ECSEL-prosjekt OSIRIS, Optimal SiC substRates for Integrated Microwave and Power CircuitS

OSIRIS-forskningskonsortium involverer seks kommersielle selskaper (hvorav fire småbedrifter) og tre akademiske enheter fra fire europeiske land (Frankrike, Sverige, Norge og Slovakia). OSIRIS-prosjektet tar sikte på en betydelig forbedring av produksjonskostnader og produktytelser til mikrobølgekomponenter av galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC). Prosjektet innebærer utvikling av innovative SiC-materialer med isotoprene råmaterialer. Slike SiC-materialer vil kunne tilby termisk ledningsevne 30% høyere enn det som er normalt i dag, noe som blir svært viktig for komponenter som må fjerne store varmemengder på kort tid. Dette er særlig tilfellet i kraftelektronikk- og mikrobølgekomponenter, så som høyhastighetstransistorer (HEMT) av GaN deponert på halvisolerende SiC-substrater. OSIRIS vil forsterke GaN-teknologiens markedspotensiale takket være kostnadseffektive SiC-substrater og ytelsesforbedring av kretsene ved hjelp av bedre energi/varme-ledning. For mikrobølge-GaN/SiC (HEMT) kan bruk av isotopiske produkter skape en drastisk øking i produksjons- og anvendelsesnivå. Den foreslåtte metoden er å deponere et halvisolerende SiC-lag med forbedret termisk ledningsevne (tentativt +30%) på toppen av et lavkost, halvleder SiC-substrat som er allerede tilgjengelig og masse-produsert for kraftelektronikk og LED. Tynne lag er påkrevet siden kun 50-100 µm av SiC-substratet er aktivt under bruk. For kraftelektronikk vil isotopeffekten bli merkbar hovedsakelig i form av termisk forbedring. Schottky og p-i-n dioder laget med disse materialene har blitt fremstilt og testet av konsortiet. OSIRIS dekker hele verdikjeden fra produksjon av isotoper til halvlederkomponenter av silisiumkarbid eller galliumnitrid på silisiumkarbid der et tynt lag er isotopisk anriket. Isosilicon har ansvar for å utvikle nye anrikningsmetoder og å fremskaffe isotoprent silisium. Partnerne lengst ned i verdikjeden er kommersielle selskaper, som produserer og markedsfører III/V- og SiC-halvledere. Disse omsetter årlig for flere hundre millioner euro. Det har lykkes partnere i konsortiet å produsere silisiumkarbid wafers med isotoprent silisium (28Si) og karbon (12C). Målinger om termisk ledningsevne viser en forbedring på 23% og 14% avhengig av krystallretningen der den måles. Målingene bekrefter både teori og antakelser som er gjort under prosjektetablering. Konsortiumspartnere har laget 1.2kV Schottky- og 10kV PiN-dioder med isotoprent silisiumkarbid. Disse ble evaluert både internt i konsortiet og eksternt hos potensielle kunder. En hovedutfordring ligger i at isotoprent 28Si p.t. ikke finnes i markedet. Isosilicon har i over ti år arbeidet med å utvikle anrikningsteknologier for lette isotoper, hovedsakelig 28Si, og har fått internasjonal annerkjennelse for dette. Isosilicons rolle i prosjektet er å sørge for anskaffelsen av de nødvendige isotopene. Denne rollen er også tiltenkt Isosilicon i en fremtidig industrialisering. Som en del av sine oppgaver har Isosilicon levert en grundig og omfattende rapport om mulige teknikker for isotopanrikning. Rapporten ser nærmere på fire metoder som er særlig aktuelle for silisium: Molekylær Laser Isotop Separasjon (MLIS), Kjemisk utveksling (CHEMEX), Gasskromatografi (CHROM), Aerodynamisk Separasjon Prosess (ASP). Også isotopisk anrikning av karbon er vurdert for disse fire metodene. Isosilicon har deretter konsentrert seg om sin kromatografiske anrikningsteknologi. Arbeidet ble i stor grad utført i Poitiers (Laboratoire IC2MP) som har unik kompetanse og fasiliteter. Til vår evaluering har vi brukt en avansert «Quadrupole Time Of Fight/QTOF Mass Spectrometer» med høy oppløsning samt Inductive Coupled Plasma Mass-Spectrometer/ICP-MS. Flere kromatografiske stasjonære faser blitt evaluert under forskjellige driftsforhold, særlig med temperatur som varierende parameter. Etter prosjektet besitter Isosilicon en omfattende database og prøvesamling. Industriell utnyttelse: Som en del av prosjektet har Isosilicon startet arbeidet med industriell utnyttelse av resultatene samt planlegging av den neste fasen. Som resultat av arbeidet med industriell utnyttelse ble andre anvendelser av isotoprent silisium foreslått. Quantum computers har nylig fått stor oppmerksomhet og blir en prioritert FoU-satsing for EU. Isotoprent silisium nevnes i den sammenheng (29Si har spin-tall:½ mens 28Si og 30Si har spin-tall:0). Vår evaluering av industriell utnyttelse konkluderer med at gasskromatografi har potensial til å kunne anrike 1000 kg/år med en kostnad i størrelsesorden 5 USD/g. Å bryte 1 USD/g-barrieren vil kreve større volum. Det vises for øvrig til offentlig nettside til konsortiet samt en «Newsletter» publisert av konsortiet i juni 2017 og november 2018. http://osiris-ecselju.eu http://osiris-ecselju.eu/wp-content/uploads/2017/06/Newsletter-v4.pdf http://osiris-ecselju.eu/index.php/work/newsletter-2/

-

Prosjektet er organisert som et europeisk forskningskonsortium med deltakere langs hele verdikjeden. Oppstrøms finner vi Isosilicon som er ansvarlig for anrikningsteknologier. I midten av verdikjeden har vi tre svenske universiteter og bedrifter som er ansvarlige for SiC-substratene, GaN belegging og noen halvlederkomponenter. Nedstrøms finner vi 4 franske og akademiske og industrielle grupper samt 1 slovakisk universitet som er ansvarlige for testing og karakterisering av systemene. Hensikten med hele prosjektet er å skaffe europeisk industri uavhengige og konkurransedyktige strategiske komponenter med høy ytelse. Se for øvrig vedlegg: Prosjektbeskrivelse.