9 فوریه 2024 – توسط پترا نولیس، Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
کریستال های اکسید گالیوم در ژاپن با لیزر دیود 20 کیلوواتی با استفاده از سیستم نوری پرقدرت Fraunhofer ILT تولید می شوند. اعتبارFraunhofer ILT، آخن، آلمان
کریستال های نیمه هادی با خلوص بالا برای الکترونیک قدرت در خودروهای الکتریکی یا فتوولتائیک مورد نیاز است. هنگامی که چنین بلورهایی به قطر 2 اینچ می رسند، برای کاربردهای صنعتی مناسب می شوند.
اکنون محققان ژاپنی و آلمانی روشی را برای تولید چنین کریستال هایی با استفاده از فرآیند مبتنی بر لیزر ابداع کرده اند. این تیم در موسسه Fraunhofer برای فناوری لیزر ILT در آخن، یک سیستم نوری سازگار با فرآیند را برای استفاده با لیزر 20 کیلوواتی توسعه داده‌اند.
مزایای فرآیند ناحیه شناور لیزر-دیود (LDFZ).
در مهندسی برق مدرن، توان نسبتاً بالا باید به سرعت سوئیچ شود. برای انجام این کار، بر اساس الکترونیک نیمه هادی های باند پهن مانند اکسید گالیوم (Ga2O3) است. از آنجایی که نقطه ذوب آن حدود 1800 درجه سانتیگراد است و از مذاب رشد می کند، تولید این ماده راحت تر از سایر نیمه هادی های باند پهن مانند کاربید سیلیکون (SiC) یا نیترید گالیم (GaN) است که هر دو با استفاده از آن رشد می کنند.
تا به امروز، روش‌های مبتنی بر بوته مانند Czochralski و فرآیندهای رشد تغذیه با فیلم (EFG) عمدتاً برای تولید کریستال‌های اکسید گالیوم استفاده شده‌اند. با این حال، خلوص کریستال توسط انتشار مواد بوته محدود می شود.
آلودگی مذاب را می توان با تامین گرما به صورت تشعشع و نه از طریق بوته، که باعث می شود ماده اولیه پلی کریستالی دوباره به یک تک کریستال با خلوص بالا ذوب شود، جلوگیری کرد. البته با لامپ های گرمایشی نیز می توان به این امر دست یافت. با این حال، بر خلاف لامپ‌های گرمایش، انتشار لیزر نه تنها پایداری طولانی‌مدت دارد، بلکه لیزر تنها تابش خود را در یک جهت ساطع می‌کند، به این معنی که گرمای ورودی بسیار هدفمندتر است.
علاوه بر این، پروفیل پرتو لیزر را می توان با توجه به فرآیند گرمایش بهینه کرد. قطر کریستال ممکن با قدرت گرمایش مقیاس می‌شود، بنابراین سیستم‌های لیزری قوی‌تر برای فرآیند ناحیه شناور لیزر-دیود (LDFZ) در سال‌های اخیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
استفاده از توان لیزر بیش از 5 کیلو وات برای رشد کریستال ها جدید است. تا به حال، قدرت های قابل مقایسه در روش های ثابت پردازش مواد لیزری مانند برش و جوش استفاده شده است. سیستم های نوری برای این کار باید با دقت طراحی و خنک شوند، زیرا حتی تلفات کوچک کمتر از 1٪ می تواند منجر به تخریب آنها در طول استفاده طولانی شود.
بنابراین، Fraunhofer ILT در آخن، یک سیستم نوری با عملکرد بالا خنک‌شده با آب، به‌ویژه برای فرآیند LDFZ توسعه داده است. با آن، تابش ساطع شده توسط لیزر در ابتدا به پنج پرتو جزئی با حداکثر 4 کیلو وات هر یک تقسیم می شود. سپس پرتوهای جزئی از طریق آینه‌های بزرگ و خنک‌شده با آب منحرف می‌شوند، به گونه‌ای که کریستال را در مرکز نصب به طور یکنواخت گرم می‌کنند و دقیقاً 72 درجه جبران می‌کنند.
اپتیک در آخن راه اندازی و مشخص شد و سپس به شرکای پروژه در ژاپن منتقل شد. مدیر پروژه آخن دکتر مارتین تراب راضی است. “راه اندازی از طریق ویدئو کنفرانس یک تازگی واقعی بود، اما به خوبی کار کرد. مرحله آزمایش موفقیت آمیز بود و سیستم تا پایان برنامه ریزی شده پروژه به طور قابل اعتماد کار می کرد.”
شریک پروژه دکتر توشیمیتسو ایتو از مؤسسه ملی علوم و فناوری صنعتی پیشرفته (AIST) در شهر علمی تسوکوبا در ژاپن، قبلاً تجربه زیادی در مورد فرآیند LDFZ به دست آورده است. این موسسه توانست کریستال های اکسید گالیوم را با قطر تا 12 میلی متر با توان لیزر کمتر تولید کند.
با سیستم جدید 20 کیلوواتی، باید بتوان قطر را به میزان قابل توجهی افزایش داد. پس از راه اندازی و آزمایش های اولیه برای ذوب ماده خام اکسید گالیوم، AIST آزمایش های رشد کریستال را با سیستم جدید LDFZ انجام داد.
نتایج این تحقیقات به زودی منتشر خواهد شد، اما می‌توان گفت که شرکای پروژه موفق به رشد کریستال‌هایی با قطر تا 30 میلی‌متر شدند که بزرگترین بلورهای اکسید گالیوم است که تا کنون با استفاده از فرآیند رشد بدون بوته تولید شده‌اند.
