【国际时事】用于生产高纯度晶体的 20 kW激光系统

使用弗劳恩霍夫 ILT 高功率光学系统的 20 kW二极管激光器生产氧化镓晶体。

资料来源：弗劳恩霍夫 ILT，德国亚琛

        在电动汽车或光伏领域，需要高纯度的半导体晶体。当这些晶体直径达到2英寸时，它们就成为工业应用的关键。

        来自日本和德国的研究人员现已开发出一种利用激光进行生产这种晶体的方法，而且无需坩埚。位于德国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20kW的激光过程定制光学系统。

激光二极管浮区（LDFZ）工艺的优势

        在现代电气工程中，必须快速开关相对高的功率。为了实现这一目标，电子器件基于氧化镓（Ga2O3）等宽禁带半导体。由于材料的熔点约为1800°C，并且是从熔体中生长的，因此比碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）等其他宽禁带半导体更容易生产，后两者生长方法为化学气相沉积法。

        迄今为止，主要采用基于坩埚的方法，如直拉单晶制造法（Cz法）和导模法（EFG法）来生产氧化镓晶体。然而，晶体的纯度受到坩埚材料的扩散限制。

        通过辐射而不是坩埚供热可以避免熔体污染，辐射可使多晶起始材料重熔为高纯度单晶。固然，通过加热灯也可以实现。然而，与加热灯相比，激光的发射不仅具有长期稳定性，而且激光只在一个方向发射辐射，这意味着热量输入更加有针对性。

        此外，还可以针对加热过程优化激光束的轮廓。晶体直径与加热功率成比例，因此近年来越来越多的高功率激光系统已经用于激光二极管浮区（LDFZ）工艺。

        输出功率为 20kW的激光二极管区域熔融工艺 LDFZ 的光学器件。

光学组件的重要性

        使用超过5kW的激光功率来生长晶体是一项新技术；迄今为止，同等功率的激光已经在成熟的激光材料加工方法（如切割和焊接）中使用。为此，必须对光学系统进行精心设计和冷却，因为即使是小于 1%的微小损耗也会在长期使用过程中导致其损坏。

        因此，亚琛的弗劳恩霍夫ILT为LDFZ工艺特别开发了一种水冷式高性能光学系统。利用这种系统，激光发射的辐射首先被分成五个最高4kW的光束。然后，通过大型水冷镜面将这些光束偏转，从而均匀地加热装置中心的晶体，偏移角度正好为 72°。

德日尖端合作研究

        来自日本筑波科学城国家先进工业科学技术研究所（AIST）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。该研究所已经能够在较低的激光功率下生产直径高达12mm的氧化镓晶体。

        通过这种新型20kW系统，预计可以显著增加晶体的直径。在投运和用于熔化氧化镓原材料的初步测试后，AIST利用新的LDFZ系统进行晶体生长实验。

        研究结果将会在近期发表，但有一点可以肯定，通过该项目的合作成功地使用无坩埚生长工艺生长了直径高达30mm的晶体，这是迄今为止通过无坩埚生长工艺生产的最大氧化镓晶体。