La production de cristaux semi-conducteurs de haute pureté est devenue un enjeu majeur pour l’industrie électronique. Une collaboration germano-japonaise a mis au point une méthode innovante pour produire ces cristaux essentiels, ouvrant le chemin à des avancées dans le domaine de l’électronique de puissance.
Les ingénieurs en électronique sont constamment à la recherche de solutions pour commuter rapidement des puissances élevées. Les semi-conducteurs à large bande interdite, tels que l’oxyde de gallium (Ga2O3), sont au cœur de ces technologies en raison de leur point de fusion élevé, aux alentours de 1 800 °C.
Contrairement à d’autres semi-conducteurs comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN), l’oxyde de gallium est plus facile à produire car il est cultivé à partir de la fusion plutôt que par dépôt chimique en phase vapeur.
Les méthodes traditionnelles de production de cristaux d’oxyde de gallium impliquent l’utilisation de creusets, mais ces derniers peuvent limiter la pureté des cristaux en raison de la diffusion des matériaux du creuset. C’est ici que le procédé de zone flottante à diode laser (LDFZ) offre un avantage significatif, en évitant la contamination de la fusion grâce à un apport de chaleur sous forme de rayonnement laser ciblé.
L’importance des systèmes optiques
L’utilisation de lasers de plus de 5 kW pour la croissance des cristaux est une nouveauté. Les systèmes optiques déployés doivent être conçus et refroidis avec soin pour éviter leur destruction. L’institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT à Aix-la-Chapelle a donc développé un système optique haute performance refroidi à l’eau spécialement pour le procédé LDFZ. Ce système divise le rayonnement laser en cinq faisceaux partiels, chauffant ainsi le cristal de manière uniforme.
Après une mise en place et une caractérisation réussies à Aix-la-Chapelle, le système a été transféré aux partenaires de projet au Japon. Malgré les contraintes de la pandémie, le Dr Martin Traub, chef de projet à Aix-la-Chapelle, exprime sa satisfaction quant à la mise en service réussie du système via vidéoconférence.
Une collaboration de pointe entre l’Allemagne et le Japon
Le Dr Toshimitsu Ito de l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) au Japon a déjà une expérience considérable avec le procédé LDFZ. Avec le nouveau système de 20 kW, les chercheurs ont réussi à produire des cristaux d’oxyde de gallium d’un diamètre allant jusqu’à 30 mm, un record pour un processus de croissance sans creuset.
Ce projet a bénéficié du soutien financier du Japon et de l’Allemagne, et s’inscrit dans le cadre du programme ICON de l’Institut Fraunhofer, visant à établir des partenariats à long terme avec des instituts de recherche étrangers de premier plan.
En synthèse
La méthode développée par les chercheurs germano-japonais représente une avancée notable dans la production de cristaux semi-conducteurs de haute pureté. Le procédé LDFZ, grâce à son approche innovante et à l’absence de contamination par les matériaux de creuset, promet de jouer un rôle clé dans l’amélioration des composants électroniques de puissance, notamment pour les véhicules électriques et la photovoltaïque. Les perspectives d’application de cette technologie à d’autres oxydes métalliques sont également à l’étude, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles voies dans le domaine des cristaux optiques.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le procédé LDFZ ?
Le procédé de zone flottante à diode laser (LDFZ) est une méthode de production de cristaux semi-conducteurs qui utilise un rayonnement laser pour chauffer et faire fondre le matériau de départ, permettant ainsi de former un cristal unique de haute pureté sans l’utilisation de creuset.
Pourquoi l’oxyde de gallium est-il important dans l’électronique de puissance ?
L’oxyde de gallium (Ga2O3) est un semi-conducteur à large bande interdite qui permet de commuter rapidement des puissances élevées, ce qui est essentiel pour les applications telles que l’électronique de puissance dans les voitures électriques et la photovoltaïque.
Quels sont les avantages du laser par rapport aux lampes chauffantes traditionnelles ?
Le laser offre une stabilité à long terme et une direction du rayonnement qui permet un apport de chaleur plus ciblé et optimisé pour le processus de chauffage, contrairement aux lampes chauffantes.
Quelle est la taille des cristaux produits grâce à cette nouvelle méthode ?
Les cristaux d’oxyde de gallium produits avec le système laser de 20 kW ont atteint un diamètre allant jusqu’à 30 mm, ce qui est le plus grand jamais obtenu par un processus de croissance sans creuset.
Quel est le rôle de la collaboration internationale dans ce projet ?
La collaboration entre l’institut Fraunhofer ILT en Allemagne et l’AIST au Japon, soutenue par le programme ICON, a été cruciale pour le développement et la mise en œuvre réussie de cette technologie avancée.
Références
Légende illustration : L’optique du procédé de fusion par zone à diode laser LDFZ (zone flottante à diode laser), d’une puissance de 20 kW, est entièrement refroidie à l’eau. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.
– Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT. Laser Technology.
– National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST).
– Program for International Cooperation and Networking (ICON).
