– Det är unikt att vi har hela värdekedjan från substrat via epitaxi till komponentprocessning i Electrumlabbet, säger Mikael Östling, som var drivande för att Sverige skulle bli en del av EU:s pilotlina för material med brett bandgap.

Huvuddelen av pengarna som WBG får via EU går till ST Microelectronics renrumsbygge i Catania på Sicilien men Sverige är med på ett hörn via KTH och Chalmers samt universiteten i Lund och Linköping. För svensk del handlar det om cirka 150 miljoner kronor under fem år.

KTH:s bidrag är bipolära krafttransistorer i kiselkarbid och på sikt även IGBT:er. I Electrumlabbet finns också Kisab som tillver-kar högklassiga substrat och Rise som kan bygga epitaxiella skikt.

Mikael Östling

– Vi har redan beställt substrat från Kisab. Det är substrat som de skär ner så vi kan köra här. De gör ju framför allt 8-tumssubstrat. Sedan har vi även beställt epitaxi från Rise med den tjocklek vi behöver.

Forskningsinstitutet har tagit över de maskiner som amerikanska Coherent lämnade kvar i labbet när företaget stängde ned verk-samheten i fjol.

– Jag var rätt djärv för två år sedan, att vi skulle ha komponenter ute inom ett halvår. Vi hade ju en bra process, men vi har bestämt att vi behöver göra på ett annat sätt. 

NÄR PROCESSEN TOGS FRAM för över ett decennium sedan ansågs jonimplantation vara en omogen dopningsteknik. Istället använde man epitaxiella skikt och ”etsade tillbaka” för att skapa strukturerna i transistorerna.

Jonimplantation skickar in partiklar med hög energi i materialet vilket skapar defekter i kristallgittret. I dag går det att reducera pro-blemet med värmebehandling tillräckligt bra för att den ska kunna användas.

– Vi har fått ut den första batchen och ska nu kalibrera processen med jonimplantation som dopningsmetod, säger Mikael Östling.

Det handlar hittills om bipolära transistorer med ganska tunna kollektorskikt för upp till 1 kV.

– Vi har sagt att de ska klara 5 kV, upp till 15 kV, vilket vi får genom ett tjockare epitaxiskikt. Men vi har inte garanterat ström-styrkor.

STÖRRE STRÖMSTYRKOR innebär en större area på transistorn och därmed också större risk att det finns någon defekt som gör att den inte fungerar.

– Man brukar prata om strömtätheter. Om vi säger att vi kan köra på 300 till 400 A per kvadratcentimeter och gör en transistor på 0,2 till 0,3 kvadratcentimeter så blir transistorer med cirka 100 amperes kapacitet. En sådan transistor för 5 kV hanterar cirka 500 kW. Man kan nå samma effekter genom att parallellkoppla flera mindre transistorer i en modul.

Tillämpningarna är inte elbilar utan produkter som kräver högre spänningar, som tåg och elnätsprodukter, men också datacenter där man vill gå direkt från 230 volt till en lämplig spänning för serverkorten.

FÖRUTOM ATT potentiella kunder som Hitachi och Alstom ska kunna köpa och testa de transistorer som tillverkas i Electrumlabbet är ambitionen att också ta fram ett så kallat PDK (process design kit) med modeller och regler så att potentiella kunder kan designa egna varianter.

– Vi har startat ett samarbete med ett italienskt team på uniersitetet i Bologna, IUNET. Vi skickar ner våra mätdata så försöker de ta fram modeller som stämmer överens med dem.

Huvuddelen av de cirka 45 miljoner som KTH får för sin del i pilotlinan går till löner, SiC-material och processning i labbet, bara runt 10 procent ska användas för att uppgradera maskinerna i Electrumlabbet så att de kan hantera sextumsskivor plus att det till-kommer en ny maskin för oxidering.

– Vi jobbar på fyra tum i dag men efter första juli så sätter vi till alla klutar och försöker få igång sextumsutrustningarna.

SKIFTET PÅVERKAR även andra användare av labbet, som måste gå upp i skivstorlek. 

– Även om det fördyrar användningen så tror jag att det är helt rätt att vi uppgraderar. Vi måste vara kompatibla med Europa, säger Mikael Östling och fortsätter:

– Sedan har vi lovat en annan komponent, en IGBT. Där behöver vi egentligen ha ett substrat av P-typ. Och det har vi inte än. Det är ingen som kan leverera det riktigt än.

Det går att komma runt problemet på diverse sätt och det är inte omöjligt att Kisab kan bistå även om det kommer att ta tid att få fram substraten.

– Förutom det så jobbar vi också för att etablera en bra och defektfri process för styroxiderna. Så att vi har en bra time-to-breakdown. Det kommer att vara bra för vår MOSFET i IGBT:n.

IGBT:n kan beskrivas som en bipolär transistor som styrs med en spänning via en MOSFET. 

DET ENDA SOM SAKNAS i Kista är kapslingen men där finns en finsk partner som ingår i pilotlinan. 

– De håller på att inreda sitt labb för att kunna kapsla och vi har etablerat ett bra samarbete med dem.

Pilotlinorna ska visa på koncept eller tekniker, de ska ligga någonstans mellan 5 och 6 på TRL-skalan, men inte tillverka kommer-siella volymer av komponenter.

– Sen kommer man att kunna beställa enstaka processteg från våra olika partners, vi bygger upp det hela med ett smörgåsbord av olika tjänster, säger Mikael Östling.

FÖRUTOM KOMPONENTER och processteg kommer pilotlinorna att skapa en utbildningseffekt, det kommer ut personer i industrin som gjort allt från ett exjobb till att de doktorerat på processerna.

– Även om man inte sedan sysslar med halvledartillverkning så har man i alla fall upparbetat förståelse för hur man mäter, hur man designar, hur man integrerar saker och ting. Jag tror att det är minst lika viktigt.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

NÄR PROCESSEN är intrimmad kommer det att bli tre till fyra körningar per år beroende på intresset från industrin. Vilket i sin tur är beroende av vilka program EU får på plats för att stötta utvecklingsprojekt baserade på komponenterna. Då måste Vinnova ha pengar så att svenska företag kan vara med och få något ut av pilotlinorna.

– Vi har inte medvetet marknadsfört oss på något sätt än. Men låt oss säga att vi kanske behöver köra igång lite hårdare marknads-föring om ett år när vi känner att vi har något som vi kan leverera med en viss säkerhet, säger Mikael Östling.