Krafthalvledare i kisel är det som drar in pengar idag. Och på transistorsidan är det MOSFET:ar som konstruktörerna föredrar. De är unipolära, lätta att styra och finns i en uppsjö varianter upp till 600 V, men även lite högre spänningar.

Där, vid 600 V, börjar också IGBT:er i kisel att dyka upp för att helt ta över högre upp. De är prisvärda, men har höga switchförluster eftersom de är bipolära.

Faktum är att 600 V är en extremt konkurrensutsatt marknad – volymerna är höga, vilket gjort att området på senare tid lockat till sig två till tre nya MOSFET- och IGBT-tillverkare om året. Här konkurrerar halvledarföretag från världens alla hörn, ja till och med foundrys från Korea försöker slå sig in med lågprisprodukter.

John Palmour

− Kraftransistorer för 600 V är oerhört standardiserade och kisel väldigt, väldigt bra. Vi har därför valt att inte vara med och konkurrera på 600 V med våra MOSFET:ar i kiselkarbid. Åtminstone inte idag, säger John Palmour, teknikchef för power och rf  på Cree.

Istället siktar företaget på att konkurrera ut kisel vid högre spänningar. Redan i januari 2011 släppte Cree sin första generation SiC MOSFET. Sedan dess har företagets framfart varit verkligt aggressiv. En andra generation, med helt ny design, har hunnits med. Den switchar enligt företaget 40 procent snabbare än föregångaren, men kostar hälften.

Cree är speciellt eftersom företaget både utvecklar kretsar i kiselkarbid, SiC, och galliumnitrid, GaN. Över 90 procent av företagets intäkter kommer från GaN, fast då handlar det om lysdioder och rf-power-kretsar som exempelvis används i radiobasstationer och militär radar.

När det handlar om krafthalvledare är GaN inte ett alternativ för Cree.

− Vi har väldigt bra koll på vad GaN är bra på och vad materialet är mindre bra på. Därför fokuserar vi enbart på SiC när det gäller switchning vid högre spänningar, säger John Palmour.

Fördel SiC och GaN Högre switchningsfrekvens, högre effekttäthet, högre tempe-ra-turtålighet och bättre förmåga att hantera högre spänningar. Det är några fördelar som brukar tas upp när kiselkarbid och -galliumnitrid ställs mot kisel.   Här är några exempel på kraftområden där de nya materialen i framtiden spås muta in en plats: • Omriktare i solpanerer och vindkraftsverk • Motorstyrning i industrin • Avbrottsfri kraft (UPS) • Kraftaggregat • El- och hybridfordon • Trådlös laddning • Strömförsöjning i tele- och datakom

Idag säljer Cree SiC MOSFET:ar som hanterar 1,2 kV och 1,7 kV, men i labbet jobbas det med betydligt högre spänningar. Där har företaget demonstrerat transistorer för 3,3 kV, 6 kV och 10 kV, vilket är högre än MOSFET i kisel kan klara.

När en tredje generation är klar för marknaden vill John Palmour inte kommentera, men ett till två år från nu kan vara rimligt.

Crees ståndpunkt är att i princip allt som kan göras i kisel kan göras vid tio gånger högre spänning i kiselkarbid. Mellan tummen och pekfingret innebär det att en SiC MOSFET kommer att vara det mest attraktiva valet upp till 10 kV i framtiden.

− För att nå ännu högre spänningar utvecklar vi IGBT:er i SiC. Då talar vi om spänningar på 15–20 kV, till och med 27 kV, vilket vi nyligen demonstrerat i labbet.

Någon brådska med att utveckla IGBT:er har företaget däremot inte.

− Idag kan man köpa IGBT:er i kisel för som mest 6,5 kV, så för 20 kV-kretsar finns det inga köpare idag. Vi måste utveckla marknaden, visa på tillförlitlighet så att någon vågar satsa. Dit är det lång väg. Kanske är vi där om fem-tio år, säger John Palmour.

Andra halvledartillverkare, som Infineon och Fairchild, är inne på samma spår som Cree: MOSFET i kiselkarbid är väldigt attraktivt. Men till skillnad mot Cree anser de två inte att materialet har nått den kvalitet som krävs av MOSFET då effekten är hög.

Infineon har därför satsat hårt på att utveckla JFET, en transistorstruktur som passar SiC bättre men har nackdelen att vara så kallad normally-on. Det betyder att kretsen leder utan drivspänning.

För att komma runt detta har Infineon utvecklat en specialdrivning, som göra att transistorn kan hanteras som en MOSFET. Trots det har succén uteblivit.

Peter Friedrich

− Du har rätt om succén, men jag tror att detsamma gäller alla transistorer i kiselkarbid, inte enbart vår JFET. Framgången ligger fortfarande framför oss, förklarar Peter Friedrich, Senior Director SiC på Infineon.

Samtidigt håller han med om att en MOSFET som fungerar tillförlitligt definitivt är ett koncept att föredra, men Infineon anser inte att transistorn är där ännu.

− Vår JFET känner vi oss trygg med. När det gäller MOSFET så måste vi jobba vidare med oxiden som är den svåra delen.

Jämfört med kisel har kiselkarbid en defekttäthet som ligger cirka 1 000 gånger högre. Inte alla, men vissa defekter påverkar transistorns tillförlitlighet. En viss typ av defekt kan dessutom vara skadlig för en viss transistortyp, men inte en annan.

− Vi ser två problem med MOSFET:ar i SiC. Kanalmobiliteten är väldigt låg, vilket ofta kompenseras genom att man överstressar oxiden. Det är farligt vid högre fältstyrkor och inget vi vill göra. Det andra är den höga defekttätheten, vilken göra att yielden går ner, säger Peter Friedrich.

Ett recept att få ned priset är att gå från dagens SiC-wafer på 4 tum till större diameter.

− Vi ser att det är bättre att gå över till wafers med större diameter än att minska effekttätheten hos dagens wafer. Vi är inne i en övergångsperiod och under nästa kalenderår ska vi börja tillverka på 6 tum, säger Peter Friedrich.

När Infineons MOSFET är redo för marknaden är inte sagt. Men det dröjer minst ett år tills lanseringen, vilket betyder att företaget kan dra nytta av den större skivstorleken. Entréspänningen är 1,2 kV.

Fairchild har en liknande historik. Företaget satsade stenhårt på bipolära transistorer, BJT, vilket ledde till köpet av svenska Transic år 2011.

Thomas Neyer

− Vi trodde på BJT eftersom det är en transistor som likt JFET använder all styrka hos SiC utan att påverkas av materialets svagheter, som dess oxid och skadliga defekter vid gränssnittet. Egentligen är SiC inte alls lämpat för transistorstrukturer med gateoxid som MOSFET, förklarar Thomas Neyer på Fairchild.

Men den bipolära strukturen är inte något dagens konstruktörer är vana vid att hantera, utan de vill ha MOSFET:ar som är enklare att driva.

− Så idag går all vår forskning och utveckling inom detta till SiC MOSFET. På sikt tror vi även att vi kommer att föredra MOSFET internt i våra kraftmoduler.

Precis som övriga spår Fairchild att det är spänningarna 1,2 kV, 1,7 kV och uppåt som i framtiden är intressant för MOSFET:ar i kiselkarbid.

− För riktigt höga spänningar, som 5 kV till 10 kV, kan man också tänka sig att IGBT i SiC dyker upp i framtiden, konstaterar Thomas Neyer.

När Fairchild kommer att lansera sin första MOSFET i kiselkarbid kan han däremot inte kommentera.

− Det kommer att ta lite tid, men vi behöver inte skynda för ännu är marknaden inte stor.

Samtidigt är Thomas Neyer väldigt skeptisk till att det över huvudtaget är ansvarsfullt att släppa MOSFET:ar i kiselkarbid så länge materialet har så hög defekttäthet som idag.

− Jag anser att företag som vågar släppa transistorer och hävda att de är bra, inte har en aning om power. Cree är för mig en av dem som rör sig mycket aggressivt in i detta område, men företaget har inte något ”track record” inom power, säger Thomas Neyer.

Crees John Palmour håller dock inte med.

− Vi har sålt Schottkydioder i kiselkarbid i 12 år. Tittar man på alla våra dioder från 600 V till 1 700 V med biljoner timmar i fält så har de 0,2 fel per miljarder timmar. Det är 10 gånger bättre än jämförbara dioder i kisel.

− Defekter är mer en yieldfråga, men vi designar våra transistorer så att de är väldigt okänsliga för de flesta defekter. Vi lägger e-fältet där det kan hanteras, vilket gör att vi kan få hög yield, konstaterar John Palmour.

Defekttätheten är alltså en het potatis för kiselkarbid. Och den är ännu hetare för galliumnitrid, eftersom GaN-på-kisel har cirka 1 000 gånger fler defekter per ytenhet än SiC.

Visserligen kan man skapa GaN-material med liknande defekttäthet som SiC genom att använda bulkmaterial som SiC eller GaN, men i krafthalvledare som ska konkurrera med kisel är det alltför dyrt. Fördelen med Si-bulk är just att det är billigt.

Förespråkare för GaN-på-Si menar att materialet en dag kommer att vara det självklara valet upp till knappt 1 kV, men dit är det en bit att vandra.

− Frågan är inte om GaN eller SiC är bättre än kisel vid 600 V, för det är de, utan frågan är vad kunderna är beredda att betala för den förbättringen. Vilket värde ger det till kunderna, säger John Palmour.

Så om nu SiC-tillverkarna sikter på en entrénivå för sina MOSFET.ar över 1 kV, så attackerar GaN-tillverkarna snarare lägre spänningar.

Amerikanska Efficient Power Conversion, EPC, grundat år 2007, lanserade sin första krafttransistorer i GaN-på-Si för fem år sedan. Företagets vd Alex Lidow, som varit med från start, har tidigare jobbat på GaN-pionjären International Rectifier i 30 år – först med forskning och utveckling därefter som vd i 12 år. Så EPC:s inblicken i GaN-världen är god.

Alex Lidow

− Vi tror att GaN kommer att bli dominerande upp till 900 V, men först när kunderna vill ha betydligt högre switchfrekvens. De flesta av dagens tillämpningar för 600 V MOSFET och IGBT switchar inte mer än 100 kHz, och då behövs inte GaN, säger Alex Lidow.

Samtidigt menar han att spänningsområdet runt 200–300 V och lägre är en väldigt attraktiv kaka att ta en del av.

Sedan i somras har företaget också släppt sin 4:e transistorgeneration med lägre resistans och högre switchning. Därmed har den tidigare portföljen av företagets så kallade eGaN FET:ar för 40 V till 200 V kompletterats med transistorer som hanterar 300 V.

Företagets eGaN är så kallad enhancement-mode, vilket betyder att transistorn inte leder utan drivspänning (normally-off) till skillnad mot traditionella GaN-på-Si-lösningar som är normally-on.

− Att ha en transistor som inte kräver en negativ spänning för att stängas av är oerhört väsentligt. Och det har vi nu, förklarar Alex Lidow.

I september lanserades företaget även sin första integrerade krets, med en halvbrygga ombord.

− Under de närmaste tre månaderna kommer vi att utöka den här familjen till högre spänningar med olika förhållanden mellan den låga och höga sida. Under nästa år planerar vi att introducera transistorer med integrerad drivfunktioner, säger Alex Lidow och han fortsätter:

− Därefter planerar vi även att utveckla avancerade analoga funktioner, kanske även digitala.

För EPC är det MOSFET:ar i kisel som är konkurrenten, inte transistorer SiC.

− I GaN-på-kisel kan man tillverka kretsar som kostar mindre och är mycket snabbare än både superjunction MOSFET och IGBT. Initialt kommer det att vara de höga switchfrekvensen som lockar dem som vill använda våra transistorer. Så småningom kommer det att vara det låga priset.

Idag tillverkar EPC på 6 tums kiselskivor, när epitaxin är redo för större skivor kommer priset att droppa rejält.

Läs också:
Många lockas av SiC och GaN
Defekter hejdar GaN:s framfart inom kraft