Монокристаллический кремний , чаще называемый монокристаллическим кремнием , сокращенно mono c-Si или mono-Si , является базовым материалом для дискретных компонентов на основе кремния и интегральных схем , используемых практически во всем современном электронном оборудовании. Mono-Si также служит фотоэлектрическим , светопоглощающим материалом при производстве солнечных элементов .
Он состоит из кремния, в котором кристаллическая решетка всего твердого тела непрерывна, не нарушена до краев и не имеет границ зерен (т. е. представляет собой монокристалл ). Mono-Si можно получить как собственный полупроводник , состоящий только из чрезвычайно чистого кремния, или его можно легировать путем добавления других элементов, таких как бор или фосфор , для получения кремния p-типа или n-типа . [1] Благодаря своим полупроводниковым свойствам монокристаллический кремний является, пожалуй, самым важным технологическим материалом последних нескольких десятилетий — «кремниевой эры». [2] Его доступность по доступной цене была необходима для разработки электронных устройств, на которых основана современная революция в области электроники и информационных технологий .
Монокристаллический кремний отличается от других аллотропных форм, таких как некристаллический аморфный кремний , используемый в тонкопленочных солнечных элементах , и поликристаллический кремний , который состоит из небольших кристаллов, известных как кристаллиты .
Монокристаллический кремний обычно создается одним из нескольких методов, которые включают плавление кремния высокой чистоты полупроводникового качества (всего несколько частей на миллион примесей) и использование затравки для инициирования образования 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 распространенной технологией производства является метод Чохральского , при котором точно ориентированный затравочный кристалл, закрепленный на стержне , погружается в расплавленный кремний. Затем стержень медленно вытягивают вверх и одновременно вращают, позволяя вытянутому материалу затвердеть в монокристаллический цилиндрический слиток длиной до 2 метров и весом несколько сотен килограммов. Магнитные поля также могут применяться для контроля и подавления турбулентного потока, что еще больше улучшает однородность кристаллизации. [3] Другими методами являются зонная плавка , при которой стержень из поликристаллического кремния проходит через радиочастотную нагревательную катушку, которая создает локализованную расплавленную зону, из которой растет слиток затравочного кристалла, и методы Бриджмена , которые перемещают тигель через температурный градиент для его охлаждения. от конца контейнера, содержащего семена. [4] Затвердевшие слитки затем нарезаются на тонкие пластины в ходе процесса, называемого вафлями . После обработки пластины готовы к использованию в производстве.
По сравнению с литьем 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 рекомбинацию электронов [5] — что позволяет улучшить производительность интегральных схем и фотогальваники.
Основное применение монокристаллического кремния – производство дискретных компонентов и интегральных схем . Слитки, изготовленные методом Чохральского, нарезаются на пластины толщиной около 0,75 мм и полируются до получения регулярной плоской подложки, на которую строятся микроэлектронные устройства с помощью различных процессов микропроизводства , таких как легирование или ионная имплантация , травление , осаждение различных материалов и т. д. фотолитографический рисунок.
Одиночный непрерывный кристалл имеет решающее значение для электроники, поскольку границы зерен, примеси и кристаллографические дефекты могут существенно влиять на локальные электронные свойства материала, что, в свою очередь, влияет на функциональность, производительность и надежность полупроводниковых устройств , мешая их правильной работе. Например, без кристаллического совершенства было бы практически невозможно создать устройства сверхбольшой интеграции (СБИС), в которых миллиарды [6] транзисторных схем, каждая из которых должна функционировать надежно, объединены в один кристалл для образуют микропроцессор. Таким образом, электронная промышленность вложила значительные средства в мощности по производству крупных монокристаллов кремния.
Монокристаллический кремний также используется в высокопроизводительных фотоэлектрических (PV) устройствах. Поскольку требования к структурным недостаткам менее строгие по сравнению с приложениями в микроэлектронике, для солнечных элементов часто используется кремний более низкого качества солнечного качества (Sog-Si). Несмотря на это, фотоэлектрическая промышленность монокристаллического кремния получила большую выгоду от разработки более быстрых методов производства монокремния для электронной промышленности.
Монокристаллический кремний, являющийся второй наиболее распространенной формой фотоэлектрических технологий, уступает только своему сестре — поликристаллическому кремнию . Из-за значительно более высоких темпов производства и стабильно снижающейся стоимости поликремния доля рынка моно-кремния снижается: в 2013 году монокристаллические солнечные элементы имели долю рынка 36%, что привело к производству 12,6 ГВт энергии. фотоэлектрические мощности, [7] , но к 2016 году доля рынка упала ниже 25%. Несмотря на снижение доли рынка, эквивалентная фотоэлектрическая мощность моно-Si, произведенная в 2016 году, составила 20,2 ГВт, что указывает на значительный рост общего производства фотоэлектрических технологий. [8]
При зарегистрированном лабораторном КПД однопереходных ячеек 26,7% монокристаллический кремний имеет самую высокую подтвержденную эффективность преобразования среди всех коммерческих фотоэлектрических технологий, опережая поли-Si (22,3%) и признанные тонкопленочные технологии , такие как элементы CIGS (21,7%). %), ячейки CdTe (21,0%) и ячейки a-Si (10,2%). КПД солнечных модулей для моно-Si, которые всегда ниже, чем у соответствующих элементов, наконец пересек отметку в 20% в 2012 году и достиг 24,4% в 2016 году. [9] Высокая эффективность во многом объясняется отсутствием мест рекомбинации. в монокристалле и лучшее поглощение фотонов благодаря черному цвету по сравнению с характерным синим оттенком поликремния. Поскольку они дороже, чем их поликристаллические аналоги, моно-кремниевые элементы полезны для применений, где основными соображениями являются ограничения по весу или доступной площади.
Помимо низкой производительности, существуют также опасения по поводу отходов материала в производственном процессе. Для создания компактных солнечных панелей необходимо разрезать круглые пластины (продукт цилиндрических слитков, полученных в процессе Чохральского) на восьмиугольные ячейки, которые можно упаковать близко друг к другу. Оставшийся материал не используется для создания фотоэлектрических элементов и либо выбрасывается, либо перерабатывается, возвращаясь в производство слитков для плавки. Более того, даже несмотря на то, что элементы моно-Si могут поглощать большую часть фотонов в пределах 20 мкм от падающей поверхности, ограничения процесса распиловки слитков означают, что толщина коммерческой пластины обычно составляет около 200 мкм. Однако ожидается, что развитие технологий позволит уменьшить толщину пластин до 140 мкм к 2026 году. [10]
В настоящее время исследуются другие методы производства, такие как прямой эпитаксиальный рост пластин , который включает выращивание газовых слоев на кремниевых подложках многократного использования. Новые процессы могут позволить выращивать квадратные кристаллы, которые затем можно будет перерабатывать в более тонкие пластины без ущерба для качества и эффективности, тем самым устраняя отходы от традиционных методов распиловки и резки слитков. [11]
