Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кремний слиток

Монокристаллический кремний , чаще называемый монокристаллическим кремнием , сокращенно mono c-Si или mono-Si , является основным материалом для дискретных компонентов и интегральных схем на основе кремния, используемых практически во всем современном электронном оборудовании. Mono-Si также служит фотоэлектрическим светопоглощающим материалом при производстве солнечных элементов .

Он состоит из кремния, в котором кристаллическая решетка всего твердого тела непрерывна, не нарушена по краям и не имеет границ зерен . Моно-Si может быть получен как собственный полупроводник, который состоит только из исключительно чистого кремния, или он может быть легирован добавлением других элементов, таких как бор или фосфор, для получения кремния p-типа или n-типа . [1] Благодаря своим полупроводниковым свойствам монокристаллический кремний, возможно, является самым важным технологическим материалом последних нескольких десятилетий - «кремниевой эры», [2]потому что его наличие по доступной цене является существенным для развития электронных устройств , на которых современные электроники и IT основаны революция.

Монокристаллический кремний отличается от других аллотропных форм, таких как некристаллический аморфный кремний, используемый в тонкопленочных солнечных элементах, и поликристаллический кремний , который состоит из небольших кристаллов, известных как кристаллиты .

Производство [ править ]

Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких методов, которые включают плавление кремния высокой чистоты полупроводникового качества (всего несколько частей на миллион примесей) и использование затравки для инициирования образования непрерывного монокристалла. Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, такой как аргон, и в инертном тигле, например кварцевом , во избежание примесей, которые могут повлиять на однородность кристалла.

Наиболее распространенной технологией производства является метод Чохральского , при котором точно ориентированный затравочный кристалл на стержне погружается в расплавленный кремний. Затем стержень медленно тянется вверх и одновременно вращается, позволяя вытянутому материалу затвердеть в монокристаллический цилиндрический слиток длиной до 2 метров и весом в несколько сотен килограммов. Магнитные поля также могут применяться для управления и подавления турбулентного потока, дополнительно улучшая однородность кристаллизации. [3] Другими методами являются зонная плавка , при которой стержень поликристаллического кремния пропускается через змеевик радиочастотного нагрева, который создает локализованную зону расплава, из которой вырастает слиток затравочного кристалла, и методы Бриджмена., которые перемещают тигель через температурный градиент, чтобы охладить его от конца контейнера, содержащего семена. [4] Затвердевшие слитки затем разрезаются на тонкие пластины во время процесса, называемого наложением пластин . После обработки вафли готовы к использованию в производстве.

По сравнению с отливкой поликристаллических слитков производство монокристаллического кремния очень медленное и дорогое. Однако спрос на моно-Si продолжает расти из-за превосходных электронных свойств - отсутствие границ зерен позволяет улучшить поток носителей заряда и предотвращает рекомбинацию электронов [5], что позволяет улучшить характеристики интегральных схем и фотоэлектрических элементов.

В электронике [ править ]

Основная статья: Изготовление полупроводниковых устройств

Основное применение монокристаллического кремния - производство дискретных компонентов и интегральных схем . Слитки, изготовленные методом Чохральского, нарезаются на пластины толщиной около 0,75 мм и полируются для получения правильной плоской подложки, на которую встраиваются микроэлектронные устройства с помощью различных процессов микротехнологии , таких как легирование или ионная имплантация , травление , осаждение различных материалов и фотолитографическое моделирование.

Одиночный сплошной кристалл имеет решающее значение для электроники, поскольку границы зерен, примеси и кристаллографические дефекты могут значительно влиять на локальные электронные свойства материала, что, в свою очередь, влияет на функциональность, производительность и надежность полупроводниковых устройств , препятствуя их правильной работе. Например, без кристаллического совершенства было бы практически невозможно построить устройства очень крупномасштабной интеграции (СБИС), в которых были бы миллиарды [6]транзисторных схем, каждая из которых должна надежно функционировать, объединены в одну микросхему и образуют микропроцессор. Таким образом, электронная промышленность вложила значительные средства в оборудование для производства крупных монокристаллов кремния.

В солнечных батареях [ править ]

Доля мирового рынка с точки зрения годового производства фотоэлектрических технологий с 1990 г.

Монокристаллический кремний также используется для высокопроизводительных фотоэлектрических (PV) устройств. Поскольку требования к структурным дефектам менее строгие по сравнению с приложениями микроэлектроники, для солнечных элементов часто используется кремний более низкого качества (Sog-Si). Несмотря на это, фотоэлектрическая промышленность на основе монокристаллического кремния сильно выиграла от разработки более быстрых методов производства моно-кремния для электронной промышленности.

Доля рынка [ править ]

Будучи второй по распространенности формой фотоэлектрической технологии, монокристаллический кремний уступает только своему сестру, поликристаллическому кремнию . Из-за значительно более высоких темпов производства и неуклонно снижающейся стоимости поликремния рыночная доля монокристаллического кремния снижается: в 2013 году доля рынка монокристаллических солнечных элементов составила 36%, что привело к производству 12,6 ГВт электроэнергии. фотоэлектрические мощности, [7] но доля рынка упала ниже 25% к 2016 году. Несмотря на снижение доли рынка, эквивалентная мощность фотоэлектрических панелей на основе моно-Si, произведенная в 2016 году, составила 20,2 ГВт, что свидетельствует о значительном увеличении общего производства фотоэлектрических технологий. [8]

Эффективность [ править ]

При зарегистрированной лабораторной эффективности однопереходных ячеек 26,7% монокристаллический кремний имеет наивысшую подтвержденную эффективность преобразования из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, опережая поли-Si (22,3%) и установленные тонкопленочные технологии , такие как ячейки CIGS (21,7%). %), Ячейки CdTe (21,0%) и ячейки a-Si (10,2%). Эффективность солнечных модулей для моно-кремния - которая всегда ниже, чем у соответствующих элементов - наконец преодолела отметку 20% в 2012 году и достигла 24,4% в 2016 году [9].Высокая эффективность в значительной степени объясняется отсутствием центров рекомбинации в монокристалле и лучшим поглощением фотонов из-за его черного цвета по сравнению с характерным синим оттенком поликремния. Поскольку они более дорогие, чем их поликристаллические аналоги, элементы из монокристаллического кремния полезны для приложений, где основными соображениями являются ограничения по весу или доступной площади, например, в космических кораблях или спутниках, работающих от солнечной энергии, где эффективность может быть дополнительно повышена за счет комбинации с другие технологии, такие как многослойные солнечные элементы .

Производство [ править ]

Помимо низкой производительности, существуют также опасения по поводу потерь материала в производственном процессе. Создание компактных солнечных панелей требует разрезания круглых пластин (продукт цилиндрических слитков, образованных в процессе Чохральского) на восьмиугольные ячейки, которые можно плотно упаковать вместе. Оставшийся материал не используется для создания фотоэлементов и либо утилизируется, либо утилизируется, возвращаясь к производству слитков для плавки. Кроме того, даже несмотря на то, что элементы из моно-Si могут поглощать большую часть фотонов в пределах 20 мкм от падающей поверхности, ограничения на процесс распиливания слитка означают, что толщина промышленных пластин обычно составляет около 200 мкм. Однако ожидается, что технологический прогресс снизит толщину пластин до 140 мкм к 2026 году [10].

Изучаются другие методы производства, такие как прямой эпитаксиальный рост пластины , который включает выращивание газовых слоев на многоразовых кремниевых подложках. Новые процессы могут позволить выращивать квадратные кристаллы, которые затем можно перерабатывать в более тонкие пластины без ущерба для качества или эффективности, тем самым устраняя отходы от традиционных методов распиловки слитков и резки. [11]

Внешний вид [ править ]

  • Кристаллическая структура кремния образует алмаз кубической

  • Устройства СБИС, изготовленные Intel на монокристаллической кремниевой пластине

  • Солнечная панель из восьмиугольных монокристаллических кремниевых элементов

  • Сравнение солнечных элементов : поли-Si (слева) и моно-Si (справа)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Монковски, младший; Bloem, J .; Гилинг, ЖЖ; Graef, MWM (1979). «Сравнение внедрения допанта в поликристаллический и монокристаллический кремний». Прил. Phys. Lett . 35 (5): 410–412. DOI : 10.1063 / 1.91143 .
  2. ^ W.Heywang, KHZaininger, Кремний: полупроводниковый материал , в Кремнии: эволюция и будущее технологии , P.Siffert, EFKrimmel eds., Springer Verlag, 2004.
  3. ^ Ван, C .; Zhang, H .; Ванга, TH; Ciszek, TF (2003). «Система непрерывного роста кристаллов кремния Чохральского». Журнал роста кристаллов . 250 (1-2): 209-214. DOI : 10.1016 / s0022-0248 (02) 02241-8 .
  4. ^ Каппер, Питер; Рудольф, Питер (2010). Технология выращивания кристаллов: полупроводники и диэлектрики . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 9783527325931. OCLC  663434790 .
  5. ^ Уэнам, SR; Грин, Массачусетс; Ватт, штат Мэн; Коркиш Р. (2007). Прикладная фотовольтаика (2-е изд.). Лондон: Earthscan. ISBN 9781844074013. OCLC  122927906 .
  6. ^ Питер Кларк, Intel вступает в эру процессоров с миллиардом транзисторов , EE Times, 14 октября 2005 г.
  7. ^ Photovoltaics Report , Fraunhofer ISE, 28 июля 2014.
  8. ^ Photovoltaics Report , Fraunhofer ISE, 26 февраля 2018.
  9. ^ Грин, Мартин А.; Хисикава, Ёсихиро; Dunlop, Ewan D .; Леви, Дин Х .; Холь-Эбингер, Йохен; Хо-Бейли, Анита Вайоминг (1 января 2018 г.). «Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 51)» . Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения . 26 (1): 3–12. DOI : 10.1002 / pip.2978 . ISSN 1099-159X . 
  10. ^ Отчет о технологиях солнечной промышленности за 2015–2016 гг. , Canadian Solar, октябрь 2016 г.
  11. ↑ Скэнлон, Билл (27 августа 2014 г.). «Crystal Solar и NREL объединяются, чтобы сократить расходы» . NREL . Проверено 1 марта 2018 .