GaN और SiC: सह-अस्तित्व या प्रतिस्थापन?

उच्च ऊर्जा घनत्व और दक्षता के लिए दबाव डेटा सेंटर, नवीकरणीय ऊर्जा, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहन और स्वायत्त ड्राइविंग प्रौद्योगिकियों सहित कई उद्योगों में नवाचार का प्राथमिक चालक बन गया है। वाइड बैंडगैप (डब्ल्यूबीजी) सामग्रियों के क्षेत्र में, गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) और सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) वर्तमान में दो मुख्य प्लेटफॉर्म हैं, जिन्हें पावर सेमीकंडक्टर नवाचार में अग्रणी महत्वपूर्ण उपकरण के रूप में देखा जाता है। बिजली की लगातार बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए ये सामग्रियां पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग को गहराई से बदल रही हैं।

वास्तव में, SiC उद्योग में कुछ अग्रणी कंपनियां भी सक्रिय रूप से GaN तकनीक की खोज कर रही हैं। इस साल मार्च में, Infineon ने $830 मिलियन नकद में कनाडाई GaN स्टार्टअप GaN सिस्टम्स का अधिग्रहण किया। इसी तरह, ROHM ने हाल ही में PCIM एशिया में अपने नवीनतम SiC और GaN उत्पादों का प्रदर्शन किया, जिसमें उनके EcoGaN ब्रांड के GaN HEMT उपकरणों पर विशेष जोर दिया गया। इसके विपरीत, अगस्त 2022 में, नेविटास सेमीकंडक्टर, जो मूल रूप से GaN तकनीक पर केंद्रित था, ने GeneSiC का अधिग्रहण किया, जो अगली पीढ़ी के पावर सेमीकंडक्टर पोर्टफोलियो के लिए समर्पित एकमात्र कंपनी बन गई।

दरअसल, GaN और SiC प्रदर्शन और अनुप्रयोग परिदृश्यों में कुछ ओवरलैप प्रदर्शित करते हैं। इसलिए, सिस्टम परिप्रेक्ष्य से इन दो सामग्रियों की अनुप्रयोग क्षमता का मूल्यांकन करना महत्वपूर्ण है। यद्यपि अनुसंधान एवं विकास प्रक्रिया के दौरान विभिन्न निर्माताओं के अपने-अपने दृष्टिकोण हो सकते हैं, लेकिन विकास के रुझान, सामग्री लागत, प्रदर्शन और डिजाइन अवसरों सहित कई पहलुओं से उनका व्यापक मूल्यांकन करना आवश्यक है।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में प्रमुख रुझान क्या हैं जिनसे GaN मिलता है?

जीएएन सिस्टम्स के सीईओ जिम विथम ने अधिग्रहीत कंपनियों के अन्य अधिकारियों की तरह पीछे हटने का फैसला नहीं किया है; इसके बजाय, वह लगातार सार्वजनिक रूप से उपस्थित होते रहते हैं। हाल ही में, एक भाषण में, उन्होंने GaN पावर सेमीकंडक्टर्स के महत्व पर जोर दिया, यह देखते हुए कि यह तकनीक पावर सिस्टम डिजाइनरों और निर्माताओं को वर्तमान में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग को बदलने वाले तीन प्रमुख रुझानों को संबोधित करने में मदद करेगी, जिसमें GaN प्रत्येक प्रवृत्ति में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।

GaN सिस्टम्स के सीईओ जिम विथम

सबसे पहले, ऊर्जा दक्षता का मुद्दा. यह अनुमान लगाया गया है कि 2050 तक वैश्विक बिजली की मांग 50% से अधिक बढ़ जाएगी, जिससे ऊर्जा दक्षता को अनुकूलित करना और नवीकरणीय ऊर्जा में संक्रमण में तेजी लाना अनिवार्य हो जाएगा। वर्तमान परिवर्तन न केवल ऊर्जा दक्षता पर केंद्रित है बल्कि ऊर्जा स्वतंत्रता और मुख्यधारा पावर ग्रिड के साथ एकीकरण जैसे अधिक चुनौतीपूर्ण पहलुओं तक भी फैला हुआ है। GaN तकनीक ऊर्जा और भंडारण अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण ऊर्जा-बचत लाभ प्रदान करती है। उदाहरण के लिए, GaN का उपयोग करने वाले सौर माइक्रोइनवर्टर अधिक बिजली उत्पन्न कर सकते हैं; AC-DC रूपांतरण और इनवर्टर में GaN का अनुप्रयोग बैटरी भंडारण प्रणालियों में ऊर्जा की बर्बादी को 50% तक कम कर सकता है।

दूसरा, विद्युतीकरण प्रक्रिया, विशेषकर परिवहन क्षेत्र में। इलेक्ट्रिक वाहन हमेशा से इस चलन का केंद्र बिंदु रहे हैं। हालाँकि, विशेष रूप से एशिया में घनी आबादी वाले शहरी क्षेत्रों में दो-पहिया और तीन-पहिया परिवहन (जैसे साइकिल, मोटरसाइकिल और रिक्शा) तक विद्युतीकरण का विस्तार हो रहा है। जैसे-जैसे ये बाजार परिपक्व होंगे, GaN पावर ट्रांजिस्टर के फायदे और अधिक प्रमुख हो जाएंगे, और GaN जीवन की गुणवत्ता और पर्यावरण संरक्षण में सुधार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।

अंततः, वास्तविक समय की डेटा मांगों और कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) के तेजी से विकास को पूरा करने के लिए डिजिटल दुनिया बड़े पैमाने पर बदलाव के दौर से गुजर रही है। डेटा केंद्रों में वर्तमान बिजली रूपांतरण और वितरण प्रौद्योगिकियां क्लाउड कंप्यूटिंग और मशीन लर्निंग, विशेष रूप से बिजली की भूख वाले एआई अनुप्रयोगों द्वारा लाई गई तेजी से बढ़ती मांगों को पूरा नहीं कर सकती हैं। ऊर्जा बचत हासिल करके, शीतलन आवश्यकताओं को कम करके और लागत-प्रभावशीलता बढ़ाकर, GaN तकनीक डेटा केंद्रों के बिजली आपूर्ति परिदृश्य को नया आकार दे रही है। जेनेरिक एआई और जीएएन प्रौद्योगिकी का संयोजन डेटा केंद्रों के लिए अधिक कुशल, टिकाऊ और मजबूत भविष्य का निर्माण करेगा।

एक व्यापारिक नेता और कट्टर पर्यावरण समर्थक के रूप में, जिम विथम का मानना ​​है कि GaN प्रौद्योगिकी की तीव्र प्रगति विभिन्न बिजली पर निर्भर उद्योगों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करेगी और वैश्विक अर्थव्यवस्था पर गहरा प्रभाव डालेगी। वह बाजार की भविष्यवाणियों से भी सहमत हैं कि GaN पावर सेमीकंडक्टर राजस्व अगले पांच वर्षों के भीतर 6 बिलियन डॉलर तक पहुंच जाएगा, यह देखते हुए कि GaN तकनीक SiC के साथ प्रतिस्पर्धा में अद्वितीय लाभ और अवसर प्रदान करती है।

प्रतिस्पर्धात्मक बढ़त के मामले में GaN की तुलना SiC से कैसे की जाती है?

अतीत में, GaN पावर सेमीकंडक्टर्स के बारे में कुछ गलत धारणाएं थीं, कई लोगों का मानना ​​था कि वे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में चार्जिंग अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त थे। हालाँकि, GaN और SiC के बीच प्राथमिक अंतर उनके वोल्टेज रेंज अनुप्रयोगों में निहित है। GaN निम्न और मध्यम वोल्टेज अनुप्रयोगों में बेहतर प्रदर्शन करता है, जबकि SiC का उपयोग मुख्य रूप से 1200V से अधिक उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। फिर भी, इन दो सामग्रियों के बीच चयन में वोल्टेज, प्रदर्शन और लागत कारकों पर विचार करना शामिल है।

उदाहरण के लिए, 2023 पीसीआईएम यूरोप प्रदर्शनी में, GaN सिस्टम्स ने GaN समाधान प्रदर्शित किए, जिन्होंने बिजली घनत्व और दक्षता में महत्वपूर्ण प्रगति का प्रदर्शन किया। SiC ट्रांजिस्टर डिज़ाइन की तुलना में, GaN-आधारित 11kW/800V ऑनबोर्ड चार्जर (OBC) ने बिजली घनत्व में 36% की वृद्धि और सामग्री लागत में 15% की कमी हासिल की। यह डिज़ाइन ब्रिजलेस टोटेम-पोल पीएफसी कॉन्फ़िगरेशन और दोहरी सक्रिय ब्रिज तकनीक में तीन-स्तरीय फ्लाइंग कैपेसिटर टोपोलॉजी को भी एकीकृत करता है, जो GaN ट्रांजिस्टर का उपयोग करके वोल्टेज तनाव को 50% तक कम करता है।

इलेक्ट्रिक वाहनों के तीन प्रमुख अनुप्रयोगों- ऑनबोर्ड चार्जर (ओबीसी), डीसी-डीसी कन्वर्टर्स, और ट्रैक्शन इनवर्टर- में GaN सिस्टम्स ने टोयोटा के साथ मिलकर एक ऑल-GaN कार प्रोटोटाइप विकसित किया है, जो अमेरिकी ईवी स्टार्टअप के लिए उत्पादन-तैयार ओबीसी समाधान प्रदान करता है। Canoo, और 400V और 800V EV पावर सिस्टम के लिए GaN DC-DC कन्वर्टर्स विकसित करने के लिए विटेस्को टेक्नोलॉजीज के साथ साझेदारी की, जो वाहन निर्माताओं के लिए अधिक विकल्प प्रदान करता है।

जिम विथम का मानना ​​है कि वर्तमान में SiC पर निर्भर ग्राहकों के दो कारणों से तेजी से GaN पर स्विच करने की संभावना है: सीमित उपलब्धता और सामग्री की उच्च लागत। जैसे-जैसे डेटा सेंटर से लेकर ऑटोमोटिव तक विभिन्न उद्योगों में बिजली की मांग बढ़ती है, GaN तकनीक में शीघ्र बदलाव से इन उद्यमों को भविष्य में प्रतिस्पर्धियों के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए आवश्यक समय कम करने में मदद मिलेगी।

आपूर्ति श्रृंखला के दृष्टिकोण से, SiC अधिक महंगा है और GaN की तुलना में आपूर्ति बाधाओं का सामना करता है। चूंकि GaN का उत्पादन सिलिकॉन वेफर्स पर किया जाता है, इसलिए बढ़ती बाजार मांग के साथ इसकी कीमत तेजी से घट जाती है, और भविष्य की कीमत और प्रतिस्पर्धात्मकता का अधिक सटीक अनुमान लगाया जा सकता है। इसके विपरीत, SiC आपूर्तिकर्ताओं की सीमित संख्या और लंबी लीड समय, आमतौर पर एक वर्ष तक, लागत में वृद्धि कर सकती है और 2025 से आगे ऑटोमोटिव विनिर्माण की मांग को प्रभावित कर सकती है।

स्केलेबिलिटी के संदर्भ में, GaN लगभग "असीम" स्केलेबल है क्योंकि इसे अरबों CMOS उपकरणों के समान उपकरण का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर्स पर निर्मित किया जा सकता है। GaN का उत्पादन जल्द ही 8-इंच, 12-इंच और यहां तक ​​कि 15-इंच वेफर्स पर भी किया जा सकता है, जबकि SiC MOSFETs आमतौर पर 4-इंच या 6-इंच वेफर्स पर निर्मित होते हैं और अभी 8-इंच वेफर्स में परिवर्तित होने लगे हैं।

तकनीकी प्रदर्शन के संदर्भ में, GaN वर्तमान में दुनिया का सबसे तेज़ पावर स्विचिंग डिवाइस है, जो अन्य सेमीकंडक्टर उपकरणों की तुलना में उच्च पावर घनत्व और आउटपुट दक्षता प्रदान करता है। यह उपभोक्ताओं और व्यवसायों के लिए महत्वपूर्ण लाभ लाता है, चाहे वह छोटे डिवाइस आकार में हो, तेज़ चार्जिंग गति में हो, या डेटा केंद्रों के लिए कूलिंग लागत और ऊर्जा खपत में कमी हो। GaN भारी लाभ प्रदर्शित करता है।

GaN के साथ निर्मित सिस्टम SiC की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा घनत्व प्रदर्शित करते हैं। जैसे-जैसे GaN अपनाने का प्रसार हो रहा है, छोटे आकार वाले नए बिजली सिस्टम उत्पाद लगातार उभर रहे हैं, जबकि SiC लघुकरण के समान स्तर को प्राप्त नहीं कर सकता है। GaN सिस्टम्स के अनुसार, उनकी पहली पीढ़ी के उपकरणों का प्रदर्शन पहले ही नवीनतम पांचवीं पीढ़ी के SiC सेमीकंडक्टर उपकरणों से आगे निकल गया है। जैसे-जैसे अल्पावधि में GaN प्रदर्शन में 5 से 10 गुना सुधार होता है, इस प्रदर्शन अंतर के बढ़ने की उम्मीद है।

इसके अतिरिक्त, GaN उपकरणों में कम गेट चार्ज, शून्य रिवर्स रिकवरी और फ्लैट आउटपुट कैपेसिटेंस जैसे महत्वपूर्ण फायदे हैं, जो उच्च गुणवत्ता वाले स्विचिंग प्रदर्शन को सक्षम करते हैं। 1200V से नीचे के मध्य से निम्न वोल्टेज अनुप्रयोगों में, GaN का स्विचिंग नुकसान SiC से कम से कम तीन गुना कम है। आवृत्ति परिप्रेक्ष्य से, अधिकांश सिलिकॉन-आधारित डिज़ाइन वर्तमान में 60kHz और 300kHz के बीच काम करते हैं। हालाँकि SiC ने आवृत्ति में सुधार किया है, GaN के सुधार अधिक स्पष्ट हैं, 500kHz और उच्च आवृत्तियों को प्राप्त कर रहे हैं।

चूंकि SiC का उपयोग आमतौर पर 1200V और उच्च वोल्टेज के लिए किया जाता है, जिसमें केवल कुछ उत्पाद 650V के लिए उपयुक्त होते हैं, इसका अनुप्रयोग कुछ डिज़ाइनों में सीमित है, जैसे 30-40V उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, 48V हाइब्रिड वाहन और डेटा सेंटर, जो सभी महत्वपूर्ण बाजार हैं। इसलिए, इन बाजारों में SiC की भूमिका सीमित है। दूसरी ओर, GaN इन वोल्टेज स्तरों में उत्कृष्टता प्राप्त करता है और डेटा सेंटर, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, नवीकरणीय ऊर्जा, ऑटोमोटिव और औद्योगिक क्षेत्रों में महत्वपूर्ण योगदान देता है।

इंजीनियरों को GaN FET (फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर) और SiC के बीच प्रदर्शन अंतर को बेहतर ढंग से समझने में मदद करने के लिए, GaN सिस्टम्स ने क्रमशः SiC और GaN का उपयोग करके दो 650V, 15A बिजली आपूर्ति डिजाइन की, और विस्तृत तुलनात्मक परीक्षण किए।

GaN बनाम SiC आमने-सामने तुलना

हाई-स्पीड स्विचिंग अनुप्रयोगों में सर्वश्रेष्ठ-इन-क्लास SiC MOSFET के साथ GaN E-HEMT (एन्हांस्ड हाई इलेक्ट्रॉन मोबिलिटी ट्रांजिस्टर) की तुलना करने पर, यह पाया गया कि जब सिंक्रोनस बक DC-DC कन्वर्टर्स में उपयोग किया जाता है, तो GaN E वाला कनवर्टर- HEMT ने SiC MOSFET वाले की तुलना में बहुत अधिक दक्षता प्रदर्शित की। यह तुलना स्पष्ट रूप से दर्शाती है कि GaN E-HEMT स्विचिंग गति, परजीवी कैपेसिटेंस, स्विचिंग हानि और थर्मल प्रदर्शन जैसे प्रमुख मेट्रिक्स में शीर्ष SiC MOSFET से बेहतर प्रदर्शन करता है। इसके अतिरिक्त, SiC की तुलना में, GaN E-HEMT अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल पावर कनवर्टर डिज़ाइन प्राप्त करने में महत्वपूर्ण लाभ दिखाता है।

कुछ शर्तों के तहत GaN संभावित रूप से SiC से बेहतर प्रदर्शन क्यों कर सकता है?

आज, पारंपरिक सिलिकॉन तकनीक अपनी सीमा तक पहुंच गई है और GaN के कई लाभ प्रदान नहीं कर सकती है, जबकि SiC का अनुप्रयोग विशिष्ट उपयोग परिदृश्यों तक ही सीमित है। शब्द "कुछ शर्तों के तहत" विशिष्ट अनुप्रयोगों में इन सामग्रियों की सीमाओं को संदर्भित करता है। बिजली पर बढ़ती निर्भरता वाली दुनिया में, GaN न केवल मौजूदा उत्पाद आपूर्ति में सुधार करता है, बल्कि ऐसे नवीन समाधान भी बनाता है जो व्यवसायों को प्रतिस्पर्धी बने रहने में मदद करते हैं।

चूंकि GaN पावर सेमीकंडक्टर्स प्रारंभिक गोद लेने से लेकर बड़े पैमाने पर उत्पादन तक संक्रमण कर रहे हैं, व्यावसायिक निर्णय निर्माताओं के लिए प्राथमिक कार्य यह पहचानना है कि GaN पावर सेमीकंडक्टर्स समग्र प्रदर्शन के उच्च स्तर की पेशकश कर सकते हैं। इससे न केवल ग्राहकों को बाजार हिस्सेदारी और लाभप्रदता बढ़ाने में मदद मिलती है बल्कि परिचालन लागत और पूंजीगत व्यय भी प्रभावी ढंग से कम हो जाता है।

इस साल सितंबर में, Infineon और GaN Systems ने संयुक्त रूप से एक नया चौथी पीढ़ी का गैलियम नाइट्राइड प्लेटफ़ॉर्म (Gen 4 GaN Power प्लेटफ़ॉर्म) लॉन्च किया। 2022 में 3.2kW AI सर्वर बिजली आपूर्ति से लेकर वर्तमान चौथी पीढ़ी के प्लेटफॉर्म तक, इसकी दक्षता न केवल 80 प्लस टाइटेनियम दक्षता मानक से अधिक है, बल्कि इसकी बिजली घनत्व भी 100W/in³ से बढ़कर 120W/in³ हो गई है। यह प्लेटफ़ॉर्म न केवल ऊर्जा दक्षता और आकार में नए मानक स्थापित करता है बल्कि काफी बेहतर प्रदर्शन भी प्रदान करता है।

संक्षेप में, चाहे वह SiC कंपनियां GaN कंपनियों का अधिग्रहण कर रही हों या GaN कंपनियां SiC कंपनियों का अधिग्रहण कर रही हों, अंतर्निहित प्रेरणा अपने बाजार और अनुप्रयोग क्षेत्रों का विस्तार करना है। आखिरकार, GaN और SiC दोनों वाइड बैंडगैप (WBG) सामग्रियों से संबंधित हैं, और भविष्य में गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3) और एंटीमोनाइड्स जैसी चौथी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ धीरे-धीरे उभरेंगे, जिससे एक विविध तकनीकी पारिस्थितिकी तंत्र का निर्माण होगा। इसलिए, ये सामग्रियां एक-दूसरे की जगह नहीं लेती बल्कि सामूहिक रूप से उद्योग के विकास को प्रेरित करती हैं।**