ECSEL-prosjekt PowerBase Enhanced substrates and GaN pilot lines enabling compact power applications

Målet til Eltek var å se på hvordan GAN transistoren kunne utnyttes for å øke virkningsgraden til 98%. For Power Factor Correction (PFC) trinnet ble totem pole topologien vurdert og testet fordi egenskapene til GAN transistoren gjorde at denne kunne brukes. Si MosFet kunne ikke brukes i denne topologien pga av treg intern diode i Si MosFet?en, som ville forårsake feil. Ved å bruke totem pole topologien med GAN transistoren, ble det oppnådd virkningsgrad nær 98% for 3kW likeretteren som ble utviklet i Powerbase prosjektet. Dette er en halvering av interne tap sammenlignet med tradisjonelle høy effektive likerettere. 3kW likeretteren ble testet og validert til det ekstreme for å finne alle feilsituasjoner med GAN transistoren og innføre korrektive tiltak. Dette gav resultater - Vi har installert tusenvis av 3kW GAN-baserte likerettere hos Telecom operatører i Asia, Europe, Afrika and Russland. Etter ca 9mnd drift er det ikke rapport om en eneste felt feil. Populærvitenskapelig framstilling UiO PowerBase (Enhanced Substrrates og GaN-pilotlinjer som muliggjør kompakte kraftapplikasjoner) -prosjektet har konsolidert 39 partnere fra 9 land for å jobbe i fellesskap for å fremme dagens strøm-halvlederteknologi. Dette inkluderer utvikling av nye substratmaterialer for halvledere, forbedring av produksjonseffektivitet ved nyskapende automatisering, etablering av en GaN-kompatibel brikkeinnleggingslinje og demonstrasjon i ledende kompakte kraftapplikasjonsdomener. Det forventes en todelt innvirkning fra prosjektet - ved å gi en sterk europeisk kilde til GaN-kraftenheter, og bidra til kompakte, effektive og kostnadskonkurrerende kraftelektroniske systemer som benytter hurtig svitsjing av GaN-enheter. Prosjektet tar opp flere veldefinerte mål, blant annet "Kostnadseffektiv høyvolumfremstilling i stand til 300 mm teknologi for ekstreme silisiumsubstrater" er organisert som en egen arbeidspakke (WP2) og delegert til en gruppe partnere som involverer Oslos team unik kompetanse i punktfeil i silisium. Oppgavene tildelt UiO-teamets hovedfokus på avansert kjemisk, elektrisk og optisk karakterisering av de ekstreme silisiumsubstrater som benytter en rekke komplementære analyseteknikker (SIMS, PL, FTIR, Hall-effekt, CV, DLTS og ADSPEC). Målingene av kritiske parametere, resistivitet og oksygeninnhold anses som en viktig forutsetning for å optimalisere waferfabrikken. I forbindelse med teknologioverføring til 300 mm Si-krystaller har to ekstreme tilfeller av Czochralski-dyrket (Cz-Si) materiale blitt vurdert: i) fosfor (P) dopet ultra-lave resistivitetssubstrater beregnet for bruk i MOS-enheter, og ii) krystallfeil optimerte substrater med lavt oksygeninnhold rettet mot bruk i IGBT-enheter (oksygen presipitater og termiske donorer har skadelig effekt på enhetsoperasjon). Materialegenskapene ble analysert både langs og på tvers av disse store diameter-ingots med variasjonene overvåket ved å etablere aksiale / radiale fordelinger. Generelt oppdages de ultra-lave resistivitet P dopede 300 mm diameter Cz-voksede Si-wafers å vise gode resultater med høy elektrisk aktivering av P-atomene ved romtemperatur og også høy elektronmobilitet som gir en resistivitet på bare 1,1 m?cm (eller under). Den elektriske ledningsevnen er metallisk som med bare mindre temperaturavhengighet. Elektrisk og optisk karakterisering av høy resistivitet og lav-oksygen 300mm diameter Cz-wafers og 200 Float zone(Fz) kontrol wafers, rettet mot høyspennings- og høyspenningsapparater, viser tilstedeværelsen av karbon-oksygenfeil som virker som ladningsbærer rekombinasjons senter. Dette gjelder for både Cz og Fz typer wafers. Disse feilene er funnet å begrense minoritetsbærerens levetid i platene og har en negativ innvirkning på enhetens ytelse. Samlet sett har de kombinerte kjemiske, elektriske og optiske studiene gitt viktig tilbakemelding til andre partnere for å optimalisere vekstprosessen av de nye 300 nm Cz-wafers og sørget også for at kritiske materialegenskaper faktisk ble oppfylt før de fortsatte videre med belegg Si wafers med GaN og å lage kraftkomponenter. Alle disse aktivitetene har bidratt til den ultimate suksessen til Powerbase-prosjektet.

To expand the limits in current power semiconductor technologies the project focuses on setting up a qualified wide band gap GaN technology Pilot line, on expanding the limits of today's silicon based substrate materials for power semiconductors, improving manufacturing efficiency by innovative automation, setting up of a GaN compatible chip embedding pilot line and demonstrating innovation potential in leading compact power application domains. PowerBase is a project with a vertical supply chain involved with contributions from partners in 7 European countries. This spans expertise from raw material research, process innovation, pilot line, assembly innovation and pilot line up to various application domains representing enhanced smart systems. The supporting partners consist of market leaders in their domain, having excellent technological background, which are fully committed to achieve the very challenging project goals. There are two Norwegian partners in the project: Eltek will contribute to exploiting and testing the new GaN technologies in rectifiers for the telecom sector in Work Package 7 on Compact Power Applications. The University of Oslo (UNI Oslo) will contribute to Work Package 2 on Extreme silicon base materials for 300mm power devices. UNI Oslo will contribute with advanced spectroscopic characterization of both high-resistivity and low-resistivity Silicon base material (300 mm diameter) for analysis and control of device-performance-limiting defects/impurities with respect to carrier lifetime, doping uniformity and carrier mobility. Merk at formell prosjektstart er 01.05.2015. Av tekniske årsaker måtte startdato settes til tidligst 21.11.2015 i denne søknaden.