Poluprovodnički kristali visoke čistoće su potrebni za energetsku elektroniku u električnim automobilima ili u fotonaponskoj opremi. Kada takvi kristali dostignu prečnik od 2 inča, postaju relevantni za industrijsku primenu.
Istraživači iz Japana i Nemačke su sada razvili metodu za proizvodnju takvih kristala pomoću laserskog procesa i bez lonca. Tim na Fraunhofer institutu za lasersku tehnologiju ILT u Ahenu razvio je optički sistem prilagođen procesu za upotrebu sa laserom od 20 kW.
U savremenoj elektrotehnici, relativno velika snaga mora se brzo prebaciti. Da bi se ovo postiglo, elektronika je zasnovana na poluprovodnicima širokog pojasa kao što je galijum oksid (Ga 2 O 3 ). Pošto ima tačku topljenja od oko 1.800 °C i uzgaja se iz rastopa, ovaj materijal je lakše proizvesti od drugih poluprovodnika sa širokim pojasom, kao što su silicijum karbid (SiC) ili galijum nitrid (GaN), koji se uzgajaju korišćenjem taloženje hemijskih isparenja.
Do danas su se metode zasnovane na lončićima, kao što su Czochralski i procesi rasta sa ivicama definisanim filmom (EFG) uglavnom koristili za proizvodnju kristala galijum oksida. Međutim, čistoća kristala je ograničena difuzijom materijala lonca.
Kontaminacija rastopa se može izbeći snabdevanjem toplote u obliku zračenja, a ne preko lončića, što dovodi do ponovnog rastapanja polikristalnog početnog materijala u monokristal visoke čistoće. Naravno, to se može postići i pomoću lampi za grejanje. Za razliku od grejnih lampi, međutim, emisija lasera ne samo da ima dugoročnu stabilnost, već laser emituje svoje zračenje samo u jednom pravcu, što znači da je unos toplote mnogo ciljaniji.
Pored toga, profil laserskog zraka se može optimizovati u odnosu na proces grejanja. Mogući prečnici kristala se menjaju sa snagom grejanja, tako da se poslednjih godina sve snažniji laserski sistemi koriste za proces plivajuće zone laserske diode (LDFZ).
Korišćenje laserskih snaga veće od 5 kV za uzgoj kristala je novo; do sada su se uporedive snage koristile u utvrđenim metodama obrade laserskih materijala kao što su sečenje i zavarivanje. Optički sistemi za ovo moraju biti pažljivo projektovani i hlađeni, jer čak i mali gubici manji od 1% mogu dovesti do njihovog uništenja tokom duže upotrebe.
Fraunhofer ILT u Ahenu je, stoga, razvio vodeno hlađen optički sistem visokih performansi, posebno za LDFZ proces. Sa njim se zračenje koje emituje laser u početku deli na pet delimičnih snopova sa maksimalno 4 kW svaki. Delimične zrake se zatim odbijaju preko velikih ogledala hlađenih vodom na takav način da ravnomerno zagrevaju kristal u centru instalacije, pomereno za tačno 72°.
Optika je postavljena i okarakterisana u Ahenu, a zatim preneta projektnim partnerima u Japanu. Postavljeni su u skladu sa propisima o pandemiji, a menadžer projekta iz Ahena dr Martin Traub je zadovoljan. „Puštanje u rad putem video konferencije bila je prava novina, ali je dobro funkcionisala. Testna faza je bila uspešna i sistem je pouzdano radio do planiranog završetka projekta.“
Partner na projektu dr Tošimitsu Ito iz Nacionalnog instituta za naprednu industrijsku nauku i tehnologiju (AIST) u gradu nauke Cukuba u Japanu već je stekao veliko iskustvo sa LDFZ procesom. Institut je bio u mogućnosti da proizvede kristale galijum oksida prečnika do 12 mm pri manjim snagama lasera.
Sa novim sistemom od 20 kW trebalo bi da bude moguće značajno povećati prečnik. Nakon puštanja u rad i početnih testova za topljenje sirovine galijum oksida, AIST je sproveo eksperimente rasta kristala sa novim LDFZ sistemom.
Rezultati ovih istraživanja biće objavljeni uskoro, ali ovoliko se već može reći. Partneri na projektu su uspeli da uzgajaju kristale prečnika do 30 mm — najveće kristale galijum oksida ikada proizvedene korišćenjem procesa rasta bez lonaca.
