En vanlig kiselskiva har mellan 10 och 50 defekter. En skiva av kiselkarbid, SiC, har cirka 1 000 defekter per kvadratcentimeter, medan en skiva där galliumnitrid, GaN, vuxit på kisel i snitt har 1 000 miljoner defekter per kvadratcentimeter.

Adolf Schöner

− Den höga defekttätheten är förklaringen till att vi inte tror att GaN kan vara ett bra material för riktigt höga spänningar, över 1 KV, eftersom kraftkomponenter är mycket känsliga för defekter, säger Adolf Schöner, som forskat på SiC-material i 20 år och är teknikchef på epitaxispecialisten Ascatron i Kista.

Det som orsakar den höga defekttätheten är ett anpassningsfel som uppstår hos atomerna mellan epitaxiskiktet och substratet. Atomavståndet mellan GaN- och kiselgittren skiljer sig cirka 20 procent. Med ett buffertskikt försöker man anpassa gittren så bra som möjligt, men resultatet är ändå uppåt en miljard defekter per kvadratcentimeter.

Ett sätt att få bättre gitteranpassning, och därmed lägre defekttäthet, är att låta GaN växa på SiC, safir eller just GaN, men idag är dessa bulkmaterial alldeles för dyra för att slutresultatet ska kunna användas för att konkurrera med vanliga kiselkretsar.

En egenskap som annars gör att GaN sticker ut är den tvådimensionella elektrongasmekanismen (2DEG) som kan skapas i en HEMT (high electron mobility transistor). Elektrongasen skapas genom att ett tunt AlGaN-lager adderas på GaN-skiktet. Därmed fås en polariseringseffekt i gränssnittet som gör att elektronerna som injiceras nästan rör sig obehindrat där. Egenskapen gör GaN perfekt för högfrekvenskomponenter.

Fördelen är att man kan bygga en transistor som leder elektroner mycket snabbt med små förluster.

En nackdel är dock att en HEMT måste byggas horisontalt, det vill säga source-, drain- och gate-kontakterna ligger på samma sida av kretsen. Ytterligare en annan nackdel är att en HEMT  är ledande utan pålagd gate-spänning (normally-on).

Båda dessa utmaningar påstås kunna lösas. Hittills har dock ingen lyckat göra transistorer som kombinerar vertikal kanal och elektrongaseffekt utanför labbet. Transistorer som är normally-off finns däremot.

Den laterala strukturen gör att det elektriska fältet på ytan av en HEMT blir väldigt högt. När man ökar spänningen så ökar också det elektriska fältet på ytan och kretsen blir allt större eftersom kontakterna måste dras längre ifrån varandra.

− Det är en stor utmaning. Den väldigt höga fältstyrkan på ytan måste passiveras effektivt på något sätt. Terminering av den höga spänningen är väldigt svårt att göra. Det gör att GaN är mest attraktivt vid lägre spänningar, upp till 300 V eller kanske lite högre, säger Adolf Schöner.

I kiselkarbid går det däremot att göra kretsar med vertikal struktur. Det innebär att man kan se till att den högsta fältstyrkan ligger i SiC-materialet, långt från gränssnittet till passiveringen och ytan.

− På så sätt kan man klara betydligt högre spänningar, förklarar Adolf Schöner.

Fast SiC har också sina utmaningar. Det höga kanalmotståndet i SiC MOSFET, som orsakas av defekter vid gränssnittet mellan SiC och gateoxid, är en sådan.

− Det höga kanalmotståndet ger sig till känna när man minskar spänningen för då blir förlusterna i kanalen allt mer dominerande. Därför tror man att transistorer i SiC kommer att vara bra vid 1kV och högre spänningar.

Adolf Schöner är tveksam till att den mobilitet som man idag kan uppnå i kanalen hos en SiC MOSFET räcker för att dessa transistorer ska kunna konkurrera vid spänningar nere på 600 V.

− För att konkurrera vid 600 V måste man komma upp i en kanalmobilitet som kanske är en faktor två till tre högre än vad vi har idag, säger han.

Samtidigt får man inte glömma den fördel som högre switchfrekvensen kan ge i framtida system. Att GaN med sin 2DEG-egenskap är extremt snabbt är känt, men även en MOSFET i SiC som ersätter en IGBT kan dra fördelar av ökad switchfrekvens.

− Bipolära IGBT:er är frekvensbegränsande. Med en MOSFET i SiC kan man nå upp till tre gånger högre frekvens. Då blir de passiva kringkomponenterna mycket mindre, vilket gör att en omriktare kan bli mellan tre och fem gånger mindre och lättare, och därmed mycket billigare

− Det är något som bilindustrin fått upp ögonen för, säger Adolf Schöner.

Läs också:
Kisel utmanas av kiselkarbid och galliumnitrid
Många lockas av SiC och GaN