Deutsche Wissenschaftler wenden erfolgreich neue Technologie an, um hochqualitative Germanium-Einkristalle zu züchten

Einführung

Kürzlich veröffentlichten Ch. Frank-Rotsch und P. Rudolph vom Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin, Deutschland, einen Artikel mit dem Titel "Vertical Gradient Freeze growth of 4-inch germanium single crystals in a heater magnet module" in der Zeitschrift "Journal of Crystal Growth". Diese Forschung zeigt eine neue Methode zum Wachstum von 4-Zoll-Germanium-Einkristallen unter Verwendung eines wandernden Magnetfelds (TMF), das durch ein Heizmagnetmodul (HMM) mittels Vertical Gradient Freeze (VGF)-Technik erzeugt wird, was einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf Energieeffizienz und Kristallqualität darstellt. Dieser Durchbruch hat in der Industrie große Aufmerksamkeit erregt.

Innovative Kristallwachstumstechnologie

Herkömmliche Methoden zur Züchtung von Germanium-Einkristallen leiden unter hohem Energieverbrauch und instabiler Kristallqualität. Um diese Herausforderungen zu überwinden, kombinierten die Forscher erstmals die VGF-Methode mit TMF, das durch ein HMM erzeugt wird, um 4-Zoll-Germanium-Einkristalle zu wachsen. Dieses innovative HMM wurde in die industrielle Bridgman-Ausrüstung "Kronos" integriert und ersetzte den Standard-Mäanderheizkörper.

Das HMM nutzt einen spulenartigen Aufbau, der Gleichstrom (DC) für die Beheizung und phasenverschobenen Wechselstrom (AC) zur Erzeugung von TMF verwendet. Drei Spulensegmente sind über einen sternförmigen Schaltkreis verbunden, um die Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung des TMF zu optimieren. Durch numerische Simulationen und experimentelle Überprüfung fanden die Forscher heraus, dass Niedrigfeldfrequenzen von 20-50 Hz am besten geeignet sind. Dieses innovative Design verbessert die Energieeffizienz des Kristallwachstumsprozesses deutlich, während die Stabilität der Kristallqualität gewährleistet bleibt.

Hochqualitative Germanium-Einkristalle

Die erste Charge der unter nahezu optimalen Bedingungen gezüchteten Germanium-Einkristalle wies eine hervorragende Leistung auf. Diese Einkristalle haben deutlich reduzierte makroskopische und mikroskopische Inhomogenitäten, relativ geringe Versetzungsdichten von (3-10)×10^2 cm^-2 und Ladungsträgerbeweglichkeiten von bis zu 2800 cm^2V^-1s^-1. Diese Kennzahlen haben internationales Spitzenniveau erreicht. Das Wachstum dieser hochqualitativen Germanium-Einkristalle profitiert von sorgfältig konzipierten Versuchsabläufen und fortschrittlicher Ausrüstung. Die Forscher nutzten TMF, das von HMM erzeugt wird, sowie pyrolytische Bornitrid (pBN)-Tiegel in der kommerziellen VGF-Ausrüstung "Kronos". Der Kristallwachstumsprozess wird durch computergesteuerte Gradientenpropagation angetrieben, was die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Wachstumsbedingungen sicherstellt.

Numerische Simulationen zur Optimierung der Wachstumsbedingungen

Um die Kristallwachstumsbedingungen weiter zu optimieren, führten die Forscher umfangreiche numerische Simulationen mit dem CrysMAS-Code durch. Diese Simulationen zielten darauf ab, den Entstehungsmechanismus der Lorentz-Kraftdichte zu untersuchen und die optimale fest-flüssig-Grenzflächenform zu finden. Durch Simulation verschiedener TMF-Parameterkombinationen erhielten die Forscher wertvolle theoretische Erkenntnisse und wichtige Referenzen für die Experimente. Die Forschungsmethode, die numerische Simulationen und Experimente kombiniert, verbessert die Forschungseffizienz erheblich und verkürzt den Optimierungszyklus. Diese Methode lässt sich nicht nur auf das Wachstum von Germanium-Einkristallen, sondern auch auf die Kristallwachstumsforschung anderer Halbleitermaterialien anwenden.

Bedeutung von hochqualitativen Germanium-Einkristallen

Germanium-Einkristalle sind wichtige Materialien in der Elektronik- und Optoelektronikbranche mit vielfältigen Anwendungen in leistungsfähigen Bauelementen, Infrarotoptik, Solarzellen und mehr. Allerdings sehen sich die herkömmlichen Methoden der Germanium-Einkristallzüchtung zahlreichen Herausforderungen gegenüber, die die Qualitätsverbesserung und Kostensenkung von Germanium-Einkristallen einschränken. Diese Forschung zeigt das große Potenzial des KRISTMAG-Konzepts. Durch die Einführung von TMF in den VGF-Wachstumsprozess können die Energieeffizienz des Kristallwachstums deutlich erhöht und die Grenzflächenmorphologie effektiv kontrolliert werden, was die strukturelle Perfektion und Ladungsträgerbeweglichkeit von Germanium-Einkristallen verbessert. Dies liefert neue Ideen und Methoden für die Herstellung von hochqualitativen, kostengünstigen Germanium-Einkristallen. Mit der rasanten Entwicklung aufkommender Technologien wie 5G-Kommunikation, Künstliche Intelligenz und dem Internet der Dinge wächst die Nachfrage nach hochqualitativen Germanium-Einkristallen. Der Forschungsdurchbruch wird voraussichtlich die Aufrüstung der Germanium-Einkristallindustrie fördern und den Innovationen und Entwicklungen in verwandten Bereichen kontinuierlich Materialunterstützung bieten.

Die wichtige Rolle von pBN-Tiegeln

In dieser Forschung spielten pBN-Tiegel eine entscheidende Rolle. pBN-Tiegel werden in der Kristallzüchtungsbranche aufgrund ihrer hervorragenden Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit weitverbreitet eingesetzt. Insbesondere im Germanium-Einkristallwachstumsprozess haben pBN-Tiegel eine gute Benetzbarkeit mit geschmolzenem Germanium mit einem Kontaktwinkel von bis zu 170 Grad, was die Wechselwirkung zwischen geschmolzenem Germanium und Tiegelwänden minimiert und so hochqualitative Einkristalle ermöglicht. Als einer der führenden Hersteller von pBN-Tiegeln auf dem Markt ist die QSAM Inc. bestrebt, Wissenschaftsnutzern hochwertige maßgeschneiderte Dienstleistungen anzubieten. Durch enge Zusammenarbeit mit Forschern optimiert QSAM Inc. kontinuierlich das Design und den Herstellungsprozess von pBN-Tiegeln, um den Anforderungen verschiedener Materialsysteme und Wachstumsbedingungen gerecht zu werden. Hochwertige pBN-Tiegel bieten zuverlässige Hardware-Unterstützung für die Kristallwachstumsforschung.

Zukunftsaussichten

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technologie wächst auch die Nachfrage nach Halbleitermaterialien. Hochleistungselektronische und photonische Bauelemente erfordern eine höhere Kristallqualität, was Wissenschaftler wie Frank-Rotsch und Rudolph dazu antreibt, effizientere und qualitativ hochwertigere Kristallwachstumstechnologien weiter zu erforschen und zu innovieren. In diesem Prozess spielen Unternehmen wie QSAM Inc. eine entscheidende Rolle, indem sie nicht nur die notwendigen hochqualitativen Materialien bereitstellen, sondern auch zum Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung beitragen. Mit der Weiterentwicklung und Reifung dieser Technologie können wir in Zukunft mehr hochleistungsfähige Halbleiterbauelemente erwarten. Sie werden verschiedene Bereiche der modernen Technologie mit höherer Effizienz und niedrigeren Kosten ermöglichen.