C3NiT, eller Center for III Nitride semiconductor technology som det officiella namnet lyder, är ett samarbete mellan akademi och industri med fokus på galliumnitrid även om andra materialkombinationer med indium och aluminium ryms inom samlingsbegreppet III-nitridelektronik.

Satsningen ska stärka svensk industri genom att bygga kunskap i hela kedjan från att växa epitaxiella skikt till att göra komponenter och system för att sedan karakterisera dem. Det enda som inte ingår är att tillverka substraten (wafers).

C3NiT startade redan 2017 och fick efter den första femårsperioden en fortsättning på ytterligare fem år med start i november i fjol. Vinnova satsade 26,9 miljoner kronor på den första femårsperioden vilket ökade till 39 miljoner för den andra. Räknar man in bidragen från industrin är totalsumman 88,8 respektive 116 miljoner kronor.

Pengarna delas i stort sett jämnt mellan Linköping, Lund och Chalmers som alla har aningen olika inriktningar.

I Linköping finns exempelvis två MOCVD-reaktorer medan Lund har en vertikal reaktor och MC2 växer tunna skikt med MBE-epitaxi.

– Arbetet med material är viktigt för att kunna göra nya saker. Det är inte lätt att få från kommersiella leverantörer, säger Niklas Rorsman som är professor i mikrovågselektronik vid Chalmers tekniska högskola.

Hans fokus ligger på snabba kommunikationssystem och radartillämpningar. Det handlar om rf-teknik på millimetervågsområdet.

– För fas två siktar vi på riktigt höga frekvenser på D-bandet upp till 150 GHz. Det handlar om att utveckla kretsar som kan ge förstärkning på dessa frekvenser.

Tillverkningen sker i MC2, Chalmers renrum som har en lämplig process för att göra inte­grerade mikrovågs- och milli­metervågskretsar (MMIC).

Men man nyttjar också det tyska foundryt UMS som är partner i C3NiT.

– Vi arbetar med speciella pro­cessmoduler och hjälper dem att utvärdera dem på olika sätt.

Det handlar bland annat om att undersöka nya sätt att testa komponenterna, att inte bara använda vanliga DC- eller S-parametermätningar, utan testa kretsarna under verkliga driftsförhållanden som i ett radarsystem.

GaN-wafer från Swegan

Lund sysslar framförallt med vertikala processer på gallium­substrat vilket ger högre genombrottsspänning men lägre switchfrekvens än laterala processer som normalt utgår från kisel- eller kiselkarbidsubstrat.

Målet är 1200V men det handlar inte om att konkurrera med kiselkarbid i fordonstilllämpningar utan exempelvis för styrning av motorer i robotar eller växelriktare till solcellsanläggningar.

– Det finns inga kommersiella kraftkomponenter i galliumnitrid idag med så hög genombrottsspänning, även om det finns forskningsresultat. Vi ska försöka utveckla och demonstrera det, säger Erik Lind som är professor i nano­elektronik.

De kommersiella GaN-komponenter som används i exempelvis mobilladdare är laterala och klarar inte lika höga strömmar som kisel- eller kiselkarbidkomponenter.

Förklaringen ligger i substraten som är tillverkade av kisel och sedan belagda med ett tunt galliumnitridskikt, normalt under 10 µm, vilket fungerar för laterala komponenter men inte för vertikala.

Om man vill ha tjockare skikt är det bättre att utgå från GaN-substrat vilket är dyrare.

Ett av resultaten från fas ett av projektet är en HEMT-transistor för högfrekvenstillämpningar med en gradient i kanalen (graded channel). Genom att ändra materialsammansättningen i transistorns kanal gick det att förbättra linjäriteten.

– Det var mycket arbete och en stor framgång. Det handlar om att verkligen förstå hur man växer materialet på ett kontrollerat sätt, säger Erik Lind.

Ytterligare ett resultat från första fasen är laterala kraftkomponenter för millimetervågsområdet tillverkade på Linköpingsföretaget Swegans substrat. Företagets process baseras på kiselkarbidwafers som beläggs med ett tunt galliumnitridskikt. Dessa passar framför allt som utgångsmaterial för snabba rf-kretsar, men samarbetet med Chalmers har bevisat att det går att addera effektsteg med måttlig effekt i en integrerad rf-krets.

– Det är intressant i exempel­vis radartillämpningar och intresset för det är stort, säger Niklas Rorsman.

– En ny sak i fas två är kapsling. Det går inte att använda komponenterna om de inte är kapslade. En annan sak är modellering, att det finns modeller som gör att det går att designa omvandlare, säger ­Muhammad Nawaz på Hitachi Energy Systems, före detta ABB.

De här delarna av projektet är dock små i jämförelse med resten.

En aspekt som kanske är lätt att missa är att C3NiT även levererar omvärldsbevakning.

– Det händer mycket i USA och Kina, vi hjälper industrin att följa det och ta till sig nya idéer och nya tekniker.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Precis som alltid när det handlar om akademisk forskning sker det en naturlig kunskaps­överföring genom att studenter och doktorer börjar arbeta i industrin när de är klara.

Bilden: Steffen Richter, forskare på universitetet i Lund. Fotograf: Thor Balkhed, Linköpings universitet.