Enerji Günlüğü - (Sabiha KÖTEK - ÖZEL) İnsanoğlu silikon tabanlı çiplerden faydalanmanın sınırına dayandı. Sınırı aşmak için çalışmalar ise hızlandı. GaN olarak nitelendirilen Galyum Nitrat, enerji, bilişim ve otomotiv başta olmak üzere temel endüstrilerde oyunun yeni baştan kurulmasına yol açacak.
Küresel enerji ihtiyacı artmaya devam ediyor. 2040 yılında dünyadaki toplam elektrik talebinin bugünküne oranla yüzde 40 artması bekleniyor. Bu çerçevede insanoğlu elektriğe giderek daha bağımlı hale geliyor. Elektrik, elektriğin dönüşümü ve dağıtımı için kullanılan yarı iletken cihazlara odaklanan güç elektroniği ise elektrik üretimi ve tüketiciler arasında anahtar teknoloji konumunda.
SİLİKON TEKNOLOJİSİ ÜST SINIRA DAYANDI
Güç aygıtları ve modülleri üretiminde geleneksel olarak kullanılan yarı iletken olan Silikon (Si), son 40 yıldır mikroelektronik aygıtlar pazarını domine ediyor. Bununla birlikte, mevcut silikon güç aygıtları, temel malzeme sınırları tarafından dayatılan en yüksek performanslarına neredeyse ulaştılar. Dahası, günümüzde enerjinin yüzde 54'ü üretim sürecinde katı hal silikon temelli çiplerde israf oluyor. Açıkçası, tüm bu kısıtlamaları aşabilmek için yeni nesil elektronik cihazların elektrik israfını azaltacak ve enerjinin daha verimli kullanımını sağlayacak yeni materyallere ve teknolojilere ihtiyacı var. İşte bu kısıtları ortadan kaldırmaya yönelik çalışmalar konusunda bilim ve iş dünyası işbirliği giderek artıyor. Hatta devletler düzeyinde ve uluslararası ölçekte bu alandaki çalışmalar destekleniyor.
HERKES SİHİRLİ MALZEMENİN PEŞİNDE
Elektronik cihazlarda dikkate değer gelişmelere yol açabilecek en popüler Geniş Bant Aralığı (WBG) materyalleri Silikon Karbid (SiC) ve Galyum Nitrat (GaN). Son yirmi yılda dünyadaki bazı endüstriler, üniversiteler ve araştırma merkezleri yüksek güç ve yüksek frekanslı cihazlar için çabalarını bu iki teknolojide yoğunlaştırdılar. Ve İsviçre’deki CERN laboratuvarı kadar ünlü olmasa da, bu konuda da dünyanın çeşitli ülkelerinde bazı merkezler oluştu.
GaN’IN MERKEZ ÜSSÜ SİCİLYA ADASI
Bunlardan biri de İtalya'nın Sicilya Adasındaki Katanya şehrinde bulunan İtalya Ulusal Araştırma Konseyi Mikroelektronikler ve Mikrasistemler Enstitüsü (CNR-IMM). CNR-IMM Katanya Merkez Bürosu güç elektronik aplikasyonları cihazları geliştirme ve Geniş Bant Aralığı (WBG) materyalleri konusunda uluslararası arenada deneyime sahip bir merkez olarak kabul ediliyor. Enerji Günlüğü olarak, bu bürodaki yetkililerle, çalışmaları ve hedefleri konusunda konuştuk. Merkezdeki çalışmalar, temel cihazların yapı taşlarının geliştirilmesi ve karakterizasyondan entegrasyona ve cihaz davranışına etkisine uzanan cihazlarla ilgili temel yönlere odaklanıyor.
ELEKTRONLARA HIZ, ENERJİ KAYBINA DARBE
CNR-IMM araştırmacılarından Dr. Giuseppe Greco, Enerji Günlüğü'ne yaptığı değerlendirmede, AlGaN/GaN heteroyapıların büyüleyici özelliğinin iki boyutlu elektron gazı (2DEG) varlığı olduğuna vurgu yaptı. Greco’nun verdiği bilgilere göre, bu gaz bugünkülere göre çok daha yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörlerin üretimini mümkün kılıyor. 2010 yılından bu yana GaN çalışmaları içinde yer alan Greco, "GaN'nın geniş bant aralığı ve yüksek elektrik alan gücü düşük dirençli kayıplarla yüksek voltajlarda çalışmayı mümkün kılarken, özellikle 2DEG'nin yüksek mobilitesi, cihazların yüksek frekanslarda çalışmasına imkan veriyor. Bu nedenle GaN transistörleri, gelişmiş bir enerji verimliliği ile gelecekteki geniş RF-güç uygulamalarını güvenceye alacak mükemmel adaylardır" dedi.
ÖLÇEKLEME SORUNUNU AŞMAK GEREK
Bununla birlikte Greco, mevcut bir yanal geometriye sahip GaN aygıtlarının mükemmel bir performansa sahip olmakla birlikte, bu geometrik şekle sahip güç aygıtlarının yüzey etkileri sorunu yaşadığını ve yüksek akım değerleri için zor ölçeklenebildiklerini de kaydetti. Greco, "Dolayısıyla, önümüzdeki yıllarda, dikey cihazlar için dökme GaN temelli yeni materyal ve cihaz teknolojilerini etkinleştirmek için ek araştırmalara ihtiyaç duyulacak" dedi.
BU BİR FANTEZİ DEĞİL, HALEN KULLANILIYOR
Aslında GaN tabanlı teknolojiler sadece araştırma safhasında bilim-kurgu tarzı bir fanteziden ibaret değil. Uygulamaya geçtiği alanlar var. Otomotiv, savunma, bilgi ve iletişim teknolojileri, askeri teknoloji, havacılık ve enerji dağıtım sistemleri gibi alanlarda önemli ölçüde kullanılıyor. Ayrıca radyo frekansı cihazları ile ışık yayan diyotlarda (LED) ve güç elektroniği cihazlarında yaygın şekilde kullanılıyor.
GaN TABANLI CİHAZ PAZARI 25 KAT BÜYÜYECEK
Ve analistlerin tahminlerine göre, GaN tabanlı ekipman pazarı 2020 yılına kadar, güç kaynakları, otomotiv ve fotovoltaik başta olmak üzere pek çok alanda bugünküne oranla 25 kat büyüyecek. Araştırma Grubu’nun lideri Dr. Fabrizio Roccaforte ise GaN materyalleri ve teknolojisinde son on yılda önemli gelişmeler kaydedildiğine dikkat çekerek, "Bununla beraber, hala sadece teknolojik iyileştirmeyle açıklığa kavuşturulamayacak olan ve dikkatlice yürütülecek bazı temel fizik araştırmalarına ihtiyaç duyan, net olmayan pek çok fenomen var. İşte bunlar da 2004 yılından bu yana araştırma grubumuzu motive eden temel faktör" ifadesini kullandı.
ÇIĞIR AÇAR, GELECEĞİ ŞEKİLLENDİRİR
Dünyadaki birçok araştırma merkezinde daha yetenekli, daha verimli SiC ve GaN tabanlı cihazların geliştirilmesinin, yepyeni bir güç elektroniği çağının kapılarını aralayacağına kesin gözüyle bakılıyor. Çünkü bu cihazlar elektrik tüketimini azaltma, cihazların boyut ve ağırlığını azaltmanın yanında verimliliği de önemli ölçüde arttırarak elektronik sistemlerin performanslarını yükseltiyor. Ve bu cihazlar ile yenilenebilir enerji, elektrikli araçlar benzeri birçok alanda çok büyük miktarlarda enerji tasarrufu yapılabilecek. Bunun dünya genelinde yılda 9 milyon evin elektrik ihtiyacını karşılayacak miktarda olacağı tahmin ediliyor. Ve bu muazzam büyüklükteki enerji tasarrufu yakın zamanda elektronik cihazlarda silikon yerine genişbant aralıklı yarı iletkenlerin kullanılmasını engelleyen maliyet ve güvenilirlik engellerinin aşılmasıyla mümkün hale gelecek.
ENERJİ TALEP ARTIŞINI KARŞILAR
Geniş Bant Aralığı (WBG) teknolojisine dayalı yarı iletkenler, modern güç ekipmanlarının daha yüksek performans ihtiyaçlarını karşılayarak yüksek voltajlarda ve ısılarda çalışmalarını ve silikona göre daha yüksek verimlilikle daha yüksek frekanslarda çalışmalarını sağlayacak özelliklere sahipler. Dahası, WBG tabanlı güç cihazları, daha küçük pasif parça malzemeler kullanılarak daha küçük boyutlarda üretilebilir ve hantal soğutucu sistemlere de ihtiyaç göstermez. İşte tüm bu faktörlerin, pek çok alanda sistem maliyetlerinin azalmasına yol açacağı da kesin. Enerjinin üretimi, iletimi, dağıtımı ve belki hepsinden de önemlisi, kullanımı sırasında yaşanan kayıpların azalmasının, ilgili sektörlerde yol açabileceği zincirleme etkileri hayal etmesi bile güç. Her şeyden önce, insanoğlunun gelecekte ortaya çıkacak ilave enerji talebinin bir kısmının aslında daha şimdiden, WBG tabanlı teknoloji ve ürünleriyle karşılandığını düşünmek mümkün.
LED PAZARINDAKİ PAYI ÜÇ YILDA BEŞTE BİRE ULAŞIR
Doğada hazır halde bulunmayan ve kısaca GaN olarak adlandırılan Galyum Nitrat, karmaşık süreçler sonunda elde ediliyor. GaN, özellikle yüksek dayanıklılık isteyen elektrikli otomobiller, güneşten elektrik üreten fotovoltaik paneller, otomobil aydınlatma ekipmanları, uydular, hızlı trenler, enerji nakil hatları, askeri radarlar vs. endüstriyel alanlardaki cihazlarda kullanım için şekillendiriliyor. Uzmanlar, Galyum Nitrat’ın 2020 yılı itibariyle LED aydınlatma pazarında yüzde 20’lik bir payla temsil edileceğini tahmin ediyor.
BİLKENT VE ASELSAN DA ÜZERİNDE ÇALIŞIYOR
Gelecekte enerji, bilişim ve uzay teknolojileri başta olmak üzere bütün kritik alanlarda daha da öne çıkarak temel endüstri kollarının gelişimini şekillendirmeye aday Galyum Nitrat konusunda Türkiye’de de çalışmalar yapılıyor. Türkiye'de de Aselsan ve Bilkent Üniversitesi ortaklığıyla kurulan Aselsan Bilkent Mikro Nano Teknolojileri Sanayi ve Ticaret A.Ş. (AB-MikroNano) isimli bir şirket tarafından işletilecek bir fabrikada galyum nitrat transistör ve entegre devre üretilecek. Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (NANOTAM) Galyum Nitrat (GaN) yarı iletken malzemesi temelli yüksek performanslı transistörler üretmeyi başardı. Bu ürünlerin yüksek hızlarda ve yüksek güçlerde çalışabildikleri tespit edilmiş durumda. Laboratuvar testleri tamamlanan transistörler, Aselsan'da yapılan saha testlerinden de başarıyla çıktı. Üretilen transistörlerden elde edilen sonuçların, hedeflenen performansların da üzerinde çıkması sonucunda Aselsan ve Bilkent yönetimleri nanoteknoloji temelli transistörlerin ve entegre devrelerin Türkiye'de üretilmesi konusunda yatırım yapma ve ortak bir şirket kurma kararı aldı. Türkiye, dünyada Galyum Nitrat (GaN) yarı iletken malzemesi temelli nanotransistör teknolojisi geliştirilebilen beş ülkeden birisi konumunda bulunuyor. Bir araştırmaya göre Galyum Nitrat kullanılan ürünlerin oluşturacağı pazar 2022’de 1.75 milyar dolara yükselecek. Pazar, her yıl yüzde 60 ila yüzde 80 büyüyor. Rapora göre 2012’deki pazar büyüklüğü sadece 12.6 milyon dolardı.
Sabiha KÖTEK - Enerji Günlüğü / KATANYA / SİCİLYA