GaN आणि SiC: सहअस्तित्व किंवा प्रतिस्थापन?

उच्च उर्जा घनता आणि कार्यक्षमतेसाठी पुश डेटा केंद्रे, नूतनीकरणक्षम ऊर्जा, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहने आणि स्वायत्त ड्रायव्हिंग तंत्रज्ञानासह अनेक उद्योगांमध्ये नवोपक्रमाचा प्राथमिक चालक बनला आहे. वाइड बँडगॅप (WBG) मटेरियलच्या क्षेत्रात, Gallium Nitride (GaN) आणि Silicon Carbide (SiC) हे सध्या दोन मुख्य प्लॅटफॉर्म आहेत, ज्यांना पॉवर सेमीकंडक्टर इनोव्हेशनची प्रमुख साधने म्हणून पाहिले जाते. ही सामग्री पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात सतत वाढणारी विजेची मागणी पूर्ण करण्यासाठी गंभीरपणे बदलत आहे.

खरं तर, SiC उद्योगातील काही आघाडीच्या कंपन्या देखील सक्रियपणे GaN तंत्रज्ञान शोधत आहेत. या वर्षाच्या मार्चमध्ये, Infineon ने कॅनेडियन GaN स्टार्टअप GaN Systems $830 दशलक्ष रोख मध्ये विकत घेतले. त्याचप्रमाणे, ROHM ने अलीकडेच PCIM Asia येथे त्यांच्या EcoGaN ब्रँडच्या GaN HEMT उपकरणांवर विशेष भर देऊन त्यांची नवीनतम SiC आणि GaN उत्पादने प्रदर्शित केली. याउलट, ऑगस्ट 2022 मध्ये, Navitas Semiconductor, ज्याने मूळत: GaN तंत्रज्ञानावर लक्ष केंद्रित केले, GeneSiC विकत घेतले, ती पुढील पिढीच्या पॉवर सेमीकंडक्टर पोर्टफोलिओला समर्पित असलेली एकमेव कंपनी बनली.

खरंच, GaN आणि SiC कार्यप्रदर्शन आणि अनुप्रयोग परिस्थितींमध्ये काही ओव्हरलॅप प्रदर्शित करतात. म्हणून, सिस्टमच्या दृष्टीकोनातून या दोन सामग्रीच्या अनुप्रयोग क्षमतेचे मूल्यांकन करणे महत्वाचे आहे. जरी R&D प्रक्रियेदरम्यान वेगवेगळ्या उत्पादकांचे स्वतःचे दृष्टिकोन असू शकतात, परंतु विकास ट्रेंड, भौतिक खर्च, कार्यप्रदर्शन आणि डिझाइन संधी यासह अनेक पैलूंमधून त्यांचे सर्वसमावेशक मूल्यांकन करणे आवश्यक आहे.

पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगातील मुख्य ट्रेंड कोणते आहेत जे GaN पूर्ण करतात?

GaN सिस्टीमचे सीईओ जिम विथम यांनी अधिग्रहित कंपन्यांच्या इतर अधिकाऱ्यांप्रमाणे मागे हटणे निवडले नाही; त्याऐवजी, तो वारंवार सार्वजनिक देखावा करत राहतो. अलीकडे, एका भाषणात, त्यांनी GaN पॉवर सेमीकंडक्टरच्या महत्त्वावर जोर दिला, हे लक्षात घेता की हे तंत्रज्ञान पॉवर सिस्टम डिझायनर्स आणि उत्पादकांना सध्या पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात बदल करणाऱ्या तीन प्रमुख ट्रेंडला संबोधित करण्यात मदत करेल, ज्यामध्ये प्रत्येक ट्रेंडमध्ये GaN महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावत आहे.

GaN सिस्टम्सचे मुख्य कार्यकारी अधिकारी जिम विथम

प्रथम, ऊर्जा कार्यक्षमतेचा मुद्दा. असा अंदाज आहे की 2050 पर्यंत जागतिक उर्जेची मागणी 50% पेक्षा जास्त वाढेल, ज्यामुळे ऊर्जा कार्यक्षमता ऑप्टिमाइझ करणे आणि नवीकरणीय उर्जेच्या संक्रमणास गती देणे अत्यावश्यक होईल. सध्याचे संक्रमण केवळ ऊर्जा कार्यक्षमतेवरच लक्ष केंद्रित करत नाही तर ऊर्जा स्वातंत्र्य आणि मुख्य प्रवाहातील पॉवर ग्रिडसह एकत्रीकरण यासारख्या अधिक आव्हानात्मक पैलूंवर देखील विस्तारित आहे. GaN तंत्रज्ञान ऊर्जा आणि स्टोरेज अनुप्रयोगांमध्ये महत्त्वपूर्ण ऊर्जा-बचत फायदे देते. उदाहरणार्थ, GaN वापरून सोलर मायक्रोइन्व्हर्टर अधिक वीज निर्माण करू शकतात; AC-DC रूपांतरण आणि इन्व्हर्टरमधील GaN चे ऍप्लिकेशन बॅटरी स्टोरेज सिस्टीममध्ये 50% पर्यंत ऊर्जा अपव्यय कमी करू शकते.

दुसरे, विद्युतीकरण प्रक्रिया, विशेषतः वाहतूक क्षेत्रातील. इलेक्ट्रिक वाहने नेहमीच या ट्रेंडचा केंद्रबिंदू आहेत. तथापि, दाट लोकवस्ती असलेल्या शहरी भागात, विशेषत: आशियामध्ये विद्युतीकरणाचा विस्तार दुचाकी आणि तीन-चाकी वाहतूक (जसे की सायकल, मोटारसायकल आणि रिक्षा) होत आहे. ही बाजारपेठे जसजशी परिपक्व होतील, तसतसे GaN पॉवर ट्रान्झिस्टरचे फायदे अधिक ठळक होतील आणि जीवनाची गुणवत्ता आणि पर्यावरण संरक्षण सुधारण्यात GaN महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावेल.

शेवटी, डिजिटल जगामध्ये रिअल-टाइम डेटा मागणी आणि कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) चा जलद विकास पूर्ण करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात बदल होत आहेत. डेटा सेंटर्समधील सध्याचे पॉवर कन्व्हर्जन आणि वितरण तंत्रज्ञान क्लाउड कंप्युटिंग आणि मशीन लर्निंग, विशेषत: पॉवर-हंग्री एआय ऍप्लिकेशन्सद्वारे आणलेल्या वेगाने वाढत्या मागण्यांसह टिकू शकत नाही. ऊर्जा बचत साध्य करून, शीतकरण आवश्यकता कमी करून आणि खर्च-प्रभावीता वाढवून, GaN तंत्रज्ञान डेटा केंद्रांच्या वीज पुरवठ्याच्या लँडस्केपला आकार देत आहे. जनरेटिव्ह AI आणि GaN तंत्रज्ञानाचे संयोजन डेटा केंद्रांसाठी अधिक कार्यक्षम, टिकाऊ आणि मजबूत भविष्य निर्माण करेल.

एक व्यावसायिक नेता आणि खंबीर पर्यावरण वकील या नात्याने, जिम विथमचा असा विश्वास आहे की GaN तंत्रज्ञानाची जलद प्रगती विविध उर्जा-अवलंबित उद्योगांवर लक्षणीय परिणाम करेल आणि जागतिक अर्थव्यवस्थेवर त्याचा सखोल परिणाम होईल. GaN पॉवर सेमीकंडक्टर महसूल पुढील पाच वर्षांत $6 बिलियनपर्यंत पोहोचेल या बाजाराच्या अंदाजांशीही तो सहमत आहे, हे लक्षात घेऊन की GaN तंत्रज्ञान SiC सोबतच्या स्पर्धेत अद्वितीय फायदे आणि संधी देते.

स्पर्धात्मक काठाच्या बाबतीत GaN ची SiC शी तुलना कशी होते?

भूतकाळात, GaN पॉवर सेमीकंडक्टर्सबद्दल काही गैरसमज होते, अनेकांचा असा विश्वास होता की ते ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्समधील अनुप्रयोग चार्ज करण्यासाठी अधिक योग्य आहेत. तथापि, GaN आणि SiC मधील प्राथमिक फरक त्यांच्या व्होल्टेज श्रेणी अनुप्रयोगांमध्ये आहे. GaN कमी आणि मध्यम व्होल्टेज ऍप्लिकेशन्समध्ये चांगले कार्य करते, तर SiC मुख्यतः 1200V पेक्षा जास्त उच्च व्होल्टेज ऍप्लिकेशन्ससाठी वापरले जाते. तरीसुद्धा, या दोन सामग्रीमधील निवडीमध्ये व्होल्टेज, कार्यप्रदर्शन आणि खर्चाचे घटक विचारात घेणे समाविष्ट आहे.

उदाहरणार्थ, 2023 PCIM युरोप प्रदर्शनात, GaN Systems ने GaN सोल्यूशन्सचे प्रदर्शन केले ज्याने उर्जा घनता आणि कार्यक्षमतेत महत्त्वपूर्ण प्रगती दर्शविली. SiC ट्रान्झिस्टर डिझाईन्सच्या तुलनेत, GaN-आधारित 11kW/800V ऑनबोर्ड चार्जर्स (OBC) ने पॉवर डेन्सिटीमध्ये 36% वाढ आणि साहित्य खर्चात 15% कपात केली. हे डिझाइन ब्रिजलेस टोटेम-पोल पीएफसी कॉन्फिगरेशन आणि ड्युअल ऍक्टिव्ह ब्रिज तंत्रज्ञानामध्ये तीन-स्तरीय फ्लाइंग कॅपेसिटर टोपोलॉजी देखील समाकलित करते, जीएएन ट्रान्झिस्टर वापरून व्होल्टेजचा ताण 50% कमी करते.

इलेक्ट्रिक वाहनांच्या तीन प्रमुख ऍप्लिकेशन्समध्ये-ऑनबोर्ड चार्जर्स (OBC), DC-DC कन्व्हर्टर आणि ट्रॅक्शन इनव्हर्टर-GaN Systems ने Toyota सोबत ऑल-GaN कार प्रोटोटाइप विकसित करण्यासाठी सहकार्य केले आहे, अमेरिकन EV स्टार्टअपसाठी उत्पादन-तयार OBC समाधाने प्रदान केली आहेत. Canoo, आणि 400V आणि 800V EV पॉवर सिस्टमसाठी GaN DC-DC कन्व्हर्टर विकसित करण्यासाठी Vitesco Technologies सोबत भागीदारी केली आहे, ज्यामुळे ऑटोमेकर्ससाठी अधिक पर्याय उपलब्ध आहेत.

जिम विथमचा असा विश्वास आहे की सध्या SiC वर अवलंबून असलेले ग्राहक दोन कारणांमुळे वेगाने GaN वर जाण्याची शक्यता आहे: मर्यादित उपलब्धता आणि सामग्रीची उच्च किंमत. डेटा सेंटर्सपासून ऑटोमोटिव्हपर्यंत विविध उद्योगांमध्ये उर्जेची मागणी वाढत असल्याने, GaN तंत्रज्ञानाचे लवकर संक्रमण या उपक्रमांना भविष्यात प्रतिस्पर्ध्यांशी सामना करण्यासाठी लागणारा वेळ कमी करण्यास सक्षम करेल.

पुरवठा शृंखलेच्या दृष्टीकोनातून, SiC अधिक महाग आहे आणि GaN च्या तुलनेत पुरवठ्यातील अडचणींचा सामना करावा लागतो. GaN ची निर्मिती सिलिकॉन वेफर्सवर होत असल्याने, बाजारातील वाढत्या मागणीसह त्याची किंमत झपाट्याने कमी होते आणि भविष्यातील किंमत आणि स्पर्धात्मकतेचा अधिक अचूक अंदाज लावता येतो. याउलट, SiC पुरवठादारांची मर्यादित संख्या आणि दीर्घ लीड टाईम, विशेषत: एका वर्षापर्यंत, खर्च वाढवू शकतात आणि 2025 नंतर ऑटोमोटिव्ह उत्पादनाच्या मागणीवर परिणाम करू शकतात.

स्केलेबिलिटीच्या बाबतीत, GaN जवळजवळ "अनंतपणे" स्केलेबल आहे कारण ते अब्जावधी CMOS उपकरणांप्रमाणेच उपकरणे वापरून सिलिकॉन वेफर्सवर तयार केले जाऊ शकते. GaN लवकरच 8-इंच, 12-इंच आणि अगदी 15-इंच वेफर्सवर तयार केले जाऊ शकते, तर SiC MOSFETs सामान्यत: 4-इंच किंवा 6-इंच वेफर्सवर तयार केले जातात आणि ते फक्त 8-इंच वेफर्समध्ये बदलू लागले आहेत.

तांत्रिक कामगिरीच्या बाबतीत, GaN हे सध्या जगातील सर्वात वेगवान पॉवर स्विचिंग डिव्हाइस आहे, जे इतर सेमीकंडक्टर उपकरणांपेक्षा उच्च उर्जा घनता आणि आउटपुट कार्यक्षमता देते. हे ग्राहकांना आणि व्यवसायांना महत्त्वाचे फायदे आणते, मग ते लहान उपकरण आकारात असोत, वेगवान चार्जिंग गती असोत किंवा डेटा केंद्रांसाठी शीतकरण खर्च आणि ऊर्जा वापर कमी असोत. GaN प्रचंड फायदे प्रदर्शित करते.

SiC च्या तुलनेत GaN सह बनवलेल्या सिस्टीम लक्षणीय उच्च उर्जा घनता दर्शवतात. जसजसे GaN दत्तक घेत आहे तसतसे, लहान आकारांची नवीन ऊर्जा प्रणाली उत्पादने सतत उदयास येत आहेत, तर SiC समान पातळीचे सूक्ष्मीकरण साध्य करू शकत नाही. GaN सिस्टीम्सच्या मते, त्यांच्या पहिल्या पिढीतील उपकरणांच्या कामगिरीने अद्ययावत पाचव्या पिढीतील SiC सेमीकंडक्टर उपकरणांपेक्षा आधीच पुढे गेले आहे. अल्पावधीत GaN कार्यप्रदर्शन 5 ते 10 पटीने सुधारत असल्याने, कामगिरीतील ही तफावत वाढण्याची अपेक्षा आहे.

याव्यतिरिक्त, GaN उपकरणांमध्ये कमी गेट चार्ज, शून्य रिव्हर्स रिकव्हरी आणि फ्लॅट आउटपुट कॅपॅसिटन्स यासारखे महत्त्वपूर्ण फायदे आहेत, ज्यामुळे उच्च-गुणवत्तेचे स्विचिंग कार्यप्रदर्शन सक्षम होते. 1200V च्या खाली असलेल्या मध्यम ते कमी व्होल्टेज ऍप्लिकेशनमध्ये, GaN चे स्विचिंग नुकसान SiC पेक्षा किमान तीन पट कमी आहे. वारंवारता दृष्टीकोनातून, बहुतेक सिलिकॉन-आधारित डिझाइन सध्या 60kHz आणि 300kHz दरम्यान कार्य करतात. SiC ची वारंवारता सुधारली असली तरी, GaN च्या सुधारणा अधिक स्पष्ट आहेत, 500kHz आणि उच्च फ्रिक्वेन्सी मिळवून.

SiC सामान्यत: 650V साठी योग्य काही उत्पादनांसह 1200V आणि उच्च व्होल्टेजसाठी वापरला जात असल्याने, 30-40V कंझ्युमर इलेक्ट्रॉनिक्स, 48V हायब्रिड वाहने आणि डेटा सेंटर्स यांसारख्या विशिष्ट डिझाइनमध्ये त्याचा वापर मर्यादित आहे, ही सर्व महत्त्वाची बाजारपेठ आहेत. त्यामुळे, या मार्केटमध्ये SiC ची भूमिका मर्यादित आहे. दुसरीकडे, GaN, या व्होल्टेज स्तरांमध्ये उत्कृष्ट आहे, डेटा केंद्रे, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स, अक्षय ऊर्जा, ऑटोमोटिव्ह आणि औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये महत्त्वपूर्ण योगदान देत आहे.

अभियंत्यांना GaN FETs (फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर) आणि SiC मधील कार्यप्रदर्शनातील फरक अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यास मदत करण्यासाठी, GaN सिस्टीम्सने अनुक्रमे SiC आणि GaN वापरून दोन 650V, 15A पॉवर सप्लाय डिझाइन केले आणि तपशीलवार तुलनात्मक चाचण्या घेतल्या.

GaN वि SiC हेड-टू-हेड तुलना

हाय-स्पीड स्विचिंग ऍप्लिकेशन्समधील सर्वोत्तम-इन-क्लास SiC MOSFET शी GaN E-HEMT (एन्हान्स्ड हाय इलेक्ट्रॉन मोबिलिटी ट्रान्झिस्टर) तुलना करून, असे आढळून आले की सिंक्रोनस बक डीसी-डीसी कन्व्हर्टरमध्ये वापरताना, गॅन ई-सह कनवर्टर HEMT ने SiC MOSFET पेक्षा जास्त कार्यक्षमता दाखवली. ही तुलना स्पष्टपणे दर्शवते की GaN E-HEMT ने स्विचिंग स्पीड, परजीवी कॅपेसिटन्स, स्विचिंग लॉस आणि थर्मल परफॉर्मन्स यासारख्या प्रमुख मेट्रिक्समध्ये टॉप SiC MOSFET पेक्षा जास्त कामगिरी केली आहे. याव्यतिरिक्त, SiC च्या तुलनेत, GaN E-HEMT अधिक कॉम्पॅक्ट आणि कार्यक्षम पॉवर कन्व्हर्टर डिझाइन्स प्राप्त करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण फायदे दर्शविते.

काही विशिष्ट परिस्थितींमध्ये GaN संभाव्यपणे SiC पेक्षा अधिक का करू शकते?

आज, पारंपारिक सिलिकॉन तंत्रज्ञानाने मर्यादा गाठली आहे आणि GaN कडे असलेले असंख्य फायदे देऊ शकत नाहीत, तर SiC चा अनुप्रयोग विशिष्ट वापर परिस्थितींपुरता मर्यादित आहे. "विशिष्ट परिस्थितीत" हा शब्द विशिष्ट अनुप्रयोगांमधील या सामग्रीच्या मर्यादांना सूचित करतो. विजेवर अधिकाधिक अवलंबून असलेल्या जगात, GaN केवळ विद्यमान उत्पादनांचा पुरवठा सुधारत नाही तर व्यवसायांना स्पर्धात्मक राहण्यास मदत करणारे नाविन्यपूर्ण उपाय देखील तयार करते.

GaN पॉवर सेमीकंडक्टर्स लवकर दत्तक घेण्यापासून मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनात बदलत असताना, व्यवसाय निर्णय घेणाऱ्यांसाठी प्राथमिक कार्य हे ओळखणे आहे की GaN पॉवर सेमीकंडक्टर एकूण कामगिरीची उच्च पातळी देऊ शकतात. हे केवळ ग्राहकांना बाजारातील हिस्सा आणि नफा वाढवण्यास मदत करत नाही तर ऑपरेटिंग खर्च आणि भांडवली खर्च प्रभावीपणे कमी करते.

या वर्षाच्या सप्टेंबरमध्ये, Infineon आणि GaN Systems ने संयुक्तपणे नवीन चौथ्या पिढीतील Gallium Nitride प्लॅटफॉर्म (Gen 4 GaN Power Platform) लाँच केले. 2022 मधील 3.2kW AI सर्व्हर वीज पुरवठ्यापासून ते सध्याच्या चौथ्या पिढीच्या प्लॅटफॉर्मपर्यंत, त्याची कार्यक्षमता केवळ 80 प्लस टायटॅनियम कार्यक्षमतेच्या मानकांना मागे टाकत नाही, तर त्याची उर्जा घनता देखील 100W/in³ वरून 120W/in³ पर्यंत वाढली आहे. हे प्लॅटफॉर्म केवळ ऊर्जा कार्यक्षमता आणि आकारात नवीन बेंचमार्क सेट करत नाही तर लक्षणीय उत्कृष्ट कामगिरी देखील देते.

सारांश, मग ती SiC कंपन्या GaN कंपन्या मिळवत असतील किंवा GaN कंपन्या SiC कंपन्यांचे अधिग्रहण करत असतील, त्यांच्या मार्केट आणि ऍप्लिकेशन फील्डचा विस्तार करणे ही मूळ प्रेरणा आहे. शेवटी, GaN आणि SiC दोन्ही वाइड बँडगॅप (WBG) मटेरियलचे आहेत आणि भविष्यातील चौथ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर मटेरियल जसे की गॅलियम ऑक्साईड (Ga2O3) आणि अँटिमोनाइड्स हळूहळू उदयास येतील, ज्यामुळे वैविध्यपूर्ण तांत्रिक परिसंस्था निर्माण होईल. त्यामुळे, ही सामग्री एकमेकांची जागा घेत नाही तर एकत्रितपणे उद्योग वाढीला चालना देते.**