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电动汽车或光伏发电中的电力电子器件需要高纯度半导体晶体。当这种晶体的直径达到 2 英寸时，它们就与工业应用息息相关。

现在，来自日本和德国的研究人员已经开发出一种使用基于激光的工艺生产此类晶体的方法，且无需使用坩埚。德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所 (Fraunhofer ILT) 的科研团队开发了一种使用20 kW激光器的光学系统。

使用 20 kW 二极管激光器生产的氧化镓晶体

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，电子器件通常基于宽带隙半导体材料，例如氧化镓。由于它的熔点约为1800°C ，并且是从熔体中生长的，因此这种材料比其他宽带隙半导体（例如碳化硅或氮化镓）更容易生产，这两种提及的半导体材料都是使用化学气相沉积法生长的。

迄今为止，基于坩埚的工艺方法（例如柴可拉斯基法和限边馈膜生长工艺）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。通过以辐射形式提供热量，而不是通过坩埚提供热量，可以避免熔体受到污染，因为坩埚供热方式会导致多晶硅原料重熔成高纯度单晶。

当然，这也可以通过加热灯来实现。但是，与加热灯相比，激光辐射不仅具有长期稳定性，并且激光的方向性强，其发出的光束，只朝着一个方向射出，这意味着热输入更有针对性。此外，还可以根据加热过程来优化激光光束轮廓。潜在的晶体直径随加热功率而变化，因此近年来越来越强大的激光系统已被用于激光二极管悬浮区 (LDFZ)工艺。

使用超过5kW的激光功率来生长晶体是一项新技术；到目前为止，类似的功率已被用于激光切割和焊接等材料加工方法中。鉴于此，用于该用途的光学系统必须仔细设计并采用稳妥的冷却手段，因为即使是小于百分之一的微小损耗也可能导致它们在长时间使用过程中遭到破坏。

因此，Fraunhofer ILT开发了一种专门用于LDFZ工艺的水冷式高性能光学系统。该光学系统配置的激光器发出的辐射最初被分成五个光束，每个光束的最大功率为4kW。然后，部分光束通过大型水冷镜进行偏转，使它们均匀地加热装置中心的晶体，偏移度正好为72度。

来自日本筑波科学城的国家先进工业科学技术研究所(AIST)的项目合作伙伴Toshimitsu Ito博士已经在LDFZ工艺方面积累了丰富的经验。该研究所能够在较低的激光功率下生产直径达 12mm的氧化镓晶体。

使用新的20 kW激光系统，有望显著增加氧化镓晶体的直径。在开展初步调试和测试工作，以熔融氧化镓原材料后，AIST使用新的 LDFZ 系统进行了晶体生长实验。这些实验的研究结果将很快公布，但目前可以确认的是：项目合作伙伴成功实现了直径生长达 30mm的晶体，这是有史以来使用无坩埚生长工艺生产的最大的氧化镓晶体。

未来，合作双方将进一步研究该工艺是否适合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。