Эпитаксиальная пластина - Epitaxial wafer

An эпитаксиальная пластина[1] (также называемый эпи вафля,[2] эпи-вафля,[3] или же эпивафер[4]) это вафля из полупроводник материал, полученный эпитаксиальным ростом (эпитаксия ) для использования в фотоника, микроэлектроника, спинтроника, или же фотогальваника. Эпи-слой может быть из того же материала, что и подложка, обычно монокристаллический кремний, или это может быть более экзотический материал с особыми желательными качествами.

Кремний Пластины epi были впервые разработаны примерно в 1966 году и получили коммерческое распространение к началу 1980-х годов.[5] Способы наращивания эпитаксиального слоя на монокристаллический кремний или другие вафли включают: различные типы химическое осаждение из паровой фазы (CVD) классифицируется как CVD при атмосферном давлении (APCVD) или химическое осаждение металлов из паровой фазы (MOCVD), а также молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE).[6] Два "без пропила "методы (без абразивной резки) для отделения эпитаксиального слоя от подложки называются" имплантат-скол "и" снятие напряжения ". Метод, применимый, когда эпитаксиальный слой и подложка являются одним и тем же материалом, используют ионная имплантация для нанесения тонкого слоя кристаллических примесных атомов и результирующего механического напряжения на точную глубину предполагаемой толщины эпитаксиального слоя. Индуцированное локализованное напряжение обеспечивает контролируемый путь распространения трещины на следующем этапе скола.[7] В процессе снятия напряжения в сухом состоянии, применяемом, когда эпислой и подложка являются подходящими материалами, контролируемая трещина вызывается изменением температуры на границе эпи / пластина исключительно из-за тепловых напряжений из-за несоответствия в тепловое расширение между эпитаксиальным слоем и подложкой, без необходимости использования каких-либо внешних механических сил или инструментов для содействия распространению трещин. Сообщалось, что этот процесс приводит к расщеплению одной атомной плоскости, уменьшая потребность в полировке после отрыва и позволяя многократно использовать подложку до 10 раз.[8]

Эпитаксиальные слои могут состоять из соединения с особыми желательными функциями, такими как нитрид галлия (GaN), арсенид галлия (GaAs) или некоторая комбинация элементов галлий, индий, алюминий, азот, фосфор или же мышьяк.[9]

Фотоэлектрические исследования и разработки

Солнечные батареи, или же фотоэлектрический Ячейки (PV) для производства электроэнергии из солнечного света могут быть выращены как толстые эпи-пластины на монокристаллической кремниевой «затравочной» пластине с помощью химическое осаждение из паровой фазы (CVD), а затем отсоединяются как самонесущие пластины некоторой стандартной толщины (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную, и непосредственно заменяют 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 может быть выполнено с минимальными затратами времени. атмосферное давление в поточном процессе с высокой пропускной способностью. В сентябре 2015 г. Институт Фраунгофера за Солнечная энергия Компания Systems (Fraunhofer ISE) объявила о достижении эффективности таких ячеек выше 20%. 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-Клара, Калифорния, в сотрудничестве с Европейским исследовательским институтом IMEC объявили, что они достигли эффективности ячейки 22,5% эпитаксиальной кремниевой ячейки со структурой nPERT (пассивированный эмиттер n-типа, задний диффузионный), выращенной на 6-дюймовых (150 мм) пластинах.[14] В сентябре 2015 г. Ячейки Hanwha Q представили 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 гетеропереход солнечные элементы, выращенные эпитаксиально на пластинах монокристаллического кремния n-типа, достигли эффективности 22,5% при общей площади элемента 243,4 см..[16]

В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающий высокую эффективность Многопереходные солнечные элементы 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 около 30 лет, устраняются за счет эпитаксиального роста кремния на GaAs при низкой температуре за счет Химическое осаждение из паровой фазы с плазменным усилением (PECVD)[17]

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Свингер, стр.20, 21, 40, 47.
  2. ^ Клэйс, Кор Л. (2006). Кремний особой чистоты 9, выпуск 4. Электрохимическое общество. п. 162. ISBN  9781566775045.
  3. ^ Хуа, Ю.Н. Идентификация кристаллических дефектов кремния на эпи-пластине при изготовлении пластин. Chartered Semiconductor Mfg. Ltd., 2001.
  4. ^ Сведа, Р. Материалы и устройства для диодных лазеров - Обзор мирового рынка и технологий до 2005 г.. Elsevier, 2001. стр. Икс.
  5. ^ Свингер, стр. 20–22.
  6. ^ III-V Технология изготовления интегральных схем: изготовление, интеграция и приложения. CRC Press. 2016. С. 97–136. ISBN  9789814669313.
  7. ^ США 9336989, Хенли, Франсуа Дж., «Метод отделения тонкого слоя сапфира от объемного материала путем имплантации множества частиц и выполнения контролируемого процесса раскола», опубликовано 10 мая 2016 г. 
  8. ^ 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. Дои:10.1109 / PVSC.2014.6925271. ISBN  978-1-4799-4398-2. S2CID  25203578.
  9. ^ III-V Технология изготовления интегральных схем: изготовление, интеграция и приложения. CRC Press. 2016 г. ISBN  9789814669313.
  10. ^ Янц, Стефан; Ребер, Стефан (14 сентября 2015 г.). «Солнечные элементы с КПД 20% на EpiWafer». Фраунгофера ISE. Получено 15 октября, 2015.
  11. ^ Дрисен, Марион; Амири, Диана; Миленкович, Нена; Штайнхаузер, Бернд; Линдекугель, Стефан; Беник, Ян; Ребер, Стефан; Янц, Стефан (2016). «Солнечные элементы с эффективностью 20% и срок службы эпитаксиальных пластин». Энергетические процедуры. 92: 785–790. Дои:10.1016 / j.egypro.2016.07.069. ISSN  1876-6102.
  12. ^ Гоше, Александр; Каттони, Андреа; Дюпюи, Кристоф; Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдына, Мартин; Lalouat, Loı̈c; 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. Дои:10.1021 / acs.nanolett.6b01240. PMID  27525513.
  13. ^ 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. Дои:10.1088/0022-3727/49/12/125603. ISSN  0022-3727.
  14. ^ Пророк, Грэм (18 апреля 2016 г.). «Более дешевые солнечные элементы благодаря пластинам без разрезов». EE Times (Европа). European Business Press SA. Получено 3 января 2017.
  15. ^ В. Мертенс, С. Бордин, А. Мор, К. Петтер, Дж. В. Мюллер, Д. Дж. В. Чонг, Р. Хао, Т. С. Рави, Полностью трафаретная печать с КПД 21,4% п- Тип солнечного элемента на эпитаксиально выращенных кремниевых пластинах со встроенным борным задним боковым излучателем », в Proc. 31-я конференция EUPVSEC, Гамбург, Германия, 2015 г., стр. 1000–1002.
  16. ^ Кобаяси, Эйдзи; Ватабе, Йошими; Хао, Жуйин; Рави, Т. С. (2015). «Высокоэффективные солнечные элементы с гетеропереходом на пластинах монокристаллического кремния n-типа без прорезей путем эпитаксиального роста». Письма по прикладной физике. 106 (22): 223504. Bibcode:2015АпФЛ.106в3504К. Дои:10.1063/1.4922196. ISSN  0003-6951.
  17. ^ 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:2016НатСР ... 625674C. Дои:10.1038 / srep25674. ISSN  2045-2322. ЧВК  4863370. PMID  27166163.