Galliumnitrid, GaN, är ett material med stort bandgap som tål höga laddningsbärarkoncentrationer, har hög mobilitet och klarar höga temperaturer. Egenskaperna passar både snabba rf-kretsar och kraftelektronik, faktisk även framtidsområdet optoelektronik.
För rf-kretsar räcker det med ett GaN-skikt som är runt två µm, de HEMT-transistorer som används är planära.

Kraftelektronik vill man helst bygga med vertikala transistorer som tål högre spänningar. Då behöver skikten vara uppåt 10 µm vilket ökar problemet med dislokationer och därmed även låg yield på komponenterna.

Bäst kvalitet får man med så kallad bulk-GaN, substrat som tillverkats på samma sätt som kiselsubstrat genom att skiva upp en korv (ingot) av materialet. Bulk-GaN är dock dyrt och skivorna är idag inte större än fyra tum.

Halvledarfabrikerna vill ha minst sex tum, gärna åtta, för att få ekonomin att gå ihop. Det har lett till att man istället utgått från skivor i safir, kiselkarbid eller kisel som belagts med ett lager av GaN.

Ett problem är att defekttätheten blir förhållandevis hög. Det beror på att gittren inte passar ihop vilket ger defektbildning, så kallade dislokationer, vilket är negativt för prestanda och energieffektivitet. Dessutom krymper kisel mer än GaN när skivorna kyls ned från 1 000 °C. Risken är då att kisler drar sönder GaN-skiktet vilket man försöker kompensera för med ett flertal skikt mellan kisel och GaN.

– Kan du växa på kisel får du skalbarheten och kan använda samma utrustning som resten av halvledarindustrin, säger Hexagems vd Mikael Björk.

Företaget knoppades av från Lunds universitet år 2015, men först våren 2019 tog arbetet tog fart på allvar. Det var i samband med att företaget beviljades ett större EU-projekt plus att Almi gick in med en summa pengar.

Företagets teknik baseras på de nanotrådar som utvecklats av professor Lars Samuelssons grupp i Lund och som ligger bakom bolag som Glo och Sol Voltaics.

Hexagems process startar med en kiselwafer med ett tunt lager av GaN av låg kvalitet, då finns många dislokationer. Första steget är att lägga ett isolerande lager ovanpå GaN-lagret som därefter mönstras med en regelbunden matris. Därefter etsar man hålen i matrisen för att komma ned till det ursprungliga GaN-lagret. Med hjälp av epitaxi växer man små pelare i GaN, det vill säga nanotrådar, i varje hål.

Mönstret fungerar som ett filter som tar bort dislokationerna. Skulle en pelare hamna över en dislokation i det undre lagret har processen den egenheten att dislokationen inte följer med till toppen av pelaren utan böjer av mot sidan.

I nästa steg – som egentligen bara är lite senare i tiden i samma epitaximaskin – breddas pelarna så att de nästan växer ihop.

Därefter smälter man ihop pelarna till ett plant så kallat koalescerande lager. En del av dislokationerna mellan pelarna följer dock med upp till ytan men de är betydligt färre än med andra metoder.

– Vi arbetar med att minska det ännu mer.

Slutligen bygger man upp GaN-lagret till önskad tjocklek.

Handlar det om rf-komponenter med planära HEMT-transistorer räcker det med någon enstaka mikrometer men Hexagem siktar i första hand på skivor för kraftkomponenter som byggs av vertikala transistorer vilket kräver ett GaN-skikt på cirka 10 µm.

– Vi har demonstrerat tekniken på väldig små wafers, där ligger vi bra till på dislokationstätheten.

Intresset är redan så pass stort att en del kunder i fjol betalade för att få små substrat att experimentera med.

Huvuddelen av finansiering kommer från några EU-projekt plus att Almi satsat knappt fem miljoner. Det är också tänkbart att företaget tar in riskkapital under hösten för att höja tempot.

Lösningen kräver ingen ny utrustning och inga nya kemikalier. Det finns redan epitaxi­maskiner liksom de ­nödvändiga gaserna indragna i dagens fabriker. Istället handlar det om att implementera ett recept och addera litografisteget plus torr­etsning för att skapa mönstret för nanopelarna.

Planen är att samarbeta med större företag som utvecklar kraftkomponenter och är intresserade av att kommersialisera tekniken.

– Vår expertis är på epitaxi – kristalltillväxt – och på karakterisering. Vi har inga avsikter att skala upp till produktion eller göra komponenter.

De försök som gjorts i labbet i Lund – Pro Nano – är på små substrat.

– Vi planerar att visa på sex tum inom ett halvår. Då kan vi få större företag intresserade av att titta på och validera det, säger Mikael Björk.

Pro Nano saknar dock maskiner för sextumsskivor så det arbetet måste göras någon annan stans.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Potentiella kunder kan sedan använda skivorna för att tillverka komponenter i sina fabriker och därmed verifiera kvaliteten.

– Infineon, Bosch och ST jobbar på sex tum och större, det gäller även deras forskning och utveckling. Även om de skulle vilja kan de inte hantera mindre skivor.