GaN اور SiC: بقائے باہمی یا متبادل؟

اعلی طاقت کی کثافت اور کارکردگی کے لیے دباؤ متعدد صنعتوں میں جدت کا بنیادی محرک بن گیا ہے، بشمول ڈیٹا سینٹرز، قابل تجدید توانائی، کنزیومر الیکٹرانکس، الیکٹرک گاڑیاں، اور خود مختار ڈرائیونگ ٹیکنالوجیز۔ وسیع بینڈ گیپ (WBG) مواد کے دائرے میں، Gallium Nitride (GaN) اور Silicon Carbide (SiC) فی الحال دو بنیادی پلیٹ فارمز ہیں، جنہیں پاور سیمی کنڈکٹر کی جدت طرازی کے اہم اوزار کے طور پر دیکھا جاتا ہے۔ یہ مواد بجلی کی مسلسل بڑھتی ہوئی مانگ کو پورا کرنے کے لیے پاور الیکٹرانکس کی صنعت کو بہت زیادہ تبدیل کر رہے ہیں۔

درحقیقت، SiC انڈسٹری میں کچھ سرکردہ کمپنیاں بھی فعال طور پر GaN ٹیکنالوجی کو تلاش کر رہی ہیں۔ اس سال مارچ میں، Infineon نے کینیڈین GaN سٹارٹ اپ GaN Systems کو $830 ملین نقد میں حاصل کیا۔ اسی طرح، ROHM نے حال ہی میں PCIM ایشیا میں اپنی تازہ ترین SiC اور GaN مصنوعات کی نمائش کی، خاص طور پر اپنے EcoGaN برانڈ کے GaN HEMT آلات پر زور دیتے ہوئے۔ اس کے برعکس، اگست 2022 میں، Navitas Semiconductor، جس نے اصل میں GaN ٹیکنالوجی پر توجہ مرکوز کی، نے GeneSiC حاصل کیا، جو اگلی نسل کے پاور سیمی کنڈکٹر پورٹ فولیو کے لیے وقف واحد کمپنی بن گئی۔

درحقیقت، GaN اور SiC کارکردگی اور درخواست کے منظرناموں میں کچھ اوورلیپ کی نمائش کرتے ہیں۔ لہذا، نظام کے نقطہ نظر سے ان دو مواد کے اطلاق کی صلاحیت کا جائزہ لینا بہت ضروری ہے۔ اگرچہ R&D کے عمل کے دوران مختلف مینوفیکچررز کے اپنے نقطہ نظر ہو سکتے ہیں، لیکن یہ ضروری ہے کہ متعدد پہلوؤں سے ان کا جامع اندازہ لگایا جائے، بشمول ترقی کے رجحانات، مادی لاگت، کارکردگی، اور ڈیزائن کے مواقع۔

پاور الیکٹرانکس انڈسٹری میں کون سے اہم رجحانات ہیں جن سے GaN پورا ہوتا ہے؟

جی اے این سسٹمز کے سی ای او جم ویتھم نے حاصل کردہ کمپنیوں کے دیگر ایگزیکٹوز کی طرح پیچھے ہٹنے کا انتخاب نہیں کیا ہے۔ اس کے بجائے، وہ مسلسل عوامی نمائشیں جاری رکھے ہوئے ہے۔ حال ہی میں، ایک تقریر میں، انہوں نے GaN پاور سیمی کنڈکٹرز کی اہمیت پر زور دیا، یہ نوٹ کرتے ہوئے کہ یہ ٹیکنالوجی پاور سسٹم کے ڈیزائنرز اور مینوفیکچررز کو پاور الیکٹرانکس انڈسٹری کو تبدیل کرنے والے تین اہم رجحانات کو حل کرنے میں مدد کرے گی، جس میں GaN ہر رجحان میں اہم کردار ادا کر رہا ہے۔

GaN سسٹمز کے سی ای او جم ویتھم

سب سے پہلے، توانائی کی کارکردگی کا مسئلہ. یہ پیش گوئی کی گئی ہے کہ 2050 تک عالمی بجلی کی طلب میں 50 فیصد سے زیادہ اضافہ ہو جائے گا، جس سے توانائی کی کارکردگی کو بہتر بنانا اور قابل تجدید توانائی کی منتقلی کو تیز کرنا ناگزیر ہو جائے گا۔ موجودہ منتقلی نہ صرف توانائی کی کارکردگی پر مرکوز ہے بلکہ توانائی کی آزادی اور مین اسٹریم پاور گرڈ کے ساتھ انضمام جیسے مزید چیلنجنگ پہلوؤں تک بھی پھیلی ہوئی ہے۔ GaN ٹیکنالوجی توانائی اور اسٹوریج ایپلی کیشنز میں توانائی کی بچت کے اہم فوائد پیش کرتی ہے۔ مثال کے طور پر، GaN استعمال کرنے والے سولر مائیکرو انورٹرز زیادہ بجلی پیدا کر سکتے ہیں۔ AC-DC تبادلوں اور انورٹرز میں GaN کی ایپلی کیشن بیٹری سٹوریج سسٹم میں توانائی کے ضیاع کو 50% تک کم کر سکتی ہے۔

دوسرا، بجلی کا عمل، خاص طور پر نقل و حمل کے شعبے میں۔ الیکٹرک گاڑیاں ہمیشہ اس رجحان کا مرکز رہی ہیں۔ تاہم، گنجان آباد شہری علاقوں میں، خاص طور پر ایشیا میں، دو پہیوں اور تین پہیوں والی نقل و حمل (جیسے سائیکل، موٹرسائیکل، اور رکشہ) تک برقی کاری پھیل رہی ہے۔ جیسے جیسے یہ مارکیٹیں پختہ ہوں گی، GaN پاور ٹرانزسٹرز کے فوائد مزید نمایاں ہوں گے، اور GaN معیار زندگی اور ماحولیاتی تحفظ کو بہتر بنانے میں اہم کردار ادا کرے گا۔

آخر کار، ڈیجیٹل دنیا حقیقی وقت کے ڈیٹا کے تقاضوں اور مصنوعی ذہانت (AI) کی تیز رفتار ترقی کو پورا کرنے کے لیے بڑے پیمانے پر تبدیلیوں سے گزر رہی ہے۔ ڈیٹا سینٹرز میں موجودہ پاور کنورژن اور ڈسٹری بیوشن ٹیکنالوجیز کلاؤڈ کمپیوٹنگ اور مشین لرننگ، خاص طور پر پاور ہنگری AI ایپلی کیشنز کی طرف سے تیزی سے بڑھتی ہوئی مانگ کو پورا نہیں کر سکتیں۔ توانائی کی بچت حاصل کرنے، ٹھنڈک کی ضروریات کو کم کرکے، اور لاگت کی تاثیر کو بڑھا کر، GaN ٹیکنالوجی ڈیٹا سینٹرز کے پاور سپلائی کے منظر نامے کو نئی شکل دے رہی ہے۔ جنریٹو AI اور GaN ٹیکنالوجی کا امتزاج ڈیٹا سینٹرز کے لیے زیادہ موثر، پائیدار اور مضبوط مستقبل بنائے گا۔

ایک کاروباری رہنما اور سخت ماحولیاتی وکیل کے طور پر، جم ویتھم کا خیال ہے کہ GaN ٹیکنالوجی کی تیز رفتار ترقی بجلی پر منحصر مختلف صنعتوں کو نمایاں طور پر متاثر کرے گی اور عالمی معیشت پر اس کے گہرے اثرات مرتب ہوں گے۔ وہ مارکیٹ کی پیشین گوئیوں سے بھی اتفاق کرتا ہے کہ اگلے پانچ سالوں میں GaN پاور سیمی کنڈکٹر کی آمدنی $6 بلین تک پہنچ جائے گی، یہ نوٹ کرتے ہوئے کہ GaN ٹیکنالوجی SiC کے ساتھ مقابلے میں منفرد فوائد اور مواقع پیش کرتی ہے۔

مسابقتی برتری کے لحاظ سے GaN کا SiC سے موازنہ کیسے ہوتا ہے؟

ماضی میں، GaN پاور سیمی کنڈکٹرز کے بارے میں کچھ غلط فہمیاں تھیں، بہت سے لوگوں کا خیال تھا کہ وہ کنزیومر الیکٹرانکس میں ایپلی کیشنز کو چارج کرنے کے لیے زیادہ موزوں ہیں۔ تاہم، GaN اور SiC کے درمیان بنیادی فرق ان کی وولٹیج رینج ایپلی کیشنز میں ہے۔ GaN کم اور درمیانے وولٹیج ایپلی کیشنز میں بہتر کارکردگی دکھاتا ہے، جبکہ SiC بنیادی طور پر 1200V سے زیادہ ہائی وولٹیج ایپلی کیشنز کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ بہر حال، ان دو مواد کے درمیان انتخاب میں وولٹیج، کارکردگی اور لاگت کے عوامل پر غور کرنا شامل ہے۔

مثال کے طور پر، 2023 PCIM یورپ نمائش میں، GaN Systems نے GaN سلوشنز کی نمائش کی جس نے بجلی کی کثافت اور کارکردگی میں نمایاں پیش رفت کا مظاہرہ کیا۔ SiC ٹرانزسٹر ڈیزائنز کے مقابلے میں، GaN پر مبنی 11kW/800V آن بورڈ چارجرز (OBC) نے بجلی کی کثافت میں 36% اضافہ اور مادی اخراجات میں 15% کمی حاصل کی۔ یہ ڈیزائن تین سطحی فلائنگ کیپیسیٹر ٹوپولوجی کو ایک برج لیس ٹوٹیم پول پی ایف سی کنفیگریشن اور ڈوئل ایکٹیو برج ٹیکنالوجی میں بھی ضم کرتا ہے، جس سے GaN ٹرانجسٹرز کا استعمال کرتے ہوئے وولٹیج کے دباؤ کو 50 فیصد کم کیا جاتا ہے۔

الیکٹرک گاڑیوں کی تین اہم ایپلی کیشنز — آن بورڈ چارجرز (OBC)، DC-DC کنورٹرز، اور ٹریکشن انورٹرز — GaN Systems نے Toyota کے ساتھ مل کر ایک آل-GaN کار پروٹو ٹائپ تیار کیا ہے، جس نے امریکی EV اسٹارٹ اپ کے لیے پیداوار کے لیے تیار OBC حل فراہم کیے ہیں۔ Canoo، اور 400V اور 800V EV پاور سسٹمز کے لیے GaN DC-DC کنورٹرز تیار کرنے کے لیے Vitesco Technologies کے ساتھ شراکت داری کی، جو کہ کار سازوں کے لیے مزید اختیارات پیش کرتے ہیں۔

جم ویتھم کا خیال ہے کہ فی الحال SiC پر انحصار کرنے والے صارفین کے دو وجوہات کی بنا پر تیزی سے GaN پر جانے کا امکان ہے: محدود دستیابی اور مواد کی زیادہ قیمت۔ جیسا کہ مختلف صنعتوں میں، ڈیٹا سینٹرز سے لے کر آٹوموٹیو تک بجلی کی طلب میں اضافہ ہوتا ہے، GaN ٹیکنالوجی میں ابتدائی منتقلی ان کاروباری اداروں کو مستقبل میں حریفوں سے ملنے کے لیے درکار وقت کو کم کرنے کے قابل بنائے گی۔

سپلائی چین کے نقطہ نظر سے، SiC زیادہ مہنگا ہے اور اسے GaN کے مقابلے میں سپلائی کی رکاوٹوں کا سامنا ہے۔ چونکہ GaN سلیکون ویفرز پر تیار کیا جاتا ہے، اس لیے مارکیٹ کی بڑھتی ہوئی طلب کے ساتھ اس کی قیمت تیزی سے کم ہوتی ہے، اور مستقبل کی قیمت اور مسابقت کی زیادہ درست پیش گوئی کی جا سکتی ہے۔ اس کے برعکس، SiC سپلائرز کی محدود تعداد اور طویل لیڈ ٹائم، عام طور پر ایک سال تک، لاگت میں اضافہ کر سکتا ہے اور 2025 کے بعد آٹو موٹیو مینوفیکچرنگ کی مانگ کو متاثر کر سکتا ہے۔

اسکیل ایبلٹی کے لحاظ سے، GaN تقریباً "لامحدود" توسیع پذیر ہے کیونکہ اسے سیلیکون ویفرز پر اسی آلات کا استعمال کرتے ہوئے بنایا جا سکتا ہے جو اربوں CMOS ڈیوائسز ہیں۔ GaN جلد ہی 8 انچ، 12 انچ، اور یہاں تک کہ 15 انچ کے ویفرز پر بھی تیار کیا جا سکتا ہے، جب کہ SiC MOSFETs عام طور پر 4 انچ یا 6 انچ کے ویفرز پر تیار کیے جاتے ہیں اور ابھی 8 انچ کے ویفرز میں تبدیل ہونے لگے ہیں۔

تکنیکی کارکردگی کے لحاظ سے، GaN فی الحال دنیا کا سب سے تیز پاور سوئچنگ ڈیوائس ہے، جو دیگر سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کے مقابلے میں زیادہ پاور ڈینسٹی اور آؤٹ پٹ کارکردگی پیش کرتا ہے۔ اس سے صارفین اور کاروباروں کو اہم فوائد حاصل ہوتے ہیں، چاہے وہ ڈیوائس کے چھوٹے سائز میں ہوں، تیز چارجنگ کی رفتار میں ہوں، یا ڈیٹا سینٹرز کے لیے ٹھنڈک کی لاگت اور توانائی کی کھپت میں کمی ہو۔ GaN بہت زیادہ فوائد کی نمائش کرتا ہے۔

GaN کے ساتھ بنائے گئے سسٹمز SiC کے مقابلے میں نمایاں طور پر زیادہ پاور کثافت کا مظاہرہ کرتے ہیں۔ جیسے جیسے GaN اپنانا پھیلتا جا رہا ہے، چھوٹے سائز کے ساتھ پاور سسٹم کی نئی مصنوعات مسلسل ابھر رہی ہیں، جبکہ SiC مائنیچرائزیشن کی اسی سطح کو حاصل نہیں کر سکتی۔ GaN Systems کے مطابق، ان کی پہلی نسل کے آلات کی کارکردگی پہلے ہی تازہ ترین پانچویں نسل کے SiC سیمی کنڈکٹر آلات سے آگے نکل چکی ہے۔ جیسا کہ مختصر مدت میں GaN کی کارکردگی 5 سے 10 گنا بہتر ہوتی ہے، توقع ہے کہ کارکردگی کا یہ فرق وسیع ہو جائے گا۔

مزید برآں، GaN ڈیوائسز میں نمایاں فوائد ہوتے ہیں جیسے کہ کم گیٹ چارج، صفر ریورس ریکوری، اور فلیٹ آؤٹ پٹ کیپیسیٹینس، جو اعلیٰ معیار کی سوئچنگ کارکردگی کو قابل بناتا ہے۔ 1200V سے نیچے کے وسط سے کم وولٹیج ایپلی کیشنز میں، GaN کے سوئچنگ نقصانات SiC سے کم از کم تین گنا کم ہیں۔ تعدد کے نقطہ نظر سے، زیادہ تر سلکان پر مبنی ڈیزائن فی الحال 60kHz اور 300kHz کے درمیان کام کرتے ہیں۔ اگرچہ SiC تعدد میں بہتر ہوا ہے، GaN کی بہتری زیادہ واضح ہے، 500kHz اور اعلی تعدد حاصل کرنا۔

چونکہ SiC عام طور پر 1200V اور اس سے زیادہ وولٹیجز کے لیے استعمال ہوتا ہے جس میں صرف چند مصنوعات 650V کے لیے موزوں ہوتی ہیں، اس لیے اس کا اطلاق مخصوص ڈیزائنوں میں محدود ہے، جیسے کہ 30-40V کنزیومر الیکٹرانکس، 48V ہائبرڈ گاڑیاں، اور ڈیٹا سینٹرز، یہ سبھی اہم مارکیٹس ہیں۔ لہذا، ان بازاروں میں SiC کا کردار محدود ہے۔ دوسری طرف، GaN ان وولٹیج کی سطحوں میں سبقت لے جاتا ہے، جو ڈیٹا سینٹرز، کنزیومر الیکٹرانکس، قابل تجدید توانائی، آٹوموٹیو اور صنعتی شعبوں میں اہم شراکت کرتا ہے۔

انجینئرز کو GaN FETs (فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز) اور SiC کے درمیان کارکردگی کے فرق کو بہتر طور پر سمجھنے میں مدد کرنے کے لیے، GaN سسٹمز نے SiC اور GaN کا استعمال کرتے ہوئے بالترتیب دو 650V، 15A پاور سپلائیز ڈیزائن کیے، اور تفصیلی تقابلی ٹیسٹ کرائے۔

GaN بمقابلہ SiC سر سے سر موازنہ

تیز رفتار سوئچنگ ایپلی کیشنز میں GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) کا بہترین درجے کے SiC MOSFET کے ساتھ موازنہ کرنے سے، یہ معلوم ہوا کہ جب ہم وقت ساز بک DC-DC کنورٹرز میں استعمال ہوتا ہے، تو GaN E- کے ساتھ کنورٹر۔ HEMT نے SiC MOSFET کے مقابلے میں بہت زیادہ کارکردگی کا مظاہرہ کیا۔ یہ موازنہ واضح طور پر ظاہر کرتا ہے کہ GaN E-HEMT کلیدی میٹرکس جیسے کہ سوئچنگ اسپیڈ، پرجیوی کیپیسیٹینس، سوئچنگ نقصانات، اور تھرمل کارکردگی میں سرفہرست SiC MOSFET کو پیچھے چھوڑتا ہے۔ مزید برآں، SiC کے مقابلے میں، GaN E-HEMT زیادہ کمپیکٹ اور موثر پاور کنورٹر ڈیزائن کے حصول میں نمایاں فوائد دکھاتا ہے۔

کیوں GaN ممکنہ طور پر کچھ شرائط کے تحت SiC کو بہتر بنا سکتا ہے؟

آج، روایتی سلیکون ٹیکنالوجی اپنی حدوں کو پہنچ چکی ہے اور وہ متعدد فوائد پیش نہیں کر سکتی جو GaN کے پاس ہے، جبکہ SiC کا اطلاق مخصوص استعمال کے منظرناموں تک محدود ہے۔ اصطلاح "کچھ شرائط کے تحت" مخصوص ایپلی کیشنز میں ان مواد کی حدود سے مراد ہے۔ بجلی پر تیزی سے انحصار کرنے والی دنیا میں، GaN نہ صرف موجودہ مصنوعات کی فراہمی کو بہتر بناتا ہے بلکہ ایسے اختراعی حل بھی تخلیق کرتا ہے جو کاروبار کو مسابقتی رہنے میں مدد دیتے ہیں۔

جیسا کہ GaN پاور سیمی کنڈکٹرز ابتدائی اپنانے سے بڑے پیمانے پر پیداوار میں منتقل ہوتے ہیں، کاروباری فیصلہ سازوں کے لیے بنیادی کام یہ تسلیم کرنا ہے کہ GaN پاور سیمی کنڈکٹرز مجموعی کارکردگی کی اعلیٰ سطح پیش کر سکتے ہیں۔ اس سے نہ صرف صارفین کو مارکیٹ شیئر اور منافع بڑھانے میں مدد ملتی ہے بلکہ آپریٹنگ لاگت اور سرمائے کے اخراجات کو بھی مؤثر طریقے سے کم کرتا ہے۔

اس سال ستمبر میں، Infineon اور GaN Systems نے مشترکہ طور پر ایک نیا چوتھی نسل کا Gallium Nitride پلیٹ فارم (Gen 4 GaN Power Platform) شروع کیا۔ 2022 میں 3.2kW AI سرور پاور سپلائی سے موجودہ چوتھی نسل کے پلیٹ فارم تک، اس کی کارکردگی نہ صرف 80 پلس ٹائٹینیم کارکردگی کے معیار کو پیچھے چھوڑتی ہے، بلکہ اس کی طاقت کی کثافت بھی 100W/in³ سے 120W/in³ تک بڑھ گئی ہے۔ یہ پلیٹ فارم نہ صرف توانائی کی کارکردگی اور سائز میں نئے معیارات مرتب کرتا ہے بلکہ نمایاں طور پر اعلیٰ کارکردگی بھی پیش کرتا ہے۔

خلاصہ یہ کہ چاہے وہ SiC کمپنیاں GaN کمپنیاں حاصل کر رہی ہوں یا GaN کمپنیاں SiC کمپنیوں کو حاصل کر رہی ہوں، بنیادی محرک اپنی مارکیٹ اور ایپلیکیشن کے شعبوں کو بڑھانا ہے۔ آخرکار، GaN اور SiC دونوں کا تعلق وسیع بینڈ گیپ (WBG) مواد سے ہے، اور مستقبل کی چوتھی نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد جیسے گیلیم آکسائیڈ (Ga2O3) اور Antimonides آہستہ آہستہ ابھریں گے، جس سے ایک متنوع تکنیکی ماحولیاتی نظام تشکیل پائے گا۔ لہذا، یہ مواد ایک دوسرے کی جگہ نہیں لیتے بلکہ اجتماعی طور پر صنعت کی ترقی کو آگے بڑھاتے ہیں۔**