Simulation und Optikentwicklung für die lasergestützte Kristallzucht

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Lasergestützte Züchtung von b-Ga2O3-Einkristallen

Optiksystem für die LDFZ-Kristallzucht Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Optiksystem für die LDFZ-Kristallzucht

Beim lasergestützten Zonenschmelzverfahren (LDFZ) wird das im Allgemeinen polykristalline Ausgangsmaterial radial mit Laserdioden bestrahlt und in einem definierten Bereich aufgeschmolzen. Zur Weiterentwicklung dieses Verfahrens wird in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ILT und der japanischen Forschungseinrichtung AIST ein optisches System entwickelt und aufgebaut. Als Strahlquelle wird ein fasergekoppelter Diodenlaser verwendet. Zur Erzeugung einer prozessangepassten Intensitätsverteilung wird die aus der Faser austretende Strahlung homogenisiert und auf fünf Strahlen gleicher Leistung aufgeteilt, die schließlich über Umlenkspiegel radial zur Bearbeitungsstelle geführt werden.

  Gemessenes Temperaturprofil auf dem Galliumoxid-Kristall Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Gemessenes Temperaturprofil auf dem Galliumoxid-Kristall

Für ein besseres Prozessverständnis werden am Lehrstuhl für Lasertechnik Simulationen des Aufheizvorgangs durchgeführt. Hierbei wird die absorbierte Laserstrahlung als Wärmequelle implementiert und das Temperaturprofil auf dem Kristall unter Berücksichtigung geeigneter Randbedingungen berechnet. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse sollen in Zukunft die Laser- und Prozessparameter für eine möglichst homogene Aufschmelzung des Materials optimiert werden.


Anwendung findet das Verfahren beispielsweise bei b-Ga2O3, einem Wide-Bandgap-Halbleiter, der sich durch eine besonders große Bandlücke von etwa 4,8 eV auszeichnet und deshalb für den Einsatz in der Hochleistungselektronik prädestiniert ist.

      Laserstrahlintensität auf dem Kristall (Simulation) Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Laserstrahlintensität auf dem Kristall (Simulation).

    Aufgrund des im Vergleich zu anderen Wide-Bandgap-Halbleitern wie SiC oder GaN geringen Schmelzpunktes von ungefähr 1800 °C lässt sich die Züchtung von b-Ga2O3-Einkristallen vergleichsweise effizient und kostengünstig realisieren. Hierzu werden aktuell überwiegend tiegelbasierte Verfahren wie die Czochralski-Methode eingesetzt. Die erreichbare Reinheit der Kristalle ist allerdings durch Kontamination der Schmelze aufgrund der Diffusion von Tiegelmaterial limitiert. Mit dem tiegelfreien LDFZ-Verfahren wird die Herstellung hochreiner b-Ga2O3-Einkristalle ermöglicht.

    Kooperationspartner

    • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
    • Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST (Japan)