Эпитаксиальная пластина

Эпитаксиальная пластина ^[1] (также называемая эпивафлей , ^[2] эпи-вафля , ^[3] или эпивафля ^[4]) — пластина полупроводникового материала , изготовленная методом эпитаксиального выращивания ( эпитаксии ) для использования в фотонике , микроэлектронике , спинтронике или фотогальванике . Эпи-слой может быть тем же материалом, что и подложка, обычно это монокристаллический кремний , или это может быть диоксид кремния ( SoI ) или более экзотический материал с определенными желательными качествами. Целью эпитаксии является усовершенствование кристаллической структуры голой подложки ниже и улучшение электрических характеристик поверхности пластины, что делает ее пригодной для очень сложных микропроцессоров и устройств памяти. ^[5]

История

Кремниевые эпипластины были впервые разработаны примерно в 1966 году и получили коммерческое признание к началу 1980-х годов. ^[6] Методы 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 металлорганических соединений (MOCVD), а также молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE). . ^[7] Два метода отделения эпитаксиального слоя от подложки « без прорези » (без абразивной резки) называются «сколом имплантата» и «снятием напряжения». Метод, применимый, когда эпи-слой и подложка изготовлены из одного и того же материала, использует ионную имплантацию для осаждения тонкого слоя атомов кристаллических примесей и результирующее механическое напряжение на точной глубине предполагаемой толщины эпи-слоя. Индуцированное локализованное напряжение обеспечивает контролируемый путь распространения трещины на следующем этапе расщепления. ^[8] В процессе снятия сухого напряжения, применимом, когда эпи-слой и подложка изготовлены из разных материалов, контролируемая трещина возникает из-за изменения температуры на границе раздела эпи-пластина исключительно из-за тепловых напряжений из-за несоответствия теплового расширения между эпи-слой и подложку без необходимости использования какой-либо внешней механической силы или инструмента, способствующего распространению трещин. Сообщалось, что этот процесс приводит к расщеплению одной атомной плоскости, что снижает необходимость полировки после отрыва и позволяет многократно повторно использовать подложку до 10 раз. ^[9]

Типы

Эпитаксиальные слои могут состоять из соединений с особыми желательными свойствами, таких как нитрид галлия (GaN), арсенид галлия (GaAs) или некоторая комбинация элементов галлия , индия , алюминия , азота , фосфора или мышьяка . ^[10]

Фотоэлектрические исследования и разработки

Солнечные элементы или фотоэлектрические элементы (PV) для производства электроэнергии из солнечного света можно выращивать в виде толстых эпипластин на «затравочной» пластине монокристаллического кремния методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), а затем отделять как самонесущие пластины некоторой стандартной толщины. (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную и которые напрямую заменяют пластинчатые ячейки, вырезанные из слитков монокристаллического кремния. Солнечные элементы, созданные с помощью этой технологии, могут иметь эффективность, приближающуюся к эффективности элементов, вырезанных из пластин, но при значительно меньших затратах, если CVD можно выполнять при атмосферном давлении в высокопроизводительном поточном процессе. В сентябре 2015 года систем Фраунгофера Институт солнечных энергетических (Fraunhofer ISE) объявил о достижении эффективности таких элементов выше 20%. Оптимизация производственной цепочки проводилась в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, выделенной из Fraunhofer ISE для коммерциализации производства. ^[11]^[12] Поверхность эпитаксиальных пластин может быть текстурирована для улучшения поглощения света. ^[13]^[14] В апреле 2016 года компания Crystal Solar из Санта-Клары, штат Калифорния , в сотрудничестве с европейским исследовательским институтом IMEC объявила, что они достигли эффективности эпитаксиальной кремниевой ячейки 22,5% с nPERT (пассивированный эмиттер n-типа, полностью рассеянный сзади). ) структура, выращенная на пластинах диаметром 6 дюймов (150 мм). ^[15] В сентябре 2015 года Hanwha Q Cells представила достигнутую эффективность преобразования 21,4% (подтверждено независимо) для солнечных элементов с трафаретной печатью, изготовленных из эпитаксиальных пластин Crystal Solar. ^[16]

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 ячеек 243,4 см2. $^{2}$ . ^[17]

В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающий в себе высокую эффективность многопереходных солнечных элементов III-V с экономией и богатым опытом, связанным с кремнием. Технических сложностей, связанных с выращиванием материалов III-V на кремнии при необходимых высоких температурах, которые изучаются уже около 30 лет, можно избежать за счет эпитаксиального выращивания кремния на GaAs при низкой температуре методом плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). ^[18]

Ссылки

Свингер, Патрисия. Опираясь на прошлое, готовы к будущему: празднование пятидесятилетия MEMC Electronic Materials, Inc. Компания Доннинг , 2009.

Примечания

^ Свингер, стр. 20, 21, 40, 47.
^ Клейс, Кор Л. (2006). Кремний высокой чистоты 9, Выпуск 4 . Электрохимическое общество. п. 162. ИСБН 9781566775045 .
^ Хуа, Ю.Н. Идентификация кристаллических дефектов кремния на эпи-подложке при изготовлении пластин . Chartered Semiconductor Mfg. Ltd., 2001 г.
^ Шведа, Р. Материалы и устройства для диодных лазеров - мировой рынок и обзор технологий до 2005 г. . Эльзевир, 2001. px.
^ «Эпитаксия | АСМ» . www.asm.com . Проверено 26 апреля 2023 г.
^ Свингер, стр. 20–22.
^ Технология изготовления интегральных схем III-V: изготовление, интеграция и применение . ЦРК Пресс. 2016. стр. 97–136. ISBN 9789814669313 .
^ US 9336989 , Хенли, Франсуа Дж., «Способ скалывания тонкого слоя сапфира из объемного материала путем имплантации множества частиц и выполнения контролируемого процесса скалывания», опубликовано 10 мая 2016 г.
^ Фара, Джон; Николсон, Джон; Тирунавуккарасу, Секар; Васмер, Килиан (2014). «Сухой эпитаксиальный отрыв высокоэффективных солнечных элементов». 2014 40-я конференция специалистов по фотоэлектрической энергии (PVSC) IEEE . стр. 1796–1801. дои : 10.1109/PVSC.2014.6925271 . ISBN 978-1-4799-4398-2 . S2CID 25203578 .
^ Технология изготовления интегральных схем III-V: изготовление, интеграция и применение . ЦРК Пресс. 2016. ISBN 9789814669313 .
^ Янц, Стефан; Ребер, Стефан (14 сентября 2015 г.). «Солнечный элемент с эффективностью 20% на EpiWafer» . Фраунгофера ИСЭ . Проверено 15 октября 2015 г.
^ Дриссен, 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» . Энергетическая процедура . 92 : 785–790. дои : 10.1016/j.egypro.2016.07.069 . ISSN 1876-6102 .
^ Гоше, Александр; Каттони, Андреа; Дюпюи, Кристоф; Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдина, Мартин; Лалуат, Лойк; Друар, Эммануэль; Сиссаль, Кристиан; Рока и Кабаррокас, Пере; Коллин, Стефан (2016). «Ультратонкие эпитаксиальные кремниевые солнечные элементы с матрицей перевернутых нанопирамид для эффективного улавливания света» (PDF) . Нано-буквы . 16 (9): 5358–5364. Бибкод : 2016NanoL..16.5358G . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b01240 . ПМИД 27525513 . S2CID 206734456 .
^ Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдина, Мартин; Депау, Валери; Тромпукис, Христос; Друар, Эммануэль; Лалуат, Лоик; Харури, Абдельмунаим; Лю, Цзя; Фав, Ален; Оробчук, Режис; Миндаль, Фабьен; Сиссаль, Кристиан; Массио, Инес; Дмитриев, Александр; Ли, Ки-Донг; Кабаррокас, Пере Рока и (2016). «Низкотемпературные эпитаксиальные кристаллические кремниевые солнечные элементы PECVD на основе нанофотоники». Журнал физики D: Прикладная физика . 49 (12): 125603. Бибкод : 2016JPhD...49l5603C . дои : 10.1088/0022-3727/49/12/125603 . ISSN 0022-3727 . S2CID 125317340 .
^ Пророк, Грэм (18 апреля 2016 г.). «Удешевление солнечных элементов за счет пластин без прорезей» . EE Times (Европа) . Европейская деловая пресса SA . Проверено 3 января 2017 г.
^ В. Мертенс, С. Бордин, А. Мор, К. Петтер, Дж. В. Мюллер, DJW Джонг, Р. Хао, Т. С. Рави, -типа с полной трафаретной печатью «Эффективность 21,4% солнечных элементов n на кремниевых пластинах, выращенных эпитаксиально, со встроенным In Boron Rear Side Emitter» , в сб. 31-я сессия EUPVSEC, Гамбург, Германия, 2015 г., стр. 1000–1002.
^ Кобаяши, Эйдзи; Ватабе, Ёшими; Хао, Жуйин; Рави, ТС (2015). «Высокоэффективные гетеропереходные солнечные элементы на пластинах монокристаллического кремния без прорезей n-типа методом эпитаксиального выращивания». Письма по прикладной физике . 106 (22): 223504. Бибкод : 2015АпФЛ.106в3504К . дои : 10.1063/1.4922196 . ISSN 0003-6951 .
^ Кариу, Ромен; Чен, Ванхуа; Морис, Жан-Люк; Ю, Цзинвэнь; Патриархи, Жиль; Моген, Оливия; Ларго, Людовик; Декобер, Жан; Рока и Кабаррокас, Пере (2016). «Низкотемпературная плазма усиливает эпитаксиальный рост кремния CVD на GaAs: новая парадигма интеграции III-V/Si» . Научные отчеты . 6 : 25674. Бибкод : 2016NatSR...625674C . дои : 10.1038/srep25674 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4863370 . ПМИД 27166163 .

[1] Свингер, стр. 20, 21, 40, 47.

[2] Клейс, Кор Л. (2006). Кремний высокой чистоты 9, Выпуск 4 . Электрохимическое общество. п. 162. ИСБН 9781566775045 .

[3] Хуа, Ю.Н. Идентификация кристаллических дефектов кремния на эпи-подложке при изготовлении пластин . Chartered Semiconductor Mfg. Ltd., 2001 г.

[4] Шведа, Р. Материалы и устройства для диодных лазеров - мировой рынок и обзор технологий до 2005 г. . Эльзевир, 2001. px.

[5] «Эпитаксия | АСМ» . www.asm.com . Проверено 26 апреля 2023 г.

[6] Свингер, стр. 20–22.

[7] Технология изготовления интегральных схем III-V: изготовление, интеграция и применение . ЦРК Пресс. 2016. стр. 97–136. ISBN 9789814669313 .

[Silicon_Genesis-8] US 9336989 , Хенли, Франсуа Дж., «Способ скалывания тонкого слоя сапфира из объемного материала путем имплантации множества частиц и выполнения контролируемого процесса скалывания», опубликовано 10 мая 2016 г.

[FarahNicholson2014-9] Фара, Джон; Николсон, Джон; Тирунавуккарасу, Секар; Васмер, Килиан (2014). «Сухой эпитаксиальный отрыв высокоэффективных солнечных элементов». 2014 40-я конференция специалистов по фотоэлектрической энергии (PVSC) IEEE . стр. 1796–1801. дои : 10.1109/PVSC.2014.6925271 . ISBN 978-1-4799-4398-2 . S2CID 25203578 .

[10] Технология изготовления интегральных схем III-V: изготовление, интеграция и применение . ЦРК Пресс. 2016. ISBN 9789814669313 .

[NexWafe-11] Янц, Стефан; Ребер, Стефан (14 сентября 2015 г.). «Солнечный элемент с эффективностью 20% на EpiWafer» . Фраунгофера ИСЭ . Проверено 15 октября 2015 г.

[DrießenAmiri2016-12] Дриссен, 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» . Энергетическая процедура . 92 : 785–790. дои : 10.1016/j.egypro.2016.07.069 . ISSN 1876-6102 .

[pyramid-13] Гоше, Александр; Каттони, Андреа; Дюпюи, Кристоф; Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдина, Мартин; Лалуат, Лойк; Друар, Эммануэль; Сиссаль, Кристиан; Рока и Кабаррокас, Пере; Коллин, Стефан (2016). «Ультратонкие эпитаксиальные кремниевые солнечные элементы с матрицей перевернутых нанопирамид для эффективного улавливания света» (PDF) . Нано-буквы . 16 (9): 5358–5364. Бибкод : 2016NanoL..16.5358G . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b01240 . ПМИД 27525513 . S2CID 206734456 .

[ChenCariou2016-14] Чен, Ванхуа; Кариу, Ромен; Фолдина, Мартин; Депау, Валери; Тромпукис, Христос; Друар, Эммануэль; Лалуат, Лоик; Харури, Абдельмунаим; Лю, Цзя; Фав, Ален; Оробчук, Режис; Миндаль, Фабьен; Сиссаль, Кристиан; Массио, Инес; Дмитриев, Александр; Ли, Ки-Донг; Кабаррокас, Пере Рока и (2016). «Низкотемпературные эпитаксиальные кристаллические кремниевые солнечные элементы PECVD на основе нанофотоники». Журнал физики D: Прикладная физика . 49 (12): 125603. Бибкод : 2016JPhD...49l5603C . дои : 10.1088/0022-3727/49/12/125603 . ISSN 0022-3727 . S2CID 125317340 .

[IMEC-15] Пророк, Грэм (18 апреля 2016 г.). «Удешевление солнечных элементов за счет пластин без прорезей» . EE Times (Европа) . Европейская деловая пресса SA . Проверено 3 января 2017 г.

[16] В. Мертенс, С. Бордин, А. Мор, К. Петтер, Дж. В. Мюллер, DJW Джонг, Р. Хао, Т. С. Рави, -типа с полной трафаретной печатью «Эффективность 21,4% солнечных элементов n на кремниевых пластинах, выращенных эпитаксиально, со встроенным In Boron Rear Side Emitter» , в сб. 31-я сессия EUPVSEC, Гамбург, Германия, 2015 г., стр. 1000–1002.

[KobayashiWatabe2015-17] Кобаяши, Эйдзи; Ватабе, Ёшими; Хао, Жуйин; Рави, ТС (2015). «Высокоэффективные гетеропереходные солнечные элементы на пластинах монокристаллического кремния без прорезей n-типа методом эпитаксиального выращивания». Письма по прикладной физике . 106 (22): 223504. Бибкод : 2015АпФЛ.106в3504К . дои : 10.1063/1.4922196 . ISSN 0003-6951 .

[CariouChen2016-18] Кариу, Ромен; Чен, Ванхуа; Морис, Жан-Люк; Ю, Цзинвэнь; Патриархи, Жиль; Моген, Оливия; Ларго, Людовик; Декобер, Жан; Рока и Кабаррокас, Пере (2016). «Низкотемпературная плазма усиливает эпитаксиальный рост кремния CVD на GaAs: новая парадигма интеграции III-V/Si» . Научные отчеты . 6 : 25674. Бибкод : 2016NatSR...625674C . дои : 10.1038/srep25674 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4863370 . ПМИД 27166163 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]