Kryształy półprzewodnikowe – nowa metoda produkcji

W dynamicznie rozwijającym się przemyśle elektronicznym, kryształy półprzewodnikowe z wysokim poziomem czystości, są kluczowe dla elektroniki, w tym samochodów elektrycznych i fotowoltaiki. Laser o mocy 20 kW posłużył do opracowania nowej metody ich produkcji.

Zespół z Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT w Akwizgranie, współpracując z japońskimi partnerami, opracował metodę, dzięki której kryształy półprzewodnikowe będzie można produkować taniej. Metoda ta, znana jako proces pływającej strefy diody laserowej (LDFZ), oferuje liczne zalety w porównaniu do tradycyjnych metod tyglowych, takich jak metoda Czochralskiego czy EFG. Kluczowym atutem LDFZ jest uniknięcie zanieczyszczeń wynikających z kontaktu materiału z tyglem, co pozwala na uzyskanie monokryształów o nieporównywalnie wyższej czystości.

Wykorzystanie lasera w procesie LDFZ ma kluczowe znaczenie dla precyzji i efektywności metody. Laser o mocy 20 kW, w odróżnieniu od tradycyjnych lamp grzewczych, zapewnia stabilne i skoncentrowane dostarczanie energii, co pozwala na dokładniejsze sterowanie procesem topienia i krystalizacji materiału. Dodatkowo, możliwość optymalizacji profilu wiązki laserowej pod kątem konkretnego procesu stanowi kolejny krok naprzód by taniej produkować kryształy półprzewodnikowe.

Kluczowym elementem systemu jest specjalnie zaprojektowany, chłodzony wodą system optyczny, który dzieli emitowane przez laser promieniowanie na pięć oddzielnych wiązek. Są one następnie kierowane na materiał w taki sposób, aby równomiernie go ogrzewać, co jest niezbędne dla osiągnięcia optymalnych warunków wzrostu kryształu. Precyzyjne ustawienie zwierciadeł i zoptymalizowany profil wiązki zapewniają efektywność i stabilność procesu.

Projekt był wynikiem współpracy niemiecko-japońskiej, z kluczowym udziałem dr. Toshimitsu Ito z National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) w Japonii. Dzięki nowemu systemowi o mocy 20 kW, zespół osiągnął znaczący postęp, umożliwiając produkcję kryształów tlenku galu o średnicy do 30 mm – największych kryształów tego typu wyprodukowanych dotychczas bez użycia tygla.

Opracowanie metody LDFZ i skonstruowanie systemu laserowego o mocy 20 kW stanowią przełom w produkcji kryształów półprzewodnikowych o wysokiej czystości. Ta innowacyjna technologia otwiera nowe możliwości dla przemysłu elektronicznego, oferując bardziej efektywną i ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych metod. Współpraca międzynarodowa i dążenie do doskonałości technologicznej pokazują drogę do przyszłości, w której zaawansowane materiały półprzewodnikowe będą produkowane z jeszcze większą precyzją i w jeszcze szerszym zakresie zastosowań. Sukces projektu podkreśla znaczenie innowacji i współpracy naukowej w rozwiązywaniu wyzwań technologicznych naszych czasów, otwierając nowe horyzonty dla przyszłych badań i zastosowań przemysłowych.

Szymon Ślubowski