ENGINEERINGNET.BE - Het Akense team van het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT ontwikkelde een optisch systeem voor een 20 kW laser.
Onder projectmanager Martin Traub werd die optiek ook gekarakteriseerd en vervolgens overgedragen aan de Japanse projectpartners.
De Japanse projectpartner, Dr. Toshimitsu Ito van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (in Tsukuba Science City zo’n 50 km van Tokio) slaagde er in galliumoxidekristallen met een diameter tot 30 mm te laten groeien.
Dat zijn de grootste galliumoxidekristallen ooit geproduceerd met een niet-smeltkroes groeiproces. In de toekomst onderzoeken de partners hoe geschikt het proces is om andere metaaloxiden te groeien.
ACHTERGROND
Hoogzuivere halfgeleiderkristallen zijn nodig voor de snel schakelende vermogenselektronica van elektrische auto's en fotovoltaïsche systemen. Die elektronica is gebaseerd op halfgeleiders met een brede bandafstand, zoals galliumoxide (Ga2O3). Galliumoxide heeft een smeltpunt van zo’n 1.800 °C en groeit uit de smelt. Daarom is het makkelijker te produceren dan andere halfgeleiders die eveneens een grote bandafstand hebben, zoals siliciumcarbide (SiC) of galliumnitride (GaN) die gekweekt worden met chemische dampafzetting.
Tot nu toe zijn de op smeltkroezen gebaseerde methodes voornamelijk gebruikt om galliumoxidekristallen te produceren. De diffusie van het kroesmateriaal beperkt echter de zuiverheid van het kristal. Verontreiniging van de smelt kan worden vermeden door warmte toe te voegen in de vorm van straling, in plaats van warmte via de smeltkroes. Het polykristallijne uitgangsmateriaal wordt dan omgesmolten tot een hoogzuiver monokristal.
Bestralen kan met warmtelampen… maar een laserstraal is langere tijd stabiel. Bovendien zendt de laser zijn straling slechts in één richting uit wat de warmte-inbreng veel doelgerichter maakt. Het laserstraalprofiel kan ook afgestemd en geoptimaliseerd worden op het verwarmingsproces.
De diameters van de kristallen schalen met het vermogen om ze te verwarmen. Groter is dus beter. De laatste jaren werden steeds krachtiger lasersystemen gebruikt in het laser-diode floating zone (LDFZ) proces. Het gebruik van lasers van meer dan 5 kW om de kristallen te ‘kweken’ is nieuw.
Fraunhofer ILT ontwikkelde in Aken een watergekoeld optisch systeem speciaal voor het LDFZ-proces. De laserstraal wordt eerst in vijf deelbundels van elk maximaal 4 kW gesplitst. De deelbundels worden vervolgens via grote, watergekoelde spiegels afgebogen -elke straal is met precies 72 graden verschoven- zodat ze het kristal in het midden van de opstelling gelijkmatig verwarmen.
De Japanse projectpartner had al ervaring met het LDFZ-proces. Het instituut slaagde er eerder in om met lagere laservermogens galliumoxidekristallen te produceren met een diameter tot 12 mm. Nu dus 30 mm.
Japan en Duitsland financierden het project. Als onderdeel van het door de BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) gefinancierde HIPEQ-onderzoeksproject zal het proces ook worden gebruikt om optische kristallen te produceren.
