Kiselkarbid driver energirevolutionen

– Displayen i min elbil fungerade inte i morse, det var säkert fel på någon halvledare, säger Ascatrons medgrundare Christian Vieider med ett skratt.

Halvledare finns i nästintill all elektronik, i allt från kylskåp till bilar. Kisel är det vanligaste halvledarmaterialet. För att driva energiomvandlingen i en elbil krävs det över två tusen kiselchip. Allt eftersom fler funktioner introduceras i bilar, så som självkörning, kommer det att behövas ännu fler chip i mer energieffektiva material. Nästa generations halvledare i kiselkarbid sparar mer energi och innehåller fler transistorer.

Christian kliver upp för spiraltrappan på Isafjordsgatan 22 i Kista. Den leder till Electrumlaboratoriet, en testbädd för nano- och halvledarteknologi som drivs av RISE i nära samarbete med KTH. Det var här Ascatrons resa startade för tio år sedan. Då arbetade Christian med kommersialisering av RISE teknologi för energieffektiv kiselkarbid.

2011 bildades Ascatron av fyra medarbetare från Acreo, numera en del av forskningsinstitutet RISE. Ascatron ägs sedan 2020 av II-VI (two-six) och idag tillverkar de framför allt kiselkarbid-skivor, så kallade wafers, som är en nyckelteknologi inom många kraftelektroniktillämpningar.

Kommersialisering av kiselkarbid – från materialutveckling till komponenter

Christan svänger in mot korridoren på den femte våningen. Där arbetar Ascatron och RISE forskare sida vid sida i Electrumlaboratoriet. Han går i ett mötesrum och slår sig ner.

På Electrumlaboratoriet tillverkar Christian och forskarteamet det epitaxiella skiktet på halvledaren, det vill säga det aktiva lagret i komponenten som bestämmer hur mycket spänning den kan motstå. Det var teknologin som lade grunden för Ascatron som knoppades av från RISE 2011.

– Marknaden var redo, säger Christian och lutar sig tillbaka i stolen. Det fanns en efterfrågan på kiselkarbid och RISE hade redan kunder som köpte halvledarmaterialet. Idén var att bygga en fabrik för att skala upp tillverkningstekniken och då var det dags att bilda ett bolag. Nästa steg var att hitta investerare.

Ascatron var tidiga med att skapa större epitaxiella wafers och gick från att tillverka skivor på 100-millimeter till 150 millimeter. Det gav dubbelt så många komponenter per skiva och företaget fick en fördelaktig position på marknaden. Ascatron inledde samarbeten med stora komponenttillverkare så som ABB.

–  Vi hade kommit så långt vi kunde med materialtillverkning och 2015 började vi utveckla kiselkarbidkomponenter på vår epitaxiella wafer, fortsätter Christian. Komponenterna ska inte bara vara effektiva och ha så lite energiförluster som möjligt i sin omvandling av ström utan de ska också vara pålitliga och robusta.

Kiselkarbid – en möjliggörare för det fossilfria samhället

Samhällets omställning från fossila bränslen till el väntas skapa en kraftigt ökad elanvändning. Det visar energimyndighetens prognoser som pekar på att elanvändningen kommer att fördubblas till 2050. Men för att nå ett fossilfritt samhälle behöver energin också användas effektivt och därför har Sverige som mål att uppnå 50 procent effektivare energianvändning till 2030.

– Den elektrifiering som sker samhället kommer att innebära nya krav på vad kraftelektronik ska klara, säger Christian. Vi står inför en enorm utmaning i den energirevolution som nu sker. Om Sverige ska öka sin elproduktion behövs denna typ av komponenter för att omvandla strömmen.

Omvandling av elektricitet leder till förluster med upp till tio procent. Det innebär att när strömmen från ett eluttag exempelvis når en elbil så har omkring tio procent av energin försvunnit. Men komponenter som byggs med den nya generationen av halvledarmaterial är mer energieffektiva.

– Med kiselkarbid sparar du ström och tar bort omkring två tredjedelar av energiförlusten jämfört med kiselchipp, fortsätter han. Det gör att du till exempel kan köra tio till tjugo procent längre med din elbil eller spara in lika mycket på batterianvändandet. Det gör vår teknologi väldigt attraktivt för elbilsmarknaden.

Elektronikjätten II-VI investerar i Ascatrons kiselkarbid-teknologi

– Efter ett decennium hade vi kommit så långt vi kunde med vår egen utveckling, berättar Christian. Vi behövde en långsiktig ägare för att ta fram med kommersiella produkter. Det behövde också vara en etablerad aktör för att vi skulle vara intressanta för potentiella kunder så som Volvo eller Volkswagen.

Ascatrons avancerade epitaxi-wafers i kiselkarbid fångade den amerikanska halvledartillverkaren II-VI intresse. Elbilsmarknaden hade tagit fart och med förvärvet av Ascatron 2020 kunde II-VI lyfta sig i värdekedjan och erbjuda wafers och komponenter i kiselkarbid till tillverkare av eldrivna fordon.

– Det som utmärker vår teknologi är vi har tagit fram material som klarar riktigt höga spänningar, berättar han. Med det kan man ta fram komponenter som klarar över till tio kilovolt och det gör oss unika på marknaden.

Idag har II-VI 22 medarbetare i Kista som arbetar med kiselkarbid-kraftkomponenter och epitaxi-produktionen, som en del av företagets utvecklingsavdelning. Nästa steg är att växa ytterligare.

– Vi ska skala upp den produktion som vi gör i Kista. Det innebär att vi kommer kunna gå från pilotproduktion till att leverera i stor skala till våra kunder. Nu ser vi över var volymproduktionen kommer att vara men min förhoppning är att en del ska hamna i Sverige och att vi kan skapa fler arbetstillfällen här.

II-VI samarbete med RISE på Electrumlaboratoriet

Lysrören slänger ett kallt ljus på datorskärmar, mikroskop och maskiner som står på rad längs väggarna i Electrumlaboratoriets 1300 kvadratmeter stora renrum. Utrustningen används för att växa det epitaxiella skiktet på halvledarwafern och processa komponenter. Klargula pelare och en asurblå epitaxi-reaktor bryter av den vita och metallgrå ISO-certifierade renrumsmiljön. Den internationella standarden säkerställer hög kvalitet för industriell produktion av halvledarmaterial. Här samarbetar II-VI med RISE och KTHs experter iklädda isblå overaller. Skyddskläderna är till för att säkra den rena tillverkningsmiljön med färre än tiotusen partiklar per kubikmeter. Det kan jämföras med ett kontor som har miljontals partiklar på en lika stor volym.

En våning över renrummet ligger kraftelektroniklaboratoriet som drivs av RISE. Här testar II-VI sina prototyper och får stöd av experter från RISE för tester och elektrisk karakterisering av sina kraftelektroniska komponenter.

Efter att den processade wafern har kapats ner till chipp kapslas bitarna in, till exempel MOSFET-transistorer (metal oxide semiconductor field effect transistor). Experterna testar transistorerna för att mäta komponenternas egenskaper och hur bra de fungerar när man belastar dem. Klas Brinkfeldt är enhetschef på RISE och ansvarar för testerna:

– Vi erbjuder expertis inom hela kedjan från tillverkning och karaktärisering av komponenter till tillförlitlighetstester, simuleringar och materialanalys, berättar Klas. Vi är unika i Sverige med att kunna erbjuda ett helhetspaket och på så sätt hjälpa till med utvecklingen av nästa generations kraftelektroniksystem.

RISE långsiktiga utveckling av wafer-tillverkning och felanalys accelererar nu ytterligare i ett förlängt samarbetsavtal med II-VI.

– Vår förhoppning är att vi kommer att ha ett ännu närmare samarbete med II-VI inom utveckling och testning av nästa generations kiselkarbidkomponenter, fortsätter Klas Brinkfeldt. Vi ser också att det kan skapa ringar på vattnet och stärka hela ekosystemet i Kista och på så sätt bidra till en större arena för felanalys av elektroniska komponenter.

Christian Vieider berättar att samarbetet med RISE har varit viktigt för bolagets framgångar:

– Samarbetet med RISE har varit en helt avgörande framgångsfaktor för oss eftersom vår teknologi var baserad på 20 års forskning hos RISE. Tillgång till kunder, expertis och utrustning bidrog till att vi snabbt kom in på marknaden.

– Utvecklingen av funktionella och tillförlitliga komponenter baserade på nya halvledarmaterial är viktigt för att vi ska kunna spara energi i framtidens kraftelektroniksystem, fortsätter Klas Brinkfeldt. Nya material som kiselkarbid kräver djup kunskap och helt nya byggsätt. Det kommer att förändra elektronikindustrin och hur vi designar, bygger och producerar både wafers och kretsar.

RISE, II-VI och det sydkoreanska forskningsinstitutet KATECH (Korea automotive technology institute) har inlett ett forskningssamarbete inom halvledarteknik. Projektet ska leda till ökad effektivitet i elfordons kraftelektroniksystem.

– Vi ska tillverka komponenter baserade på vår grundteknologi och designa dem tillsammans med RISE, berättar Christian Vieider. I projektet kommer vi att få direkt feedback från en slutkund om hur våra komponenter fungerar i deras applikation och det är ett ovärderligt samarbete för att utveckla bättre produkter.

Goda förutsättningar för EU att bli självständigt inom halvledartillverkning

Sedan 2021 råder det brist på halvledare vilket lamslog produktionen av elektroniska produkter, inte minst bland elfordonstillverkare. Halvledarbristen väntas lätta men prognoser pekar på att problemet kommer att fortsätta i flera år framöver. EU-kommissionen presenterade ”European chips act”, ett förslag på åtgärder för att säkra den europeiska innovations- och produktionskapaciteten av halvledare.

– Det är jätteviktigt för Europa att bli självständiga inom halvledartillverkning, säger Christian. Produktionen är kunskapsintensiv. Ett exempel på det är att hälften av vår personal är disputerade forskare. Vi har hög kompetens i Europa vilket skapar goda förutsättningar för en europisk tillverkningsindustri av halvledare och vår verksamhet kan bidra till den lokala kiselkarbid-produktionen. I morse fungerade inte min elbil, antagligen för att det var fel på någon halvledare. Det säger mig vilken stor och viktig del halvledare har i vår vardag.