JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.

En patenterad metod kallad NovaGaN för att lägga galliumnitrid på vanliga åttatums kiselskivor i kombination med en egenutvecklad arkitektur för HEMT-transistorer ska göra uppstartsföretaget Epinovatech till en fabrikslös halvledartillverkare.

Galliumnitrid (GaN)

har stort bandgap, tål hög spänning, har hög elektronmobilitet och klarar höga temperaturer. Egenskaperna passar både kraftelektronik och snabba rf-kretsar, faktisk även framtidsområdet optoelektronik.
Egenskaperna ökar effektiviteten i omvandlare och rf-tillämpningar vilket leder till mindre effektförluster och därmed mindre behov av kylning och mindre passiva komponenter.

För tillverkning av lysdider används ett 2 µm tunt GaN-skikt på safirskivor. För rf-kretsar behöver kvaliteten på GaN-skiktet vara betydligt högre vilket kräver tjockare ett GaN-skikt upp emot 6 µm.

De HEMT-transistorer som används i rf-kretsar är planära och slås av vid positiv gatespänning. Det ger låg robusthet inom kraftelektronik. Denna typ av HEMT används dock i GaN-komponenter som är kaskoder.

För kraftelektronik vill man ha transistorer som i synnerhet slås på med en positiv gatespänning, så kallad ”enhancement mode”, som kan användas vid höga effekter, och som tål högre spänningar, minst 650 V men gärna 1200 V. Det ger en hög robusthet, lång hållbarhet och säkerhet.

Den första tillämpningen för företagets krafttransistor är elbilsladdare men den fungerar för alla typer av spänningsomvandlare och för rf-tillämpningar.

– Med vår NovaGaN-lösning är vi 30 till 50 procent mer energieffektiva än kisel och kiselkarbid, säger Martin Olsson som är vd och grundare av Epinovatech.

Företagets HEMT-transistor i GaN-på-kisel är inte helt lateral – som normala HEMT-transistorer – utan till viss del tredimensionell.

– Vi får en högre genombrottsspänning i och med att den är vertikal.

Det handlar om en typ av HEMT-transistor som är ”normally off”, så kallad enhancement mode HEMT.

– Målet är att vara lika bra som kiselkarbid för batterisidan och trefastillämpningar. Vi tar sikte på en spänning över 1 200 V för våra chip som ett mer skalbart alternativ. Standard idag för GaN-transistorer är 650 V även om det börjar komma komponenter som lovar högre spänningar på 900 V, säger Martin Olsson.

Tillverkningen av de första komponenterna är planerad till nästa år och för att underlätta för kunderna att utvärdera dem håller företaget på att ta fram referenskort för växelriktare och omriktare.

– Fokus har varit att göra en lösning för elbilsladdning som är modulärt skalbar från 22 kW upp till 300 kW, säger Martin Olsson.

För växelriktarna (AC/DC) handlar det om en så kallad totempole PFC-topologi och för omriktarna (DC/DC) om en LLC-topologi.

– Det finns kunskapsluckor bland konstruktörer om hur man ska driva GaN. En vanlig missuppfattning är att man ska göra det så snabbt som möjligt, på många hundra kilohertz, för att uppnå störst nytta med GaN, men då får man EMC-problem. I andra fall görs HEMT-transistorerna långsammare av konstruktörerna, vilket är som att sätta traktorhjul på en Ferrari.

Företaget siktar därför på 200 kHz vilket underlättar för konstruktörerna som är vana vid komponenter i kisel eller kiselkarbid. Just nu utvärderas både standardkapsling och en mer avancerad kapsling.

På en lite längre tidshorisont finns även chip för 6G och kommunikation med i planerna.

– Med vår vertikala chiparkitektur kan vi göra mer kraftfulla rf-transistorer för millimetervågor med GaN, vilket blir mer ekologiskt än kisel.

Vem som ska tillverka chippen är inte beslutat, företaget utvärderar olika foundryn. Dessutom behövs någon som testar och kapslar transistorerna innan de kan lödas in på ett kretskort.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Epinovatech har hittills tagit in 22 miljoner kronor från framförallt affärsänglar. Ambitionen är att fylla på kassan med mer pengar till våren. Det finns dessutom planer att komma med i något EU-projekt och att växa till ett tiotal anställda mot slutet av nästa år.

Lägger GaN på kisel med fästlager i nanoteknik

Galliumnitrid är ett lovande material som haft svårt att konkurrera med kisel och kiselkarbid vad gäller pris, volymer och i viss mån även prestanda.

Det har varit för mycket defekter i materialen i kombination med att skivorna varit små och därmed dyra för att passa kraftkomponenter och rf-tillämpningar. Bara vid tillverkning av lysdioder har GaN blivit ett standardmaterial.
 
Det finns ett antal olika metoder för att framställa GaN men billigast är att utgå från samma typ av kiselskivor (wafers) som användas för CMOS-kretsar och belägga dem med ett tunt lager av galliumnitrid.

I och med att kisel och galliumnitrid har olika gitterkonstanter passar de inte ihop rent mekaniskt på atomnivå. Det uppstår defekter, så kallade dislokationer, vilket försämrar prestanda och energieffektivitet. Ytterligare ett problem är att kisel krymper mer än GaN när skivorna kyls ned under processningen. Risken är då att kislet gör så att GaN-skiktet spricker eller att diskarna blir spröda och kan gå sönder, vilket i sin tur leder till dyra produktionstopp.

– Dislokationer är det som hindrat skalbar produktion av GaN hittills, men det är något vi löst med ett fästlager i nanoteknik som vi har patent på, säger Martin Olsson.

Fästlagret ligger mellan kiselskivan och GaN-skiktet och består av alminiumnitrid som är som är mönstrad i nanoskala. Utvecklingen sker tillsammans med forskningsinstitutet Fraunhofer i Freiburg.

– Vi har gjort för fyra tum och ska göra för åtta tum. Vi håller på att trimma den processen nu.

Att åttatumskivor är viktiga hänger samman med att de är en standardstorlek i hälften av alla halvledarfabriker och därmed kan hanteras av robotbladen i de automatiska tillverkningslinorna.

– Vi kan modifiera vår Nova¬GaN med olika skikt som russinen på kakan för helt olika affärsområden.

Även om företaget har sin bas i Lund är metoden inte utvecklad i labbskala vid högskolan som ¬annars genererat flera företag inom nanoområdet.

– Det finns en anknytning till Skåne, men det är inte en spin-off. Jag har drivit det som ett projekt i många år innan bolagiseringen 2019, säger Martin Olsson.

Han är civilingenjör i nanoteknologi och doktor i teoretisk kemi från Lunds Universitet. Han har även arbetat med utveckling av halvledarkretsar på bland annat lysdiodsbolaget Glo och memsfoundryt Silex Microsystems.

 

 

MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus