用于生产高纯度晶体的20 kW激光系统

在电动汽车和光伏发电领域，对电力电子设备中使用的半导体晶体有着极高的纯度要求。当这些晶体的直径扩大至2英寸时，其在工业应用中的重要性愈加凸显。近日，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与日本合作伙伴开创性地应用了高功率激光技术，开发了一种创新的激光二极管浮动区（LDFZ）工艺，专门用于无坩埚生长高纯度氧化镓半导体晶体。这项技术的核心在于使用20 kW激光器和精密设计的水冷光学系统，通过激光直接加热，实现了目标材料的精准和均匀加热。

在现代电气工程领域，对电子器件在高功率状态下实现迅速切换的需求日益增长。为满足这一需求，人们转向采用宽禁带半导体材料，如氧化镓（Ga₂O₃）。氧化镓的熔点大约1800°C，而且能够直接从熔融状态生长出晶体，相比碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等其他主要通过化学气相沉积法生长的宽禁带半导体，其在生产过程中展现出了更高的便捷性。到目前为止，氧化镓晶体的生产主要依赖于使用坩埚的方法，如直拉法和限制边缘法生长（EFG）技术。然而，这些方法得到的晶体纯度会受到坩埚材料扩散的影响。

为了避免在半导体晶体生长过程中熔体受到污染，一种有效的方法是通过辐射而非传统的坩埚来提供热量，这样可以将多晶原料重新熔化为高纯度的单晶体。这种加热可以通过加热灯实现，但激光加热相比之下有着显著的优势。激光发射不仅具有长期稳定性，而且其辐射的方向性确保了热量的精准输入，使得加热过程更加高效和有针对性。此外，激光束的轮廓可以根据加热需求进行优化调整。晶体的可能直径与加热功率呈正比，因此随着激光技术的发展和激光系统功率的增强，LDFZ工艺在近年来得到了广泛应用，大大提高了晶体生长的效率和质量。

采用超过5 kW激光功率进行晶体生长是一项创新做法。迄今为止，这样的高功率激光主要应用于成熟的激光材料加工技术中，比如切割和焊接。鉴于此，光学系统的设计和冷却需求格外严格，因为即便是不到百分之一的微小能量损耗也可能在长期运作中导致系统损坏。为应这一挑战，位于亚琛的Fraunhofer ILT开发了一款专门为LDFZ工艺设计的水冷高性能光学系统（图2）。该系统能够将激光辐射分割为五个独立的光束，每个光束的最大功率为4 kW。随后，部分光束通过大型水冷反射镜进行偏转，以72°的精确偏移角均匀地加热装置中心的晶体，保证了晶体生长过程的均匀性和高效性。

图2 输出功率为 20 kW 的基于半导体激光管的区域熔化工艺 LDFZ的光学器件完全采用水冷

光学器件在亚琛成功研制并完成了性能测试，随后被送往日本的合作伙伴处进行进一步的应用。亚琛项目负责人Martin Traub博士对此表示满意：“通过视频会议来进行系统调试是一种全新的尝试，但成效出奇的好。测试阶段非常顺利，系统运行稳定可靠，一直持续到项目计划结束。”

来自日本筑波科学城的日本产业技术综合研究所（AIST）的项目合作伙伴Toshimitsu Ito博士在LDFZ工艺方面拥有深厚的经验。在较低激光功率的条件下，该研究所已能够生产出直径达到12 mm的氧化镓晶体。随着新的20 kW级激光系统的引入，预计晶体的直径将显著增加。在完成对氧化镓原材料的熔化调试和初步测试后，AIST利用这一新型LDFZ系统开展了晶体生长实验。虽然相关的研究成果即将公布，但已经可以肯定地表示：合作伙伴成功生产出直径达30 mm的氧化镓晶体，这是有史以来使用无坩埚生长工艺生产的最大氧化镓晶体。

据悉，该项目得到了日本和德国双方的共同资助，其中弗劳恩霍夫协会致力于与全球优秀的研究机构建立并维持长期的合作关系，旨在通过“国际合作与网络”（ICON）计划推动科学技术的国际交流与合作。展望未来，合作伙伴们计划探索这一工艺在生产其他类型的金属氧化物中的应用潜力。例如，在德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的HIPEQ研究项目框架下，将考虑利用该工艺生产用于光学应用的晶体。