आईआईएससी के शोधकर्ताओं ने एक पूर्णतया स्वदेशी गैलियम नाइट्राइड (GaN) पावर स्विच विकसित किया है, जिसका उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों और लैपटॉप के लिए पावर कन्वर्टर्स जैसी प्रणालियों के साथ-साथ वायरलेस संचार में भी किया जा सकता है। स्विच के निर्माण की पूरी प्रक्रिया – सामग्री विकास से लेकर उपकरण निर्माण और पैकेजिंग तक – नैनो विज्ञान और इंजीनियरिंग केंद्र (CeNSE) में ही विकसित की गई थी।
अपने उच्च प्रदर्शन और दक्षता के कारण, GaN ट्रांजिस्टर कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बिल्डिंग ब्लॉक के रूप में पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित ट्रांजिस्टर को बदलने के लिए तैयार हैं, जैसे कि इलेक्ट्रिक वाहनों, फोन और लैपटॉप के लिए अल्ट्राफास्ट चार्जर, साथ ही रडार जैसे अंतरिक्ष और सैन्य अनुप्रयोग ।
CeNSE के एसोसिएट प्रोफेसर और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरिंग में प्रकाशित अध्ययन के संवाददाता लेखक दिग्बिजय नाथ कहते हैं, “यह एक बहुत ही आशाजनक और विघटनकारी तकनीक है।” “लेकिन सामग्री और उपकरणों के आयात पर बहुत अधिक प्रतिबंध हैं… हमारे पास भारत में अभी तक व्यावसायिक स्तर पर गैलियम नाइट्राइड वेफर उत्पादन की क्षमता नहीं है।” उन्होंने आगे कहा कि इन उपकरणों के निर्माण की जानकारी भी बहुत गुप्त रखी गई है और इसमें शामिल प्रक्रियाओं के विवरण पर बहुत कम अध्ययन प्रकाशित हुए हैं।
पावर स्विच का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को चालू या बंद करने के लिए बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। GaN पावर स्विच को डिजाइन करने के लिए, IISc टीम ने CeNSE के प्रोफेसर और अध्यक्ष श्रीनिवासन राघवन की प्रयोगशाला में शोधकर्ताओं द्वारा एक दशक से अधिक समय में विकसित और अनुकूलित एक धातु कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव तकनीक का उपयोग किया। इसमें बहु-स्तरित ट्रांजिस्टर बनाने के लिए दो इंच के सिलिकॉन वेफर पर परत दर परत GaN मिश्र धातु क्रिस्टल को बढ़ाना शामिल है। पूरी प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक स्वच्छ कमरे में पूरा किया जाना चाहिए, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि आर्द्रता या तापमान जैसी पर्यावरणीय स्थितियों के कारण कोई खराबी उत्पन्न न हो, जो उपकरण के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है। टीम ने इन ट्रांजिस्टरों का उपयोग करके विद्युत सर्किट बनाने और उनके स्विचिंग प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग विभाग (ईई) के एसोसिएट प्रोफेसर कौशिक बसु और उनकी प्रयोगशाला की भी मदद ली।
GaN ट्रांजिस्टर आमतौर पर “डिप्लेशन मोड” में काम करते हैं – वे हर समय चालू रहते हैं जब तक कि उन्हें बंद करने के लिए ऋणात्मक वोल्टेज लागू नहीं किया जाता है। लेकिन चार्जर और एडेप्टर में उपयोग किए जाने वाले पावर स्विच को दूसरे तरीके से काम करने की आवश्यकता होती है – उन्हें सामान्य रूप से बंद होने और करंट नहीं ले जाने की आवश्यकता होती है, और केवल तभी चालू होना चाहिए जब एक धनात्मक वोल्टेज प्रयुक्त होता है (“एन्हांसमेंट मोड”)। इस ऑपरेशन को पूरा करने के लिए, टीम ने डिवाइस को सामान्य रूप से बंद रखने के लिए GaN ट्रांजिस्टर को व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सिलिकॉन ट्रांजिस्टर के साथ संयोजित किया।
सीईएनएसई में पीएचडी छात्र और अध्ययन के पहले लेखक रिजो बेबी बताते हैं, “डिवाइस की पैकेजिंग भी स्वदेशी रूप से विकसित की गई थी।” पैकेजिंग और परीक्षण के बाद, टीम ने पाया कि डिवाइस का प्रदर्शन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अत्याधुनिक स्विच के बराबर है, जिसमें चालू और बंद संचालन के बीच लगभग 50 नैनोसेकंड का स्विचिंग समय है।
आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ता डिवाइस के आयामों को बढ़ाने की योजना बना रहे हैं ताकि यह उच्च धाराओं पर काम कर सके। वे एक पावर कन्वर्टर डिजाइन करने की भी योजना बना रहे हैं जो वोल्टेज को बढ़ा या घटा सकता है।
नाथ कहते हैं, “अगर आप भारत में रणनीतिक संगठनों को देखें, तो उन्हें GaN ट्रांजिस्टर खरीदने में मुश्किल होती है… एक निश्चित मात्रा या पावर/फ़्रीक्वेंसी रेटिंग से ज़्यादा उन्हें आयात करना असंभव है।” “यह अनिवार्य रूप से स्वदेशी GaN प्रौद्योगिकी विकास का प्रदर्शन है।”
