Foto: Stefan Jerrevång

Liten svensk startup ska rädda 5g-näten – med unik teknik

Det här lilla Linköpings-bolaget har en Nobelpristagare som kund. När man hör vad Swegan kan göra för halvledarindustrin – och de kommande 5g-näten – är det inte svårt att förstå. ”Vi kan leverera hundra gånger mer data för samma energi”, lovar grundaren.

Peter Ottsjö

5g porträtteras ofta som ett löfte om ett nytt, uppkopplat och helt fantastiskt samhälle. Men för telekombolagen handlar det också om ren och skär överlevnad. När Ericsson gjort prognoser över mängden data jordens befolkning konsumerar över tid ser diagrammet ut som en hockeyklubba: från strax under 5 exabyte per månad 2016, till över 30 exabyte 2022.

Det kräver snabbare nät, med högre kapacitet. Men hur konstruerar man dem, utan att det ska kosta en förmögenhet? Och hur adderar man infrastruktur, som redan i dag är energihungrig, utan negativ klimatpåverkan?

Svaren finns i Linköping. Olof Kordina talar åtminstone ett språk som topparna i telekombolagen borde gilla.

– Vi kan leverera hundra gånger mer data för samma energi, säger Kordina, lektor vid halvledaravdelningen på Linköpings Universitet, och grundare av Swegan.

När Olof Kordina är ute och träffar presumtiva kunder hinner han inte ens börja förrän kunderna tvärsäkert slår fast att Swegan inte kan toppa den utrustning bolagen redan förfogar över. Kordina, en 59-årig veteran i halvledarbranschen, brukar på sin släpiga skånska svara att ”jaja, den visan har jag hört förut”. Sedan visar han sin powerpoint där det står att det Swegan erbjuder är bättre, snabbare, tåligare och – som grädde på moset – billigare.

En typ av epitaxiskiva, eller wafer, som bara Swegan klarar av att göra. Foto: Stefan Jerrevång

Swegan gör epitaxiskivor i galliumnitrid till hemt-halvledarkomponenter. Om det där var för mycket på en gång så kan vi säga så här i stället: det finns mer effektiva material än kisel att använda i transistorer. Särskilt om transistorerna ska användas för tillämpningar som kräver hög frekvens, så som radar, satellitkommunikation och 5g-nät.

På senare år har galliumnitrid – ett halvledarmaterial bestående av gallium och kväve – positionerat sig som den mest lovande kiselersättaren.

– Det var faktiskt Saab som 2005 var först ut med kommersiell radar gjord med galliumnitrid, de är riktiga pionjärer. De utvecklade detta tillsammans med Chalmers, som är klippor på högfrekvens. Vi samarbetar med Chalmers nu och har en industridoktorand där.

Så om Saab – och flera andra utländska bolag för den delen – redan är igång, varför ska man bry sig om en liten startup som Swegan?

– För att vi gör motorvägar när de andra ägnar sig åt grusvägar, svarar Olof Kordina.

Den som jobbar med galliumnitrid säger förmodligen inte epitaxiskivor, utan ”wafers”, som ungefär betyder ”tunn film”. Epitaxi har sitt ursprung i grekiskan och kan översättas till ”ovanpå, på ett ordnat vis”. Nationalencyklopedin definierar epitaxi som ”en ordnad tillväxt av en kristallin film på ett kristallint substrat”.

– När något är epitaxiskt så vet man att det är kristallint material och lämpar sig för elektroniska applikationer, säger Kordina.

Läs mer: Bråket som skakar svenska 5g-satsningen

Ända sedan transistorn uppfanns på 40-talet har fysiker laborerat med olika material till sina halvledarkomponenter, med hopp om att hitta det lämpligaste sättet att skyffla runt elektroner. Kisel, som heter silicon på engelska, blev så populärt för ändamålet att det gav upphov till namnet Silicon Valley.

Den vanligaste kiseltransistorn är mosfet, som står för ”metal oxide semiconductor field effect transistor”. Men Swegan gör alltså sina epitaxiskivor för hemt-transistorer, som är en akronym för ”high electron mobility transistor”. Både mosfet och hemt är olika typer av fälteffekttransistorer, där den senare typen bland annat passar bättre för högfrekventa ändamål.

För hemt är galliumnitrid ett särskilt passande material. Det ger egenskaper som låg resistans, höga omkopplingshastigheter, hög strömtäthet, låga värmeförluster och förmåga att hantera höga spänningar. Kort sagt: det ger snabba och energisnåla transistorer som tål en del smällar. Och en förklaring till dessa åtråvärda förmågor hos galliumnitrid är dess vida bandgap.

– Tittar man på galliumnitrid så har det en mycket högre maximal fältstyrka jämfört med kisel, säger Olof Kordina.

Läs mer: Han fick Nobelpriset för ledlampan – nu vill han skapa energins internet

En generell regel är att halvledare med stort bandgap också har en hög maximal fältstyrka. Bandgap är en välkänd storhet inom halvledarfysiken. Bandgap säger något om ett ämnes förmåga att leda ström mellan det som kallas ledningsband och valensband.

För vissa metaller kan man förenklat säga att bandgapet är noll.

– Nu ska jag inte vara en petnoga pompös professor, men även metaller har bandgap. Det är bara så att de har elektroner i ledningsbandet vilket gör att de leder ström obehindrat. Utåt sett ser det ut som om de inte har ett bandgap, förklarar Olof Kordina.

För isolatorer – som plexiglas, för att ta ett exempel – är bandgapet däremot så stort att elektronerna inte förmår skutta mellan banden. Galliumnitrid befinner sig i en sweet spot mellan dessa två ytterligheter.

Om man dessutom använder två olika material med olika bandgap till sin halvledare uppstår ytterligare en fördel via en så kallad heteroövergång. Vilket för oss tillbaka till epitaxiskivorna.

Hemt-komponenter på ett substrat som kiselkarbid består av ett tunt aluminiumnitridskikt. Det behövs för att galliumnitriden ska kunna växa på ett välordnat sätt. På aluminiumnitriden odlas sedan ett galliumnitridskikt och därefter en så kallad – håll i er nu – aluminumgalliumnitrid-barriär.

– Mellan alla dessa skikt uppstår en heteroövergång. Men den intressanta övergången är mellan barriären och galliumnitriden. Där blir det som en liten ficka där elektroner kan kila väldigt snabbt fram och det är det som gör det så intressant för högfrekvenskomponenter.

Jr-Tai Chen inspekterar, tillsammans med Olof Kordina. I bakgrunden skymtas Swegans övriga medarbetare. Foto: Stefan Jerrevång

Det är dock inte okomplicerat att odla kristallstrukturer. Normalt sett uppstår kristallina defekter som bara kan åtgärdas genom att odla ett tjockt lager för att ”läka ut” kristallfel.

Men när skiktet blir tjockt måste det göras resistivt för att hindra något som kallas läckströmmar. Hur? Med dopning, en metod där man tillför ett störämne, exempelvis järn, för att öka resistiviteten.

Dessvärre kan elektroner då, som en bieffekt, fångas in på järnatomerna och prestandan försämras. Det kallas minneseffekter, och är ett fenomen halvledarindustrin hatar med all passion den kan uppbåda.

– Elektronerna släpper taget gradvis och du får en ström där du inte vill ha den, säger Olof Kordina.

Industrin har dock kommit att mycket motvilligt acceptera detta som ett synnerligen smärtsamt, men nödvändigt ont. Alla utom Swegan, vill säga.

– Det konkurrenterna gör är att deponera ett skikt med aluminiumnitrid som ser ut som hej kom och hjälp mig. Som ett stormigt hav ser det ut. Det är alltså väldigt svårt att odla aluminiumnitrid på kiselkarbid på ett bra sätt. Men vi har kommit på ett sätt att lägga ner det här skiktet otroligt bra. Det blir väldigt få kristallfel. Vi får ett perfekt gränssnitt mellan kiselkarbid och aluminiumnitrid och vår galliumnitrid som växer ovanpå blir också väldigt fin.

Läs mer: ”Ge svensk industri egna frekvenser för 5g”

Faktum är att det Swegan odlar har så hög strukturell kvalitet att det lilla Linköpings-bolaget helt kan skippa dopningen. I vanliga fall är hemt-komponenter 2 mikrometer tjocka. Swegan klarar sig på en tiondel av det, 0,2 mikrometer.

I dag måste minneseffekter hanteras genom att omge en transistor med särskilda kretsar. Swegans lösning med odopade epitaxiskivor – som de varumärkesskyddat under namnet Quanfine – ska enligt bolaget minimera minneseffekter.

– Vi har inte riktigt kommit hela vägen än, men vi gör det bra mycket bättre än någon annan i världen, säger Olof Kordina.

Gascentralen. Foto: Stefan Jerrevång

Utöver det finns det gott om andra fördelar med Swegans tunna epitaxiskivor.

– Du har alltid förluster i dina komponenter. De alstrar värme och den värmen måste ut, och har du då ett skikt därnere som är av dålig kvalitet så kommer inte värmen igenom. Det är som att lägga en filt över ungefär. Det blir som en enorm termisk resistans. Men har du väldigt bra kvalitet, då leder det värme jättebra, säger Olof Kordina.

Basstationer råkar sällan ut för ett haveri. Det där ordet ”sällan” är dock inte gott nog för ett telekombolag. Några basstationer slutar varje år att fungera, med kännbara kostnader som konsekvens.

– Det ska ut en specialutbildad gubbe som klättrar upp för masten och reparerar. Då måste de stänga av all ström på den masten och så kräver operatörerna skadestånd. Det blir en jättedyr affär. Så alla vill ha långa livstider. Och mellan tummen och pekfingret: om du kan sänka temperaturen på en komponent med 25 grader så ökar du livstiden på den med en faktor tio, säger Kordina och påpekar att det är just vad Swegan kan leverera.

Olof Kordina med en wafer framför reaktorn Gandalf. Foto: Stefan Jerrevång

Den låga termiska resistansen kan också potentiellt sett innebära att transistorer kan monteras närmre varandra.

– I vanliga fall är det svårt att sätta komponenter för tätt eftersom det alstras så mycket värme. Det är alltså bra om en komponent kan släppa från sig värme snabbt, för då är det lättare att kyla bort den.

På Olof Kordinas powerpoint står inte bara bättre, snabbare, tåligare och billigare. Det står också: 85 procent lägre värmefångning, 25 procent högre elektronrörlighet, 20 procent högre effektdensitet, 90 procent tunnare och 10 gånger så lång livstid. Allt jämfört med andra komponenter i motsvarande storlek.

– Man får allt på en gång, säger Kordina.

Och kanske lite till. För även om Swegan först och främst vänder sig mot kunder ute efter högfrekventa komponenter så har galliumnitrid också spåtts en lysande framtid för krafttillämpningar, den industri där ABB är en gigant.

Läs mer: Så ska ABB ta 5g till industrin med Ericsson

I normala fall kan hemt-transistorer i kommersiella lösningar ta upp en spänning på mellan 200 och 600 volt. Generellt sett är det dock så att ju högre spänning, desto tjockare komponent. Eftersom Swegans epitaxiskivor bara är 0,2 mikrometer tunna var bolaget av uppfattningen att de kunde hantera 50 volt, en minimigräns för högfrekventa komponenter. Döm därför om Olof Kordinas förvåning när noggrannare tester visade att Swegans teknik stod pall för 1,5 kilovolt.

– Och det var helt utan passivering. Med passivering kommer vi säkert upp i det dubbla. Det visade sig att fältstyrkan går rakt genom vårt tunna skikt och in i substratet, som är av kiselkarbid och tål en hel del stryk. Det här är en ny upptäckt för oss och vi håller på och kikar på detta för kraftkomponentsändamål. Kraftkomponenter är en jättemarknad och de här komponenterna skulle klå allt annat på marknaden, det kan jag garantera. Till och med kiselkarbidkomponenter, som redan är väldigt bra, skulle blekna i jämförelse. Det är rätt häftigt.

”Bestämde mig för att aldrig ha något med kiselkarbid att göra”

Olof Kordina har ägnat sin karriär åt halvledarteknik. Han kallar sig den ”första doktoranden på kiselkarbid vid Linköpings Universitet och förmodligen den första i Sverige”.

– Efter det blev kiselkarbid ett jätteprojekt i Sverige. Mer eller mindre alla universitet höll på med kiselkarbid på 90-talet och början av 00-talet.

När studierna var avklarade jobbade Olof Kordina ett par år på ABB innan han värvades till amerikanska bolaget Cree, som i dag får betraktas som en konkurrent till Swegan. På det tidiga 00-talet bestämde han sig för att starta eget i USA.

– Jag kunde inte så jättemycket om att driva företag så jag gjorde ett nybörjarmisstag och jobbade för mycket med statliga kontrakt. När Irak-kriget kom så drog de in alla anslagen och där stod vi med skägget i brevlådan. Vi fick sätta företaget i konkurs.

Läs mer: Intel dödar utvecklingen av 5g-modem för mobiler

Senare köpte ett annat företag upp konkursboet och bestämde sig för att låta Olof Kordina driva sitt återupplivade bolag. Åtminstone var det så fram till finankrisen, då verksamheten på nytt avvecklades.

– Då flyttade jag hem till Sverige och bestämde mig för att aldrig ha något med kiselkarbid att göra igen.

Olof Kordina återvände till Linköpings Universitet och tog anställning under professor Erik Janzén. När Janzén drabbades av sjukdom (han gick bort 2017) bad han Olof Kordina ta över två pågående projekt. Båda handlade om kiselkarbid.

– Ja, det var inte länge det höll. Jag såg dessutom lite kommersiella möjligheter, särskilt om man skulle kombinera kiselkarbid och galliumnitrid. Så jag snackade med en kille som är jätteduktig på galliumnitrid, Jr-Tai Chen, och han blev intresserad. Då startade vi ett företag tillsammans med professorn och det blev så småningom Swegan.

Olof Kordina visar kontorschefen Ulla Ljungqvist insidan av reaktorn. Foto: Stefan Jerrevång

Bolaget grundades den 14 mars 2014. I september samma år flyttade den lilla startupen in hos Linköping-inkubatorn Lead.

– Då fick jag lite vett bankat i skallen på mig och fick sitta och rodna över mina tidigare misstag. Samtidigt finns ett ordspråk i USA som går ut på att om du inte gjort konkurs en gång under din livstid så har du inte försökt tillräckligt hårt. Nu försöker jag sköta företaget bättre denna gång.

Swegan har i dag kunder i Europa, USA och Asien. Bolaget säljer sina epitaxiskivor via transistortillverkare till kunder i rymd-, försvars- och telekomindustrin. Än så länge rör det sig om små serier och omsättningen ligger på strax under 5 miljoner kronor. I år räknar Swegan med att leverera större volymer och av deras interna prognoser framgår det att bolaget hoppas på en omsättning på uppemot 80 miljoner kronor redan om fyra år.

– Vi måste förbereda oss för volymförsäljning nu. Vi har ett par företag som är redo att gå in och köpa i volymer och då ökar det väldigt, väldigt snabbt. Annars har det varit lite dilemmat med en sådan här verksamhet. Företagen vi haft kontakt med har bett oss bevisa att vi kan producera hundra wafers i månaden. 'Ja', har jag sagt till dem då, 'om ni lägger en sådan order så kan jag gärna bevisa det'.

Kapaciteten finns, i form av en reaktor som står på Linköpings Universitet, och som Swegan byggt om och tagit över driften av. Reaktorn har fått namnet Gandalf, eftersom de som jobbar med galliumnitrid ofta använder förkortningen gan. Den kan producera 200 epitaxiskivor i månaden.

– Den består av ett gassystem och en kammare där det är väldigt varmt. Sedan har den ett utloppssystem med pumpar, skrubber och filter. I princip skickar man gas över en varm yta. Gasen sönderdelas i gasfasen, kommer ner på kiselkarbidytan och så växer det material på den.

Läs mer: Miljardprojekt ska digitalisera industrin med smarta system

En som vet hur svårt det är att odla galliumnitridkristaller med god kvalitet är Hiroshi Amano. 2014 – samma år som Swegan grundades – tilldelades han, tillsammans med två andra japanska forskare, Nobelpriset i fysik. Trion hade i slutet av 80-talet uppfunnit ”effektiva blå lysdioder som gjort ljusa och energisnåla vita ljuskällor möjliga”, alltså det vi till vardags kallar led-lampa. Och det var galliumnitrid som gjorde innovationen möjlig.

I dag är Hiroshi Amano en av Swegans kunder.

– Han är ju polare med en av professorerna här i Linköping och har varit här och föreläst, så jag har träffat honom. Sedan var två killar från hans labb här på besök och efter det lade de en beställning. De ska göra kraftkomponenter på vårt material, det känns spännande.

Swegan

Gör: Komponenter till transistorer.

Ort: Linköping.

Startår: 2014.

Anställda: 10.

Omsättning: 5 miljoner kronor (2018).

Riskkapital: Har hittills tagit in cirka 13 miljoner kronor.”Kanske gör vi en A-runda i år och tar in 50-60 miljoner”. AlmI Invest är en investerare.

Huvudägare: Olof Kordina, Jr-Tai Chen, Mats Andersson.

År på 33-listan: 2019.

Odlar sitt eget substrat

Det råder brist på substrat i kiselkarbid och det har gjort att priset på dem skjutit i höjden. Kiselkarbid är en avgörande ingrediens för Swegans epitaxiskivor. Därför har det svenska bolaget börjat utveckla sina egna kiselkarbidsubstrat för att råda bot på situationen.

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer