Введение
Эпитаксиальная пластина (также называемая эпитаксиальной пластиной или эпитаксиальным слоем) – это пластина полупроводникового материала, изготовленная методом эпитаксиального роста (эпитаксии) для применения в фотонике, микроэлектронике, спинтронике или фотовольтаике. Эпитаксиальный слой может быть изготовлен из того же материала, что и подложка, как правило, монокристаллического кремния, либо из диоксида кремния (SoI) или более редкого материала с определенными желаемыми свойствами. Цель эпитаксии – улучшить кристаллическую структуру по сравнению с исходной подложкой и повысить электрические характеристики поверхности пластины, делая ее пригодной для создания высокосложных микропроцессоров и устройств памяти.
История
Кремниевые эпи-пластины были впервые разработаны примерно в 1966 году и получили коммерческое признание к началу 1980-х годов. Методы выращивания эпитаксиального слоя на монокристаллическом кремнии или других подложках включают в себя: различные виды химического осаждения из газовой фазы (CVD), классифицируемые как CVD при атмосферном давлении (APCVD) или металлоорганическое CVD (MOCVD), а также молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE). Два "безотходных" метода (без использования абразивной резки) для отделения эпитаксиального слоя от подложки называются "отщепление по имплантации" и "отслоение за счет напряжения". Метод, применимый, когда эпислой и подложка состоят из одного и того же материала, использует ионную имплантацию для внедрения тонкого слоя атомов кристаллических примесей и создания результирующего механического напряжения на заданной глубине, соответствующей требуемой толщине эпислоя. Возникающее локализованное напряжение обеспечивает контролируемый путь для распространения трещины на последующем этапе отщепления. В процессе сухого отслоения за счет напряжения, применимом, когда эпислой и подложка являются существенно различными материалами, контролируемая трещина инициируется изменением температуры на границе раздела эпислоя и подложки исключительно за счет тепловых напряжений, вызванных различием в коэффициентах теплового расширения между эпислоем и подложкой, без необходимости применения каких-либо внешних механических сил или инструментов для облегчения распространения трещины. Сообщалось, что этот процесс обеспечивает отщепление с точностью до одного атомного слоя, снижая потребность в последующей полировке и позволяя многократное повторное использование подложки до 10 раз.
Типы
Эпитаксиальные слои могут состоять из соединений, обладающих определенными желаемыми свойствами, таких как нитрид галия (GaN), арсенид галия (GaAs) или комбинация элементов галлия, индия, алюминия, азота, фосфора или мышьяка.
Исследования и разработки в области фотоэлектрической энергетики
Солнечные элементы, или фотоэлектрические элементы (ФЭ), для производства электрической энергии из солнечного света могут выращиваться в виде толстых эпитаксиальных пластин на монокристаллической кремниевой "затравочной" пластине методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), а затем отделяться в виде самоподдерживающихся пластин стандартной толщины (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную и которые могут непосредственно заменять вырезанные из монокристаллических слитков кремния пластинчатые элементы. Солнечные элементы, изготовленные по этой технологии, могут демонстрировать эффективность, приближающуюся к эффективности вырезанных пластин, но при значительно более низких затратах, если CVD может быть выполнено при атмосферном давлении в высокопроизводительном непрерывном процессе. В сентябре 2015 года Институт солнечной энергетики Фраунгофера (Fraunhofer ISE) объявил о достижении эффективности выше 20% для таких элементов. Оптимизация производственной цепочки осуществлялась в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, выделенной из Fraunhofer ISE для коммерциализации производства. Поверхность эпитаксиальных пластин может быть текстурирована для повышения поглощения света. В апреле 2016 года компания Crystal Solar из Санта-Клары, штат Калифорния, в сотрудничестве с европейским исследовательским институтом IMEC объявила о достижении эффективности 22,5% для эпитаксиального кремниевого элемента с nPERT-структурой (n-тип, пассивированный излучатель, полностью диффундированный задний контакт), выращенного на 6-дюймовых (150 мм) пластинах. В сентябре 2015 года Hanwha Q Cells представила достигнутую эффективность преобразования 21,4% (независимо подтвержденную) для трафаретно-печатных солнечных элементов, изготовленных из эпитаксиальных пластин Crystal Solar. В июне 2015 года сообщалось, что гетеропереходные солнечные элементы, выращенные эпитаксиально на монокристаллических кремниевых пластинах n-типа, достигли эффективности 22,5% на общей площади элемента 243,4 см². В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающий высокую эффективность многопереходных солнечных элементов на основе III-V соединений с экономичностью и накопленным опытом, связанным с кремнием. Технические сложности, связанные с выращиванием материала III-V на кремнии при требуемых высоких температурах, проблема, изучаемая около 30 лет, решаются путем эпитаксиального роста кремния на GaAs при низкой температуре с использованием плазменно-усиленного химического осаждения из газовой фазы (PECVD).