前不久，美國(guó)能源部（DOE）宣布再投4800萬美元資金，用于開發(fā)電網(wǎng)技術(shù)，以改善美國(guó)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的控制和保護(hù)。其中特別提到寬禁帶（WBG）和超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用。
上述稱為ULTRAFAST的項(xiàng)目旨在通過功率半導(dǎo)體技術(shù)的更快驅(qū)動(dòng)來解決持久的變革彈性進(jìn)展，目標(biāo)是提高硅、寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體器件的性能極限，從而在更高的電流和電壓水平下實(shí)現(xiàn)更快的切換和/或觸發(fā)，從而改善電網(wǎng)的控制和保護(hù)。ULTRAFAST將資助旨在使公用事業(yè)更有效控制電網(wǎng)，以避免干擾、快速隔離和繞過干擾。
ULTRAFAST由美國(guó)能源部能源先進(jìn)研究計(jì)劃署（ARPA-E）管理，包括幾個(gè)方面：
一是器件和/或模塊技術(shù)：通過納秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率在盡可能低的集成水平下實(shí)現(xiàn)非?？焖俚呐月?、分流或中斷能力，以實(shí)現(xiàn)高電流和電壓水平的保護(hù)功能。
二是提升開關(guān)速度：開發(fā)和實(shí)現(xiàn)高效、高功率、高速電力電子轉(zhuǎn)換器的高開關(guān)頻率器件和/或模塊。
三是互補(bǔ)技術(shù)：利用電壓和電流的無線傳感、集成無線致動(dòng)器和設(shè)備/模塊級(jí)保護(hù)的高密度封裝、動(dòng)力電池級(jí)電容器和電感器及支持上述實(shí)現(xiàn)技術(shù)的熱管理策略。
ARPA-E非常重視超快觸發(fā)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)展，試圖利用此類器件幫助美國(guó)實(shí)現(xiàn)發(fā)展未來高性能彈性電力系統(tǒng)的國(guó)家目標(biāo)。
變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)
變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)一直是ARPA-E的目標(biāo)，2022年4月，新一期OPEN2021開放招標(biāo)計(jì)劃資助1.75億美元支持國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、高校和企業(yè)協(xié)同開展具有潛在顛覆性影響的變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)，確保美國(guó)在未來綠色能源技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，同時(shí)助力美國(guó)2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。是次資助聚焦十三個(gè)領(lǐng)域，其中與半導(dǎo)體相關(guān)的研究如下：
建筑能效：研究新型基于氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體的直接發(fā)射綠光的發(fā)光二極管（LED），以加速固態(tài)照明（SSL）光源的使用和普及。
分布式能源：設(shè)計(jì)和建造能夠利用可再生能源直接將煙道氣中的CO2電催化還原為高價(jià)值化學(xué)品（如乙醇、丙醇等）的高性能反應(yīng)裝置，以實(shí)現(xiàn)綠色高效減排。
電力電子器件和設(shè)備效率：
•突破性無線充電系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車靜態(tài)和動(dòng)態(tài)充電，大幅減少對(duì)昂貴和笨重車載電池需求，提高續(xù)航里程，加速電動(dòng)汽車的普及；
•開發(fā)性能大大超過目前電力電子器件的GaN基二極管和晶體管；
•通過增材制造技術(shù)制造具有網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的非晶金屬氧化物軟磁復(fù)合材料（SMC），降低成本，減少浪費(fèi)；
•為電力電子模塊開發(fā)3D打印陶瓷封裝，以改善其熱管理、功率密度、性能和壽命；
•開發(fā)數(shù)據(jù)中心節(jié)能兩相冷卻系統(tǒng)，減少冷卻能耗并減少用水；
•開發(fā)高性能冷卻板，將換熱速率提高3倍，提高數(shù)據(jù)中心未來服務(wù)器的能源效率；
•開發(fā)高效、資源節(jié)約的熱能設(shè)備，同時(shí)提高服務(wù)器冷卻效率，直接用于建筑供暖與制冷的高質(zhì)量熱能；
•開發(fā)能量高達(dá)數(shù)十兆電子伏特的氮化硼快中子探測(cè)器（FND），用于反應(yīng)堆高溫高輻照的極端環(huán)境中直接監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆和燃料狀態(tài)。
電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)：
•開發(fā)高比例可再生能源并網(wǎng)電網(wǎng)高效穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)技術(shù)，包括：用100千伏GaN光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)取代傳統(tǒng)硅技術(shù)制造的半導(dǎo)體開關(guān)；結(jié)合電力電子的功能與高壓電纜功率密度優(yōu)勢(shì)的一體化結(jié)構(gòu)，以取代電網(wǎng)中笨重、不靈活的變電站；開發(fā)創(chuàng)新的逆變器電力系統(tǒng)保護(hù)方案，提高可再生能源并網(wǎng)比例。
•圍繞電網(wǎng)開發(fā)相關(guān)的算法、模型、軟件和控制技術(shù)，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行效能，包括利用超導(dǎo)架空和地下輸電線路輸送電力；開發(fā)模塊化彈性微電網(wǎng)控制集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)和控制。
•針對(duì)電源系統(tǒng)和新能源研發(fā)能源技術(shù)，包括基于GaN的小型脈沖電源系統(tǒng)架構(gòu)，將電容器尺寸減小10倍，提高脈沖電源功率密度和功率轉(zhuǎn)換器壽命。
交通工具研究：
開發(fā)新型磁體，以提高磁體的運(yùn)行能量密度，提高電機(jī)效率；開發(fā)高功率密度的電機(jī)，特別是功率高達(dá)10兆瓦及以上的電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)；開發(fā)自動(dòng)電池驅(qū)動(dòng)軌道車輛運(yùn)輸系統(tǒng)，使終端變得更小、更清潔；為電動(dòng)飛機(jī)開發(fā)超輕、高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器，減少溫室氣體排放量和噪音污染。
ARPA-E發(fā)展15年
ARPA-E成立于2007年，旨在激勵(lì)和開發(fā)滿足清潔、低廉與可靠能源的強(qiáng)烈需求，實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新、具有變革意義和潛在巨大應(yīng)用價(jià)值的高風(fēng)險(xiǎn)能源研究項(xiàng)目，推動(dòng)革命性能源技術(shù)的開發(fā)。
2009以來，ARPA-E已提供超過15億美元資金，資助36個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目和3個(gè)開放式支助項(xiàng)目，共計(jì)580多個(gè)子項(xiàng)目，263個(gè)子項(xiàng)目已完成。許多團(tuán)隊(duì)成功利用ARPA-E投資，56個(gè)子項(xiàng)目形成了新的公司，68個(gè)子項(xiàng)目繼續(xù)與其他政府機(jī)構(gòu)合作開展研究，74個(gè)研究團(tuán)隊(duì)從市場(chǎng)募集了超過18億美元的資金，用于將技術(shù)推向市場(chǎng)。
2016年，ARPA-E出版第一次成果匯編，總結(jié)了在短短7年時(shí)間里通過資助一系列先進(jìn)能源技術(shù)的研究，使美國(guó)解決最緊迫的能源挑戰(zhàn)。其投資繼續(xù)得到回報(bào)，一些技術(shù)成功商業(yè)化，加速了能源科技的發(fā)展。2017年2月，ARPA-E出版了第二次成果匯編，介紹ARPA-E成功案例，包括將在未來產(chǎn)生重要影響的原創(chuàng)成果和開始滲透市場(chǎng)的各種產(chǎn)品。
ARPA-E除了設(shè)立特定領(lǐng)域主題研究計(jì)劃外，還每三年開展一次開放式項(xiàng)目招標(biāo)計(jì)劃。OPEN招標(biāo)計(jì)劃于2009年推出，旨在支持非共識(shí)探索研究和機(jī)會(huì)型探索研究，避免遺漏在主題研究領(lǐng)域之外的創(chuàng)新思想。2009年第一輪開放式招標(biāo)（OPEN 2009）資助1.67億美元，2012年第二輪（OPEN 2012）資助1.3億美元，2015年第三輪（OPEN 2015）資助1.25億美元，2018年第四輪（OPEN 2018）資助1.99億美元。
ARPA-E項(xiàng)目相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)
高效電能傳輸技術(shù)：提升電能轉(zhuǎn)換的基本元器件，包括電路、晶體管、電感器、變壓器和電容器，為更高效的能量轉(zhuǎn)化鋪平道路。
儲(chǔ)能設(shè)備先進(jìn)管理與保護(hù)：開發(fā)先進(jìn)的傳感、控制和電源管理技術(shù)，重新定義電池管理。
電動(dòng)汽車電池：開發(fā)各種將使電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車達(dá)到或超越汽油動(dòng)力汽車價(jià)格和性能的可充電電池技術(shù)，使人們?cè)敢怦{駛電動(dòng)汽車。
集成微型優(yōu)化太陽能電池陣列：開發(fā)技術(shù)和理念，降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高性能。
道路車輛自動(dòng)連接的新一代能源技術(shù)：利用自動(dòng)化協(xié)同連接優(yōu)化車輛動(dòng)態(tài)控制和動(dòng)力系統(tǒng)，降低車輛能耗。
高效太陽能電力技術(shù)：將太陽光轉(zhuǎn)化為電能，將先進(jìn)電氣元件集成到光伏系統(tǒng)中，使太陽能轉(zhuǎn)化為電能更加高效。
寬禁帶、低成本晶體管研發(fā)：開發(fā)新一代功率開關(guān)器件，提高能源效率，包括新的照明技術(shù)、計(jì)算機(jī)電源和工業(yè)電機(jī)，特別是寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件結(jié)構(gòu)，減少功率損失，大大降低成本。
超寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用
在寬禁帶半導(dǎo)體材料之后，更新的超寬禁帶半導(dǎo)體材料也已出現(xiàn)。超寬禁帶半導(dǎo)體代表半導(dǎo)體材料、物理、器件研究和應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)令人興奮并具有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域，其禁帶顯著寬于GaN的3.4 eV，例如AlN寬度可達(dá)6.0 eV左右。
研究發(fā)現(xiàn)，器件性能的許多品質(zhì)因數(shù)與禁帶呈非線性關(guān)系，人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)這些半導(dǎo)體在高功率和RF電子學(xué)、深紫外光電子學(xué)、量子信息和極端環(huán)境有很大應(yīng)用潛力。最近幾年，超寬禁帶半導(dǎo)體材料，如氧化鎵、AlGaN、金剛石和Ga2O3和立方氮化硼等，才逐漸成熟應(yīng)用，展示了優(yōu)于寬禁帶材料的一些誘人的優(yōu)勢(shì)和性能潛力。
自半導(dǎo)體誕生以來，科學(xué)好奇心一直在驅(qū)使半導(dǎo)體材料技術(shù)的進(jìn)步。盡管取得了很大進(jìn)展，但對(duì)于超寬禁帶半導(dǎo)體還沒有實(shí)現(xiàn)像GaN的p型摻雜的有效摻雜濃度，需要行業(yè)進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化，解決超寬禁帶半導(dǎo)體室溫下實(shí)現(xiàn)自由載流子濃度的難題。
例如，要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)金剛石的工業(yè)化，需要解決提高金剛石純度、制作大尺寸金剛石薄片等一系列系統(tǒng)性技術(shù)挑戰(zhàn)；氧化鎵在耐壓、電流、功率、損耗等維度都有其優(yōu)勢(shì)，但大功率、高效率電子器件還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，需要解決大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的問題。
美國(guó)目前正從前沿軍事技術(shù)布局角度大力發(fā)展氧化鎵材料。隨著技術(shù)的進(jìn)步，超寬禁帶材料就與寬禁帶半導(dǎo)體材料一起開拓更為廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。中國(guó)已將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”，許多科研院所和企業(yè)正在為發(fā)展相關(guān)技術(shù)而努力。
