Den kommersiella utvecklingen av halvledare med brett bandgap, som kiselkarbid och galliumnitrid, har tagit fart. Det driver i sin tur på den tekniska utvecklingen. Trenden var tydlig under årets konferens SCAPE.

Mietek Bakowski, forskare vid Rise och chef för Wideband gap silicon carbide center, säger om utvecklingen:

• År 2007 var i stort sett switchade kraftaggregat den enda applikationen. Situationen idag är helt annorlunda. Generellt kan SiC eller GaN skapa 50 procent förbättringar vad gäller förluster. År 2011 bildades WBG power center. Från dess har flera viktiga tillämpningsområden vuxit fram och idag är kraftlösningar för bilar det största applikationsområdet av SiC-halvledare.

Undersökningsföretaget Yole developement, som är delarrangör i SCAPE, hävdar att kiselkarbid år 2027 står för 20 procent av marknaden för krafthalvledare och GaN kommer då att stå för 7 procent.

Power America
”Föreningen Power America accelererar kommersialisering av SiC”. Det var det budskap Victor Veliadis ville få ut under SCAPE. Power America har 90 medlemmar.

Victor Veliadis, vd för PowerAmerica och professor vid ECE, North Carolina State University.

SiC möjliggör hantering av höga effekter inom 20 kHz till 1 MHz: I spänningsomvandlare för drivsystem med effekter mellan 15 kW och 400 kW, i laddhybrider med effekter mellan 3,3 kW och 22 kW samt i solcellsystem för effekter mellan 5 kW och i storleksordningen MW.

I det lukrativa spänningsområdet 650 V konkurrerar Si, GaN och SiC:

• Si är tillförlitlig, robust, billig, klarar höga strömmar och har en etablerad konstruktion i komponenter/kretsar.
• SiC har hög verkningsgrad och arbetar med höga strömmar på höga frekvenser.
• GaN ger hög verkningsgrad på mycket höga frekvenser till resonabel kostnad.
• SiC passar mycket bra i militära system. Några exempel är försvarsfordon av elektrisk eller hybridtyp, vilket ger bättre bränsleekonomi. I spänningsomvandlare kan SiC innebära 50 procent mindre och lättare konstruktioner. Mobila spänningsomvandlare kan användas för återomvandling av energi, vilket reducerar logistiken.

Ett annat tillämpningsområde är pulsade högeffektsystem för elektromagnetiska vapen. Elektriska system kan ersätta hydralik och pneumatik.

Den amerikanska flottan har nu sin första helelektroniska jagare, US Zumwalt DDG 1000. Och i hangarfartyg används nu ett katapultsystem för flygplan, bestående av en linjär induktionsmotor.

Kraftsystem med SiC är en nyckelfaktor för att tillverka högeffektiva produkter. Exempel finns inom sektorn för automotive/transportation, konsumentelektronik, kraftelektronik, drivkretsar för elmotorer och elnät med grid-struktur.

gra hinder för masskommersialisera SiC: Hög komponentkostnad, defekter och att skala upp komponentyta, bristande tillförlitlighet/robusthet och att möta behovet av utbildning av personalen.

Power America har investerat 156 miljoner dollar i 212 projekt, i SiC och GaN, vilka vänder sig till alla viktiga teknologiområden.

USAs energidepartement kommer att med 64 miljoner dollar fondera 67 projekt inom hela kedjan av brett bandgap.

Forskning inom området SiC har pågått under ca 30 år, men det finns fortfarande problem att utforska. Viktor Velidiadis nämnde några områden som behöver vidareutvecklas: SiC-wafern, chipkonstruktion, utrustning för tillverkning och processer, avancerade moduler, passiva kretskomponenter och deras temperaturegenskaper.

SiC-komponenter är fortfarande dyrare än sådana i Si. En SiC FET, märkt 1200 v och 50 A är fyra gånger så dyr som en Si IGBT. En 1200 V SiC-FET med 100 A märkström är fem gånger dyrare.

– Wafern (substrat och epitaxi) utgör 59 procent av kostnaden för en 1200 V SiC MOSFET, säger Victor Veliadis.

För att bygga effektiva SiC-moduler krävs bl a avancerad kylning, högspänningsisolation och låga parasitkapacitanser för att hantera snabba förlopp (hög di/dt).

Dålig kvalitet på gränssnittet SiC/SiO₂ minskar kanalmobiliteten och leder till instabilitet i tröskelspänningen.

Japanskt perspektiv
Shinsuke Harada, forskare vid Advanced Power Electronics Research center (ADPERC) och National Institute of Advanced industrial Science and Technology (AIST)talade om organisationernas utveckling av SiC och GaN.

Shinsuke Harada

SiC-marknaden beräknas ha stigit från 1 090 miljoner dollar år 2021 till 6 297 miljoner dollar år 2027. Under den tiden har automotive ökat sin andel från 62,8 till79,2 procent.

Marknaden för GaN växer från 126 miljoner dollar, år 2021, till 2 miljarder år 2027. Största andelen, 48,2 procent, har konsumentmarknaden.

Även om marknaderna för brett bandgap växer snabbt, ligger de långt efter Si.

Shinsuke Harada nämner, med hänvisning till siffror från Yole, att SiC kan ha 13,2 av den totala halvledarmarknaden 2026 och att GaN då har 4,4 procents andel.

Kostnaderna för SiC-halvledare kan reduceras till en tredjedel av dagens. Det sker genom en övergång till produktion på 8 tums wafers, effektivare produktion och minskning av defekter i materialet för att öka på utfallet.

Låg R_on har realiserats med SiC MOSFET för 1,2 – 6,5 kV i super junction-utförande (SJ). Med en SJ-MOSFET har man även kunnat sänka R_on med 80 procent vid 175°C!

Återladdningsströmmen vid brytning är bara en sjundedel, jämfört med vad den är för Si, och omslaget går dubbelt så snabbt vid 175°C. Detta, trots att exemplet förutsätter en SiC MOSFET, klassad för 1200 V medan Si SJ är klassad för 650 V.

Låg urladdningsladdning och snabbare återhämtning i SiC SJ, jämfört med Si SJ

AIST har gjort ett experiment med en HEMT-hybrid av GaN/SiC som förhindrar strömrusning. En GaN HEMT och en SiC PIN-diod integreras monolitiskt. I denna ger ett genombrott ingen strömrusning vilket förhindrar att komponenten förstörs. Utvecklingen går mot en hybrid av GaN och SiC i kombination med ”super junction”.

Så här kan SiC integreras med en vertikal effekt-MOSFET av trench-typ.
(Källa: AIST)

Bland de exempel som Harada visade var spänningsdubblare för att få ut 13 kV, bestyckade med sex SiC-MOSFET/SBD.

Han visade också hur SiC-komponenter har implementerats i HVDC-system och där kunnat reducera antalet komponenter: 195 celler med 3,3 kV – transistorer kan ersättas av 31 celler med 22 kV SiC IGBT. Antalet komponenter minskar från 18 872 till 5 252 komponenter.

Kina kommer starkt
Lubing Zhao, China Advanced Semiconductor Industry, CASA, berättade att Kina under 2023 omsatte 36,48 miljarder yuan av effektelektronik med SiC och GaN i olika applikationer som optoelektronik, RF och effektelektronik.

Lubing Zhao, CASA.

SiC-wafers tillverkas i 6 tums storlek i Kina. SiC på 8 tum väntas bli massproducerat nästa år. Schottky-barriärdioder har bred användning medan SiC MOSFET börjar användas i samband med solpaneler och energilagring.

Spänningsområdet för GaN kommer att utökas till 30 – 1200 V för industri och fordonstillämpningar.

SiC-substrat börjar levereras till Infineon, med marknadsdelarna 17 respektive 15 procent för Tianke Heda och Tianyue. Huvudsakligen driver fordon marknaden, följt av konsumentelektronik och applikationer för effektfaktorkorrigering.

Fler än en miljon fordon har utrustats med SiC-effekthalvledare under 2023. De flesta av dessa kommer från ST, Bosch, Wolfspeed och ROHM. Fordonsapplikationer står för 70,67 procent. Sedan kommer kraftaggregat, med 11,16 procent och effektfaktorkorrigering med 5,78 procent av den kinesiska WBG-marknaden.

Den kinesiska RF-marknaden för GaN nådde 15 miljarder i omsättning år 2023 och den ökar 16,2 procent per år.

I framtiden kan nya ämnen användas för tillverkning av wafer. Galliumoxid, Ga₂O₂, säljs och tillverkas av Japan. Än så länge finns bara 2 tums skivor att handla, men i laboratorier pågår försök med 6 tum.

Aluminiumnitrat, AlN, är ett annat ämne. I USA tillverkas 2 tum AlN-skivor.

Ytterligare ett material för substrat är diamant, också i 2 tums substrat.

Kapslingsprogram
Dagens bästa teknik för kapsling omfattar diskret kapsling, lödning och NanoAG för att fästa SiC-brickan, sintring genom press, bondning med aluminiumtråd.

Guo Qi Zhang, professor for Electronics Component, Technology and Material (ECTM), Delft University of Technology.

Nästa utvecklingssteg, enligt Guo Qi Zhang, Delft tekniska universitet, är:

Kompakt kapsling i medelstort format, fästning av SiC-brickan med nanoCu, stor yta av pressningsfri sintring av SiC-bricka och modul, trådfri bondning eller hybridbondning, kapsling med hög T_g och isolering (oorganisk kemi och glas) och användning av avancerade substrat och termiska övergångsmaterial (AlN och Si_xN_y).

På längre sikt syftar forskningen på kapsling av system och moduler, heterogen 3D-integrering, alla förbindningar av koppar och intelligenta WBS system på kisel.

SiC bättre alternative för elbilar
Enligt Simone Rascuna´, senior forskningschef STMicroelectronics, gynnas elbilar mycket av användning av kraftkomponenter i SiC, i stället för Si:

• Längre körsträcka på en laddning: Över 600 km
• Dubbelt så snabb uppladdning.
• 150 till 200 kg lägre vikt.
• 50 procent lägre förluster.
• 20 procent lägre ägarkostnad.
• 50 procent mindre volym i omvandlare.

Simone Rascuna, senior forsknings- och utvecklingschef, STMicroelectronics.

I Norrköping ligger företagets fabrik för wafertillverkning, för försäljning och forskning. 6 tums SiC-wafers tillverkas här för försäljning och 8 tums wafers börjar tillverkas för att uppfylla industriella krav.

I Catania startades SiC-tillverkning och epitaxi förra året. Tillverkningsvolymerna kommer successivt att ökas, samtidigt som man startar upp tillverkning i Singapore, Bouskoura och Shenzhen. Dessutom bygger man en fabrik i Kina för dess inhemska marknad. Kunderna finns huvudsakligen inom bilindustrin och inom industriell kraft och energi. Produktionsstarten är tänkt i fjärde kvartalet 2025 och fabriken skall vara fullt utnyttjad 2028.
Gunnar Lilliesköld

Filed under: Halvledarteknik, KTH, Nordisk Teknik