Download het artikel in 
De starter ontwikkelt ‘galliumnitride (GaN)-op-silicium’ wafers tot een diameter van 200 mm. Op die wafers bouwen chipmakers hun transistoren. GaN-wafers zien er hetzelfde uit als silicium (Si) wafers. Maar GaN heeft als halfgeleider andere kenmerken. «Si MOSFETs worden gebruikt tot op 600 Volt. Wij willen met GaN werken op een spanning van 600 tot 1.000 Volt. Tegelijk willen we het verlies met 3 tot 4 ordes van grootte verminderen. In de praktijk halen we vandaag al een verbetering van twee ordes van grootte», zegt Marianne Germain, CEO van EpiGaN in Hasselt.
Met de GaN-wafers mikt EpiGaN op vermogenelektronica, toepassingen als DC/DC of DC/AC-omvormers of transformatoren die de spanning (het voltage) optrekken of naar beneden halen. Verlies in een omvormer of transformator wordt meestal in hitte omgezet. Hitte vergt koeling. Deze omvormers komen bijvoorbeeld terecht in een computer of een auto. «Een hybride wagen is vandaag veelal voorzien van twee koelunits. Eén voor de motor en één voor de elektronica. Met GaN kan je én het ‘verlies’ verminderen, én op een hogere temperatuur werken. De idee is om dan één van de twee koelsystemen eruit te gooien. Het eindresultaat is dat de auto ook minder weegt.»
Omdat GaN-wafers op hogere voltages en stromen kunnen werken, kan je meerdere componenten vervangen door één component. «Afhankelijk van de toepassing kan je twee tot vier componenten door één vervangen. Daardoor kan je sneller schakelen. Een transfo vergt dan ook minder passieve onderdelen», zegt Germain. Bij het schakelen schuift men van de kHz naar de MHz-range. «Dan kunnen we ook de omvormer of transformator fors verkleinen.»
Met de technologie kan het transfo-blokje tussen je netbook en het stopcontact niet alleen efficiënter maar ook gewoon in de computer ingebouwd worden, bijvoorbeeld. Een andere toepassing: de cellen van een fotovoltaïsche installatie kunnen 20 jaar meegaan maar de waarborg op de omvormer -die de gelijkstroom van het paneel naar wisselstroom omzet- is beperkt tot de levensduur van de elektronica en die wordt vandaag op zo’n 10 jaar berekend. Een GaN (compound semi-conductor) omvormer zou je kunnen inbouwen in het paneel of de cel en daarmee de hele installatie robuuster maken en de levensduur optrekken. «Ook medische toepassingen hebben omvormers nodig», zegt Germain. «GaN is biocompatibel en je kan er ook goede sensoren mee bouwen maar dat is O&O met een langere termijnperspectief.» Hoe lang? «Tien jaar.»
Disruptieve technologie mikt op ‘power’
«De huidige omvormertechnologieën kennen verlies op switching en geleidbaarheid. Het voordeel van GaN ligt op systeemniveau. Je hebt minder verlies. Je hebt minder koeling nodig. Wij mikken dan ook op schakelen.» GaN kan dus een hogere vermogendichtheid hebben zodat de chip twee tot vier keer kleiner kan en je vier toestellen vervangen door één. Moore’s law in werking? «Moore’s law geldt voor silicium, voor CMOS. Met GaN gaan we werkelijk voor een ‘disruptieve’ technologie. Het gaat er ons eigenlijk niet om de dingen kleiner te maken. Hier gaat het over power, over ‘hoogstroom’», zegt Germain. «We kijken dus naar ‘power’ maar je kan met GaN toestellen kleiner maken en meer op de wafer zetten wat die ook goedkoper zal maken.» EpiGaN werkt vandaag op wafers met een diameter van 150 mm of 6 inch. Dat is vandaag de meest gebruikte maat. «We ontwikkelen de 200 mm wafer. We halen al 600V. We mikken nu op 1.000 V en meer.»
Het business model van EpiGaN is dat van een productiebedrijf. Het levert het materiaal, de GaN-wafer. «Wij brachten het materiaal - de startlaag waarop de klant zijn chips kan zetten- op de markt», zei Germain. De meeste ontwikkeling zit precies in dat materiaal. Dat is ook de toegevoegde waarde van EpiGaN. «Wij verminderen de kosten voor het opstarten van die fabrikanten.» Er moet nu volume gehaald worden. «Maar we moeten ook verder met O&O. We moeten onze IP- portfolio opwerken, patenten nemen en ons product beschermen. En nieuwe features ontwikkelen. Dat is kern.»
«Onze eerste reactor is up and running. We hebben hier nog ruimte en zullen er nog meer zetten», zegt Germain. Het toestel werd in Aken bij AIXTRON gehaald. Op een uur rijden. «We kopen de silicium wafer en groeien er de GaN-laag bovenop via ‘epitaxial growth’. Het onderliggende silicium heeft dezelfde hoge kwaliteit als voor silicium elektronica. Maar silicium is al lang geen flessenhals meer. De flessenhals is technisch.» Niet alleen is een hoge kristalliniteit nodig. Nitride- en siliciumlagen zijn ook heel verschillende materialen. De lagen op elkaar groeien via Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOVCD) gebeurt bij hoge temperaturen. «Bij het afkoelen komt er echter veel stress in de materialen wat het risico inhoudt dat ze kraken. Het beheersen van die stress is onze kernexpertise.»
De stress is afhankelijk van een heel stel parameters - temperatuur, snelheid van groeien, samenstelling van de GaN-laag. «Aan de mix kan je - laag op laag - bijvoorbeeld aluminium en indium toevoegen om te compenseren voor de stress. Het actieve deel moet echter een zeer hoge kristalkwaliteit hebben. En weinig defecten.» Germain spreekt van 109 per cm2 ‘threading dislocation’. «Bij Si zou dat té veel zijn maar GaN is zeer robuust. Voor heldere blauwe en witte LED’s gaat men bijvoorbeeld naar 106 tot 107, afhankelijk van de kwaliteit van de LED.» Germain is helemaal niet verontrust door de opmerking dat de kwaliteit voor LED’s hoger is dan wat EpiGaN haalt in de vermogenelektronica. «Het is vandaag belangrijk dat we veel beter presteren dan silicium. We hoeven ‘nu’ niet nog meer te halen. We weten hoe we het moeten aanpakken.»
Iets meer toelichting. Voor de bouw van LED’s zet men GaN niet op silicium maar op saffier. Maar deze sector werkt vandaag nog met schijfjes van nauwelijks 2 of 4 inch. «Onze meerwaarde is dat we GaN op silicium kunnen zetten. Zo kom je aan een substraat dat nauwer aansluit bij de bestaande productiebasis voor elektronica.» Ondertussen schuiven siliciumwafers naar diameters van 450 mm. Fabrieken die met hun capaciteit op 200 mm blijven hangen, verliezen daardoor business. «Maar tegelijk zorgt dat ervoor dat ze ruimte hebben voor ons», stelt Germain, die met de GaN-technologie niet alleen een compatibel proces aanreikt maar daarmee ook ‘oudere’ fabrieken ‘recycleert’ en aan de gang kan houden. Het bedrijf blijft ook bewust weg uit de overbevolkte LED-markt.
Marktgedreven starter
EpiGaN ging in 2010 van start als een spin-off van Imec. Partners zijn CEO Marianne Germain -elektrisch ingenieur die bijna een decennium lang verantwoordelijk was voor Imec’s GaN-programma- Stefan Degroote en Joff Derluyn. Ze focussen op III-nitride epitaxiale materiaaloplossingen die toegepast kunnen worden in omvormers voor consumentenproducten, hybride elektrische voertuigen, solarsystemen, RF energie voor basisstations, smart grids,...
In 2011 kreeg EpiGaN 4 miljoen euro om een nieuwe fabriek te bouwen die GaN-on-Si epitaxial materiaal in hoge volumes zal produceren. Het consortium hierachter: Robert Bosch Venture Capital, Capricorn CleanTech Fund en LRM. «Diezelfde dag, het was 30 juni 2011, hebben we reactoren en de cleanrooms besteld», zegt Germain. Alles was dan ook zeer goed voorbereid. Op minder dan zes maanden was er alles klaar, op tijd en binnen budget. «De idee is te gaan naar ‘honderdduizenden wafers’», zegt Germain vaag. De prijs wordt sterk beïnvloed door het productievolume. «Wanneer we het hogere volume halen - en dat kan wel enkele jaren duren - dan kunnen we dezelfde prijs halen met GaN als vandaag met Si-wafers.» Ze verwijst naar International Rectifiers die het heeft over zo’n $3/cm2. «Sommigen wachten duidelijk tot de prijs daalt. Timing is in deze sector kritisch.» EpiGaN werkt aan batches voor klanten. «De meeste van onze producten ondersteunen O&O-programma’s van onze klanten.»
«We verkopen ook aan ‘iedereen’. Vorig jaar verkochten we evenveel in de VS als in Europa. En we kijken nu ook naar Azië”», zegt Germain die tegelijk beklemtoont dat het belangrijk is in Europa te produceren met deze kennis. Ondertussen neemt EpiGaN deel aan het EU-FP7 HiPoSwitch-project –in totaal goed voor €5,6 miljoen gespreid over drie jaar- dat onderzoek doet naar krachtiger en compacter energieomvormers. Het partnert daarbij met het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Hoechst-frequenztechnik (FBH), Slovak Academy of Sciences, Institute of Electrical Engineering, Vienna University of Technology; University of Padua, AIXTRON, Artesyn Austria GmbH & Co. KG en Infineon Technologies Austria AG. EpiGaN zal de GaN-on-Si wafers produceren.
Markt is drijvende kracht
Maar de drijvende kracht achter dit gebeuren is wel de markt. «Door GaN op een grote siliciumwafer te zetten die dan verder verwerkt wordt in fabrieken die anders moeten sluiten, maken we het hele proces goedkoper.» Er zijn ook concurrerende technologieën waarop EpiGaN trouwens ook actief is. «Siliciumcarbide, bijvoorbeeld. Die technologie bestaat al 20 jaar. Maar heel weinigen pikken ze op omdat het zo duur is.»
«Wij leveren ook op SiC voor een nichemarkt. Daarmee haalt men een nog hogere vermogendichtheid - een grootte orde van 10 - voor toepassingen in de ruimtevaart met solar-omvormers en satelliet RF-communicatie. «In de ruimtevaart ligt de kostenstructuur anders. Daar zijn de levensduur van het toestel cruciaal én het gewicht. De grote kost zit in het lanceren.» Deze SiC-activiteit verzorgt EpiGaN voor de Europese ruimtevaartindustrie, met ESA als uiteindelijke klant. ESA, dat liefst niet afhankelijk is van de VS en op een Europese materiaalbasis mikt. «Dat houden we ook hier in Europa.»
Germain studeerde hier al 10 jaar op. Eerst in een project bij Imec dat door de Europese ruimteorganisatie ESA werd gefinancierd. «Bij Imec werkten we aan het ontwikkelen van het materiaal en we zetten er ook een transistor op met de nodige connectoren.» Ook vandaag houdt EpiGaN de banden met Imec strak. Het heeft een licentieakkoord met Imec voor de technologie die het er ontwikkelde. «We huurden ook toegang op hun reactoren die we een jaar lang tijdens het weekend mochten gebruiken. Maar voor een spin-off is het belangrijk zijn IP zelf verder te ontwikkelen», zegt Germain.
Mensen zijn belangrijk
Vandaag telt EpiGaN zes medewerkers met een wetenschappelijke achtergrond. Ingenieurs en fysici. Het jonge bedrijf werft aan: technische mensen, sales and marketing. «Tegen het eind van het jaar zijn we met tien. We zullen ook operatoren aanwerven. Wanneer het systeem en de recepten zijn afgesteld, kan de machine door operatoren gerund worden.»
Germain verwacht dat het wel makkelijk wordt mensen met een technische achtergrond te vinden in het Hasseltse. «Het is wel moeilijk mensen te vinden met expertise in epitaxiale groei.» Ze bedoelt dan wel ‘wereldwijd’. Ze praat dan ook met mensen uit de VS en elders.
«Qua verloning moeten we redelijk zijn vergeleken met de competitie. Maar innovatie is uiteindelijk de sleutel om mensen aan te trekken.» Wat dat betreft maakt ze zich geen zorgen. «We hebben een goede track record. We hebben gepubliceerd en genieten een goede naam.» Voor de marketingman moet men wel degelijk op zoek. «We moeten ervoor zorgen dat ze in het ‘start-up’ profiel passen. Je moet zeer flexibel zijn als je bij een start-up gaat werken, een open geest hebben, in het team passen,...» Germain gaat zelf op zoek naar de juiste medewerkers. «Mensen zijn hier zeer belangrijk. Het is ‘kern’ en dus de moeite waard om er tijd in te investeren.»
Germain reist nogal wat. Ze bezoekt klanten, ook wanneer ze in België is. Haar collega’s zijn met de productie bezig. «Als CEO moet ik constant ageren, reageren, telefoneren... Goed communiceren is belangrijk. En de strategie uitzetten om te groeien in de toekomst. Ervoor zorgen dat er geen losse eindjes zijn. Je moet zelf je prioriteiten stellen. Klanten zijn een prioriteit.»
Ze moet ook het niveau van de verwachtingen van de bestuursraad en de investeerders correct aanzetten. «Zij moeten begrijpen wat we doen.» Dat geldt ook voor de medewerkers. «De waarde van het bedrijf zijn ook de mensen die hier werken. Je moet ze genoeg comfort bieden, uitdaging en de vrijheid om zaken uit te proberen. Je moet ze vertrouwen schenken. En een veilige werkomgeving.»
(foto's: EpiGaN, LDS) (door Luc De Smet, Engineeringnet)
Kadertekst:
Groeimarkt start op
Yolé Development rekent dat de markt voor vermogenelektronica met halfgeleidercomponenten vandaag goed is voor zo’n $17 miljard. Tegen 2020 zal die zowat verdubbelen. Daarbinnen betekent GaN vandaag quasi niks. De komende vijf jaar rent die technologie echter naar $300 miljoen om tegen 2020 af te stevenen op $2 miljard.
Vandaag kijken de meeste fabrikanten van vermogenapparatuur naar de spitstechnologie. De top 15 heeft programma’s op GaN: Infineon, ST Microelectronics,... De meeste producenten zetten GaN op kleine substraten van siliciumcarbide of saffier. Dat proces is duur en het is moeilijk om er grote volumes mee te halen. «Maar de meesten werkten minder lang op GaN dan wij», zegt Marianne Germain bij EpiGaN in Hasselt.
Er zijn naast EpiGaN slechts twee andere producenten die GaN op siliciumwafers zetten. Het Duitse AZZURRO Semiconductors haalde eind 2010 14,5 miljoen euro op en bouwde een nieuwe fabriek in Dresden. Het produceert naast GaN-op-silicium ook zogenaamde epiwafers voor de LED-industrie. Het Japanse NTT Advanced Technology (NTT-AT) levert al 6 inch GaN-op-silicium wafers die 1.800 V halen voor RF toepassingen. Men ontwikkelt er 8 inch epiwafers en mikt op de productiemogelijkheden van Mitsubishi Chemical wanneer het zo ver is.
Er zijn vooralsnog zeer weinig GaN-componenten op de markt. Leveranciers: het Amerikaanse Transphorm en International Rectifiers zullen naar verluidt ‘misschien de eersten zijn’.
