用于生产高纯度晶体的20kW激光系统

电动汽车或光伏发电的电力电子设备需要高纯度的半导体晶体。当这种晶体的直径达到2 英寸时，就可以用于工业应用了。现在，来自日本和德国的研究人员开发出一种无需坩埚、利用激光工艺生产这种晶体的方法。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所的研究小组开发出一种与工艺相适应的光学系统，可与20kW激光器配合使用。

图 1：氧化镓晶体是在日本利用高功率光学系统 20kW 二极管激光器生产

激光二极管浮动区（LDFZ）工艺的优势

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，电子器件采用了宽带隙半导体，如氧化镓（Ga2O3）。由于这种材料的熔点约为1800°C，而且是从熔体中生长出来的，因此比碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）等其他宽带隙半导体更容易生产。迄今为止，生产氧化镓晶体主要采用基于坩埚的方法，如Czochralski和边缘确定的膜馈生长（EFG）工艺。然而，晶体的纯度受到坩埚材料扩散的限制。

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。当然，这也可以通过加热灯来实现。不过，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，这意味着输入的热量更有针对性。此外，激光束轮廓还可以根据加热过程进行优化。晶体直径与加热功率成正比，因此近年来越来越多功率强大的激光系统被用于激光二极管浮动区（LDFZ）工艺。

图 2：输出功率为 20kW 的激光二极管浮动区熔化工艺完全采用水冷却方式

光学问题

将功率超过5kW的激光用于晶体生长是一项新技术。迄今为止，功率相当的激光一直用于成熟的激光材料加工方法，如切割和焊接。为此，必须对光学系统进行精心设计和冷却，因为即使是小于百分之一的微小损耗，也会在长期使用过程中导致其损坏。

因此，弗劳恩霍夫激光技术研究所专门为LDFZ工艺开发了一种水冷式高性能光学系统。有了它，激光器发出的辐射最初会被分成五部分光束，每束最大功率为4kW。然后，这些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，偏移量正好为72度。

这些光学设备在亚琛完成安装和鉴定，然后转交给日本的项目合作伙伴。亚琛项目经理Martin Traub博士对此表示满意：通过视频会议进行调试确实很新颖，但效果很好。测试阶段很成功，系统一直可靠地运行到项目计划结束。

德日尖端研究

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博士已经在LDFZ工艺方面积累了丰富的经验。该研究所能够以较低的激光功率生产出直径达12 mm的氧化镓晶体。

有了新的20kW系统，氧化镓晶体的直径应该可以大大增加。经过调试和熔化氧化镓原料的初步测试后，AIST利用新的LDFZ系统进行了晶体生长实验。研究结果将于之后公布，但有一点可以肯定：项目合作伙伴成功地生长出了直径达30mm的晶体，这是迄今为止使用无坩埚生长工艺生产出的最大直径氧化镓晶体。

该项目由日本和德国共同资助。弗劳恩霍夫协会支持通过“国际合作与网络”计划（简称 ICON）与国外优秀研究机构建立长期合作伙伴关系。未来，合作伙伴还将研究该工艺是否适用于生产其他金属氧化物。例如，作为德国联邦科学与技术部（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。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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