GaN-halvledare är en nyckelteknologi för framtidens energieffektiva elbilar och 5g-nät. Lundaföretaget Hexagem vidareutvecklar nästa generations halvledarteknik, som kommer att bidra till elektrifieringen och en hållbar framtid, vid RISE testbädd ProNano.
Halvledarbrickor, som även kallas wafers, styr och omvandlar elektrisk ström. Den används för att bygga komponenter. Den runda brickan kapas ned till frimärkessmå bitar som kapslas in till mikrochipp. De kan beskrivas som hjärnan och minnet som får elektroniska produkter att fungera. Chippen finns i allt från persondatorer till bilar, och de innehåller miljontals transistorer. Ju fler transistorer en enhet har, desto snabbare är den.
De flesta halvledare är tillverkade av kisel men för att möta elektrifieringen och det ökade behovet av snabb och energieffektiv teknologi utvecklas nya varianter. För att driva energiomvandlingen i en bil krävs det omkring 1500 kiselchipp och över två tusen i en elbil. I framtiden kommer det behövas ännu fler chipp i takt med att allt fler funktioner introduceras i bilar, till exempel självkörning. Nästa generations halvledare innehåller fler transistorer och är tillverkade i andra material, till exempel galliumnitrid (GaN).
Hexagem är det enda svenska företaget som utvecklar halvledare med galliumnitrid på kiselbrickor. Det började redan 2015 då Lars Samuelson och Jonas Ohlsson tog klivet att kommersialisera den teknik de utvecklat under flera år genom att bilda bolaget. De hade då framställt nanotrådar utifrån halvledarämnet galliumnitrid som visade sig ha goda förutsättningar för att skapa effektiva halvledarbrickor.
Bolagets vd Mikael Björk berättar att de ser stora fördelar för företag att använda sig av tekniken, främst tack vare kvalité och kompatibilitet.
– Omkring nittio procent av alla chipp på marknaden är kisel-baserade. De är också billiga att producera eftersom de i princip består av sand. Med vår teknik får företag en teknologi som är kompatibel med industrins tillverkningsprocesser och samtidigt kan de fortsätta att hålla nere kostnaderna. Men framför allt erbjuder vår produkt hög materialkvalitet vilket i sin tur leder till mer besparingar med mindre energiförluster, säger Mikael Björk, vd på Hexagem.
Färre defekter ger klimatsmarta och effektiva GaN-halvledare
Vid tillverkning av halvledare skapas dislokationer, det vill säga defekter i materialet. Ju fler defekter det finns i halvledaren desto mer energi går till spillo vid den elektriska omvandlingen och chippen blir således mindre energieffektiva.
– Vår patenterade teknologi är lika effektiv som marknadens bästa GaN-på-kisel-halvledare. I dagsläget har de 100 miljoner defekter per kvadratcentimeter. Men vi tror att vi kan förbättra materialkvaliteten väsentligt och närma oss 10 miljoner defekter per kvadratcentimeter inom kort och därmed passera konkurrensen, säger Mikael Björk.
Energikonsumtionen ökar i samhället, såväl nationellt som globalt. Under 2018 förbrukade Sverige 142 terawattimmar (TWh) el. Energimyndighetens prognos pekar på att elanvändning kommer att öka till 234 TWh till 2050, alltså nära en hundraprocentig ökning.
– Samhället är i stort behov av energismarta innovationer så som Hexagems teknologi för att möta elektrifieringen och det ökande elbehovet, säger Michael Salter, senior projektledare vid RISE test- och demoanläggning ProNano. Han fortsätter; nästa generations energieffektiva halvledare bidrar till att skapa nya lösningar för en hållbar framtid. I det långa loppet innebär den nya tekniken mindre koldioxidutsläpp och spillvärme samt att vi kan använda mer av den energi vi producerar. Det är en viktig pusselbit för att nå klimatmålen.
Vertikala halvledare banar vägen för snabbare 5g-nätverk
En stor utmaning inom branschen är att utveckla större halvledarbrickor. Med den konventionella halvledartekniken har storleken ökat i diameter. Men med ny teknik vill innovatörer, som Hexagem, öka tjockleken på brickorna, så kallade vertikala halvledare. Idag är det vanligt med två till fyra mikrometer tjocka lager.
– Vi satsar nu på att utveckla vertikala halvledare genom att tillverka betydligt tjockare skikt av galliumnitrid. Vårt mål är att göra tio mikrometer tjocka plattor till nästa år. Hexagems vision är att erbjuda ett material så att våra kunder kan bygga nya typer av vertikala komponenter, berättar Mikael Björk.
Med den nya tekniken flyter strömmen vertikalt i stället för horisontellt i brickans plan. Det innebär att komponenterna blir mindre och fler per ytenhet. Det leder till både materialbesparingar och kostnadsbesparingar. Men den största fördelen är att de blir mer kraftfulla och klarar av ännu högre ström och spänningar.
– Inom den närmaste tiden vill vi utveckla teknologin så att vi får upp intresset hos industriella parter. Då kan vi även skala upp storleken på våra plattor, från brickor på 50 millimeter i diameter till 150 millimeter, som är den storlek de flesta företagen efterfrågar. Med vår halvledarbricka vänder vi oss i första hand mot företag som tillverkar kraftelektronik, så som Bosch och Infineon. De kan då bygga komponenter för att styra höga strömmar och spänningar genom kraftomvandling. Det är till exempel viktigt för den fortsatta utvecklingen av elbilar och 5g-nätet som behöver snabba och effektiva komponenter, fortsätter Mikael.
Uppskalning av halvledarteknik inom ProNano
RISE test- och demoanläggning ProNano är en digital innovationshubb som arbetar för att stärka digitaliseringen bland svenska företag med hjälp av nanoteknik. Startups kan etablera sin verksamhet inom testbädden för att snabbare komma i gång med sin idé utan att behöva investera i dyr utrustning.
Hos RISE har Hexagem fått stöd av experter inom epitaxiell kristalltillväxt, det vill säga tillverkning av galliumnitrid på kiselsubstrat. Med ProNanos utrustning metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) har de skapat nanotrådar som sedan bildar tunna lager galliumnitrid på kiselbrickorna. Brickorna processas, både innan och efter kristalltillväxt med litografi – innan tillväxt för att skapa mönster där galliumnitriden kan ”växa” och efter för att isolera enskilda komponenter i brickan. Därefter analyseras materialet med ett elektronmikroskop för att undersöka hur materialet ser ut efter tillväxten. Efter analysen tillverkar experterna komponenter av materialet för att testa hur pass bra materialet är elektriskt.
– Vi har fått en snabbare utveckling av vår produkt tack vare expertisen och utrustningen hos RISE. I labbet jobbar vi i princip på samma typ av maskiner som de stora halvledartillverkarna. Det är något som skulle ha varit väldigt dyrt för ett startup-bolag som Hexagem att finansiera på egen hand. Vi får en helt annan stabilitet med jämnare produktion och reproducerbarhet än vad vi till exempel hade fått på ett universitetslabb som har fler olika material i maskinerna. Vi har även fått tillgång till ett fantastiskt nätverk inom RISE och det har tillfört goda kontakter mot stora internationella företag och EU-projekt, säger Hexagems vd, Mikael Björk.
Hexagem är en spin-off från Lunds universitet och idag är de fem anställda. Forskningen inom företaget bedrivs med stöd från Vinnova och EU-projektet UltimateGaN.
Nästa generations halvledare med breda bandgap
En halvledare är som namnet antyder inte en ledare och inte heller en isolator utan något mitt emellan. Det går att styra hur mycket ström de ska leda och därmed anpassa dem till varje enskilt behov. Materialet användas för att tillverka transistorer och elektroniska komponenter. Den vanligaste slutprodukten är mikroprocessorer som finns på chipp, exempelvis i datorer.
Kisel är det mest använda halvledarmaterialet. Av kiseln skapas en rund, platt skiva som kallas för kiselsubstrat. Substratet kan användas för att bygga komponenter i ren kisel men det kan också beläggas med andra halvledarämnen för att ge substratet nya egenskaper. Även om halvledare i kisel är tillräckligt bra för dagens teknik så kan andra halvledarmaterial användas i mer krävande tillämpningar. Till exempel för att omvandla höga spänningar i elnätet, elbilar eller tåg. I dessa tillämpningar är halvledarmaterial med bredare bandgap, till exempel galliumnitrid, mer fördelaktiga. De klarar av mycket högre spänningar, frekvenser och temperaturer än kisel. Halvledande material som galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) har ungefär tre gånger så stort bandgap jämfört med kisel. Det ger högre energieffektivitet och mindre energiförluster, till exempel i form av spillvärme under driften av den elektriska enheten.
Så går det till i labbet
För att tillverka transistorer av halvledarmaterial med brett bandgap använder RISE en process som kallas MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition) för att skapa särskilda toppskikt ovanpå grundsubstratet. I en MOCVD-maskin tvingas specifika gaser (eller ångor) att strömma över substratets yta vid kontrollerade temperaturer och tryck. På så sätt ”odlas” toppskikt i en kristallstruktur, ett atomskikt i taget i flera lager. Metoden kallas för kristalltillväxt, eller epitaxi. Skikten kan odlas över hela substratytan eller på specifika delar av substratet för att odla 3D-nanostrukturer, till exempel nanotrådar.
De epitaxiella skikten kan odlas med hjälp av MOCVD-processen på substrat i flera olika material till exempel kisel, kiselkarbid, galliumnitrid, diamant eller safir. Materialen har olika svårighetsgrader för att uppnå få kristallina defekter.
Därefter skapas transistorer och andra elektroniska komponenter av skivan genom ytterligare bearbetningssteg som är vanliga vid halvledartillverkning, till exempel litografi, etsning eller deponering av metaller eller isolatorer. Slutligen skärs den färdiga halvledarskivan ner till frimärksstora bitar som kapslas in i ett elektroniskt paket, testas och skickas vidare längs försörjningskedjorna till exempel till Samsung, Volvo, Apple och Ericsson, för att slutligen hamna i en mikroprocessor i en mobiltelefon eller bil.
Steg-för-steg: Tillverkning av GaN-på-kisel-halvledare hos ProNano
Steg 1: Rengöring av substrat
I kemilaboratoriet inspekterar och rengör en laboratorieingenjör basplattorna i ett dragskåp. Här förbereder han dem antingen för mönstertillväxt eller MOCVD.
Steg 2: Mönstertillväxt i renrummet
Om skivan ska odlas med mönsterväxt skapar laboratorieingenjören en tillväxtmall, det sker i ett renrum. En tillväxtmask skapas ovanpå basplattan genom deponering, spinning och etsning.
Steg 3: Ytterligare rengöring av substrat vid mönstertillväxt
Steg ett repeteras och personalen inspekterar och genomför en andra rengöring av substrat med mönstertillväxt.
Steg 4: Epitaxi med MOCVD
Substratet placeras i MOCVD-kammaren för att växa kristallskikten i olika kombinationer av GaN, AlGaN eller InGaN utifrån ett specifikt "recept". Receptet är avgörande för materialtillväxten och styr sammansättningen av gas samt temperatur- och tryckprofiler.
Steg 5: Inspektion med svepelektronmikroskop (SEM)
Ett elektronmikroskop används för att analysera materialet efter tillväxten för att kontrollera resultatet av MOCVD-processen. Med en elektronstråle kan materialets kristallina och topografiska egenskaper analyseras på nanoskala.
Steg 6: Karakteriseringstester
Andra karakteriseringstester kan göras för att till exempel testa materialets elektriska ledningsförmåga, elementens sammansättning, dess ytjämnhet. Metallkontakter kan exempelvis deponeras på toppen av det odlade materialet för att testa ledningsförmågan.
