Ökande aktiviteter i Kina, Korea och Japan satte sin prägel på årets konferens, SCAPE 2018. Svensk halvledarforskning inom brett bandgap, WBG har resulterat i bland annat integrerade kretsar för höga temperaturer, avancerad epitaxi och allt fler konstruktioner för effekttillämpningar innehåller SiC- eller GaN-halvledare. Analysföretaget Yole Développement ser nu en snabbare marknadstillväxt än vad tidigare prognoser indikerat.

Kiselkarbidkonferensen ISICPEAW, International Silicon Carbide Power Electric Applications Workshop, debuterade för 11 år sedan. Förra året byttes namnet till IWBGPEAW, International Wide BandGap Power Applications Workshop, med tanke på ett allt större inslag av galliumnitrid, GaN. Men eftersom det var svårt att uttala (!) kom det nya namnet till: SCAPE, Silicon Carbide Applications Power Electronics.

Som tidigare arrangerades konferensen under ledning av Mietek Bakowski, RISE Acreo, i ett samarbete med RISE Acreos projektgrupper SiC Power Center och Green Power Electronics, med Yole Développement, Energimyndigheten och med Enterprise Europe Network.

Mietek Bakowski inledde årets konferens.

– För den som fortfarande är skeptisk mot halvledare med brett bandgap, ger årets konferens stora möjligheter till att i stället  bli övertygade, sade Mietek Bakowski.

Konferensen gav mycket riktigt svar till den som tvivlade, genom att dels ge exempel på hur halvledare i kiselkarbid, SiC, kan höja verkningsgrad i exempelvis spänningsomvandlare och regulatorer, tåla högre värme än kisel och därmed öka tillförlitligheten i många fall. Inte minst gav Yole Développement svar på hur väl marknaden har utvecklats.

Marknaden växer
Hong Lin presenterade delar av Yole Développements marknadsprognos för effekthalvledare 2018.

Marknaden för SiC effekthalvledare uppvisar en årlig ökning av 28 procent under perioden 2016 – 2020, enligt Yole. Intressant är att de därefter förespår 40 procents årlig utveckling i en prognos fram till och med 2022.

Detta innebär att Yole Développement succesivt har skrivit upp sina prognoser.

– Orsaken är att nya applikationer, sådana som en infrastruktur för laddning av elbilar växer fram vilket bidrar till en ökad marknad för SiC effekthalvledare. Dessa är nu vedertagna och fler spelare väntas på marknaden, säger Hong Lin.

Tillväxten från 2016 till 2017 var extremt hög: 12,2 procent medan marknaden totalt sett växer med 4,4 procent årligen.

Den Kinesiska marknaden står inför en intressant tillväxt inom fotovoltaisk kraft, dvs solenergi. Den väntas ta fart, bland annat som följd av den den policy för solceller som togs den 31 maj i år. Kina har redan en förstaplats på området. Redan 2017 stod Kina för 53 procent av världens marknad för solceller, långt före USA (14,8 procent), Indien och Japan.

Den globala marknaden för solenergi växte med hela 29 procent under 2017.

För omvandlingen av solcellernas likström krävs omvandlare med hög verkningsgrad, vilket möjliggörs med SiC-effekthalvledare. Marknaden för dessa år 2017 uppgick totalt till 15,4 miljarder dollar. Fördelningen i spänningshänseende var 68 procent halvledare för spänningar upp till 900 V, 20 procent 1 – 1,9 kV, 8 procent 2 – 3,3 kV och 4 procent för över 3,3 kV.

Går vi fram till år 2020 väntas GaN omfatta komponenter för 100 – 900 V medan SiC komponenter täcker märkspänningar från 600 V och uppåt. Det kommer alltså att finnas en viss överlappning i spänningsområdet 600 till 900 V.

När det gäller SiC Schottky-barriärdioder har Mitsubishi flest patent, följt av Sumitomo Electric, Fuji Electric, Denso, Toshiba, Panasonic, Hitachi, Toyota Motor och Shindengen Electric Manufacturing i nämnd ordning. Den japanska dominansen är därför total! Först därefter kommer Cree (USA), AIST (Japan) och Infineon/International Rectifier (Tyskland).

Beträffande antalet patent för SiC MOSFET ser vi en liknande fördelning: Här har Denso flest patent, följt av de andra japanska företagen Fuji Electronic Sumitomo Electric och Mitsubishi Electric. Därefter kommer Toyota Motor och Cree.

Stort stöd från japanska staten
Konferensens förste och inbjudne talare var Hajime Okumura.

Han beskrev forsknings- och utvecklingsaktiviteterna inom ADPERC/AIST vid Tsukuba, Japan, där man nyligen har startat en organisation för kraftelektronik: TYPEC, Tsukuba Power Electronics Constellation.

Förkortningen AIST stor för ”Advanced industrial science and technology” och APERC är en förkortning av ”Advanced power electronics research center”. Dess syfte är ”att utveckla elektronik som bygger på material med stort bandgap och som i applikationer skall kunna bidra till innovationer för ett bättre liv och för energibesparing”.

Första generationens SiC-halvledare har resulterat i 1 kV MOSFET. Andra generationens SiC MOSFET bygger på trenchteknik för 3 till 6 kV och målet är att tredje generationens SiC skall resultera i SiC-IGBT för över 10 kV.

Utvecklingen inom AIST/TIA tar även fasta på GaN MOS på diamantsubstrat med en senare utveckling av GaN HFET på kisel.

Bilindustrin driver koreansk SiC
Den koreanska forskningen siktar framför allt till att skapa SiC MOSFET för bilindustrin. Korea har få nationella utvecklingsfonder men forskarna har kontinuerligt utvecklat både material och komponenter i SiC.

– För 10 år sedan fanns ingen verksamhet kring kiselkarbid i Korea. Nu finns både 6 tums wafers och 1,2 kV MOSFET framme och kommer att dyka upp på marknaden inom konstaterade Wook Bahng i sin presentation på årets konferens SCAPE.

Wook Bahng är verksam inom KERI, Korea Electrotechnology Research Institute. Under tidigt 90-tal inleddes där forskningen inom brett bandgap. De första SiC-effektkomponenterna togs fram inom ett program som löpte från 2000 till år 2006. 2007 hade man framme en 1200 V Schottky barriärdiod (SBD) och 2011 en MOSFET med samma spänningstålighet.

Resultatet av forskningen vid KERI har resulterat i SiC-skivor av allt större diameter: 4 tums år 2013, 5 tums år 2014, 6 tums år 2016 och målet nu är att skapa 8 tums wafers av safir. Under åren 2014 till 2019 uppgår satsningarna till 1,4 miljoner dollar/år.

Ett annat program, 2015 till 2020, är finansierat med 1,4 miljoner dollar per år för att utveckla monokristaller av SiC.

Under 2011 började flera företag utveckla SiC-material och från 2015 började några företag utveckla kraftkomponenter i SiC.

Idag finns det 2 – 4 företag som har tagit fram 6 tums SiC-wafers (wafers). Tre företag har lyckats ta fram SiC-dioder för 600 V till 1,7 kV och fler än fem företag har utvecklat SiC MOSFET för 1,2 till 1,7 kV märkspänning.

ITRW – roadmap för brett bandgap
Kouchi Zang, verksam som professor inom universitetet i Delft, är generalsekreterare för nybildade ITRW. Denna organisation, International Technology Roadmap for Wide Band-gap Power Semiconductor, har motsvarande funktion som ITRS hade under 20 år för att visa kiselhalvledarnas utveckling.

– Nu är det rätt tid att lansera ITRW, för att skapa referenser, hjälp och tjänster för framtida forskning, utbildning och produktutveckling, säger Kouchi Zang.

Han förklarade att ITRS lades ned 2016 när det inte längre behövdes någon ”roadmap” för kiselutvecklingen.

– Halvledare i brett bandgap befinner sig idag i samma situation som kiselhalvledare befann sig i för 30 år sedan.

ITRW togs fram i ett gemensamt alternativ mellan IEEE PELS och organisationerna DoE & Power America (USA), NEDO (Japan), SIP (Japan), CASA (Kina) och NMI (UK). Arbetet görs av är frivilliga experter inom såväl forskning som industrin.

Deltagande industrier är ABB, Infineon, General Electric, Mitsubishi, ST, Wolfspeed, TSMC, Panasonic och Rohm Semiconductor.

De utmaningar som industrin för halvledare i brett bandgap möter mer än enbart fortsatt miniatyrisering. Kouchi Zang nämner mängder av delområden som olika funktioner, discipliner, teknologier, variabler, material, gränssnitt, processer, skalningsteknik, modeller för felmekanismer och test.

Tillförlitlighet är det område som främst berör industriell användning.

Kouchi Zang gav i sin presentation också en kort inblick i framtiden: Marknadsbehovet av SiC-halvledare kommer att bli stort inom kraftsystem av ”grid”-typ, höghastighetståg och elbilar.

Han sade att en av de stora förändringarna gentemot idag är att redan kring år 2026 – 2030 kommer Kina att tillhöra de ledande inom området brett bandgap.

ABB satsar stort på WBG
Redan på 90-talet hade ABB intentioner att skapa spänningståliga effekthalvledare i kiselkarbid. Med satsningen på KTH Electrumlab i Kista hörde man till världens pionjärer.

Att den satsningen avbröts efter millenniumskiftet berodde troligen på två faktorer: Dels att den ekonomiska ”telekombubblan” sprack och drog med sig hela elektroniksektorn, dels att man från början inriktade sig på att göra alltför stora chip för att kunna hantera höga effekter. Det skulle visa sig att det krävdes många års utveckling för att skapa wafers som var fria från micropipes och dislokationer. I början kunde man därför bara göra mycket små chip.

Idag har ABB en intensiv utveckling och produktion av SiC-halvledare i Schweiz. Kommersiellt sett finns halvledarna redan på plats i en rad produkter för i effektklasser från några kW till MW.

Muhammad Nawaz, ABB Corporate research, beskrev ABB som ett ledande företag med pionjärverksamhet inom SiC-teknik för produkter, system och tjänster till industrin (40 procent av omsättningen) transport och infrastruktur (25 procent) och andra verksamheter (35 procent) fördelat på Asien, Mellanöstern och Afrika (38 procent), Amerika (Nord, Mellan- och Sydamerika 29 procent) och Europa (33 procent). Affärsområdena omfattar produkter för elektrifiering, robotar , industriell automation och kraftlösningar av typen ”grid”.

Han pekade ut några megatrender som påverkar utvecklingen av WBG:

* Urbaniseringen ökar från 30 procent, år 1950, till 60 procent, år 2060.

* Världens befolkning växer från 3 miljarder år 1960 till 9 miljarder år 2042.

Sammantaget innebär detta att koldioxidutsläppen ökar, vilket kräver ökad energieffektivitet. Här har kiselkarbidhalvledare en viktig roll att spela.

Koldioxidutsläppen år 2015 fördelade sig på USA 14 procent, Kina 29 procent, Indien 7 procent, EU 10 procent och övriga länder och världsdelar 40 procent.

Kunderna önskar sig mer
Med introduktionen av SiC-halvledare följer kundernas ökade förväntningar på högre verkningsgrad, ökad tillförlitlighet, ett minskat behov av kylning tack vare högre temperaturtålighet och en kompaktare uppbyggnad.

SiC leder värme mer än tre gånger bättre än vad Si gör: 4,9 W/cm×K i stället för 1,5. Tålighet mot genombrott på grund av hög fältstyrka är nästan tio gånger högre i SiC: 2,4 jämfört med 0,24 MV/cm.

Ökad möjlig switchfrekvens är av avgörande betydelse för att bygga kompakta spänningsomvandlare.

Utvecklingstrenden av SiC-halvledare går nu från 1,2 till 3,3-6,5 kV. Muhammad Nawaz hänvisar till Yole Développement. De bedömer att den totala SiC-marknaden kommer att vara 1 miljard dollar år 2022. Ännu 2017 dominerades marknaden av diskreta SiC-halvledare. Nu växer andelen moduler. Förra året startade Infineon massproduktion av SiC-moduler och Danfoss, tillsammans med GE, producerar 10 000 moduler per månad. Mitsubishi hävdade nyligen (april 2018) att man med 3,3 kV SiC-omvandlare  kan minska förlusterna med 50 procent, volymen med 21 procent och vikten med 14 procent.

I en pressrelease från den 31 januari 2018 skriver Mitsubishi att deras 6,5 kV helt SiC-bestyckade modul för HVDC har 1,8 gånger så hög effektdensitet som i motsvarade Si-lösning.

Minskad kostnad
Hög kostnad har hittills varit ett hinder mot att använda SiC-halvledare i många applikationer. Men priserna på komponenterna faller i takt med högre volymer och med en produktion på allt större wafers. Idag sker produktionen i huvudsak på 4 och 6 tums wafers. Nästa steg blir 8 tum, vilket kan bidra till att kostnaderna minskar ytterligare.

– Tillgången på basmaterial för SiC-komponenter är inte längre ett hinder, hävdar, Muhammad Nawaz.

Högströmskapslar
SiC-effektmoduler kommer att kunna klara mycket högre strömmar än dagens Si-moduler – troligen mer än 1 kA. Det sker med hjälp av större och fler SiC-chip, en komplex kapslingsteknik och högre anslutningstemperaturer av högspännings-chip.

Idag förekommer följande modultyper: Lopak för 0,3 till 0,5 kA, Limpak för 0,5 – 1,0 kA, Hipak för 0,5 – 3,0 kA, Presspak för 1,0 – 3,0 kA och IGCT för 2,0 – 4,0 kA. Modulerna klarar 1,7 – 6,5 kV.

Typiska omgivningstemperaturer för applikationer i fordon och i rymdfarkoster är 150°C medan industriella miljöer och borrmaskiner för gruvbrytning behöver klara 300°C.

Muhammad Nawaz konstaterade att kapslingstekniken för 6,5 kV moduler måste utvecklas vidare. Det krävs kapslar som tål högre temperaturer, med fördel används ”press-pack”-kapslar och kapslarna bör inte innehålla bond-trådar. Viktigt är att kapslarna ger låga parasiter, att de tål utmattning och är robusta.

En jämförelse mellan 1,0 kV-moduler (235 kA) med MOSFET i Si, respektive SiC gav 74 procent lägre förluster och moduler med 1,2 kV (280A) IGBT gav 70 procents lägre förluster.

Muhammad Nawaz avrundade sitt föredrag med att ge en bild av framtida utmaningar:

* Defektfria wafers i storlekar som 6 och 8 tum, kan leda till minskade kostnader. Det kommer att finnas defektfri epitaxi som har hög kvalitet och är tillräckligt tjock (100 µm) för att möjliggöra SiC-komponenter för 10 – 25 kV samt stora p-dopade substrat med god kvalitet.

* En passiveringsprocess för att ge ett tillförlitligt gate-dielektrikum (^KSiO₂ =3,9, KAl₂O₃ = 9,0, K_SiC =9,6). Stabil och välutvecklad process för jonimplantering och aktivering). Lågresistiv kontakt mot n-dopat SiC-lager och ännu viktigare mot p-dopat lager. Stabil process för tillförlitlig anslutning (”edge termination extension). Gränssnitt mot MOS av hög kvalitet (låg Dit, hög carrier mobility).

* Kapslingsteknik för mer än 10 kV bör utvecklas. Kapslarna skall vara billiga och medge låga parasiter samt tåla höga temperaturer. Presspack och Stackpack behöver undersökas vidare.

* Diskreta komponenter i SiC behöver kvalificeras för olika applikationsspecifika uppgifter. Nya standarder kan komma att behövas för tillförlitlighet och kvalificering.

Wolfspeed förblev amerikanskt
CREE, världens största tillverkare av wafers i kiselkarbid, bildade för ett år sedan ett separat bolag för SiC-halvledare. Bolaget fick namnet Wolfspeed. Avsikten med namnbytet var uppenbarligen att företaget skulle säljas av. Infineon undertecknade köpehandlingar förra året, men affären förhindrades av amerikanska myndigheter.

På årets konferens, Scape 2018, talade Ty McNutt om företagets tredje generations SiC-halvledare från CREE.

Medan första generationens 1200 V MOSFET (2011) hade 42 mohm on-resistans, andra generationens MOSFET hade 25 mohm, har tredje generationen (2017) 16 mohm, allt vid 25°C omgivningstemperatur. Vid 175°C resistanserna 50 mohm, 46 mohm respektive 26 mohm. Som framgår är ökningen mycket liten i tredje generationens MOSFET.

Dessutom har strömtåligheten ökat. McNutt menar att moduler med företagets tredje generations MOSFET klara 3-7 gånger så hög ström som andra kommersiella moduler med SiC- eller Si-transistorer. Därmed är det möjligt att också åstadkomma moduler med färre chip vid en given strömstyrka.

just nu kvalificeras den tredje generationens moduler.

Även Rohm med tredje generation
Tack vare trench-teknik har Rohm kunnat minska on-resistansen i sin tredje generations SiC MOSFET. I och med fjärde generationen kommer on-resistansen i en 1700 V MOSFET att kunna minskas från 2000 mohm×cm² till 10 vilket kan ge dramatiska förbättringar av verkningsgraden i spänningsomvandlare.

Rohm Semiconductor räknar med att öka sin produktionskapacitet med 16 gånger, räknat från 2017 till 2025. Det blir möjligt genom att man i Fokuoka bygger en stor anläggning som skall vara färdig år 2020.

Masaharu Nakanishi berättade att det framför allt är fordonsmarknaden som driver marknaden.

– Tack vare SiC går det att uppfylla de krav som ställs. Idag använder 20 bilföretag SiC-halvledare från Rohm.

De krav han åsyftar är:
* Längre räckvidd
* Minskad laddningstid
* Högre batterispänning.

Medan en laddare i hemmet har effekten 11-22 kW, kommer laddare för allmänheten att ha 50 kW effekt medan snabbladdare kan ladda med 150 till 300 kWh.

Trench ger fördelar
Trenchteknikens fördelar kom även fram i den presentation Fanny Björk, Infineon, höll: I en DMOS finns en stark koppling mellan prestanda och gate-oxidens hållbarhet. Med en trench-konstruktion är det lättare att nå prestanda utan att äventyra en säker funktion hos gaten.

En 1200 V MOSFET med trench-teknik, i serien CoolSiC, behöver bara 15 V för tillslag, i likhet med en konventionell IGBT.

Fanny Björk framhävde även att V_gs(th) är högre än konkurrenternas: 3,5 – 4,5 V. Det minskar risken för tillslag via parasiter vid hög spänningsderivata (dv/dt).

När det gäller att driva SiC MOSFET måste man ta hänsyn till att de är snabba: De kan nå 50 V /ns eller mer. Snabbare switchhastigheter kräver högre drivströmmar liksom välanpassade fördröjningar och noggranna tidsförlopp med låga toleranser. En SiC MOSFET kan komma att behöva negativ gaste-spänning eller en ”Miller-clamp”.

Eftersom en SiC MOSFET är så snabba behöver de snabbare skyddskretsar än vad en traditionell IGBT klarar sig med.

Lägre framspänningsfall
KTH-forskaren Martin Domeij kom som delägare av Transic över till Fairchild när det köpte upp företaget. Idag tillhör verksamheten ON Semiconductor.

På Scape kunde han bland annat berätta om hur 1650 V SiC dioder från On Semiconductor har ca 15 procent lägre framspänningsfall än konkurrenternas motsvarigheter. Det innebär t ex ett framspänningsfall på 1,58 V jämfört med 1,8 V vid 30 A och 125°C omgivningstemperatur.

ON Semiconductor har idag en egen epitaxi för 6 tums SiC-wafers. I sortimentet finns SiC Schottkydioder för 600 V och 1200 V, liksom SiC MOSFET med 80 respektive 20 mohms on-resistans.

Flest elbilar i Kina
Feng Zhang från Global Power Technology höll ett föredrag om effekthalvledare i SiC, och deras applikationer.

Ett stort applikationsområde är naturligtvis fordon. Enligt China Association of Automobile Manufacturers & EV Obsession såldes under 2017 1,2 miljoner el- eller hybridbilar i världen. 777 000 av dem såldes i Kina! För år 2020 beräknas försäljningen i världen vara 3 miljoner, varav 2 miljoner i Kina. Där planerar man att sätta upp 4,9 miljoner laddstolpar och 12 000 laddningsstationer under perioden 2015 – 2020.

En sådan laddstolpe har 60 kW kapacitet. Den är bestyckad med SiC-komponenter som tillåter en kompakt uppbyggnad: 1560×450×450 mm.

Kinas industri för halvledare med brett bandgap byggs ut kraftigt. I år kommer minst sex fabriker att kunna producera 6 tums SiC wafers!

Som exempel på de kinesiska framstegen har Global Power Technology utvecklat en ny 1200 V UMOSFET där gatens utformning är patenterad, med syfte att minska en lokalt hög fältstyrka på gateoxiden. Det resulterar i högre tillförlitlighet.

Dubbelpressad kapsel
 

Tag Hamman och Yafan Zhang, vid RISE Acreo, har som forskningsmål att förbättra kapslingstypen ”presspack”. Framför allt är syftet att genom geometrisk optimering minska paracitinduktanser.

Egenskaperna hos deras ”double presspack” kan sammanfattas som:

* Trådfria förbindningar.

* Varken sintring eller lödning mot chip.

* Symmetrisk dubbelsidig kylning av halvledarchip.

* Låga slinginduktanser.

* Låg termisk resistans mellan krets och kylfläns.

* Låg termisk resistans mellan hölje och kylfläns utan att man behöver använda värmeledande fett.

SiC för högtemperatur
Carl-Mikael Zetterling, professor vid KTH, leder en grupp forskare med en inriktning mot integrerade kretsar i SiC för att klara höga temperaturer och hög effekt.

Projektet Working on Venus, med stöd av Wallenbergstiftelsen, syftar till att åstadkomma byggblock i SiC eller GaN som skall klara 460°C för att klara den miljö som en farkost möter när den går ned på Venus yta. Projektet inleddes 2014.

Det senast utvecklade byggblocket är en linjär 2A spänningsregulator med Darlingtonutgång, utformad i 4H SiC bipolär teknik.

Ett annat aktuellt byggblock är en temperaturtålig drivkrets i SiC som kan driva högspänningsswitchar.

Ett led i utvecklingen av dessa byggblock är att ta fram modeller av dessa för olika temperaturer. Inom projektet har man skapat resistorer och kondensatorer som har ett mycket litet temperaturberoende inom intervallet 300 till 773 K.

Ytterligare en högtemperaturskrets är en 59 MHz mellanfrekvensförstärkare för temperaturtåliga radiosystem.

Filed under: Teknikartiklar