ANSÖKAN OM FORSKNINGSSTÖD Datum Dnr 1 (7) Projektnr Sökande Företag/organisation Organisationsnummer Kungl Tekn Högskolan 202100-3054 Institution/avdelning Mikroelektronik och Tillämpad Fysik/Elektroniska Komponenter 15653-9 Postadress Isafjordsgatan 22, Electrum 229 Postnummer Ort Länskod Kommunkod Land 16440 Kista 1 80 Sverige Projektledare (förnamn, efternamn) Martin Domeij Telefon 08-790 4322 08-752 7850 E-postadress martind@imit.kth.se Eventuell medsökande (ange organisation) Mikael Östling KTH Fax Webbplats www.ict.kth.se/map Postgiro/Bankgiro/Bankkonto STEM038 ver.n-1.1, 2005-09-14 Projektet Ansökan avser nytt projekt Fortsättning på tidigare projekt, ange projektnummer: 20816-1 Projekttitel (på svenska) Bipolära krafthalvledarkomponenter i kiselkarbid för energisnåla kraftelektroniksystem Projekttitel (på engelska) Bipolar power semiconductor devices in silicon carbide for energy efficient power electronic systems Sammanfattning (på svenska). Sammanfattningen skall omfatta max 800 tecken och skall skrivas både på svenska och på engelska. Sammanfattningen skall skrivas så att den i ämnet oinvigde med lätthet förstår projektets innehåll och syfte. Energisnålare och kompaktare kraftelektroniksystem förväntas ge stora energibesparingar och kraftelektronik för hybridbilar har även stor miljörelevans. För att möjliggöra dessa förbättrade system krävs kiselkarbidkomponenter, vilka är energisnålare än dagens kiselkomponenter. Ett viktigt projektmål är att utveckla bipolärtransistorer med state-of-the-art prestanda i form av låga effektförluster och höga strömmar på 50 A per chip för 1200 V tillämpningar inom motordrift och kraftaggregat. Bipolärtransistorer och pn-dioder kommer även att utvecklas för högre spänningar upp till 3,3 kv för tillämpningar inom vindkraft, tåg och transmission på elnätet. Forskningen inom projektet innehåller utveckling av processteknologi, tillämpningsrelevant testning, simulering och komponentdesign. Sammanfattning på engelska enligt ovan (max 800 tecken). Improved power electronic systems with reduced power losses and smaller size are expected to provide vast energy savings, and environmental benefits. Development such improved power systems require silicon carbide devices that are more energy efficient than the silicon devices that are used today. One project goal is to develop bipolar transistors in silicon carbide with very low power losses and high current capability of 50 A for a 1200 V device. Bipolar power transistors and pn diodes will also be developed for voltages up to 3,3 kv for applications in trains, wind power and power transmission. Enskilt projekt Handläggare som ansökan diskuterats med Anders Björck Datum för projektstart Box 310 631 04 Eskilstuna Besöksadress Kungsgatan 43 Telefon 016-544 20 00 Telefax 016-544 20 99 stem@stem.se www.stem.se Org.nr 202100-5000 Forskningsprogram, ange vilket: 2006-04-01 2009-03-31 Totalt sökt belopp 5 683 960 Tidpunkt då projektet beräknas vara genomfört
2 (7) Motivering; Energi-/miljö-/näringslivsrelevans, max 1 A4-sida. Ange koppling till resultat från tidigare genomfört program eller projekt. Målet med det föreslagna projektet är att utveckla krafthalvledarkomponenter i kiselkarbid (SiC) för spänningar i intervallet 1200 V- 3300 V och totala chipströmmar upp till 50 A för tillämpningar inom motordrift, vindkraft, tåg samt omvandling och distribution på elnätet. Projektet är en fortsättning på STEM-projekt nr 20816-1, som resulterat i utveckling av en 1200 V bipolärtransistorprocess, vilken kommer att vidareutvecklas för högre spänningar och större strömmar. För att uppnå målen måste forskningsprojektet lösa viktiga problem inom passivering, livstidskontroll, bipolär stabilitet och robusthet. För att underlätta användning av komponenterna i industrin innehåller projektet även forskning inom tillämpningsrelevant komponentmodellering och drivelektronik. Centralt i forskningsprocessen är återkopplingen mellan tillverkning, karakterisering och simulering för att kunna ta fram förbättrade komponentdesigner, och optimerad processteknologi. SiC-teknologin har energirelevans på flera sätt. Effektsnålare komponenter för elmotordrift kan ge stora energibesparingar på, uppskattningsvis, någon procent av Sveriges elförbrukning. Kiselkarbidteknologin är även viktig för att möjliggöra kompakta och effektiva system för distribuering av småskaligt generad el från vindkraft och solceller. Hybridbilar bedöms vara en av de viktigaste framtida tillämpningarna för SiC-komponenter och detta har stor relevans för såväl energibesparingar som förbättrad miljö. Projektets nyhetsvärde är stort eftersom SiC-komponenter ännu är svårtillgängliga för industrin. Sverige har viktiga teknikintensiva företag inom kraftelektronik som följer framstegen inom SiC-teknologi och har stort intresse av att testa prototypkomponenter i sin utvecklingsverksamhet. Projektet har tydlig industrirelevans eftersom högskoleforskningen kommer att ge prototypkomponenter för industritester och förmedla kunnande för att underlätta ett teknikskifte till den nya SiC-teknologin. Högskolan har i sin tur stor nytta av feedback från tillämpningsrelevanta tester i industrin för att identifiera nya forskningsproblem. Kraftkomponentmarknaden för SiC är idag värd minst 100 miljoner SEK och växer snabbt på den stora globala kraftkomponentmarknaden som är värd över 100 miljarder SEK. Möjligheterna för nyföretagande är goda eftersom SiC-marknaden är ny och stora svenska investeringar har skapat viktig kompetens och nätverk inom SiC-teknologi. Det tidigare STEM-projektet (nr 20816-1) gav resultat som lett till bildandet av företaget TranSiC för tillverkning och försäljning av bipolärtransistorer i SiC. Andra nystartade svenska SiC-företag är Norstel, Intrinsic och Norse och det finns en viktig användarindustri inom kraftelektronik i Sverige och Europa. Det föreslagna projektet kommer att ge högspända kraftkomponenter för tester i industrin och demonstratorer för att påvisa systemfördelar. Modellering av karakteriserade komponenter inom projektet ger även möjligheter för industripartners att simulera och designa framtida system. Projektet förväntas leda till nya utvecklingsprojekt för kiselkarbidbaserade kraftelektroniksystem i industrin och vid universitet. De bipolärtransistorer som utvecklades i det tidigare STEM-projektet hade en rekordhög förstärkning och rönte stort intresse vid en muntlig presentation vid konferensen ICSCRM 05 och i den högt rankade tidsskriften IEEE Electron Device Letters. Forskargruppen på KTH har nu en stabil process för 1200 V SiC-bipolärtransistorer att bygga vidare på samt utrustning och mångårig erfarenhet av komponentkarakterisering och simulering. Industriförankring finns och representanter från Danaher Motion, SAAB, Bombardier och Norstel har förklarat sig villiga att delta i en referensgrupp för projektet och stort intresse finns för att testa komponenter under projektets gång. Internationellt samarbete har även knutits för kapsling och för tillämpningsrelevant testning av kapslade kraftkomponenter och kontakter har även etablerats med expertis inom drivelektronik för krafttransistorer. Utveckling av kraftkomponenter i kiselkarbid har en förväntad viktig tillämpning i hybrid- och elbilar vilket ger en tydlig koppling till miljökvalitetsmålen begränsad klimatpåverkan och frisk luft.
3 (7) Bakgrund; forskning, erfarenheter, problem, forskargrupp, företag, eventuellt internationellt samarbete etc, max 1½ A4-sida Utvecklingen inom kraftelektronik innebär en kontinuerlig minskning av systemens storlek för att sänka kostnader och för att möjliggöra användning i produkter med begränsat utrymme, t. ex. portabla elektronikprodukter och fordon. Effekttätheten i systemen ökar vid nedskalning och begränsningarna hos dagens kraftkomponenter i kisel blir allt tydligare avseende effektförluster, värmeledningsförmåga, robusthet och temperaturtålighet. För att en nedskalning av kraftelektroniksystemen ska kunna fortsätta förväntas en gradvis övergång till komponenter i kiselkarbid (SiC). Idag finns Schottky-dioder i SiC på marknaden och försäljningen ökar med kretsar för s.k. Power Factor Correction (PFC) som den viktigaste tillämpningen. Inom några år förväntas även högspända pn-dioder och switchande komponenter som JFETar, MOSFETar och bipolärtransistorer ta sig in på marknaden. En stor tillväxt för SiC-komponenter förväntas i takt med att sjunkande materialpriser och större substrat (fyrtums-skivor) sänker komponenternas slutkostnad, vilket är det största marknadshindret för kiselkarbidkomponenter idag. Ett högre komponentpris för SiC-komponenter kan räknas hem i systemvinster i form av minskat kylbehov och minskade passiva kretselement som kondensatorer, spolar och transformatorer, men komponentpriset är alltjämt mycket viktigt. Intressant är att materialkvaliteten redan idag är så pass bra att komponenter med större areor och strömmar uppemot 30 A är möjliga att utveckla men priset är ännu för högt för storskalig tillämpning. Fortsatt förbättring av materialkvaliteten förväntas också p.g.a. stora amerikanska satsningar på utveckling av högeffektskomponenter för militära tillämpningar. Vår bedömning är att satsningar på komponentforskning inom kiselkarbidkomponenter i nuläget är mycket strategiska eftersom det är tydligt att sänkta materialpriser samt större och bättre substrat kommer att kraftigt förbättra produktionsekonomin för SiC-komponenter. Den kompetens inom SiC som byggts upp i Sverige genom tidigare FoU-satsningar utgör, tillsammans med inhemsk kraftelektronik-industri, en stark bas för en framtida kisekarbidindustri, inrymmande material, komponenter och system. Forskning och utveckling inom kraftkomponenter är viktig för att tidigt förse användarindustrin med prototyper och förmedla know-how samt för att tidigt kunna gå till storskalig komponent- och systemproduktion när marknaden är redo. De kiselkarbidkomponenter som finns på marknaden idag är s.k. unipolära komponenter (Schottkydioder) för måttliga spänningar och strömmar upp till ca 1200 V och 10 A. Det föreslagna forskningsprojektet har som mål att utveckla bipolära transistorer med mycket låga effektförluster för 1200 V och strömmar upp till 50 A. Bipolärtransistorer och pn-dioder kommer även att utvecklas för högre spänningar upp till 3,3 kv. Dessa komponenter har stort värde för svensk kraftelektronikindustri med tillämpningar inom motordrift, kraftaggregat, tåg och HVDC. Vi har identifierat följande viktiga forskningsproblem att arbeta med i det föreslagna projektet för att kunna uppnå de projektmål (se s. 5). Förbättrad förståelse av rekombination i bipolära komponenter. Bipolärtransistorns strömförstärkning och framspänningsfall begränsas av rekombination och för högspända bipolära SiC komponenter gäller detta även framspänningsfallet. Det är fortfarande oklart hur rekombinationen beror av design, materialkvalitet och ytrekombination och hur processteknologin kan optimeras för att minimera rekombinationsrelaterade problem. Projektet syftar till förbättrad modellering av rekombination i bipolärtransistorer och pn-dioder. Förbättrade modeller kommer att användas för optimering av komponentdesignen för att uppnå en optimal förstärkning och höginjektion utan negativa konsekvenser i form av höga switchförluster eller reducerat säkert arbetsområde. Passiveringsteknologi för minimal ytrekombination och höga elektriska fältstyrkor. Idag lider kiselkarbidkomponenter av en hög ytrekombination i gränsytan till de skikt som passiverar kiselkarbidytan. I projektet kommer förbättrade passiveringsmetoder att undersökas för att uppnå minskad ytrekombination och hög kritisk fältstyrka. Bipolär stabilitet. Bipolära komponenter i SiC har problem med långtidsstabilitet. Detta anses idag vara
4 (7) ett materialproblem som löser sig i takt med att materialkvaliteten förbättras. I projektet kommer bipolär stabilitet att undersökas för att hitta komponentdesigner och processmetoder som minimerar stabilitetsproblem. Robusthet. Robusthet är ett stort forsknings- och utvecklingsområde för kraft-komponenter i kisel idag. Inom projektet kommer robusthet att undersökas för att uppnå ökad förståelse av materialets begränsningar och ta fram optimala designer. Modellering och styrelektronik. Genom att arbeta med modellering av SiC-komponenter för simulering av kretsar ges tidig möjlighet för industrin att tidigt undersöka komponenternas potential och hur nya system kan designas optimalt. För bipolärtransistorer i kiselkarbid kommer snabb styrning med effektsnål transformering av effekt från huvudströmmen att undersökas i samarbete med KTH-EKC. Det av STEM finansierade projektet (nr. 20816-1) som söks fortsättning på har lagt en nödvändig grund för det föreslagna forskningsprojektet i form av en utvecklad stabil komponentprocess för tillverkning av bipolärtransistorer och pn-dioder för 1200 V. Det nya projektet kommer därför att ha mindre inslag av forskning kring processteknologi (passivering undantaget) och större tyngd kan läggas på analys, optimering av komponentprestanda och tillämpningsrelevant karakterisering och modellering. Genom samordning med nystartade företaget TranSiC som kommer att tillverka bipolärtransistorer för 1200 V får projektet en viktig industri-insats i form av tillgång till fler processade och kapslade komponenter. KTHs forskargrupp har idag fokus på tillverkningsmetoder, karakterisering och modellering av främst bipolärtransistorer. Ett viktigt samarbete finns med Professor Josef Lutz vid Technische Universität Chemnitz i Tyskland. Professor Lutz har lång industrierfarenhet av kraftkomponentutveckling och kommer att bidra med tester av robusthet och tillförlitlighet i projektet. Viktiga industrikontakter finns även med ett utländskt företag för kapsling och med svenska kraftföretag för test av komponenter. Mål; Ange enkla, tydliga och mätbara mål i exempelvis kwh, max ½ A4-sida. Projektets övergripande syfte är att utveckla switchande bipolära kraftkomponenter för spänningar i intervallet 1200 V 3,3 kv och totala strömmar upp till 50 A. Arbete med de forskningsproblem som beskrivits i föregående stycke ska leda till att följande mål uppnås: * Bipolärtransistorer och pn-dioder för 1200 V och 50 A. En förstärkning på 100 och ett spänningsfall på 0,6 V vid 100 A/cm^2 för transistorer. * Bipolärtransistorer och pn-dioder för 3300 V och 10 A. En förstärkning på 80 och ett spänningsfall på 2,5 V vid 100 A/cm^2 för transistorer och ett framspänningsfall på 3,5 V vid 100 A/cm^2 för pn-dioder. * Kraftmodul för 1200 V och 300 A bestående av bipolärtransistorer och dioder. * En modellering för datorsimulering av bipolära kraftkomponenter i SiC med finita elementmetoder för att möjliggöra noggrann modellering statiskt och under switchförlopp. * State-of-the-art passivering för minimerad ytrekombination (<10^4 cm/s) samt hög och långtidsstabil kritisk fältstyrka. (>5 MV/cm). * Testning och modellering av det säkra arbetsområdet under turn-off till hög spänning och under kortslutning av switchande komponenter. * Utförlig testning av tillförlitlighet och långtidsstabilitet under 500 timmar av de viktigaste parametrarna för de kiselkarbidkomponenter som utvecklats i projektet. * Integration av frihjulsdiod med bipolärtransistor på samma chip. * Kretssimuleringsmodeller för bipolärtransistorer och pn-dioder. * Styrelektronik för snabb switchning (< 30 ns) av bipolära kiselkarbidtransistorer. * Kvantifiering av de energibesparingar som erhålls i en typisk tillämpning för 1200 V genom att ersätta en kiselbaserad kraftmodul med en kiselkarbidmodul som utvecklats i projektet.
5 (7) Genomförande, max 1 A4-sida Forskningsarbetet utförs av två doktorander och en senior forskare som är projektledare (se specifikation i appendix 1). Den tillverkningsprocess för bipolärtransistorer som utvecklats i det av STEM tidigare finansierade projektet (20816-1) kommer att användas som plattform för fortsatt komponentutveckling inom projektet. Infrastruktur för elektriska mätningar och dator-simulering finns tillgängligt på KTH och vissa specifika mätningar kommer att utföras vid Technische Universität Chemnitz. Under projektets gång kommer intresserad industri att erbjudas kapslade komponenter och komponentmodeller för kretssimulering. Etapp 1 2006-03-01 till 2006-08-31 Processning av en batch med bipolärtransistorer och pn-dioder designade för 1200 V och 10 A. Test av förbättrad passivering. Komponentkarakterisering på chipnivå för kalibrering av simuleringsmodeller. Etapp 2 2006-09-01 till 2007-02-28 Mätning av kapslade 1200 V bipolärtransistorer för fullständig utvärdering med switchning och säkert arbetsområde. Termisk resistans för komponent och kapsel samt maximal ström och temperatur för komponenterna bestäms. Simulering jämförs med mätningar för kalibrering av simuleringsmodeller och en optimerad 2 kv design tas fram för pn-dioder och bipolärtransistorer med simulering. Bipolär stabilitet undersöks i elektriska mätningar och med CCD-kamera. Etapp 3 2007-03-01 till 2007-08-31 Processning av batcher med bipolärtransistorer för 1200 V och 30 A samt bipolärtransistorer och pndioder designade för 2 kv. Komponentkarakterisering på chipnivå. Integration av pn-diod på samma chip som bipolärtransistorn. Modellering av 1200 V och 2 kv bipolärtransistorer och pn-dioder för kretstillämpningar. Utveckling av snabb och effektsnål drivelektronik för bipolära transistorer. Arbete med modellering för krets-simulering påbörjas. Etapp 4 2007-09-01 till 2008-02-28 Mätningar med kapslade bipolärtransistorer och pn-dioder; högspänd switchning och utvärdering av spärregenskaper med fokus på passiveringen. Modellering av bipolärtransistorer och pn-dioder för kretstillämpningar. Etapp 5 2008-03-01 till 2008-08-31 Processning av optimerade batcher med bipolärtransistorer designade för 1200 V och 100 A samt transistorer och pn-dioder för 3,3 kv och 10 A. Integration av optimal passivering i processen. Planering av design och konstruktion för 300 A kraftmodul i samarbete med industripartner. Utveckling av snabb och effektsnål drivelektronik för bipolära transistorer. Etapp 6 2008-09-01 till 2009-02-28 Elektrisk karakterisering av kapslade bipolärtransistorer för 1200 V och 50 A samt bipolärtransistorer och pn-dioder för 3,3 kv och 10 A. Färdigställande och elektrisk karakterisering av kraftmodul för 1200 V och 300 A samt test av switchegenskaper och tillförlitlighet. Experimentell utvärdering av energibesparingar och systemstorleksbesparingar för en 1200 V och 300 A kraftmodul i SiC jämfört med en kiselbaserad modul.
6 (7) Kostnader Projektets totala kostnad Projektets totala kostnader per år % av heltid KALENDERÅR 2006 2007 2008 2009 Lönekostnader 3.181.080 795.270 1.060.360 1.060.360 265.090 73 Laboratoriekostnad 1.000.000 200.000 350.000 350.000 100.000 Datorkostnad Utrustning 30.000 10.000 10.000 10.000 Material 205.000 40.000 70.000 70.000 30.000 Resor 135.000 30.000 45.000 45.000 15.000 Övriga kostnader Ev förvaltningskostnader 1.592.890 376.350 537.380 537.380 134.080 SUMMA 6.143.960 1.451.620 2.072.740 2.072.740 544.170 Finansiering inkl. samfinansiärer Andel i kronor och procent av projektets totala kostnader/år FINANSIÄR År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 År Total (%) Energimyndigheten TranSiC AB 70.000 135.000 135.000 65.000 405.000 STINT (www.stint.se) 55.000 55.000 SUMMA 125.000 135.000 135.000 65.000 460.000 100 Ansökan avser industriellt samarbetsprojekt/konsortieverksamhet Detta projekt är i sin helhet i vissa delar lika med ansökan till annan myndighet, ange vilken: Sökt stöd för dyr utrustning (Vetenskapsrådet, Wallenbergsstiftelsen e.d.) Gäller endast högskola. Hyung-Seok Lee Susanna Norell Övriga samarbetspartners (ange organisation och namn) TranSiC AB Resultatredovisning (ange här om resultatet kommer att redovisas på något ytterligare sätt än det obligatoriska, se information). Resultatet redovisas dels i form av en slutrapport och resultat kommer även att redovisas löpande i seminarier där företag med kraftelektronikintresse bjuds in. Bilagor Specifikation av personal, referensgrupp och kostnader för det ansökta projektet (Bil 1). CV för projektledare Martin Domeij (Bil 2) Licentiatavhandling för doktorand Hyung-Seok Lee baserad på resultat från projekt 20816-1 (Bil 3). Publikation i IEEE Transactions on Electron Device Letters baserad på resultat från proj. 20816-1 (Bil 4).
7 (7) Datum Datum 2006-04-05 2006-04-05 Behörig firmatecknares (prefekt motsv.) underskrift Projektledarens underskrift Namnförtydligande, titel och telefon Mikael Östling, Professor, 08-790 4301 Namnförtydligande och titel Martin Domeij, Tekn Dr