用于生产高纯度晶体的20kWC激光系统是真的还是假的？

电动汽车或光伏发电中的电力电子设备需要高纯度半导体晶体。当这种晶体的直径达到 2 英寸时，它们就变得与工业应用相关。

来自日本和德国的研究人员现在已经开发出一种使用基于激光的工艺生产这种晶体的方法，并且没有坩埚。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所的团队开发了一种适用于20 kW激光器的工艺光学系统。

在现代电气工程中，必须快速切换相对较高的功率。为了实现这一点，电子器件基于宽带隙半导体，如氧化镓.由于它的熔点约为 1800 °C，并且是从熔体中生长出来的，因此这种材料比其他宽禁带半导体或氮化镓 更容易生产，这两种半导体都是使用化学气相沉积生长的。

迄今为止，基于坩埚的方法，如直拉和边缘定义的薄膜进料生长工艺，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。

熔体的污染可以通过以辐射的形式提供热量来避免，而不是通过坩埚，这会导致多晶起始材料重新熔化成高纯度的单晶。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，而且激光也只在一个方向上发射辐射，这意味着热输入更有针对性。

此外，还可以根据加热过程优化激光束轮廓。可能的晶体直径随加热功率而成比例，因此近年来越来越强大的激光系统被用于激光二极管浮动区工艺。

使用超过 5 kW 的激光功率来生长晶体是新的;到目前为止，类似的功率已被用于已建立的激光材料加工方法，例如切割和焊接。为此，光学系统必须仔细设计和冷却，因为即使是小于 1% 的微小损耗也会导致它们在长时间使用过程中被破坏。

因此，位于亚琛的Fraunhofer ILT公司开发了一种水冷式高性能光学系统，特别是用于LDFZ工艺。有了它，激光发出的辐射最初被分成五个部分光束，每个光束的最大功率为 4 kW。然后，部分光束通过大型水冷镜偏转，使它们均匀地加热装置中心的晶体，偏移角度正好为72°。

光学器件在亚琛建立和表征，然后转移到日本的项目合作伙伴。它们的安装符合大流行法规，亚琛项目经理 Martin Traub 博士对此感到满意。“通过视频会议进行调试确实是一种新奇事物，但效果很好。测试阶段很成功，系统一直可靠运行，直到项目计划结束。

来自日本筑波科学城国家先进工业科学技术研究所的项目合作伙伴Toshimitsu Ito博士已经在LDFZ工艺方面积累了丰富的经验。该研究所能够在较低的激光功率下生产直径可达 12 毫米的氧化镓晶体。

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

这些调查结果将很快公布，但已经可以说了这么多， 项目合作伙伴成功地生长了直径达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氧化镓晶体。