सिलिकॉन कार्बाइड: स्वच्छ ऊर्जा क्रांति को शक्ति देने वाला पदार्थ

सिलिकॉन युग में सिलिकॉन कार्बाइड का उदय

दूर भविष्य में इतिहासकार हमारे युग को सिलिकॉन युग कह सकते हैं। पहली नज़र में इसकी वजह कंप्यूटर, स्मार्टफोन, घरेलू उपकरणों और शायद भविष्य में हमारे मस्तिष्क तक में मौजूद सिलिकॉन चिप.

लेकिन साधारण रेत में प्रचुर मात्रा में मिलने वाले सिलिकॉन का यही एकमात्र उपयोग नहीं है। पॉलीसिलिकॉन अधिकांश सौर पैनलों का मूल घटक है, जो हमें सौर ऊर्जा आधारित अर्थव्यवस्था के करीब ला रहे हैं.

सिलिकॉन आधारित एक अन्य पदार्थ भी उतना ही महत्वपूर्ण होता जा रहा है, हालांकि निवेशकों और आम लोगों में इसकी जानकारी कम है: सिलिकॉन कार्बाइड।

सिलिकॉन और कार्बन का यह यौगिक कुछ प्रमुख गुणों में शुद्ध सिलिकॉन से बेहतर है:

• लगभग 10 गुना अधिक विद्युत-क्षेत्र सहनशीलता, जिससे यह बहुत बड़े विद्युत भार संभाल सकता है।
  • इस कारण सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण छोटे बनाए जा सकते हैं और अधिक तेज़ी से स्विच कर सकते हैं।
• सामान्य सिलिकॉन की तुलना में लगभग तीन गुना तापीय चालकता, जिससे उच्च शक्ति पर गर्मी तेज़ी से बाहर निकलती है।
• कम ऊर्जा हानि से दक्षता बढ़ती है और अवांछित गर्मी कम पैदा होती है।

इन गुणों के कारण सिलिकॉन कार्बाइड सौर इन्वर्टर, इलेक्ट्रिक वाहन और औद्योगिक बिजली आपूर्ति जैसे उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण बन गया है।

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सिलिकॉन कार्बाइड, जिसे कार्बोरंडम या SiC भी कहा जाता है, कुछ उल्कापिंडों में प्राकृतिक रूप से मिलता है, लेकिन पृथ्वी पर प्राकृतिक अवस्था में अत्यंत दुर्लभ है।

स्रोत: Global IMI

इस पदार्थ के 200 से अधिक क्रिस्टलीय पॉलीटाइप हो सकते हैं और प्रत्येक के रासायनिक व भौतिक गुण थोड़े अलग होते हैं।

स्रोत: MRF

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए महत्वपूर्ण विद्युत-क्षेत्र सहनशीलता, बैंडगैप और तापीय चालकता जैसे कई मानकों पर सिलिकॉन कार्बाइड, सिलिकॉन से बेहतर प्रदर्शन करता है।

स्रोत: MRF

सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादन

सिलिकॉन कार्बाइड का थोक उत्पादन अपेक्षाकृत सरल है। इलेक्ट्रिक बैच फर्नेस नामक विधि का पहला पेटेंट 1893 में हुआ था। इसमें सिलिका यानी रेत और कार्बन यानी कोकिंग कोयले के मिश्रण को सामान्यतः 1,600–2,500 °C तक गर्म किया जाता है।

इस उत्पादन प्रक्रिया में नाइट्रोजन और एल्युमिनियम आम अशुद्धियाँ हैं और वे SiC के विद्युत गुणों को प्रभावित करती हैं।

अधिक शुद्धता वाले इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए फिजिकल वेपर ट्रांसपोर्ट (PVT), केमिकल वेपर डिपोज़िशन (CVD) और लिक्विड फेज़ एपिटैक्सी (LPE) जैसी वैकल्पिक विधियाँ इस्तेमाल होती हैं।

इन विधियों में सिलिकॉन कार्बाइड को पहुँचाने और बढ़ाने का तरीका अलग होता है, लेकिन सभी में पहले एक बीज क्रिस्टल बनाकर उसे बड़ा किया जाता है। बड़े क्रिस्टल को बाद में अत्यंत पतली SiC वेफर में काटा जाता है, जैसे इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सिलिकॉन वेफर बनाए जाते हैं।

स्रोत: MRF

कुल मिलाकर सिलिकॉन कार्बाइड की उत्पादन प्रक्रिया और आपूर्ति शृंखला, CVD और वेफर प्रसंस्करण जैसे चरणों के कारण सिलिकॉन उद्योग से मिलती-जुलती है।

पदार्थ के 200 से अधिक क्रिस्टलीय पॉलीटाइप संभव होने के कारण बड़े पैमाने के उत्पादन की प्रक्रिया को सावधानी से परखना और समायोजित करना पड़ता है। इन प्रक्रियाओं की जानकारी प्रायः कंपनियों की स्वामित्व वाली होती है, इसलिए नई SiC उत्पादन लाइन के शुरुआती चरण में पर्याप्त अनुसंधान और विकास आवश्यक है।

वैश्विक सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादन का लगभग आधा हिस्सा चीन में है और 2023 से 2027 के बीच उत्पादन क्षमता लगभग चार गुना होने का अनुमान है।

स्रोत: McKinsey

सिलिकॉन कार्बाइड बाजार

2024 में सिलिकॉन कार्बाइड का बाज़ार लगभग 4.2 अरब डॉलर का और अपेक्षाकृत छोटा था। हालांकि इसके 34.5% चक्रवृद्धि वार्षिक दर से बढ़कर 2034 तक 80.2 अरब डॉलर तक पहुँचने का अनुमान है.

स्रोत: Markets & Markets

अधिकांश वृद्धि पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और SiC मॉड्यूल से आने की उम्मीद है, जिससे कुल मांग बढ़ेगी।

बाज़ार को धात्विक अशुद्धियों वाले ब्लैक सिलिकॉन कार्बाइड और अधिक शुद्ध ग्रीन सिलिकॉन कार्बाइड में बाँटा जा सकता है।

ब्लैक सिलिकॉन कार्बाइड मुख्यतः कम लागत वाले घर्षक पदार्थों में इस्तेमाल होता है, जबकि ग्रीन SiC और सीधे उगाए गए क्रिस्टल उच्च-प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के कच्चे माल हैं।

स्रोत: Global Market Insights

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में इलेक्ट्रिक वाहन तथा हाइब्रिड और फ्यूल-सेल जैसे अन्य कम-उत्सर्जन वाहन SiC की बढ़ती मांग के प्रमुख स्रोत बन सकते हैं।

स्रोत: McKinsey

सिलिकॉन कार्बाइड अनुप्रयोग

इलेक्ट्रिक वाहनों में सिलिकॉन कार्बाइड

आने वाले दशक में सिलिकॉन कार्बाइड का सबसे महत्वपूर्ण उपयोग पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में होने की उम्मीद है, जहाँ इसके गुण विशेष लाभ देते हैं।

इस श्रेणी का सबसे बड़ा हिस्सा इलेक्ट्रिक वाहन हैं, जिनके लगभग 31% वार्षिक दर से बढ़ने का अनुमान है। SiC का उपयोग पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, नियंत्रकों, बैटरी निगरानी प्रणालियों और वाहन तथा चार्जिंग स्टेशन के चार्जर में होता है।

स्रोत: EV Mechanica

2023 में एक अध्ययन ने दिखाया कि सिलिकॉन-कार्बाइड इन्वर्टर इलेक्ट्रिक वाहन की दूरी 7% से अधिक बढ़ा सकता है। इसके बाद से कई नए इलेक्ट्रिक वाहन डिज़ाइनों में अधिक SiC घटक शामिल किए जा रहे हैं।

यदि ट्रकों जैसे भारी वाहनों का विद्युतीकरण तेज़ होता है, तो इलेक्ट्रिक वाहन क्षेत्र से SiC की मांग मौजूदा अनुमानों से भी अधिक हो सकती है, क्योंकि उन्हें अधिक शक्तिशाली चार्जिंग प्रणालियाँ और बड़े बैटरी पैक चाहिए होंगे।

सिलिकॉन कार्बाइड उच्च-शक्ति वाले तेज़ चार्जर में भी महत्वपूर्ण है, जिनका लक्ष्य चार्जिंग समय को कुछ मिनटों तक घटाना है।

कम तापीय तनाव और अधिक स्थिर बिजली आपूर्ति बैटरी का जीवन बढ़ाने में भी मदद कर सकती है।

हरित ऊर्जा और सौर में सिलिकॉन कार्बाइड की भूमिका

सौर ऊर्जा के SiC आधारित इन्वर्टर 99% तक दक्षता प्राप्त कर सकते हैं, जबकि पारंपरिक सिलिकॉन आधारित इन्वर्टर सामान्यतः 96–98% तक पहुँचते हैं। यह छोटा अंतर भी सौर संयंत्र के पूरे जीवनकाल में पर्याप्त अतिरिक्त ऊर्जा दे सकता है।

सिलिकॉन कार्बाइड गर्मी के प्रति भी अधिक सहनशील है; यह 300 °C तक तापमान सह सकता है, जबकि सिलिकॉन उपकरण सामान्यतः लगभग 150 °C तक सीमित रहते हैं और लगभग 10 गुना अधिक विद्युत क्षेत्र सह सकता है।

कुल मिलाकर SiC इन्वर्टर अधिक दक्ष, टिकाऊ और छोटे हो सकते हैं; लागत का लाभ डिज़ाइन और उत्पादन पैमाने पर निर्भर करता है।

सिलिकॉन कार्बाइड के अन्य हाई‑टेक उपयोग

रोबोटिक्स में भी सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग बढ़ रहा है। इसकी उच्च शक्ति घनत्व के कारण मोटर ड्राइव को छोटा करके सीधे जोड़ के पास रखा जा सकता है, जिससे जटिलता और केबल की आवश्यकता घटती है।

स्रोत: Arrow

डेटा केंद्रों में भी SiC घटकों का महत्व बढ़ रहा है, क्योंकि अधिक शक्तिशाली चिप और AI कार्यभार कुशल बिजली आपूर्ति तथा नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स की मांग बढ़ाते हैं।

1907 में सिलिकॉन-कार्बाइड क्रिस्टल का उपयोग ठोस अवस्था में प्रकाश उत्सर्जन के शुरुआती प्रदर्शनों में हुआ था। 1970 और 1980 के दशकों में पश्चिमी देशों और सोवियत संघ में SiC LED का बड़े पैमाने पर उत्पादन हुआ, लेकिन बाद में अधिक चमकीले गैलियम-नाइट्राइड LED ने उनकी जगह ले ली।

फिर भी SiC का उपयोग LED में गैलियम नाइट्राइड जमा करने के सब्सट्रेट और उच्च-शक्ति LED से गर्मी निकालने वाले पदार्थ के रूप में होता है।

अब्रासिव्स

SiC बहुत कठोर पदार्थ है, इसलिए इसका उपयोग ग्राइंडिंग व्हील, सैंडपेपर और धातु व सिरेमिक घिसने वाले अन्य उत्पादों में घर्षक के रूप में होता है। इन उपयोगों में आमतौर पर कम लागत वाला और अधिक अशुद्धियों वाला ब्लैक SiC लिया जाता है।

उच्च श्रेणी के SiC का उपयोग काटने वाले औज़ारों में किया जाता है, जहाँ इसकी कठोरता और बेहतर यांत्रिक गुण उपयोगी होते हैं।

सुरक्षात्मक सामग्री

कठोरता और ताप सहनशीलता का संयोजन SiC को अन्य क्षेत्रों में भी उपयोगी बनाता है। इसे सामान्यतः सिंटर करके कठोर सिरेमिक बनाया जाता है।

इसका एक उपयोग सिरेमिक बैलिस्टिक प्लेट बनाने में है, विशेषकर व्यक्तिगत शरीर कवच में; रिपोर्टों के अनुसार इस बाज़ार में SiC की हिस्सेदारी लगभग 27% है; इसका उपयोग हेलीकॉप्टर कवच में भी होता है।

इन कठोर सिरेमिक का उपयोग वाहनों के ब्रेक और क्लच में भी किया जाता है।

सिलिकॉन-कार्बाइड सिरेमिक का उपयोग एयरोस्पेस में भी होता है, उदाहरण के लिए बाहरी ताप-सुरक्षा परत में NASA के LOFTID फुलाए जाने वाले ताप कवच में।

अंतरिक्ष से जुड़ा एक अन्य उपयोग खगोलीय दूरबीनों में है। रासायनिक वाष्प निक्षेपण से दूरबीन दर्पणों के लिए बड़े SiC डिस्क बनाए जा सकते हैं। इसका कम तापीय प्रसार अत्यंत सटीक दूरबीन तंत्र के ढाँचे में भी उपयोगी है।

रासायनिक उत्प्रेरण

अपने इलेक्ट्रॉनिक गुणों के कारण सिलिकॉन कार्बाइड नए प्रकार के विद्युत उत्प्रेरण के लिए संभावित पदार्थ है। शोध अक्सर क्यूबिक सिलिकॉन कार्बाइड पर केंद्रित होता है, जो अधिक सक्रिय सतह क्षेत्र उपलब्ध करा सकता है।

उदाहरण के लिए हाल के शोध में इसे हाइड्रोजन के बेहतर प्रकाश उत्प्रेरण, यानी सूर्य के प्रकाश से पानी को सीधे विभाजित करने, का आशाजनक पदार्थ पाया गया है.

क्यूबिक सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग हाइड्रोकार्बन के ऑक्सीकरण में उत्प्रेरक आधार के रूप में भी किया जा सकता है।

अंत में, सिलिकॉन कार्बाइड पर ग्राफीन अर्धचालक उगाए जा सकते हैं।

न्यूक्लियर ऊर्जा

सिलिकॉन कार्बाइड विकिरण और उच्च तापमान के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी है, इसलिए इसे परमाणु ईंधन आवरण और परमाणु अपशिष्ट रोकने वाले पदार्थों में उपयोग किया जा सकता है।

SiC सेंसर का उपयोग परमाणु प्रतिष्ठानों तथा पर्यावरणीय और चिकित्सीय विकिरण पहचान प्रणालियों में विकिरण स्तर की निगरानी के लिए होता है।

विकिरण और तापमान परिवर्तन के प्रति SiC की सहनशीलता के कारण अंतरिक्ष आधारित परमाणु रिएक्टरों के विकास में इसकी रुचि है; चंद्रमा और संभवतः मंगल अड्डों के लिए NASA तथा अन्य देशों की योजनाएँ इस क्षेत्र के शोध को बढ़ा रही हैं.

ज्वेलरी

कार्बन युक्त होने के कारण SiC में हीरे जैसी कुछ दृश्य विशेषताएँ होती हैं। आभूषणों में इसे कृत्रिम मोइसानाइट कहा जाता है और गैर-विशेषज्ञ इसे हीरा समझ सकते हैं।

स्रोत: MRF

SiC के साथ दुर्लभ‑धातु जोखिमों को कम करना

व्यापार युद्ध, शुल्क और प्रतिबंध अमेरिका-चीन व्यापार संबंधों को बाधित कर रहे हैं, जिससे वाहन उद्योग को चीन से आने वाले दुर्लभ-मृदा पदार्थों की गंभीर कमी का सामना करना पड़ रहा है; उदाहरण के लिए Ford ने इसी कारण एक कारखाने में उत्पादन रोका.

“स्थिति हर दिन बदलती है। हमें कारखाने बंद करने पड़े हैं। अभी आपूर्ति केवल तत्काल ज़रूरत भर की है।”

जिम फार्ले — Ford के CEO

सिलिकॉन कार्बाइड की कुशल पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अलग से उत्तेजित सिंक्रोनस मोटर को सक्षम कर सकती है, जिससे दुर्लभ-मृदा तत्वों वाले स्थायी चुंबकों की आवश्यकता घट सकती है।

यदि इलेक्ट्रिक वाहन आपूर्ति शृंखला गंभीर रूप से बाधित होती है तो SiC कंपनियाँ प्रभावित हो सकती हैं। दूसरी ओर, चीन की दुर्लभ-मृदा आपूर्ति पर निर्भरता घटाने के लिए नए वाहनों में SiC पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग बढ़ सकता है।

निष्कर्ष

सिलिकॉन कार्बाइड नया पदार्थ नहीं है; नई बात इसके उत्कृष्ट विद्युत गुणों वाले अत्यंत शुद्ध और छोटे इलेक्ट्रॉनिक घटकों का बड़े पैमाने पर उत्पादन है।

इससे कई नए उपयोग संभव हुए हैं और SiC तेज़ी से बढ़ते उद्योगों, विशेषकर इलेक्ट्रिक वाहन और सौर ऊर्जा में पुराने सिलिकॉन आधारित विकल्पों की जगह ले रहा है।

जैसे-जैसे उद्योग और परिवहन का विद्युतीकरण बढ़ेगा, उच्च-शक्ति चार्जर, इन्वर्टर और नियंत्रकों के लिए सिलिकॉन कार्बाइड की मांग बढ़ सकती है।

SiC का बड़े पैमाने पर उत्पादन और बेहतर प्रक्रियाएँ इसकी लागत घटा सकती हैं। इससे कवच, ताप कवच, एयरोस्पेस और औज़ारों में इसका उपयोग अधिक व्यापक हो सकता है।

नए संभावित उपयोग भी सामने आ रहे हैं, जिनमें कम-उत्सर्जन हाइड्रोजन उत्पादन में सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग शामिल है।

कुल मिलाकर सिलिकॉन कार्बाइड भविष्य में आम लोगों के बीच अधिक परिचित पदार्थ बन सकता है। अगले दशक में तेज़ वृद्धि की उम्मीद के कारण निवेशक अर्धचालक उद्योग के इस छोटे लेकिन बढ़ते क्षेत्र पर नज़र रख सकते हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड कंपनियां

ON Semi

ON Semiconductor विद्युतीकरण पर केंद्रित अर्धचालक कंपनी है, जिसके उपयोग वाहन, सौर ऊर्जा, बैटरी, एयरोस्पेस, दूरसंचार, डेटा केंद्र और चिकित्सा क्षेत्रों में हैं.

इस कारण यह दुनिया की कई बड़ी औद्योगिक कंपनियों की महत्वपूर्ण आपूर्तिकर्ता है।

स्रोत: ON Semi

ON Semiconductor की तकनीकी बढ़त का बड़ा हिस्सा सिलिकॉन कार्बाइड, पर आधारित है, विशेषकर इलेक्ट्रिक वाहनों की तेज़ चार्जिंग में आवश्यक अत्यधिक शक्ति भार के लिए।

सिलिकॉन कार्बाइड में कंपनी के बड़े निवेश और इलेक्ट्रिक वाहन बाज़ार की वृद्धि ने पिछले कुछ वर्षों में उसके राजस्व को बढ़ाने में मदद की।

स्रोत: ON Semi

कंपनी का सेंसर पोर्टफोलियो ऊर्जा दक्षता और कम रोशनी में बेहतर प्रदर्शन पर केंद्रित है, जो उन्नत चालक सहायता और स्वचालित वाहनों के लिए महत्वपूर्ण है।

ON Semiconductor के SiC उत्पाद विभिन्न आकार के सौर संयंत्रों और डेटा केंद्रों में उपयोग होते हैं। कंपनी अल्ट्रासोनिक, विद्युत-रासायनिक और धातु-वस्तु पहचान सेंसर भी बनाती है।

विद्युतीकरण के विस्तार के साथ ON Semiconductor की वैश्विक SiC आय में लगभग 10% हिस्सेदारी है। यह उत्तरी अमेरिका की प्रमुख उत्पादक कंपनियों में है और यूरोप की Infineon (IFNNY) तथा व्यापक अर्धचालक पोर्टफोलियो वाली STMicroelectronics (STM ) से प्रतिस्पर्धा करती है।

स्रोत: McKinsey

पश्चिमी आपूर्ति शृंखलाओं के चीन से दूर उत्पादन स्थानांतरित करने पर ON Semiconductor को इलेक्ट्रिक वाहन और कम-कार्बन ऊर्जा के विद्युतीकरण से लाभ हो सकता है। फिर भी अर्धचालक मांग का चक्रीय स्वभाव और कड़ी प्रतिस्पर्धा निवेश जोखिम हैं।

(इस कंपनी का विस्तृत विश्लेषण इस लेख में भी पढ़ा जा सकता है: “ON Semiconductor (ON): विद्युतीकरण को शक्ति देता सिलिकॉन कार्बाइड”.)

Aehr सिलिकॉन-कार्बाइड अर्धचालकों के परीक्षण उपकरण में विशेषज्ञता रखने वाली कंपनी है।

कंपनी सिलिकॉन-कार्बाइड वेफर जाँचने वाले उपकरण बनाती है। इससे उसकी इलेक्ट्रिक वाहन, स्मार्टफोन, कंप्यूटर चिप और फोटोनिक्स तथा दूरसंचार बाज़ारों में अप्रत्यक्ष उपस्थिति है।

स्रोत: Aehr

इस तरह Aehr आपूर्ति शृंखला के एक संकीर्ण और तकनीकी हिस्से की महत्वपूर्ण आपूर्तिकर्ता है। कंपनी का कहना है कि वह “सिलिकॉन-कार्बाइड पावर अर्धचालकों के एक महत्वपूर्ण विनिर्माण चरण के लिए उद्योग मानक बनने की राह पर है”।

Aehr उच्च-शक्ति उपयोगों, जैसे फोटोवोल्टिक इन्वर्टर, के लिए गैलियम-नाइट्राइड बर्न-इन परीक्षण बाज़ार भी विकसित कर रही है। इस तरह कंपनी सिलिकॉन आधारित पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के दो विकल्पों में उपस्थित है।

इससे Aehr को अर्धचालक और उत्पादन उपकरण उद्योग के विविध ग्राहक मिलते हैं, जिनमें TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ), और Bosch शामिल हैं।

स्रोत: Aehr

कंपनी सिलिकॉन फोटोनिक्स जैसे उभरते अर्धचालक क्षेत्रों से लाभ उठा सकती है।

Aehr इलेक्ट्रिक वाहन आपूर्ति शृंखला के SiC पावर इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र के भीतर छोटे लेकिन महत्वपूर्ण SiC परीक्षण क्षेत्र में है। इसलिए बैटरी तकनीक या चार्जिंग प्लग मानक बदलने पर भी उसे इलेक्ट्रिक वाहन उत्पादन बढ़ने से लाभ हो सकता है।

2023 में इलेक्ट्रिक वाहन शेयरों के उत्साह के दौरान तेज़ उछाल के बाद कंपनी का मूल्यांकन नीचे आया है। Aehr SiC क्षेत्र में अप्रत्यक्ष निवेश विकल्प हो सकती है, लेकिन ग्राहक संकेंद्रण और चक्रीय पूंजीगत खर्च महत्वपूर्ण जोखिम हैं।