GaN र SiC: सहअस्तित्व वा प्रतिस्थापन?

उच्च शक्ति घनत्व र दक्षताको लागि पुश डाटा केन्द्रहरू, नवीकरणीय ऊर्जा, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहनहरू, र स्वायत्त ड्राइभिङ प्रविधिहरू सहित धेरै उद्योगहरूमा नवाचारको प्राथमिक चालक भएको छ। वाइड ब्यान्डग्याप (WBG) सामग्रीको दायरामा, ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) र सिलिकन कार्बाइड (SiC) हाल दुई मुख्य प्लेटफर्महरू हुन्, जसलाई पावर सेमीकन्डक्टर नवाचारको प्रमुख उपकरणको रूपमा हेरिन्छ। यी सामग्रीहरूले शक्तिको बढ्दो मागलाई सम्बोधन गर्न पावर इलेक्ट्रोनिक्स उद्योगलाई गहिरो रूपमा परिवर्तन गर्दैछ।

वास्तवमा, SiC उद्योगका केही प्रमुख कम्पनीहरूले पनि सक्रिय रूपमा GaN प्रविधिको खोजी गरिरहेका छन्। यस वर्षको मार्चमा, Infineon ले क्यानाडाली GaN स्टार्टअप GaN Systems लाई $830 मिलियन नगदमा प्राप्त गर्यो। त्यस्तै गरी, ROHM ले भर्खरै आफ्नो EcoGaN ब्रान्डको GaN HEMT यन्त्रहरूमा विशेष जोड दिएर PCIM Asia मा आफ्ना नवीनतम SiC र GaN उत्पादनहरू प्रदर्शन गर्यो। यसको विपरित, अगस्त 2022 मा, Navitas Semiconductor, जसले मूल रूपमा GaN टेक्नोलोजीमा केन्द्रित थियो, GeneSiC प्राप्त गर्‍यो, जुन अर्को पुस्ताको पावर सेमीकन्डक्टर पोर्टफोलियोमा समर्पित एक मात्र कम्पनी बन्यो।

वास्तवमा, GaN र SiC प्रदर्शन र अनुप्रयोग परिदृश्यहरूमा केही ओभरल्याप प्रदर्शन गर्दछ। तसर्थ, प्रणाली परिप्रेक्ष्यबाट यी दुई सामग्रीहरूको आवेदन क्षमताको मूल्याङ्कन गर्न महत्त्वपूर्ण छ। यद्यपि R&D प्रक्रियाको क्रममा विभिन्न निर्माताहरूको आफ्नै दृष्टिकोण हुन सक्छ, विकास प्रवृत्ति, सामग्री लागत, कार्यसम्पादन, र डिजाइन अवसरहरू सहित बहु पक्षहरूबाट व्यापक रूपमा मूल्याङ्कन गर्न आवश्यक छ।

पावर इलेक्ट्रोनिक्स उद्योगमा GaN भेट्ने मुख्य प्रवृत्तिहरू के हुन्?

GaN Systems का सीईओ जिम विथमले अधिग्रहण गरिएका कम्पनीका अन्य कार्यकारीहरू जस्तै पछि हट्न रोजेका छैनन्। बरु, उनी बारम्बार सार्वजनिक रूपमा देखा पर्छन्। भर्खरै, एक भाषणमा, उहाँले GaN पावर अर्धचालकहरूको महत्त्वलाई जोड दिनुभयो, यो प्रविधिले पावर प्रणाली डिजाइनरहरू र निर्माताहरूलाई वर्तमान पावर इलेक्ट्रोनिक्स उद्योगलाई रूपान्तरण गर्ने तीनवटा प्रमुख प्रवृतिहरूलाई सम्बोधन गर्न मद्दत गर्नेछ, प्रत्येक प्रवृतिमा GaN ले महत्त्वपूर्ण भूमिका खेलिरहेको छ।

GaN प्रणालीका सीईओ जिम विथम

पहिलो, ऊर्जा दक्षताको मुद्दा। यो भविष्यवाणी गरिएको छ कि 2050 सम्ममा विश्वव्यापी ऊर्जा माग 50% भन्दा बढि हुनेछ, यसले ऊर्जा दक्षतालाई अनुकूलन गर्न र नवीकरणीय ऊर्जामा संक्रमणलाई गति दिन अनिवार्य बनाउँछ। हालको संक्रमणले ऊर्जा दक्षतामा मात्र केन्द्रित छैन तर ऊर्जाको स्वतन्त्रता र मुख्यधाराको पावर ग्रिडसँग एकीकरण जस्ता चुनौतीपूर्ण पक्षहरूमा पनि विस्तार गरेको छ। GaN प्रविधिले ऊर्जा र भण्डारण अनुप्रयोगहरूमा महत्त्वपूर्ण ऊर्जा बचत फाइदाहरू प्रदान गर्दछ। उदाहरणका लागि, GaN प्रयोग गर्ने सौर्य माइक्रोइन्भर्टरहरूले बढी बिजुली उत्पादन गर्न सक्छन्; AC-DC रूपान्तरण र इन्भर्टरहरूमा GaN को अनुप्रयोगले ब्याट्री भण्डारण प्रणालीहरूमा 50% सम्म ऊर्जाको बर्बादी कम गर्न सक्छ।

दोस्रो, विद्युतीकरण प्रक्रिया, विशेष गरी यातायात क्षेत्रमा। विद्युतीय सवारीसाधन सधैं यस प्रवृत्तिको केन्द्रबिन्दु बनेका छन्। यद्यपि, बिद्युतीकरण दुई पाङ्ग्रे र तीन-पाङ्ग्रे यातायात (जस्तै साइकल, मोटरसाइकल र रिक्सा) मा सघन जनसंख्या भएको सहरी क्षेत्रमा, विशेष गरी एशियामा विस्तार हुँदैछ। यी बजारहरू परिपक्व हुँदै जाँदा, GaN पावर ट्रान्जिस्टरका फाइदाहरू अझ प्रख्यात हुनेछन्, र GaN ले जीवनको गुणस्तर सुधार गर्न र वातावरणीय संरक्षणमा महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्नेछ।

अन्तमा, डिजिटल संसारले वास्तविक-समय डेटा मागहरू र कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) को द्रुत विकास पूरा गर्न ठूलो परिवर्तनहरू पार गरिरहेको छ। डाटा केन्द्रहरूमा हालको पावर रूपान्तरण र वितरण प्रविधिहरूले क्लाउड कम्प्युटिङ र मेसिन लर्निङ, विशेष गरी पावर-हंग्री एआई अनुप्रयोगहरूद्वारा ल्याइएका द्रुत रूपमा बढ्दो मागहरू पूरा गर्न सक्दैन। ऊर्जा बचत हासिल गरेर, शीतलन आवश्यकताहरू घटाएर, र लागत-प्रभावकारिता बढाएर, GaN प्रविधिले डेटा केन्द्रहरूको पावर सप्लाई परिदृश्यलाई पुन: आकार दिइरहेको छ। जेनेरेटिभ AI र GaN टेक्नोलोजीको संयोजनले डाटा सेन्टरहरूको लागि अझ प्रभावकारी, दिगो र बलियो भविष्य सिर्जना गर्नेछ।

एक व्यापारिक नेता र कट्टर वातावरणीय अधिवक्ताको रूपमा, जिम विथम विश्वास गर्छन् कि GaN प्रविधिको द्रुत प्रगतिले विभिन्न शक्ति-निर्भर उद्योगहरूलाई महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ र विश्वव्यापी अर्थतन्त्रमा गहिरो प्रभाव पार्छ। उनले GaN पावर सेमीकन्डक्टर राजस्व आगामी पाँच वर्षभित्र $6 बिलियन पुग्ने बजार भविष्यवाणीसँग पनि सहमत छन्, GaN प्रविधिले SiC सँगको प्रतिस्पर्धामा अद्वितीय फाइदा र अवसरहरू प्रदान गर्दछ।

प्रतिस्पर्धात्मक किनाराको सन्दर्भमा GaN कसरी SiC सँग तुलना गर्छ?

विगतमा, त्यहाँ GaN पावर अर्धचालकहरूको बारेमा केही गलत धारणाहरू थिए, धेरैले विश्वास गरे कि तिनीहरू उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्समा चार्ज गर्नका लागि अधिक उपयुक्त थिए। यद्यपि, GaN र SiC बीचको प्राथमिक भिन्नता तिनीहरूको भोल्टेज दायरा अनुप्रयोगहरूमा निहित छ। GaN ले कम र मध्यम भोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा राम्रो प्रदर्शन गर्दछ, जबकि SiC मुख्यतया 1200V भन्दा बढी उच्च भोल्टेज अनुप्रयोगहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ। जे होस्, यी दुई सामग्रीहरू बीचको छनोटमा भोल्टेज, प्रदर्शन र लागत कारकहरू विचार गर्न समावेश छ।

उदाहरणका लागि, 2023 PCIM यूरोप प्रदर्शनीमा, GaN Systems ले GaN समाधानहरू प्रदर्शन गर्‍यो जसले ऊर्जा घनत्व र दक्षतामा महत्त्वपूर्ण प्रगतिहरू प्रदर्शन गर्‍यो। SiC ट्रान्जिस्टर डिजाइनहरूको तुलनामा, GaN-आधारित 11kW/800V अनबोर्ड चार्जरहरू (OBC) ले पावर घनत्वमा 36% वृद्धि र सामग्री लागतमा 15% कमी हासिल गर्‍यो। यो डिजाईनले ब्रिजलेस टोटेम-पोल PFC कन्फिगरेसन र डुअल एक्टिभ ब्रिज टेक्नोलोजीमा तीन-स्तरको फ्लाइङ क्यापेसिटर टोपोलोजीलाई पनि एकीकृत गर्दछ, जसले GaN ट्रान्जिस्टरहरू प्रयोग गरेर भोल्टेजको तनावलाई 50% घटाउँछ।

विद्युतीय सवारी साधनका तीनवटा प्रमुख अनुप्रयोगहरूमा—अनबोर्ड चार्जरहरू (OBC), DC-DC कन्भर्टरहरू, र ट्र्याक्सन इन्भर्टरहरू — GaN Systems ले Toyota सँग सबै-GaN कार प्रोटोटाइप विकास गर्न सहयोग गरेको छ, जसले अमेरिकी EV स्टार्टअपका लागि उत्पादन-तयार OBC समाधानहरू उपलब्ध गराएको छ। Canoo, र Vitesco Technologies सँग साझेदारी गरी 400V र 800V EV पावर प्रणालीहरूको लागि GaN DC-DC कन्भर्टरहरू विकास गर्न, अटोमेकरहरूका लागि थप विकल्पहरू प्रदान गर्दै।

जिम विथम विश्वास गर्छन् कि हाल SiC मा निर्भर ग्राहकहरु दुई कारणहरु को लागी छिटो GaN मा स्विच गर्न सम्भव छ: सीमित उपलब्धता र सामग्री को उच्च लागत। डाटा सेन्टरदेखि अटोमोटिभसम्म विभिन्न उद्योगहरूमा पावरको माग बढ्दै जाँदा, GaN टेक्नोलोजीमा प्रारम्भिक संक्रमणले यी उद्यमहरूलाई भविष्यमा प्रतिस्पर्धीहरूसँग समात्न आवश्यक समय कम गर्न सक्षम बनाउँछ।

आपूर्ति श्रृंखला परिप्रेक्ष्यबाट, SiC अधिक महँगो छ र GaN को तुलनामा आपूर्ति अवरोधहरूको सामना गर्दछ। GaN सिलिकन वेफर्समा उत्पादन भएको हुनाले, बजारको बढ्दो मागसँगै यसको मूल्य द्रुत रूपमा घट्छ, र भविष्यको मूल्य र प्रतिस्पर्धात्मकता अझ सही रूपमा अनुमान गर्न सकिन्छ। यसको विपरीत, SiC आपूर्तिकर्ताहरूको सीमित संख्या र लामो नेतृत्व समय, सामान्यतया एक वर्ष सम्म, लागत बढाउन सक्छ र 2025 पछि अटोमोटिभ निर्माणको मागलाई असर गर्न सक्छ।

स्केलेबिलिटीको सन्दर्भमा, GaN लगभग "असीमित रूपमा" स्केलेबल छ किनभने यसलाई सिलिकन वेफर्समा अरबौं CMOS यन्त्रहरू जस्तै समान उपकरणहरू प्रयोग गरेर निर्माण गर्न सकिन्छ। GaN चाँडै 8-इन्च, 12-इन्च, र 15-इन्च वेफरहरूमा पनि उत्पादन गर्न सकिन्छ, जबकि SiC MOSFET हरू सामान्यतया 4-इन्च वा 6-इन्च वेफरहरूमा उत्पादन गरिन्छ र 8-इन्च वेफरहरूमा परिवर्तन गर्न थालेका छन्।

प्राविधिक कार्यसम्पादनको सन्दर्भमा, GaN हाल विश्वको सबैभन्दा छिटो पावर स्विच गर्ने यन्त्र हो, जसले अन्य अर्धचालक यन्त्रहरू भन्दा उच्च शक्ति घनत्व र आउटपुट दक्षता प्रदान गर्दछ। यसले उपभोक्ताहरू र व्यवसायहरूका लागि महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू ल्याउँछ, चाहे सानो यन्त्रको आकारमा होस्, छिटो चार्ज गर्ने गति होस्, वा डेटा केन्द्रहरूका लागि कम शीतलन लागत र ऊर्जा खपत। GaN ले धेरै फाइदाहरू प्रदर्शन गर्दछ।

GaN सँग निर्मित प्रणालीहरूले SiC को तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा उच्च शक्ति घनत्व देखाउँछन्। GaN ग्रहण फैलिँदै जाँदा, साना आकारका नयाँ पावर प्रणाली उत्पादनहरू निरन्तर रूपमा उदाइरहेका छन्, जबकि SiC ले समान स्तरको लघुकरण हासिल गर्न सक्दैन। GaN प्रणालीका अनुसार, तिनीहरूको पहिलो पुस्ताका यन्त्रहरूको कार्यसम्पादनले भर्खरको पाँचौं पुस्ताका SiC अर्धचालक यन्त्रहरूभन्दा पहिले नै पार गरिसकेको छ। छोटो अवधिमा GaN कार्यसम्पादन ५ देखि १० गुणाले सुधार भएकोले, यो कार्यसम्पादन अन्तर फराकिलो हुने अपेक्षा गरिएको छ।

थप रूपमा, GaN यन्त्रहरूमा महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू छन् जस्तै कम गेट चार्ज, शून्य रिभर्स रिकभरी, र फ्ल्याट आउटपुट क्यापेसिटन्स, उच्च गुणस्तर स्विचिङ कार्यसम्पादन सक्षम पार्दै। 1200V तलको मध्यदेखि कम भोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा, GaN को स्विचिङ घाटा SiC भन्दा कम्तीमा तीन गुणा कम हुन्छ। फ्रिक्वेन्सी परिप्रेक्ष्यबाट, धेरै जसो सिलिकन-आधारित डिजाइनहरू हाल 60kHz र 300kHz को बीचमा सञ्चालन हुन्छन्। यद्यपि SiC फ्रिक्वेन्सीमा सुधार भएको छ, GaN को सुधारहरू अधिक स्पष्ट छन्, 500kHz र उच्च आवृत्तिहरू प्राप्त गर्दै।

SiC सामान्यतया 1200V र 650V को लागी उपयुक्त केहि उत्पादनहरु संग उच्च भोल्टेज को लागी प्रयोग गरिन्छ, यसको आवेदन केहि डिजाइनहरु मा सीमित छ, जस्तै 30-40V उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, 48V हाइब्रिड वाहनहरु, र डेटा केन्द्रहरु, ती सबै महत्वपूर्ण बजारहरु हुन्। तसर्थ, यी बजारहरूमा SiC को भूमिका सीमित छ। अर्कोतर्फ, GaN ले डाटा सेन्टर, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, नवीकरणीय ऊर्जा, अटोमोटिभ, र औद्योगिक क्षेत्रहरूमा महत्त्वपूर्ण योगदान पुर्‍याउँदै यी भोल्टेज स्तरहरूमा उत्कृष्ट प्रदर्शन गर्दछ।

इन्जिनियरहरूलाई GaN FETs (फिल्ड इफेक्ट ट्रान्जिस्टर) र SiC बीचको कार्यसम्पादन भिन्नताहरू अझ राम्ररी बुझ्न मद्दत गर्न, GaN प्रणालीहरूले SiC र GaN प्रयोग गरी क्रमशः दुई 650V, 15A पावर आपूर्तिहरू डिजाइन गरे, र विस्तृत तुलनात्मक परीक्षणहरू सञ्चालन गरे।

GaN बनाम SiC हेड-टू-हेड तुलना

GaN E-HEMT (एन्हान्स्ड हाई इलेक्ट्रोन मोबिलिटी ट्रान्जिस्टर) लाई हाई-स्पीड स्विचिङ एप्लिकेसनहरूमा उत्कृष्ट-इन-क्लास SiC MOSFET सँग तुलना गरेर, यो फेला पर्‍यो कि सिंक्रोनस बक DC-DC कन्भर्टरहरूमा प्रयोग गर्दा, GaN E- सँग कन्भर्टर। HEMT ले SiC MOSFET सँगको तुलनामा धेरै उच्च दक्षता प्रदर्शन गर्‍यो। यो तुलनाले स्पष्ट रूपमा देखाउँछ कि GaN E-HEMT ले प्रमुख मेट्रिक्समा शीर्ष SiC MOSFET लाई बाहिर निकाल्छ जस्तै स्विचिंग गति, परजीवी क्षमता, स्विचिङ घाटा, र थर्मल प्रदर्शन। थप रूपमा, SiC को तुलनामा, GaN E-HEMT ले थप कम्प्याक्ट र कुशल पावर कन्भर्टर डिजाइनहरू प्राप्त गर्नमा महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू देखाउँछ।

किन GaN ले निश्चित सर्तहरूमा SiC लाई सम्भावित रूपमा अगाडि बढाउन सक्छ?

आज, परम्परागत सिलिकन टेक्नोलोजी आफ्नो सीमामा पुगेको छ र GaN सँग भएका धेरै फाइदाहरू प्रदान गर्न सक्दैन, जबकि SiC को अनुप्रयोग विशिष्ट उपयोग परिदृश्यहरूमा सीमित छ। "केही सर्तहरू अन्तर्गत" शब्दले विशेष अनुप्रयोगहरूमा यी सामग्रीहरूको सीमिततालाई जनाउँछ। बिजुलीमा बढ्दो रूपमा निर्भर संसारमा, GaN ले अवस्थित उत्पादन आपूर्तिमा सुधार मात्र गर्दैन तर व्यवसायहरूलाई प्रतिस्पर्धी रहन मद्दत गर्ने नवीन समाधानहरू पनि सिर्जना गर्दछ।

GaN पावर अर्धचालकहरू प्रारम्भिक ग्रहणबाट ठूलो उत्पादनमा संक्रमणको रूपमा, व्यवसायिक निर्णय-निर्माताहरूका लागि प्राथमिक कार्य भनेको GaN पावर अर्धचालकहरूले समग्र प्रदर्शनको उच्च स्तर प्रस्ताव गर्न सक्छ भनेर पहिचान गर्नु हो। यसले ग्राहकहरूलाई बजार साझेदारी र नाफा बढाउन मद्दत मात्र गर्दैन तर सञ्चालन लागत र पूँजीगत खर्चलाई प्रभावकारी रूपमा घटाउँछ।

यस वर्षको सेप्टेम्बरमा, Infineon र GaN Systems ले संयुक्त रूपमा नयाँ चौथो पुस्ता ग्यालियम नाइट्राइड प्लेटफर्म (Gen 4 GaN Power Platform) लन्च गर्यो। 2022 मा 3.2kW AI सर्भर पावर सप्लाईबाट हालको चौथो पुस्ताको प्लेटफर्ममा, यसको दक्षताले 80 प्लस टाइटेनियम दक्षता मानकलाई मात्र पार गर्दैन, तर यसको शक्ति घनत्व पनि 100W/in³ बाट 120W/in³ मा बढेको छ। यो प्लेटफर्मले ऊर्जा दक्षता र आकारमा नयाँ बेन्चमार्कहरू मात्र सेट गर्दैन तर उल्लेखनीय रूपमा उच्च प्रदर्शन पनि प्रदान गर्दछ।

सारांशमा, चाहे यो SiC कम्पनीहरूले GaN कम्पनीहरू प्राप्त गर्ने हो वा GaN कम्पनीहरूले SiC कम्पनीहरू प्राप्त गर्ने, अन्तर्निहित प्रेरणा उनीहरूको बजार र अनुप्रयोग क्षेत्रहरू विस्तार गर्नु हो। आखिर, GaN र SiC दुबै वाइड ब्यान्डग्याप (WBG) सामग्रीहरू हुन्, र भविष्यमा चौथो पुस्ताका अर्धचालक सामग्रीहरू जस्तै ग्यालियम अक्साइड (Ga2O3) र एन्टिमोनाइडहरू बिस्तारै देखिनेछन्, जसले विविध प्राविधिक इकोसिस्टम सिर्जना गर्नेछ। तसर्थ, यी सामग्रीहरूले एकअर्कालाई प्रतिस्थापन गर्दैन बरु सामूहिक रूपमा उद्योगको वृद्धिलाई अगाडि बढाउँछन्।**