Lasersystem zur Herstellung hochreiner Kristalle

In der modernen Elektro­technik müssen relativ große Leistungen schnell geschaltet werden. Die Elektronik dafür basiert auf Wide-Bandgap-Halbleitern wie zum Beispiel Galliumoxid. Mit einem Schmelzpunkt von etwa 1.800 Grad Celsius lässt sich dieses Material aus der Schmelze züchten und somit einfacher herstellen als andere Wide-Bandgap-Halbleiter wie Silizium­carbid oder Galliumnitrid, die mittels aufwändiger Gasphasen­abscheidung gezüchtet werden. Um Galliumoxid-Kristalle herzustellen, werden bislang vor allem tiegel­basierte Methoden wie das Czochralski- oder das Edge-Defined-Film-Fed-Growth (EFG) Verfahren genutzt. Dabei ist die Reinheit des Kristalls durch die Diffusion des Tiegel­materials allerdings beschränkt.

Eine Verun­reinigung der Schmelze lässt sich vermeiden, indem man die Wärme nicht über den Tiegel, sondern in Form von Strahlung zuführt. Dadurch wird das poly­kristalline Ausgangsmaterial zu einem hochreinen Einkristall umgeschmolzen. Natürlich lässt sich das auch mit Heizlampen erreichen. Im Gegensatz zu Heizlampen emittiert der Laser seine Strahlung langzeit­stabil und nur in eine Richtung, wodurch der Wärmeeintrag deutlich zuver­lässiger und zielgenauer erfolgt. Außerdem lässt sich beim Laser das Strahlprofil in Bezug auf den Heizprozess optimieren. Die möglichen Kristall­durchmesser skalieren hierbei mit der Heizleistung, so dass in den letzten Jahren immer stärkere Lasersysteme für das laserdioden­gestützte Zonenschmelz­verfahren LDFZ (Laser Diode Floating Zone Method) genutzt wurden. Aufgebaut und charak­terisiert wurde die Optik in Aachen, anschließend wurde sie zu den Projekt­partnern nach Japan überführt. Ihre Installation fand pandemie-konform statt, der Aachener Projekt­leiter Martin Traub ist zufrieden: „Eine Inbetrieb­nahme per Videokonferenz war ein echtes Novum, hat aber gut funktioniert. Die Testphase lief erfolgreich und das System wurde bis zum geplanten Projektende zuverlässig betrieben.“

Projektpartner Toshimitsu Ito vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in der japanischen Wissenschafts­stadt Tsukuba hat bereits viel Erfahrung mit dem LDFZ-Verfahren gesammelt. Bei kleineren Laser­leistungen ließen sich Galliumoxid-Kristalle bis zu einem Durchmesser von zwölf Millimetern herstellen. Mit dem neuen 20 Kilowatt-System soll sich der Durchmesser signifikant steigern lassen. Nach der Inbetriebnahme und ersten Tests zur Aufschmelzung des Galliumoxid-Rohmaterials wurden Kristallzucht­experimente am AIST mit dem neuen LDFZ-System durchgeführt. Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in Kürze veröffentlicht, so viel lässt sich aber schon jetzt sagen: Es gelang den Projekt­partnern, Kristalle mit einem Durchmesser von bis zu 30 mm zu züchten – die größten Galliumoxid-Kristalle, die bisher mit einem tiegelfreien Züchtungs­verfahren hergestellt wurden!

Das Projekt wurde sowohl von japanischer als auch von deutscher Seite gefördert. Die Fraunhofer-Gesellschaft unterstützt den Aufbau einer langfristigen Partnerschaft mit exzellenten Forschungs­instituten im Ausland mit einem Programm zum „International Cooperation and Networking“, kurz ICON. Zukünftig soll die Eignung des Verfahrens zur Herstellung anderer Metalloxide untersucht werden. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungs­projekts HIPEQ beispielsweise soll das Verfahren zur Herstellung von optischen Kristallen eingesetzt werden.

Fh.-ILT / JOL