用于生产高纯度晶体的20kW激光系统

电动汽车或光伏发电中的电力电子器件需要高纯度半导体晶体。当这种晶体的直径达到2英寸时，它们就适合工业应用。

日本和德国的研究人员现已开发出一种使用激光工艺生产此类晶体的方法，无需坩埚。亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT的团队开发了一种适用于20kW激光器的工艺适应光学系统。

激光二极管浮区(LDFZ)工艺的优点

在现代电气工程中，必须快速切换相对较高的功率。为了实现这一目标，电子器件基于宽带隙半导体，例如氧化镓(Ga2O3)。由于它的熔点约为1,800°C并且是从熔体中生长的，因此这种材料比其他宽带隙半导体(例如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN))更容易生产，这两种半导体都是使用化学气相沉积。

迄今为止，基于坩埚的方法(例如直拉法和边缘限定薄膜馈送生长(EFG)工艺)主要用于生产氧化镓晶体。然而，晶体的纯度受到坩埚材料扩散的限制。

通过以辐射形式提供热量，而不是通过坩埚提供热量，可以避免熔体的污染，这会导致多晶起始材料重熔成高纯度单晶。当然，这也可以通过加热灯来实现。然而，与加热灯相比，激光的发射不仅具有长期稳定性，而且激光还只向一个方向发射辐射，这意味着热量输入更有针对性。

此外，还可以根据加热过程优化激光束轮廓。可能的晶体直径与加热功率成比例，因此近年来激光二极管浮区(LDFZ)工艺使用了越来越强大的激光系统。

光学很重要

使用超过5kW的激光功率来生长晶体是一项新技术;到目前为止，类似的功率已用于成熟的激光材料加工方法，例如切割和焊接。用于此目的的光学系统必须仔细设计和冷却，因为即使小于1%的小损失也可能导致其在长期使用过程中损坏。

因此，位于亚琛的FraunhoferILT开发了一种水冷高性能光学系统，特别适用于LDFZ工艺。有了它，激光器发出的辐射最初被分成五个部分光束，每个部分的最大功率为4kW。然后，部分光束通过大型水冷镜进行偏转，从而均匀地加热装置中心的晶体，偏移恰好72°。

光学器件在亚琛进行安装和表征，然后转移给日本的项目合作伙伴。它们的安装符合流行病法规，亚琛项目经理MartinTraub博士对此感到满意。“通过视频会议进行调试确实很新颖，但效果很好。测试阶段取得了成功，系统可靠运行，直到项目计划结束。”

德日尖端研究

项目合作伙伴来自日本筑波科学城国家先进工业科学技术研究所(AIST)的ToshimitsuIto博士已经在LDFZ工艺方面获得了大量经验。该研究所能够在较低的激光功率下生产直径达12毫米的氧化镓晶体。

使用新的20kW系统，应该可以显着增加直径。在调试和初步测试熔化氧化镓原材料后，AIST使用新的LDFZ系统进行了晶体生长实验。

这些研究的结果将很快公布，但已经可以说的是，项目合作伙伴成功生长了直径达30毫米的晶体，这是有史以来使用无坩埚生长工艺生产的最大的氧化镓晶体。