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高純度的半導(dǎo)體晶體，是電動(dòng)汽車或光伏發(fā)電的電力電子器件所必需的。當(dāng)這種晶體的直徑達(dá)到2英寸時(shí)，它們就會(huì)與工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生關(guān)聯(lián)了。
近日，來(lái)自日本和德國(guó)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，使用基于激光的工藝生產(chǎn)這種晶體，而不需要坩堝。位于德國(guó)亞琛的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(ILT)的研究小組，已經(jīng)開發(fā)出一種用于20千瓦激光器的工藝適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
在現(xiàn)代電氣工程中，必須快速切換較高的功率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，電子元件是基于寬帶隙半導(dǎo)體，如氧化鎵。由于它的熔點(diǎn)約為1800°C，并且是從熔體中“生長(zhǎng)”出來(lái)的，因此這種材料比其他寬帶隙半導(dǎo)體(如碳化硅或氮化鎵)更容易生產(chǎn)，這兩種材料都是使用化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的。
迄今為止，以坩堝為基礎(chǔ)的方法，如zzochralski和邊緣定義的薄膜生長(zhǎng)工藝，主要用于生產(chǎn)氧化鎵晶體。然而，晶體的純度受到坩堝材料擴(kuò)散的限制。
通過(guò)以輻射的形式提供熱量，而不是通過(guò)坩堝，可以避免對(duì)熔體的污染，這使得多晶起始材料被重熔成高純度的單晶。
當(dāng)然，這也可以通過(guò)加熱燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，與加熱燈相比，激光的發(fā)射不僅具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而且激光只向一個(gè)方向發(fā)射輻射，這意味著熱量輸入更有針對(duì)性。
此外，還可以根據(jù)加熱過(guò)程對(duì)激光束輪廓進(jìn)行優(yōu)化。由于晶體直徑隨加熱功率的增大而增大，因此近年來(lái)越來(lái)越多的大功率激光系統(tǒng)被用于激光二極管浮區(qū)工藝。
光學(xué)很重要
使用功率超過(guò)5千瓦的激光來(lái)生長(zhǎng)晶體是新的；到目前為止，類似的功率已經(jīng)用于建立激光材料加工方法，如切割和焊接。為此，光學(xué)系統(tǒng)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)和冷卻，因?yàn)榧词故遣坏桨俜种坏男p耗，也會(huì)導(dǎo)致它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間使用中被破壞。
因此，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(ILT)專門為L(zhǎng)DFZ工藝開發(fā)了一種水冷高性能光學(xué)系統(tǒng)。有了它，激光發(fā)出的輻射最初被分成五個(gè)部分光束，每個(gè)光束的最大功率為4千瓦。然后，部分光束通過(guò)大型水冷反射鏡偏轉(zhuǎn)，從而均勻地加熱裝置中心的晶體，正好偏移72度。
光學(xué)元件在亞琛安裝并進(jìn)行表征，然后轉(zhuǎn)交給日本的項(xiàng)目合作伙伴。它們的安裝符合流行病法規(guī)，亞琛項(xiàng)目經(jīng)理Martin Traub博士對(duì)此感到滿意。
他評(píng)論說(shuō):“通過(guò)視頻會(huì)議進(jìn)行調(diào)試是一種真正的新奇事物，但效果很好。測(cè)試階段是成功的，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，直到項(xiàng)目計(jì)劃結(jié)束。”
前沿的德日合作研究
項(xiàng)目合作伙伴Toshimitsu Ito博士來(lái)自日本筑波科學(xué)城國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所(AIST)，他已經(jīng)在LDFZ工藝方面獲得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。該研究所能夠在較低的激光功率下，生產(chǎn)直徑達(dá)12毫米的氧化鎵晶體。
采用新的20千瓦系統(tǒng)，應(yīng)該可以顯著增加直徑。在調(diào)試和初始測(cè)試后，熔化氧化鎵原料，AIST進(jìn)行了晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)與新的LDFZ系統(tǒng)。這些研究的結(jié)果將很快公布，項(xiàng)目合作伙伴成功地生長(zhǎng)出了直徑高達(dá)30毫米的晶體，這是迄今為止使用無(wú)坩堝生長(zhǎng)工藝生產(chǎn)的最大的氧化鎵晶體。
未來(lái)，合作伙伴將研究該工藝是否適用于生產(chǎn)其他金屬氧化物。例如，作為BMBF資助的HIPEQ研究項(xiàng)目的一部分，該工藝將用于生產(chǎn)光學(xué)晶體。
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