Una oblea epitaxial [1] (también llamada oblea epi , [2] oblea epi , [3] o epiwafer [4] ) es una oblea de material semiconductor fabricada por crecimiento epitaxial ( epitaxia ) para uso en fotónica , microelectrónica , espintrónica , o fotovoltaica . La capa de epi puede ser del mismo material que el sustrato, típicamente silicio monocristalino , o puede ser un material más exótico con cualidades deseables específicas.
Las obleas de silicio epi se desarrollaron por primera vez alrededor de 1966 y alcanzaron la aceptación comercial a principios de la década de 1980. [5] Los métodos para hacer crecer la capa epitaxial en silicio monocristalino u otras obleas incluyen: varios tipos de deposición química de vapor (CVD) clasificada como CVD a presión atmosférica (APCVD) o deposición química de vapor orgánico metálico (MOCVD), así como epitaxia de haz molecular (MBE). [6] Dos " kerfless métodos" (sin aserrado abrasivo) para separar la capa epitaxial del sustrato se llaman "implante-Cleave" y "despegue estrés". Un método aplicable cuando la capa de epi y el sustrato son el mismo material emplea la implantación de iones para depositar una capa delgada de átomos de impureza cristalina y la tensión mecánica resultante a la profundidad precisa del espesor de capa de epi previsto. La tensión localizada inducida proporciona un camino controlado para la propagación de grietas en el siguiente paso de escisión. [7] En el proceso de despegue de estrés seco aplicable cuando la capa de epi y el sustrato son materiales adecuadamente diferentes, una grieta controlada es impulsada por un cambio de temperatura en la interfaz epi / oblea puramente por los esfuerzos térmicos debido al desajuste en la temperatura. expansión entre la capa de epi y el sustrato, sin la necesidad de ninguna fuerza mecánica externa o herramienta para ayudar a la propagación de grietas. Se informó que este proceso produce una escisión en un solo plano atómico, lo que reduce la necesidad de pulido posterior al despegue y permite múltiples reutilizaciones del sustrato hasta 10 veces. [8]
Las capas epitaxiales pueden consistir en compuestos con características deseables particulares tales como nitruro de galio (GaN), arseniuro de galio (GaAs) o alguna combinación de los elementos galio , indio , aluminio , nitrógeno , fósforo o arsénico . [9]
Investigación y desarrollo fotovoltaico
Las células solares , o células fotovoltaicas (PV) para producir energía eléctrica a partir de la luz solar, se pueden cultivar como obleas de epi gruesas en una oblea de "semilla" de silicio monocristalino mediante deposición de vapor químico (CVD), y luego se pueden separar como obleas autoportantes de un grosor estándar (p. ej., 250 μm) que pueden manipularse a mano y sustituirse directamente por células de obleas cortadas a partir de lingotes de silicio monocristalino. Las células solares fabricadas con esta técnica pueden tener eficiencias cercanas a las de las células cortadas en obleas, pero a un costo considerablemente menor si la CVD se puede realizar a presión atmosférica en un proceso en línea de alto rendimiento. En septiembre de 2015, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) anunció el logro de una eficiencia superior al 20% para este tipo de células. El trabajo de optimización de la cadena de producción se realizó en colaboración con NexWafe GmbH, una empresa escindida de Fraunhofer ISE para comercializar la producción. [10] [11] La superficie de las obleas epitaxiales puede tener textura para mejorar la absorción de la luz. [12] [13] En abril de 2016, la empresa Crystal Solar de Santa Clara, California , en colaboración con el instituto de investigación europeo IMEC, anunció que lograron una eficiencia celular del 22,5% de una celda de silicio epitaxial con un nPERT (tipo n pasivado emisor, trasero totalmente difuso) crecido en obleas de 6 pulgadas (150 mm). [14] En septiembre de 2015, Hanwha Q Cells presentó una eficiencia de conversión alcanzada del 21,4% (confirmada de forma independiente) para las células solares serigrafiadas fabricadas con obleas epitaxiales Crystal Solar. [15]
En junio de 2015, se informó que las células solares de heterounión cultivadas epitaxialmente en obleas de silicio monocristalino de tipo n habían alcanzado una eficiencia del 22,5% sobre un área celular total de 243,4 cm.. [dieciséis]
En 2016, se describió un nuevo enfoque para producir obleas fotovoltaicas híbridas que combinaban la alta eficiencia de las células solares de unión múltiple III-V con las economías y la gran experiencia asociadas con el silicio. Las complicaciones técnicas involucradas en el cultivo del material III-V en silicio a las altas temperaturas requeridas, un tema de estudio durante unos 30 años, se evitan mediante el crecimiento epitaxial de silicio en GaAs a baja temperatura mediante la deposición de vapor químico mejorada con plasma (PECVD). [17]
Referencias
- Swinger, Patricia. Construyendo sobre el pasado, listo para el futuro: Celebración Un cincuentenario de MEMC Electronic Materials, Inc. . The Donning Company , 2009.
Notas
- ^ Swinger, págs.20, 21, 40, 47.
- ^ Claeys, Cor L. (2006). Silicio de alta pureza 9, número 4 . La Sociedad Electroquímica. pag. 162. ISBN 9781566775045.
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