Epitaxialwafer – Wikipedia

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Ein Epitaxiewafer[1] (auch genannt Epi Wafer,[2]Epi-Wafer,[3] oder Epiwafer[4]) ist ein Wafer aus Halbleitermaterial, das durch epitaktisches Wachstum (Epitaxie) zur Verwendung in der Photonik, Mikroelektronik, Spintronik oder Photovoltaik hergestellt wird. Die Epischicht kann das gleiche Material wie das Substrat sein, typischerweise monokristallines Silizium, oder es kann ein exotischeres Material mit spezifischen wünschenswerten Eigenschaften sein.

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Silizium-Epi-Wafer wurden erstmals um 1966 entwickelt und erlangten Anfang der 1980er Jahre kommerzielle Akzeptanz.[5] Verfahren zum Aufwachsen der Epitaxieschicht auf monokristallinem Silizium oder anderen Wafern umfassen: verschiedene Arten der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), die als Atmosphärendruck-CVD (APCVD) oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) klassifiziert sind, sowie Molekularstrahlepitaxie (MBE) .[6]

Zwei “kerflose” Verfahren (ohne Schleifsägen) zum Trennen der Epitaxieschicht vom Substrat werden als “Implantatspaltung” und “Spannungsabbau” bezeichnet. Ein Verfahren, das anwendbar ist, wenn die Epischicht und das Substrat das gleiche Material sind, verwendet eine Ionenimplantation, um eine dünne Schicht von Kristallverunreinigungsatomen und die daraus resultierende mechanische Spannung in der genauen Tiefe der beabsichtigten Epischichtdicke abzuscheiden. Die induzierte lokalisierte Spannung liefert einen kontrollierten Weg für die Rissausbreitung im folgenden Spaltschritt.[7] Bei dem Trockenspannungs-Abhebeverfahren, das anwendbar ist, wenn die Epischicht und das Substrat geeignet unterschiedliche Materialien sind, wird ein kontrollierter Riss durch eine Temperaturänderung an der Epi / Wafer-Grenzfläche allein durch die thermischen Spannungen aufgrund der Nichtübereinstimmung der Wärmeausdehnung zwischen dem Material angetrieben Epischicht und Substrat, ohne dass eine äußere mechanische Kraft oder ein Werkzeug zur Unterstützung der Rissausbreitung erforderlich ist. Es wurde berichtet, dass dieser Prozess eine Spaltung einer einzelnen Atomebene ergibt, wodurch die Notwendigkeit des Polierens nach dem Abheben verringert wird und eine mehrfache Wiederverwendung des Substrats bis zu 10-mal möglich ist.[8]

Die Epitaxieschichten können aus Verbindungen mit besonders wünschenswerten Merkmalen wie Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) oder einer Kombination der Elemente Gallium, Indium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor oder Arsen bestehen.[9]

Forschung und Entwicklung im Bereich Photovoltaik[edit]

Solarzellen oder Photovoltaikzellen (PV) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht können als dicke Epi-Wafer auf einem monokristallinen Silizium- “Keim” -Wafer durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet und dann als selbsttragende Wafer mit einer Standarddicke abgelöst werden (z. B. 250 μm), die von Hand manipuliert und direkt aus Waferzellen ersetzt werden können, die aus monokristallinen Siliziumblöcken geschnitten wurden. Mit dieser Technik hergestellte Solarzellen können Wirkungsgrade aufweisen, die denen von Wafer-Cut-Zellen nahe kommen, jedoch zu erheblich geringeren Kosten, wenn die CVD bei atmosphärischem Druck in einem Inline-Verfahren mit hohem Durchsatz durchgeführt werden kann. Im September 2015 gab das Fraunhofer-Institut für Solarenergiesysteme (Fraunhofer ISE) die Erreichung eines Wirkungsgrades von über 20% für solche Zellen bekannt. Die Arbeiten zur Optimierung der Produktionskette wurden in Zusammenarbeit mit der NexWafe GmbH durchgeführt, einem aus dem Fraunhofer ISE ausgegliederten Unternehmen zur Kommerzialisierung der Produktion.[10][11] Die Oberfläche von Epitaxiewafern kann strukturiert sein, um die Lichtabsorption zu verbessern.[12][13] Im April 2016 wurde das Unternehmen Kristall Solar aus Santa Clara, Kalifornien, gab in Zusammenarbeit mit dem europäischen Forschungsinstitut IMEC bekannt, dass sie einen Zellwirkungsgrad von 22,5% einer epitaktischen Siliziumzelle mit einer nPERT-Struktur (passivierter Emitter vom n-Typ, vollständig diffundierte Rückseite) auf 6 Zoll ( 150 mm) Wafer.[14] Im September 2015 Hanwha Q Cells präsentierten eine erreichte Umwandlungseffizienz von 21,4% (unabhängig bestätigt) für siebgedruckte Solarzellen, die mit epitaktischen Crystal Solar-Wafern hergestellt wurden.[15]

Im Juni 2015 wurde berichtet, dass epitaktisch auf monokristallinen Siliziumwafern vom n-Typ gewachsene Heteroübergangssolarzellen über eine Gesamtzellfläche von 243,4 cm einen Wirkungsgrad von 22,5% erreicht hatten

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.[16]

2016 wurde ein neuer Ansatz zur Herstellung von Hybrid-Photovoltaik-Wafern beschrieben, der den hohen Wirkungsgrad von III-V-Mehrfachsolarzellen mit den mit Silizium verbundenen Einsparungen und Erfahrungsschätzen kombiniert. Die technischen Komplikationen beim Züchten des III-V-Materials auf Silizium bei den erforderlichen hohen Temperaturen, die seit etwa 30 Jahren untersucht werden, werden durch epitaktisches Wachstum von Silizium auf GaAs bei niedriger Temperatur durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) vermieden.[17]

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Verweise[edit]

  1. ^ Swinger, S. 20, 21, 40, 47.
  2. ^ Claeys, Cor L. (2006). Hochreines Silizium 9, Ausgabe 4. Die elektrochemische Gesellschaft. p. 162. ISBN 9781566775045.
  3. ^ Hua, YN Identifizierung von kristallinen Siliziumdefekten auf Epi-Wafer bei der Waferherstellung. Chartered Semiconductor Mfg. Ltd., 2001.
  4. ^ Szweda, R. Materialien und Geräte für Diodenlaser – Ein weltweiter Markt- und Technologieüberblick bis 2005. Elsevier, 2001. px
  5. ^ Swinger, S. 20–22.
  6. ^ III-V-Technologie zur Herstellung integrierter Schaltkreise: Herstellung, Integration und Anwendungen. CRC Drücken Sie. 2016. S. 97–136. ISBN 9789814669313.
  7. ^ US 9336989, Henley, Francois J., “Verfahren zum Abspalten einer dünnen Saphirschicht von einem Schüttgut durch Implantieren mehrerer Partikel und Durchführen eines kontrollierten Spaltprozesses”, veröffentlicht am 10. Mai 2016
  8. ^ Farah, John; Nicholson, John; Thirunavukkarasu, Sekar; Wasmer, Kilian (2014). “Trocken-epitaktisches Abheben für hocheffiziente Solarzellen”. 2014 IEEE 40. Photovoltaik-Fachkonferenz: 1796–1801. doi:10.1109 / PVSC.2014.6925271. ISBN 978-1-4799-4398-2. S2CID 25203578.
  9. ^ III-V-Technologie zur Herstellung integrierter Schaltkreise: Herstellung, Integration und Anwendungen. CRC Drücken Sie. 2016. ISBN 9789814669313.
  10. ^ Janz, Stefan; Reber, Stefan (14. September 2015). “20% effiziente Solarzelle auf EpiWafer”. Fraunhofer ISE. Abgerufen 15. Oktober 2015.
  11. ^ Drießen, Marion; Amiri, Diana; Milenkovic, Nena; Steinhauser, Bernd; Lindekugel, Stefan; Benick, Jan; Reber, Stefan; Janz, Stefan (2016). “Solarzellen mit 20% Wirkungsgrad und Lebensdauerbewertung von Epitaxiewafern”. Energieverfahren. 92: 785–790. doi:10.1016 / j.egypro.2016.07.069. ISSN 1876-6102.
  12. ^ Gaucher, Alexandre; Cattoni, Andrea; Dupuis, Christophe; Chen, Wanghua; Cariou, Romain; Foldyna, Martin; Lalouat, Loı̈c; Drouard, Emmanuel; Seassal, Christian; Roca i Cabarrocas, Pere; Collin, Stéphane (2016). “Ultradünne epitaktische Siliziumsolarzellen mit invertierten Nanopyramiden-Arrays für einen effizienten Lichteinfang”. Nano-Briefe. 16 (9): 5358. Bibcode:2016NanoL..16.5358G. doi:10.1021 / acs.nanolett.6b01240. PMID 27525513.
  13. ^ Chen, Wanghua; Cariou, Romain; Foldyna, Martin; Depauw, Valerie; Trompoukis, Christos; Drouard, Emmanuel; Lalouat, Loic; Harouri, Abdelmounaim; Liu, Jia; Fave, Alain; Orobtchouk, Régis; Mandorlo, Fabien; Seassal, Christian; Massiot, Inès; Dmitriev, Alexandre; Lee, Ki-Dong; Cabarrocas, Pere Roca i (2016). “Auf Nanophotonik basierende epitaktische kristalline Siliziumsolarzellen mit niedriger Temperatur von PECVD”. Zeitschrift für Physik D: Angewandte Physik. 49 (12): 125603. Bibcode:2016JPhD … 49l5603C. doi:10.1088 / 0022-3727 / 49/12/125603. ISSN 0022-3727.
  14. ^ Prophet Graham (18. April 2016). “Billigere Solarzellen durch kerflose Wafer”. EE Times (Europa). European Business Press SA. Abgerufen 3. Januar 2017.
  15. ^ V. Mertens, S. Bordihn, A. Mohr, K. Petter, JW Müller, DJW Jeong, R. Hao, TS Ravi, “21,4% effizienter Vollsiebdruck n-Typ Solarzelle auf epitaktisch gewachsenen Siliziumwafern mit eingebautem Bor-Rückseitenemitter “in Proc. 31. EUPVSEC, Hamburg, Deutschland 2015, S. 1000–1002.
  16. ^ Kobayashi, Eiji; Watabe, Yoshimi; Hao, Ruiying; Ravi, TS (2015). “Hocheffiziente Heteroübergangssolarzellen auf kerfless monokristallinen Siliziumwafern vom n-Typ durch epitaktisches Wachstum”. Angewandte Physik Briefe. 106 (22): 223504. Bibcode:2015ApPhL.106v3504K. doi:10.1063 / 1.4922196. ISSN 0003-6951.
  17. ^ Cariou, Romain; Chen, Wanghua; Maurice, Jean-Luc; Yu, Jingwen; Patriarche, Gilles; Mauguin, Olivia; Largeau, Ludovic; Decobert, Jean; Roca i Cabarrocas, Pere (2016). “Niedertemperaturplasma verstärkte das epitaktische CVD-Wachstum von Silizium auf GaAs: ein neues Paradigma für die III-V / Si-Integration”. Wissenschaftliche Berichte. 6: 25674. Bibcode:2016NatSR … 625674C. doi:10.1038 / srep25674. ISSN 2045-2322. PMC 4863370. PMID 27166163.


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