж. В. Мюллер, DJW Jeong, Р. Хао, Т. С. Рави, «Полностью экранно-отпечатанный солнечный элемент n- типа с КПД 21,4% на эпитаксиально выращенных кремниевых пластинах со встроенными In Boron Rear Side Emitter » , in Proc. 31-я конференция EUPVSEC, Гамбург, Германия, 2015 г., стр. 1000–1002.
- ^ Кобаяши, Эйдзи; Ватабе, Йошими; Хао, Жуйин; Рави, Т.С. (2015). «Высокоэффективные солнечные элементы с гетеропереходом на пластинах монокристаллического кремния n-типа без разрезов путем эпитаксиального роста». Письма по прикладной физике . 106 (22): 223504. Bibcode : 2015ApPhL.106v3504K . DOI : 10.1063 / 1.4922196 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Кариу, Ромен; Чен, Ванхуа; Морис, Жан-Люк; Ю, Цзинвэнь; Патриарх, Жиль; Моген, Оливия; Ларгау, Людовик; Декобер, Жан; Рока-и-Кабаррокас, Пере (2016). «Низкотемпературная плазменная технология CVD-эпитаксиального роста кремния на GaAs: новая парадигма интеграции III-V / Si» . Научные отчеты . 6 : 25674. Bibcode : 2016NatSR ... 625674C . DOI : 10.1038 / srep25674 . ISSN 2045-2322 . PMC 4863370 . PMID 27166163 .