Монокристаллический кремний - Monocrystalline silicon

А кремниевый слиток

Монокристаллический кремний, чаще называют монокристаллический кремний, короче моно c-Si или же моно-Si, является основным материалом для кремниевых дискретные компоненты и интегральные схемы используется практически во всем современном электронном оборудовании. Mono-Si также служит фотоэлектрический, светопоглощающий материал при изготовлении солнечные батареи.

Это состоит из кремний в которой кристаллическая решетка всего твердого тела является непрерывным, непрерывным до краев и без каких-либо границы зерен. Моно-Si можно приготовить как собственный полупроводник который состоит только из исключительно чистого кремния, или может быть допированный путем добавления других элементов, таких как бор или же фосфор сделать р-тип или же n-тип кремний.[1] Из-за своего полупроводник свойств, монокристаллический кремний, пожалуй, самый важный технологический материал последних десятилетий - «кремниевой эры»,[2] потому что его доступность по доступной цене была важна для разработки электронных устройств, на которых современная электроника и ЭТО революция основана.

Монокристаллический кремний отличается от других аллотропный формы, такие как некристаллические аморфный кремний -используется в тонкопленочные солнечные элементы -и поликристаллический кремний, состоящий из мелких кристаллов, известных как кристаллиты.

Производство

Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких методов, которые включают плавление высокочистого кремния полупроводникового качества (всего несколько частей на миллион примесей) и использование семя инициировать образование сплошного монокристалла. Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, такой как аргон, и в инертном тигле, таком как кварц, чтобы избежать примесей, которые могут повлиять на однородность кристалла.

Наиболее распространенная технология производства - Метод Чохральского, который погружает точно ориентированный стержневой затравочный кристалл 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] Другие методы зона плавки, который пропускает стержень поликристаллического кремния через спираль радиочастотного нагрева, которая 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] Затем затвердевшие слитки нарезают тонкими ломтиками. вафли во время процесса, называемого вафли. 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 обеспечивает лучший поток носителей заряда и предотвращает появление электронов. рекомбинация[5]—Позволяет улучшить характеристики интегральных схем и фотоэлектрических элементов.

В электронике

Основная статья: Изготовление полупроводниковых приборов

Основное применение монокристаллического кремния - производство дискретные компоненты и интегральные схемы. Слитки, полученные методом Чохральского, разрезаются на пластины толщиной около 0,75 мм и полируются до получения правильной плоской подложки, на которую микроэлектроника устройства построены через различные микротехнология процессы, такие как допинг или же ионная имплантация, травление, отложение из различных материалов, и фотолитографический выкройка.

Монохромный сплошной кристалл критичен для электроники, поскольку границы зерен примеси, и кристаллографические дефекты может значительно повлиять на локальные электронные свойства материала, что, в свою очередь, влияет на функциональность, производительность и надежность полупроводниковые приборы вмешиваясь в их правильную работу. Например, без кристаллического совершенства было бы практически невозможно построить очень крупномасштабная интеграция (СБИС) устройств, в которых миллиарды[6] транзисторных схем, каждая из которых должна надежно работать, объединены в одну микросхему и образуют микропроцессор. Таким образом, электронная промышленность вложила значительные средства в оборудование для производства крупных монокристаллов кремния.

В солнечных батареях

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

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

Рыночная доля

Монокристаллический кремний, будучи второй по распространенности формой фотоэлектрической технологии, уступает только своей сестре, поликристаллический кремний. Из-за значительно более высоких темпов производства и неуклонно снижающейся стоимости поликремния рыночная доля моно-Si снижается: в 2013 году доля рынка монокристаллических солнечных элементов составила 36%, что привело к производству 12,6 ГВт электроэнергии. фотоэлектрическая мощность,[7] но к 2016 году доля рынка упала ниже 25%. Несмотря на сокращение доли рынка, эквивалентная мощность фотоэлектрических панелей на основе моно-Si, произведенная в 2016 году, составила 20,2 ГВт, что свидетельствует о значительном росте общего производства фотоэлектрических технологий.[8]

Эффективность

С зарегистрированной лабораторной эффективностью однопереходной ячейки 26,7% монокристаллический кремний имеет наивысшую подтвержденную эффективность преобразования из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, опережая поли-Si (22,3%) и установленный тонкопленочные технологии, Такие как Ячейки CIGS (21.7%), CdTe клетки (21,0%), и клетки a-Si (10.2%). Солнечный модуль КПД моно-Si, который всегда ниже, чем у соответствующих элементов, наконец, пересек отметку 20% в 2012 году и достиг 24,4% в 2016 году.[9] Высокая эффективность во многом 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 моно-Si 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

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 уменьшит толщину пластин до 140 мкм к 2026 году.[10]

Изучаются другие методы производства, например, прямая вафельная эпитаксиальный рост, 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]

Внешность

Рекомендации

  1. ^ Monkowski, J. R .; Bloem, J .; Giling, L.J .; Graef, M. W. M. (1979). «Сравнение внедрения допанта в поликристаллический и монокристаллический кремний». Appl. Phys. Латыш. 35 (5): 410–412. Дои:10.1063/1.91143.
  2. ^ W.Heywang, K.H. Zaininger, Кремний: полупроводниковый материал, в Кремний: эволюция и будущее технологии, P.Siffert, E.F.Krimmel eds., Springer Verlag, 2004.
  3. ^ Wang, C .; Zhang, H .; Wang, T. H .; Ciszek, T. F. (2003). «Система непрерывного выращивания кристаллов кремния Чохральского». Журнал роста кристаллов. 250 (1–2): 209–214. Дои: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. ^ Wenham, S. R .; Грин, М. А .; Watt, M.E .; 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. ^ Фотоэлектрический отчет, Fraunhofer ISE, 28 июля 2014 г.
  8. ^ Фотоэлектрический отчет, Fraunhofer ISE, 26 февраля 2018 г.
  9. ^ Грин, Мартин А.; Хисикава, Ёсихиро; Dunlop, Ewan D .; Леви, Дин Х .; Холь-Эбингер, Йохен; Хо-Бэйли, Анита В. Ю. (1 января 2018 г.). «Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 51)». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 26 (1): 3–12. Дои:10.1002 / пункт. 2978. ISSN  1099–159X.
  10. ^ Отчет о технологиях солнечной энергетики за 2015–2016 годы, Canadian Solar, октябрь 2016 г.
  11. ^ Скэнлон, Билл (27 августа 2014 г.). «Crystal Solar и NREL объединяются, чтобы сократить расходы». NREL. Получено 2018-03-01.