Кіріспе

Эпитаксиалдық пластинка (эпи пластинка, эпи пластинка немесе эпипластинка деп те аталады) – фотоника, микроэлектроника, спинтроника немесе фотовольтаика салаларында қолдану үшін эпитаксиялық өсу (эпитаксия) арқылы жасалған жартылай өткізгіш материалдан жасалған пластинка. Эпи қабаты субстраттан жасалған материалмен бірдей болуы мүмкін, әдетте монокристалды кремний, немесе кремний диоксиді (SoI) немесе белгілі бір қасиеттері бар экзотикалық материал болуы мүмкін. Эпитаксияның мақсаты – төмендегі негізгі субстраттың кристалл құрылымын жетілдіріп, пластинка бетінің электрлік қасиеттерін жақсарту, осы арқылы оны өте күрделі микропроцессорлар мен жад құрылғылары үшін қолайлы ету.

Тарих

Кремнийлі эпи пластиналар алғаш рет 1966 жылы жасалып, 1980 жылдардың басында коммерциялық қолданысқа енді. Монокристалл кремний немесе басқа пластиналарға эпитаксиалды қабатты өсіру әдістеріне мыналар жатады: атмосфералық қысымдағы химиялық бу фазасы (APCVD) немесе металл-органикалық химиялық бу фазасы (MOCVD) сияқты химиялық бу фазасының (CVD) түрлі нұсқалары, сондай-ақ молекулалық сәулелі эпитаксия (MBE). Эпитаксиалды қабатты субстраттан бөлудің екі "қырсыз" әдісі (абразивті кесусіз) – "имплантациялық айыру" және "кернеу арқылы көтеру" деп аталады. Эпи қабаты мен субстрат бір материал болған жағдайда қолданылатын әдіс, иондық имплантация арқылы кристалл қоспа атомдарының жұқа қабатын және осымен байланысты механикалық кернеуді, жоспарланған эпи қабатының қалыңдығына сәйкес тереңдікке енгізеді. Тудырылған жергілікті кернеу, келесі айыру кезінде жарық таралуына бақыланатын жол ашады. Эпи қабаты мен субстрат әртүрлі материалдардан жасалған жағдайда қолданылатын құрғақ кернеу арқылы көтеру процесінде, эпи қабаты мен пластина арасындағы интерфейсте температураның өзгеруі арқылы, эпи қабаты мен субстраттың жылулық кеңею коэффициенттерінің айырмашылығына байланысты туындаған жылулық кернеулермен басқарылатын жарық пайда болады, жарықты таратуға қосымша сыртқы механикалық күш немесе құрал қажет емес. Бұл процесте бір атомдық жазықтықта айыру жүзеге асады, бұл көтеруден кейін жылтырату қажеттілігін азайтады және субстратты 10 ретке дейін қайта пайдалануға мүмкіндік береді.

Түрлері

Эпитаксиалдық қабаттар галлий нитриді (GaN), галлий арсениді (GaAs) немесе галлий, индий, алюминий, азот, фосфор немесе мырыш элементтерінің белгілі бір қажетті қасиеттері бар қосылыстардан құралуы мүмкін.

Фотоэлектрлік зерттеулер мен даму

Күн элементтері немесе күн сәулесінен электр қуатын өндіруге арналған фотоэлектр элементтері (ФЭ) химиялық бу жинақтау (КВД) арқылы монокристалл кремнийдің "тұқымдық" пластинкасында қалың эпипластиналар ретінде өсірілуі мүмкін, содан кейін белгілі бір стандартты қалыңдыққа (мысалы, 250 мкм) ие, өздігінен тұрақты пластинкаларға бөлінеді. Оларды қолмен ұстап, монокристалл кремнийден кесілген пластинка жасушаларының орнына тікелей қолдануға болады. Бұл әдіспен жасалған күн элементтері пластинкадан кесілген жасушалармен салыстырылатын тиімділікке ие болуы мүмкін, бірақ КВД жоғары өнімділікті желілік процесте атмосфералық қысымда жүргізілсе, айтарлықтай төмен құнмен. 2015 жылдың қыркүйек айында Фраунгофер Күн Энергиялық Жүйелері институты (Fraunhofer ISE) мұндай жасушалар үшін 20%-дан жоғары тиімділікке қол жеткізгенін хабарлады. Өндіріс тізбегін оңтайландыру Fraunhofer ISE-ден бөлініп, өндірісті коммерцияландыру мақсатымен құрылған NexWafe GmbH компаниясымен бірлесіп жүзеге асырылды. Эпитаксиалдық пластинкалардың беті жарық сіңіруді жақсарту үшін текстуралануы мүмкін. 2016 жылдың сәуір айында Санта-Клара, Калифорниядағы Crystal Solar компаниясы және Еуропалық зерттеу институты IMEC бірлесіп, 6 дюймдік (150 мм) пластинкаларда өсірілген nPERT (n-типті пассивтелген эмитер, артқы жағы толығымен диффузияланған) құрылымы бар эпитаксиалды кремний жасушасының 22,5% тиімділікке қол жеткізгенін мәлімдеді. 2015 жылдың қыркүйегінде Hanwha Q Cells Crystal Solar эпитаксиалды пластинкаларынан жасалған скринингпен басылған күн жасушалары үшін 21,4% (тәуелсіз расталған) түрлендіру тиімділігін ұсынды. 2015 жылдың маусым айында n-типті монокристалл кремний пластиналарында эпитаксиалды өсірілген гетерожүктемелі күн жасушаларының 243,4 см² жасушалық ауданында 22,5% тиімділікке жеткені хабарланды. 2016 жылы III-V көп қиылысты күн жасушаларының жоғары тиімділігін кремниймен байланысты экономикалық артықшылықтармен және тәжірибемен біріктіретін гибридті фотоэлектрлік пластинкаларды өндірудің жаңа әдісі сипатталды. III-V материалды қажетті жоғары температурада кремнийге өсірудегі техникалық қиындықтар, 30 жылдан бері зерттеліп келе жатқан мәселе, кремнийдің GaAs-та төмен температурада плазмалық химиялық бу жинақтау (PECVD) арқылы эпитаксиалды өсуімен шешілді.