Language
Country/Area
No result found
Удивительная сила монокристаллического кремния: почему он является строительным блоком современной электроники?
Монокристаллический кремний, часто называемый монокристаллическим кремнием или просто моно-Si, — это материал, который имеет решающее значение в современных электронных устройствах и фотоэлектрических технологиях. Являясь основой для дискретных компонентов и интегральных схем на основе кремния, он играет ключевую роль практически во всех современных электронных устройствах — от компьютеров до смартфонов. Кроме того, монокристаллический кремний используется как высокоэффективный светопоглощающий материал при производстве солнечных элементов, что делает его незаменимым в области возобновляемой энергетики.
«Кристаллическая решетка монокристаллического кремния непрерывна и не имеет границ зерен».
Свойства монокристаллического кремния делают его особенно важным в полупроводниковых приложениях. Он может состоять только из очень чистого кремния в качестве собственного полупроводника, или его можно легировать путем добавления других элементов, таких как бор или фосфор, для создания кремния p-типа или n-типа. Это полупроводниковое свойство сделало монокристаллический кремний важнейшим технологическим материалом за последние несколько десятилетий, ознаменовав наступление «кремниевого века». Его низкая стоимость и доступность являются важной основой для развития современных электронных продуктов и революции в области информационных технологий.
Монокристаллический кремний отличается от других аллотропных форм, таких как аморфный кремний, который используется в тонкопленочных солнечных элементах, и поликристаллический кремний, который состоит из мелких кристаллов. Эти различия определяют их различную производительность и стоимость.
Производственный процесс
Монокристаллический кремний обычно изготавливается с помощью методов, включающих плавление высокочистого полупроводникового кремния и использование затравочного кристалла для инициирования образования сплошного монокристалла. Этот процесс обычно выполняется в инертной атмосфере, например, аргона, и в инертном тигле, например, кварцевом, чтобы избежать примесей, которые могут повлиять на однородность кристалла.
«Наиболее распространенной технологией производства является метод Чохральского, позволяющий производить однопластинчатые слитки длиной до 2 метров и весом в несколько сотен килограммов».
В методе Чохральского точно ориентированный затравочный кристалл в форме стержня опускается в расплавленный кремний, а затем медленно вытягивается и вращается, позволяя вытянутому материалу затвердеть в монокристаллическую округлую полоску. В ходе этого процесса также могут применяться магнитные поля для контроля и подавления турбулентного потока, что еще больше улучшает однородность кристалла. К другим методам производства относятся метод зонной плавки и метод Бриджмена, в которых также используется нагрев внутри капсулы с градиентом температуры для стимуляции роста кристаллов.
Затвердевшие круглые прутки разрезаются на тонкие пластины и подвергаются дальнейшей обработке для подготовки к производству. По сравнению с литьем многопластинчатых слитков процесс производства монокристаллического кремния является относительно медленным и дорогостоящим. Однако благодаря своим превосходным электронным свойствам спрос на монокристаллический кремний продолжает расти.
Применение в электронике
Основное применение монокристаллического кремния — производство дискретных компонентов и интегральных схем. Круглые стержни, изготовленные методом Чохральского, разрезаются на пластины толщиной около 0,75 мм, на которых с помощью различных микропроцессов, таких как легирование, ионная имплантация, травление и напыление тонких пленок, изготавливаются микроэлектронные устройства.
«Единственный непрерывный кристалл имеет решающее значение для электроники, поскольку границы зерен, примеси и дефекты кристалла могут существенно влиять на локальные электронные свойства материала».
Без совершенства кристаллов было бы практически невозможно создавать сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие миллиарды транзисторных схем, которые должны работать надежно. По этой причине электронная промышленность вложила значительные средства в мощности по производству крупных монокристаллов кремния.
Применение в солнечных батареях
Монокристаллический кремний также используется в высокопроизводительных фотоэлектрических устройствах. Поскольку требования к структурным дефектам не такие строгие, как для микроэлектронных приложений, для производства солнечных элементов часто используется кремний солнечного класса (Sog-Si) несколько более низкого качества. Однако развитие отрасли фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния выиграло от быстрого прогресса методов производства монокристаллического кремния в электронной промышленности.
Доля рынка и эффективность
Являясь второй по распространенности фотоэлектрической технологией, монокристаллический кремний уступает только своему родственному продукту — мультикристаллическому кремнию. Несмотря на то, что мультикристаллический кремний производится быстрее, а его стоимость продолжает падать, доля монокристаллического кремния на рынке постепенно снижается с 2013 года: в том году доля рынка монокристаллических кремниевых солнечных элементов составляла 36%, что соответствует 12,6 ГВт PV-мощности, но к 2016 году доля рынка монокристаллических кремниевых солнечных элементов выросла до 1,37 ГВт. В 2017 году ее доля рынка упала ниже 25%.
«Лабораторная эффективность монокристаллических кремниевых ячеек достигла 26,7%, что является самой высокой подтвержденной эффективностью преобразования среди всех коммерческих фотоэлектрических технологий».
КПД фотоэлектрических модулей из монокристаллического кремния в 2016 году достиг 24,4%. В некоторых приложениях, особенно там, где имеются ограничения по весу или доступной площади, высокая эффективность монокристаллических кремниевых солнечных элементов особенно важна.
Проблемы и сравнения в производстве
Помимо неэффективной производительности, существует также проблема отходов материалов в процессе производства. В процессе резки круглых пластин материал с левой стороны часто не используется полностью и либо выбрасывается, либо перерабатывается и переплавляется. Однако технологический прогресс показывает, что в будущем толщина пластины будет уменьшена до менее 140 мкм. Другие методы производства, такие как прямое выращивание пластин, также изучаются в надежде сократить отходы в традиционных процессах резки за счет новых методов.
Монокристаллический кремний существенно отличается от других форм кремния, таких как поликристаллический кремний и аморфный кремний. Поликристаллический кремний состоит из множества зерен и дешевле в производстве, но имеет более низкую эффективность; аморфный кремний в основном используется в тонкопленочных солнечных элементах. Хотя он легкий и гибкий, он крайне неэффективен. Выбор различных типов кремния постоянно влияет на технические требования и экономические соображения различных областей применения.
По мере развития технологий вопрос о том, как эффективно сбалансировать затраты и эффективность, станет вопросом, который необходимо учитывать при будущем развитии фотоэлектрической и электронной промышленности.
