US-Patent für Galliumoxid-Züchtungsverfahren des IKZ
IKZ-Technologie ist ab sofort auf den weltweit wichtigsten Märkten geschützt
Leistungselektronik auf der Basis von beta-Galliumoxid (ß-Ga₂O₃) wird weltweit intensiv erforscht. Das am IKZ entwickelte Züchtungsverfahren liefert große Kristalle mit hoher Qualität und kann industriell angewandt werden. Die Technologie ist in Europa, Südkorea und nun seit Juni 2021 auch in den USA patentiert.
Am IKZ wird nicht nur Forschung zur Kristallzüchtung betrieben, es entstehen auch neue, kommerziell verwertbare Produkte. Substrate aus einkristallinen Halbleitermaterialien sind die Basis für elektronische Bauelemente wie Computerchips, Transistoren und Leuchtdioden. ß-Ga2O3 gilt als Zukunftsmaterial für neue und verbesserte Bauelemente in der Leistungselektronik, die in elektrischen Fahrzeugen, Windkraftturbinen, Stromreglern usw. zum Einsatz kommen. Dafür werden Substrate benötigt, doch für ß-Ga2O3-Kristalle gibt es bislang weltweit nur wenige Hersteller.
Am IKZ erforscht Zbigniew Galazka seit 2009 die Technologie einer Züchtung aus der Schmelze auf Basis der Czochralski-Methode für Galliumoxid, um große Volumenkristalle und daraus Substrate in verschiedenen Orientierungen herzustellen [1–3]. Diese werden inzwischen weltweit eingesetzt, um ß-Ga2O3-Bauelemente zu entwickeln – auch im Leibniz Wissenschaftscampus GraFOx, bei dem das IKZ eine führende Rolle spielt. Um die weltweite Spitzenposition bei der Züchtungstechnologie abzusichern, sind Patente ein wichtiges Element. Nach der Patentanmeldung im Januar 2015 wurden nun alle Prüfungen bestanden und die IKZ-Technologie ist auf den weltweit wichtigsten Märkten geschützt.
Der entscheidende, patentwürdige Schritt besteht darin, durch eine kontrollierte veränderbare Sauerstoffzufuhr den Sauerstoffpartialdruck im Reaktor so hoch zu halten, dass sich kein elementares Gallium in der Schmelze bildet und die Zersetzung während der Züchtung limitiert wird. Gleichzeitig muss der Sauerstoffpartialdruck niedrig genug eingestellt sein, dass die Oxidation des teuren Iridiumtiegels möglichst gering bleibt. Durch die gewählten Prozessbedingungen und -parameter sowie einem klugen Reaktorkonzept werden passende Bedingungen für die Züchtung von ß-Ga2O3-Einkristallen aus der Schmelze geschaffen. Sie gewährleisten einen stabilen Kristallwachstumsprozess und liefern ß-Ga2O3-Volumenkristalle von hoher struktureller Qualität, die für die Homoepitaxie geeignet sind. Die Erfindung ermöglicht es, ß-Ga2O3-Volumenkristalle mit einem Durchmesser von 2 Zoll herzustellen, und hat das Potential für eine weitere Skalierung. Die Technologie eignet sich auch für andere Züchtungsverfahren und konnte bereits auf andere bei Züchtungsbedingungen thermisch instabile Oxidkristalle übertragen werden.
Das Patent "Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Beta-Galliumoxid (ß-Ga2O3) aus einem Metalltiegel durch Erstarrung der Schmelze unter kontrolliertem Sauerstoff-Partialdampfdruck“ ist unter der Nummer EP3242965B1 am 26.06.2019 in Europa und (in englischer Sprache) unter der Nummer US11028501B2 am 08.06.2021 in den USA [4] veröffentlicht worden.
Referenzen:
[1] Z. Galazka, R. Uecker, K. Irmscher, M. Albrecht, D. Klimm, M. Pietsch, M. Brützam, R. Bertram, S. Ganschow, R. Fornari, „Czochralski growth and characterization of β-Ga2O3 single crystals“, Cryst. Res. Technol 45 (2010) 1229–1236
[https://doi.org/10.1002/crat.201000341]
[2] Z. Galazka, K. Irmscher, R. Uecker, R. Bertram, M. Pietsch, A. Kwasniewski, M. Naumann, T. Schulz, R. Schewski, D. Klimm, M. Bickermann, „On the Bulk β-Ga2O3 Single Crystals Grown by the Czochralski Method“, J. Crystal Growth 404 (2014) 184-191
[https://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.07.021]
[3] Z. Galazka, R. Uecker, D. Klimm, K. Irmscher, M. Naumann, M. Pietsch, A. Kwasniewski, R. Bertram, S. Ganschow, M. Bickermann, „Scaling-up of Bulk β-Ga2O3 Single Crystals by the Czochralski Method“, ECS J. Solid State Sci. Technol. 6 (2017) Q3007-Q3011
[https://dx.doi.org/10.1149/2.0021702jss]
[4] Z. Galazka, S. Ganschow, D. Klimm, M. Bickermann, „Method for growing beta phase of gallium oxide (ß-Ga2O3) single crystals from the melt contained within a metal crucible by controlling the O2 partial pressure”, US Patent US11028501B2, published 08.06.21
[https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/052278525/publication/US11028501B2?q=US11028501B2]
Weitere Informationen:
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung im Forschungsverbund Berlin e.V.
Sektion Oxide & Fluoride
Zbigniew Galazka
Einkristalle aus Oxid-Halbleitern
Tel. +49 30 6392 3020
E-Mail zbigniew.galazka(at)ikz-berlin.de
Matthias Bickermann
Sektionsleiter
Tel. +49 30 6392 3047
E-Mail matthias.bickermann(at)ikz-berlin.de
Pressemitteilung IKZ vom 26.07.2021