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              研究人員開發了一種使用20kW激光器的光學系統

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              電動汽車或光伏發電中的電力電子器件需要高純度半導體晶體。當這種晶體的直徑達到 2 英寸時,它們就與工業應用息息相關。


              現在,來自日本和德國的研究人員已經開發出一種使用基于激光的工藝生產此類晶體的方法,且無需使用坩堝。德國亞琛弗勞恩霍夫激光技術研究所 (Fraunhofer ILT) 的科研團隊開發了一種使用20 kW激光器的光學系統。


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              使用 20 kW 二極管激光器生產的氧化鎵晶體

              在現代電氣工程中,必須快速切換相對較高的功率。為了實現這一目標,電子器件通?;趯拵栋雽w材料,例如氧化鎵。由于它的熔點約為1800°C ,并且是從熔體中生長的,因此這種材料比其他寬帶隙半導體(例如碳化硅或氮化鎵)更容易生產,這兩種提及的半導體材料都是使用化學氣相沉積法生長的。


              迄今為止,基于坩堝的工藝方法(例如柴可拉斯基法和限邊饋膜生長工藝)主要用于生產氧化鎵晶體。然而,晶體的純度受到坩堝材料擴散的限制。通過以輻射形式提供熱量,而不是通過坩堝提供熱量,可以避免熔體受到污染,因為坩堝供熱方式會導致多晶硅原料重熔成高純度單晶。

               

              當然,這也可以通過加熱燈來實現。但是,與加熱燈相比,激光輻射不僅具有長期穩定性,并且激光的方向性強,其發出的光束,只朝著一個方向射出,這意味著熱輸入更有針對性。此外,還可以根據加熱過程來優化激光光束輪廓。潛在的晶體直徑隨加熱功率而變化,因此近年來越來越強大的激光系統已被用于激光二極管懸浮區 (LDFZ)工藝。

              使用超過5kW的激光功率來生長晶體是一項新技術;到目前為止,類似的功率已被用于激光切割和焊接等材料加工方法中。鑒于此,用于該用途的光學系統必須仔細設計并采用穩妥的冷卻手段,因為即使是小于百分之一的微小損耗也可能導致它們在長時間使用過程中遭到破壞。


              因此,Fraunhofer ILT開發了一種專門用于LDFZ工藝的水冷式高性能光學系統。該光學系統配置的激光器發出的輻射最初被分成五個光束,每個光束的最大功率為4kW。然后,部分光束通過大型水冷鏡進行偏轉,使它們均勻地加熱裝置中心的晶體,偏移度正好為72度。


              來自日本筑波科學城的國家先進工業科學技術研究所(AIST)的項目合作伙伴Toshimitsu Ito博士已經在LDFZ工藝方面積累了豐富的經驗。該研究所能夠在較低的激光功率下生產直徑達 12mm的氧化鎵晶體。


              使用新的20 kW激光系統,有望顯著增加氧化鎵晶體的直徑。在開展初步調試和測試工作,以熔融氧化鎵原材料后,AIST使用新的 LDFZ 系統進行了晶體生長實驗。這些實驗的研究結果將很快公布,但目前可以確認的是:項目合作伙伴成功實現了直徑生長達 30mm的晶體,這是有史以來使用無坩堝生長工藝生產的最大的氧化鎵晶體。


              未來,合作雙方將進一步研究該工藝是否適合生產其他金屬氧化物。例如,作為BMBF資助的HIPEQ研究項目的一部分,該工藝將用于生產光學晶體。




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