高纯度的半导体晶体，是电动汽车或光伏发电的电力电子器件所必需的。当这种晶体的直径达到2英寸时，它们就会与工业应用产生关联了。

近日，来自日本和德国的研究人员已经开发出一种方法，使用基于激光的工艺生产这种晶体，而不需要坩埚。位于德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）的研究小组，已经开发出一种用于20千瓦激光器的工艺适应光学系统。

在现代电气工程中，必须快速切换较高的功率。为了实现这一点，电子元件是基于宽带隙半导体，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带隙半导体（如碳化硅或氮化镓）更容易生产，这两种材料都是使用化学气相沉积生长的。

迄今为止，以坩埚为基础的方法，如zzochralski和边缘定义的薄膜生长工艺，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。

通过以辐射的形式提供热量，而不是通过坩埚，可以避免对熔体的污染，这使得多晶起始材料被重熔成高纯度的单晶。

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对激光束轮廓进行优化。由于晶体直径随加热功率的增大而增大，因此近年来越来越多的大功率激光系统被用于激光二极管浮区工艺。

光学很重要

使用功率超过5千瓦的激光来生长晶体是新的；到目前为止，类似的功率已经用于建立激光材料加工方法，如切割和焊接。为此，光学系统必须仔细设计和冷却，因为即使是不到百分之一的小损耗，也会导致它们在长时间使用中被破坏。

因此，弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）专门为LDFZ工艺开发了一种水冷高性能光学系统。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4千瓦。然后，部分光束通过大型水冷反射镜偏转，从而均匀地加热装置中心的晶体，正好偏移72度。

光学元件在亚琛安装并进行表征，然后转交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Martin Traub博士对此感到满意。

他评论说:“通过视频会议进行调试是一种真正的新奇事物，但效果很好。测试阶段是成功的，系统运行可靠，直到项目计划结束。”

前沿的德日合作研究

项目合作伙伴Toshimitsu Ito博士来自日本筑波科学城国家先进工业科学技术研究所（AIST），他已经在LDFZ工艺方面获得了丰富的经验。该研究所能够在较低的激光功率下，生产直径达12毫米的氧化镓晶体。

采用新的20千瓦系统，应该可以显著增加直径。在调试和初始测试后，熔化氧化镓原料，AIST进行了晶体生长实验与新的LDFZ系统。这些研究的结果将很快公布，项目合作伙伴成功地生长出了直径高达30毫米的晶体，这是迄今为止使用无坩埚生长工艺生产的最大的氧化镓晶体。

未来，合作伙伴将研究该工艺是否适用于生产其他金属氧化物。例如，作为BMBF资助的HIPEQ研究项目的一部分，该工艺将用于生产光学晶体。