Fraunhofer ILT高純度結晶製造用20kWレーザシステム

February, 21, 2024, Aachen--電気自動車や太陽光発電のパワーエレクトロニクスには、高純度の半導体結晶が必要である。このような結晶が直径2インチに達すると、産業用途に関連する。現在、日本とドイツの研究者は、るつぼを使わずにレーザベースのプロセスを使用して、そのような結晶を生成する方法を開発した。
アーヘンにあるFraunhoferILTレーザ技術研究所のチームは、20kWレーザで使用するためのプロセス適合光学システムを開発した。

レーザダイオードフローティングゾーン(LDFZ)プロセスの利点
現代の電気工学では、比較的高い電力を迅速に切り替える必要がある。これを実現するために、電子機器は酸化ガリウム(Ga2O3)などのワイドバンドギャップ半導体をベースにしている。融点が約1,800℃で、溶融物から成長するため、化学気相成長法で成長させる炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドギャップ半導体よりも製造が容易である。これまで、チョクラルスキー法やエッジデファインド膜供給成長法(EFG)法などのるつぼベースの方法は、主に酸化ガリウム結晶の製造に使用されてきた。とは言え、結晶の純度はるつぼ材料の拡散によって制限される。

溶融物の汚染は、るつぼを介してではなく、放射線の形で熱を供給することで回避でき、多結晶出発物質が高純度の単結晶に再溶解される。もちろん、これはヒーティングランプでも実現できる。ただし、加熱ランプとは対照的に、レーザの発光は長期安定性があるだけでなく、レーザは一方向にのみ放射を放出するため、入熱ははるかに的を絞っている。さらに、レーザビームプロファイルは、加熱プロセスに関して最適化することが可能である。可能な結晶の直径は加熱パワーに比例するため、近年、レーザダイオードフローティングゾーン(LDFZ)プロセスにはますます強力なレーザシステムが使用されている。

 

光学系が重要
結晶の成長に5kW以上のレーザ出力使用は新しいことである。これまで、切断や溶接などの確立されたレーザ材料加工方法では、同等の出力が使用されてきた。このための光学システムは、1%未満の小さな損失でも長期間の使用中に破壊につながる可能性があるため、慎重に設計および冷却する必要がある。そのため、FraunhoferILTは、LDFZプロセス専用の水冷式高性能光学システムを開発した。これにより、レーザから放出される放射線は、最初にそれぞれ最大4kWの5つの部分ビームに分割される。次に、部分的なビームは、セットアップの中央にある水晶振動子を均一に加熱し、正確に72度オフセットするように、大きな水冷ミラーを介して偏向される。

光学系はアーヘンでセットアップされ、特性評価され、日本のプロジェクトパートナーに移管された。これらはパンデミックの規制に準拠して設置され、アーヘンのプロジェクトマネージャDr. Martin Traubは満足している。「テストフェーズは成功し、システムはプロジェクトの計画終了まで確実に稼働した」。

日独の最先端研究
プロジェクトパートナーである国立研究開発法人産業技術総合研究所(AIST)のDr. Toshimitsu Itoは、すでにLDFZプロセスについて多くの経験を積んでいる。この研究所は、より低いレーザ出力で直径12mmまでの酸化ガリウム結晶を製造することができた。新しい20kWシステムでは、直径を大幅に大きくすることが可能になるはずである。産総研は、酸化ガリウム原料の試運転と初期試験を経て、新しいLDFZ装置による結晶成長実験を実施した。これらの調査の結果はまもなく発表されるが、すでに言えることは、プロジェクトパートナーは、るつぼを使わない成長プロセスを使用してこれまでに製造された最大の酸化ガリウム結晶である、最大30mmの直径の結晶の成長に成功した。

このプロジェクトは、日本とドイツから資金提供を受けた。Fraunhofer-Gesellschaftは、「国際協力とネットワーキング」プログラム(略してICON)において、海外の優れた研究機関との長期的なパートナーシップの確立を支援している。

将来的には、このプロセスが他の金属酸化物の製造にどの程度適しているかを調査する。例えば、BMBFが資金提供するHIPEQ研究プロジェクトの一環として、このプロセスは光学結晶の製造に使用される。