Det har tagit mycket längre tid att utveckla kiselkarbidtekniken än vad man trodde i mitten av 90-talet. På "Silicon carbide power elektronic applications workshop 2010" berättade Chris Harris, Cree om företagets och branschens status. Här ger vi ett referat, kompletterat med en intervju.

Chris Harris, europeisk affärsutvecklare för effekthalvledare inom CREE.

– Vi ser nu en ökad försäljning på alla våra områden säger Chris Harris, europeisk affärsutvecklare för effekthalvledare inom Cree.
Förra året var försäljningen (för hela Cree) 567 miljoner dollar. I år kommer den att vara avsevärt högre.
– Vi har äntligen tagit kiselkarbidtekniken från forskning till en kommersiell succé, säger Chris Harris.
Cree startades 1987 som en renodlad materialleverantör. För att öka intresset för materialet började de tillverka exempel komponenter i kiselkarbid, idag står komponenter för huvud delen av omsättning. Totalt tillverkar man 15 miljoner komponenter per dag.
Cree är dessutom världens, utan jämförelse, största tillverkare av SiC-wafers, i huvudsak 4 tums wafers. Målet är att gå över till 6 tums SiC-wafers så snart detta är möjligt. Cree säljer SiC-wafers till alla som vill köpa, även konkurrenter.
– Det viktiga är att SiC-marknaden kommer igång, att det finns flera aktörer på marknaden, säger Chris Harris.
Han ser nya företag komma in som leverantörer av wafers men har svårt att tro att de kan komma ikapp den ledande ställning Cree har inom närmaste framtiden. Det har varit en lång utveckling av wafers i kiselkarbid och man har tvingats lösa problem efter problem för att idag kunna tillverka wafers med mycket få defekter.
Cree producerar idag tusentals wafer i veckan. Denna omsättning ger möjlighet till att vidareutveckla material och tillverkningsmetoder, något som inte yngre företag inom samma gebit har i samma omfattning.
I Asien finns det flera tillverkare av SiC-wafers, både i Japan och i Kina. En av dem, Tanke Blue, har utvecklats snabbt. De är nu framme med SiC-skivor i tre tums storlek, talar redan om fyra tum och har en aggressiv prissättning för att komma ut på marknaden. I USA finns flera tillverkare, däribland företaget II-VI.

Nu följer transistorer
Priserna för SiC-dioder har sänkts med en faktor 3 sedan 2005. Trots detta ligger priserna långt över dioder i kisel.
– Men förbättring av prestanda på systemnivå gör att totalkostnaden blir mindre. En positiv balans mellan nuvarande SiC-kostnad och systembesparing har gjort att volymen nu ökar mycket snabbt, förklarar Chris Harris.
Nästa steg är introduktion av en switch, en MOSFET. Den är planerad att komma ut i år. Priserna för MOSFET börjar inledningsvis på en hög nivå, men kommer snart ner i takt med att volymen ökar.
Inom några år väntas en intensiv marknadsutveckling även på transistorsidan, något som kan ge avsevärda förbättringar på system utöver SiC-diodens bidrag.

Tre grundtyper
Effekttransistorer i kiselkarbid kommer i form av bipolära transistorer, MOSFET eller JFET.
* MOSFET är än så länge den vanligaste transistortypen i SiC. Att MOSFET valdes för marknadens första effekttransistorer i SiC beror på att industrin traditionellt sett har valt MOSFET eftersom dessa är lätta att driva. Bipolära effekttransistorer i kisel för höga spänningar och strömmar har som regel låg strömförstärkning och kräver därför ett extra drivsteg.
Cree satsar framför allt på MOSFET för 1200 V märkspänning och däröver. MOSFET för 600 V är ett mindre intressant val.
Det beror på förhållandet mellan kanal/driftregionens påverkan på prestanda i förhållande till blockingspänningen, något som i grunden är ett oxidproblem. Ju högre blockingspänningen är, desto mindre är kanalens påverkan.
* Bipolära junction-transistorer (BJT) ligger troligen senare i utvecklingskedjan. Än så länge är det bara det svenska företaget Transic som har kommersiellt tillgängliga bipolära kiselkarbidtransistorer i SiC. Men fler sådana väntas komma ut på marknaden, bland annat från CREE som har forskat mycket på området.
´´En faktor som har försenat introduktionen av BJT är dock substratmaterialets utveckling. En BJT kräver ett material, som har mycket låg koncentration av en specifik defekt. Sådana wafers har funnits i bara några års tid.
Det har visat sig att effekt-BJT i kiselkarbid inte alls lider av den låga strömförstärkning som en motsvarighet i kisel gör. Medan strömförstärkningen i en bipolär kiseltransistor kan ligga kring en faktor 5 kan, för motsvarande spänning och ström, en SiC-BJT ha strömförstärkningsfaktorn 50! Det betyder att bipolära transistorer i SiC kan bli väl så intressanta som MOSFET.
* JFET är en alternativ konstruktion som senaste tiden har rönt stort intresse. Denna typ av halvledarkomponent ger inte oxidproblem, som i fallet med MOSFET, men det finns andra problem att lösa. Marknaden vill av säkerhetsskäl (i styrsystem) gärna ha transistorer som normalt är avstängda vid 0 V in, s k "normally off" (vilket motsvaras av "enhancement mode" MOSFET).

Galliumnitrid för rf
Cree var först på marknaden med att ta fram RF-effekttransistorer i form av MESFET i SiC. Men idag ligger fokus på GaN och i princip satsar alla tillverkare av RF-effekttransistorer på HEMT i GaN.
– De är enklare att tillverka, bl a därför att de kräver lägre temperatur vid tillverkningen, berättar Chris Harris.
– Vi ser också nu ett ökat intresse för MMIC. GaN kan ersätta GaAs, som ger dålig verkningsgrad vid hög effekt. MMIC i GaN kan också tillverkas för betydligt större effekt.
Ett exempel på det är den 25 W MMIC i GaN för DC – 6 GHz, som Cree nu tillverkar. Det finns också ett drivsteg till denna samt en 25 W MMIC för 2,5 – 6 GHz med högre förstärkning.
– I framtiden skulle det vara fullt möjligt att göra en 100 W MMIC.

Termiska begränsningar
– Ser man till en av dagens komponenter för 28 V skulle man säker kunna låta denna utsättas för 60 V om värme utveckling i komponenten var tillräckligt låg, dvs hade hög verkningsgrad, säger Chris Harris.
Idag är de flesta GaN-komponenter termisk begränsade på grund av att värmeledningsförmågan är inte tillräklig hög. Därför finns det flera företag som nu försöker växa GaN på diamant, som är det material som leder värmen bäst.

Kapslingstekniken utvecklas
Ett vanligt kapslingsmaterial för exempelvis LDMOS är koppar-tungsten.
– Koppar-molybden är dock bättre för SiC-substrat.
Sådana kapslar har CREE börjat använda för sina mer krävande komponenter.
Idag har CREE en 0,4 µm process för GaN. När nästa process, 0,25 µm tas i bruk kommer man att kunna tillverka MMIC för X-bandet (8-11 MHz) som blir lämpliga för satellitbaserade system.

Filed under: Teknikartiklar