Pencahayaan LED dengan dukungan Gallium nitrida telah memberikan pengurangan besar terhadap jumlah daya listrik yang digunakan secara global, dan dalam waktu sepuluh tahun, penghematan tersebut diperkirakan akan mencapai 46%.
Namun kalau bicara konsumsi listrik, ada elektronik lain teknologi Hal ini terbukti lebih bermanfaat dalam upaya penting untuk mengurangi emisi karbon global, yaitu konversi energi.
Seiring dengan meningkatnya GaN di bidang pencahayaan, kemajuan dalam teknologi pengemasan untuk elektronika daya juga sama signifikannya. Penerapan GaN dan SiC memerlukan pendekatan inovatif untuk mengelola peningkatan kemampuan daya. Perkembangan terkini dalam teknologi heatsink sangat penting, karena memainkan peran penting dalam menjaga kinerja termal perangkat berdaya tinggi dan memastikan keandalan dan efisiensinya di berbagai aplikasi.
Kebanyakan orang sama sekali tidak menyadari bagaimana teknologi konversi energi mempengaruhi mereka, namun proses ini terjadi triliunan kali sehari secara global dan memungkinkan segala sesuatu mulai dari telepon seluler, kendaraan listrik, hingga sistem medis dan industri dapat berfungsi. Faktanya, setiap aplikasi dimana arus listrik bolak-balik harus diubah menjadi arus searah atau sebaliknya. Dan karena ketidakefisienan pada perangkat dan sistem elektronik yang memungkinkan proses ini, sejumlah besar energi bumi terbuang setiap hari.
Teknologi Baru dalam Konversi Tenaga Listrik
Dalam pembuatan GaN dan SiC, pemilihan substrat sangatlah penting. Meskipun GaN-on-silicon memanfaatkan infrastruktur yang ada dan biasanya dibatasi pada 650V, munculnya teknologi substrat GaN-on-Qromis (QST) memungkinkan lapisan epitaksi yang lebih tebal. Inovasi ini memungkinkan pengoperasian pada tegangan lebih tinggi, berpotensi mencapai 1,200V atau lebih, sehingga memperluas cakupan GaN dan SiC dalam aplikasi elektronika daya tegangan tinggi.
Dapat dikatakan bahwa terdapat banyak kemajuan secara elektronik dalam mengurangi inefisiensi konversi daya berkat penciptaan dan implementasi berbagai perangkat elektronika daya.
Dampak teknologi GaN melampaui elektronika daya tradisional, dan secara signifikan mempengaruhi sistem energi terbarukan. Dikenal karena efisiensinya yang tinggi, perangkat GaN dapat secara signifikan mengurangi jejak karbon pada sistem seperti panel surya dan pembangkit listrik tenaga angin, sehingga berkontribusi terhadap solusi energi yang lebih berkelanjutan dan ramah lingkungan sejalan dengan upaya pelestarian lingkungan global.
Pemain kunci dalam hal ini adalah transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT). Perangkat ini telah melayani desain konversi daya dengan baik dan akan terus melakukannya, terutama dengan aplikasi lama. Namun dalam jangka panjang, galium nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC) tingkat lanjut semikonduktor perangkat akan menjadi jalan ke depan.
Transisi ke diameter wafer yang lebih besar dalam produksi GaN dan SiC menimbulkan beberapa tantangan. Mengelola stres dan mengadaptasi teknologi yang ada untuk wafer yang lebih besar merupakan tantangan utama. Pergeseran strategis menuju pabrik berukuran 8 inci bertujuan untuk memanfaatkan keunggulan wafer yang lebih besar namun melibatkan proses pengembangan yang kompleks dan teliti, yang menggarisbawahi sifat rumit manufaktur semikonduktor di bidang material canggih seperti GaN dan SiC.
Faktor Kesenjangan Pita
GaN dan SiC termasuk dalam kelas perangkat yang disebut semikonduktor celah pita lebar. Celah pita semikonduktor didefinisikan sebagai energi, dalam elektron volt, yang dibutuhkan elektron untuk melompat dari pita valensi ke pita konduksi. Pita valensi hanyalah orbit elektron terluar dari suatu atom dari bahan tertentu yang ditempati elektron.
Perbedaan energi antara keadaan energi tertinggi pada pita valensi dan keadaan kosong terendah pada pita konduksi disebut celah pita dan merupakan indikasi konduktivitas listrik suatu bahan. Celah pita yang besar berarti dibutuhkan banyak energi untuk mengeksitasi elektron valensi ke pita konduksi. Sebaliknya, ketika pita valensi dan pita konduksi tumpang tindih seperti yang terjadi pada logam, elektron dapat dengan mudah berpindah di antara kedua pita tersebut, yang berarti bahan tersebut diklasifikasikan sebagai bahan yang sangat konduktif.
Perbedaan konduktor, isolator, dan semikonduktor dapat dilihat dari besarnya celah pitanya. Isolator dicirikan oleh celah pita yang besar, sehingga diperlukan sejumlah besar energi untuk mengeluarkan elektron dari pita valensi untuk membentuk arus. Konduktor mempunyai tumpang tindih antara pita konduksi dan pita valensi, sehingga elektron valensi pada konduktor tersebut bebas.
Namun, semikonduktor memiliki celah pita kecil yang memungkinkan sejumlah kecil elektron valensi material berpindah ke pita konduksi. Properti ini memberi mereka konduktivitas antara konduktor dan isolator, yang merupakan salah satu alasan mengapa mereka ideal untuk rangkaian, karena tidak akan menyebabkan korsleting seperti konduktor.
Perangkat GaN dan SiC telah menunjukkan potensi besar dalam meningkatkan tingkat efisiensi konversi daya dan dengan demikian menghemat sejumlah besar listrik.
Kedua teknologi ini memiliki keunggulan dibandingkan yang lain, dan jika kedua teknologi ini dipertimbangkan, sepertinya keduanya akan mendapat tempat yang berharga dalam konversi daya. Tapi apa saja perbedaannya?
Faktor Gagal Terbuka
Transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) berbasis SiC memiliki keunggulan sebagai perangkat pembuka kegagalan.
Ini berarti bahwa jika suatu rangkaian gagal, perangkat berhenti mengalirkan arus. Hal ini menghilangkan kemungkinan kegagalan dapat menyebabkan korsleting dan kemungkinan kebakaran atau ledakan. Namun, fitur yang bermanfaat dan terkadang penting ini berarti elektronnya tidak bergerak cepat, dan sayangnya hal ini meningkatkan resistensi, yang merupakan musuh utama konversi daya yang efisien.
Masukkan perangkat berbasis GaN yang memiliki mobilitas elektron tinggi. Transistor GaN berbeda karena sebagian besar arus yang mengalir melalui perangkat disebabkan oleh kecepatan elektron, bukan jumlah muatan. Ini berarti muatan harus masuk ke perangkat untuk menghidupkan atau mematikannya. Hal ini menghemat energi yang dibutuhkan untuk setiap siklus peralihan dan menghasilkan operasi konversi daya yang lebih efisien.
Namun alih-alih melihat satu teknologi tertentu sebagai pemenang, harus diingat bahwa terkadang karakteristik operasional yang berbeda dan keunggulan GaN dan SiC dapat bermanfaat dalam aplikasi tertentu.
Mari kita lihat produsen mobil dan pilihan mereka dalam mengambil keputusan lebar pita (bandgap) dibandingkan dengan desain kendaraan listrik (EV), dan khususnya, pekerjaan yang dilakukan inverter kendaraan, yang pada dasarnya adalah konversi daya.
Kendaraan listrik memerlukan inverter untuk mengubah arus DC dari baterai litium menjadi arus AC yang dapat digunakan motor listrik kendaraan. Pemasok perangkat SiC adalah pilihan Elon Musk untuk mobil Tesla-nya, dan kini produsen kendaraan Tiongkok BYD, Toyota, Hyundai, dan Mercedes pun mengikutinya.
Namun, perangkat SiC tidak memiliki keunggulan tersendiri jika dikaitkan dengan pembuat mobil.
Kecepatan peralihan yang lebih tinggi dengan GaN merupakan keuntungan besar pada inverter EV karena menggunakan peralihan keras. Hal ini meningkatkan kinerja dengan beralih secara cepat dari hidup ke mati untuk mempersingkat waktu perangkat menahan tegangan tinggi dan mengalirkan arus tinggi.
Selain inverter, EV juga biasanya memiliki pengisi daya internal, yang memungkinkan kendaraan diisi dayanya dari arus listrik dengan mengubah AC menjadi DC. Di sini sekali lagi, GaN sangat menarik.
Beberapa tantangan muncul dalam penggunaan SiC dalam aplikasi otomotif. Substrat SiC tidak murah dan menghabiskan hampir 50% biaya bahan baku untuk memproduksi perangkat tersebut. SiC pada dasarnya juga merupakan proses manufaktur dengan hasil rendah, dan wafernya transparan, sehingga memerlukan peralatan metrologi yang mahal untuk memantau prosesnya.
Pembuatan perangkat SiC lebih sulit daripada pembuatan semikonduktor berbasis Si, dan kekerasan SiC membuat proses etsa dan gerbang oksida menjadi sulit.
Dalam hal manufaktur kendaraan, produsen mobil memerlukan pasokan produk dalam jumlah besar agar jalur produksi tetap berjalan, dan di sini, pasokan SiC terbatas, yang merupakan hambatan lain dalam penerapannya di industri otomotif.
Dibandingkan dengan SiC, GaN ditanam pada substrat Si yang lebih murah. Namun, mereka memerlukan ukuran cetakan yang lebih besar untuk aplikasi arus tinggi dibandingkan dengan SiC.
Paranoia Keandalan Komponen
Penggunaan substrat Si terkadang dapat menyebabkan masalah seperti ketidakcocokan kisi dan dislokasi, yang pada gilirannya menyebabkan kebocoran arus gerbang dan keandalan yang lebih rendah, dan pembuat mobil menjadi paranoid terhadap keandalan komponen karena kegagalan operasional meningkatkan pengembalian garansi mobil dan kemudian merugikan produsen mobil. keuntungan.
Memang benar, masalah GaN ini dapat dengan mudah diatasi dengan lapisan epitaksi yang lebih besar, namun hal ini, pada gilirannya, akan meningkatkan biaya komponen secara keseluruhan, dan sekali lagi, para pembuat mobil sangat sadar akan biaya dalam hal harga komponen yang dipasok. .
Membuat perangkat semikonduktor yang sesuai untuk penggunaan otomotif selalu harus memperhatikan pertimbangan suhu, dan karena GaN ditanam pada substrat Si, konduktivitas termalnya bergantung pada kinerja substrat Si.
GaN memang memiliki keterbatasan untuk aplikasi otomotif berdaya tinggi (di atas 10 kW) dan lebih disukai untuk perangkat di bawah 600V, namun GaN memiliki potensi untuk memasuki pasar inverter dengan topologi daya multi-level. Karena produsen mobil membutuhkan daya yang semakin besar untuk fitur-fitur seperti infotainment, komunikasi cepat, kamera, dan radar, minat terhadap sistem 48V semakin meningkat. Dalam aspek ini, GaN cocok karena biayanya kompetitif.
Prospek Masa Depan di bidang Elektronika Daya
Seperti disebutkan sebelumnya, GaN memungkinkan penghematan biaya tingkat sistem. Biaya perangkat dan sistem bergantung pada biaya substrat, fabrikasi wafer, pengemasan, dan hasil keseluruhan dalam proses produksi.
SiC dan GaN melayani kebutuhan voltase, daya, dan aplikasi yang berbeda. SiC menangani level tegangan hingga 1,200V dengan kemampuan membawa arus yang tinggi. Hal ini membuatnya cocok untuk aplikasi pada inverter otomotif dan pembangkit listrik tenaga surya.
Alternatifnya, karena kemampuan peralihan pada frekuensi tinggi dan keunggulan biayanya, GaN telah menjadi perangkat pilihan bagi banyak desainer dalam aplikasi <10 kW.
Jadi, itulah beberapa perbedaan operasional antara kedua teknologi bandgap tersebut, dan menjawab pertanyaan utama tentang teknologi mana yang akan menjadi pemenang keseluruhan adalah hal yang mustahil pada tahap ini, terutama karena keduanya terus berkembang dalam hal kinerja.
Melihat ke masa depan, industri elektronika daya mengincar bahan-bahan baru seperti galium oksida (Ga2O3). Meskipun Ga2O3 memiliki potensi yang menjanjikan, penerapannya akan dilakukan secara bertahap, mengingat sifat industri yang konservatif. Penerimaan luas dan penerapan material baru ini dalam skenario berkekuatan tinggi akan bergantung pada kemampuannya dalam membangun rekam jejak yang terbukti.
Terkait GaN, ia memiliki kemampuan untuk menyediakan peralihan yang sangat cepat sekaligus beroperasi pada suhu tinggi. Ini juga memiliki keunggulan ukuran, dianggap memiliki jejak karbon yang rendah, dan sangat masuk akal dalam hal biaya produksi.
Dari perspektif SiC, pembuat perangkat ini terlihat baik-baik saja dalam hal pasar kendaraan listrik.
Menurut perusahaan konsultan McKinsey, kendaraan listrik baterai (BEV) 800V kemungkinan besar akan menggunakan inverter berbasis SiC karena efisiensinya yang tinggi, dan diperkirakan pada akhir dekade ini, BEV akan mencakup 75% kendaraan listrik. pasar.
Mengesampingkan variasi teknis antara kedua teknologi tersebut, apa pendapat para analis dan pakar tentang seberapa baik penjualan teknologi tersebut selama sisa dekade ini?
Berdasarkan rata-rata pandangan pakar industri, tampaknya SiC akan berjalan dengan baik, dan penjualan akan mencapai tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 29% dan mencapai angka global sebesar €12 miliar pada tahun 2030.
Gambaran keuangan tampak sama cerahnya untuk penjualan perangkat GaN. Meskipun angka CAGR di kalangan analis pasar cenderung memiliki variasi yang lebih luas, angka rata-rata keseluruhannya mencapai 26%, dan penjualan akan mencapai sekitar €10 miliar pada tahun 2030.
Jadi, dalam hal kompetensi teknis, keserbagunaan aplikasi, dan kemampuan untuk menghasilkan banyak uang bagi perusahaan semikonduktor, tidak banyak yang bisa membedakan GaN dan Sic, jadi mungkin jika pada akhirnya ingin menjadi pemenang perlombaan celah pita, maka hal tersebut akan terjadi. bergantung pada siapa di antara mereka yang dapat mendemonstrasikan teknologi yang paling disruptif.