能源部資助 GaN 技術(shù)研究以替代電力電子中的硅

布萊恩·桑托（Brian Santo），特約作家

能源部將花費(fèi)高達(dá) 3200 萬美元資助 16 個旨在提高半導(dǎo)體功率性能的研發(fā)項目。好處應(yīng)該是廣泛的，但美國能源部的主要關(guān)注點(diǎn)是幫助提高數(shù)據(jù)中心的效率。

數(shù)據(jù)中心像沒有人的生意一樣吸電。它們已經(jīng)消耗了美國發(fā)電量的 2.5%，美國能源部估計這個數(shù)字將在未來八年內(nèi)翻一番。

高級研究計劃署 - 能源 (ARPA-E) 于 2013 年開始資助沿著這些方向進(jìn)行的研究，實施了一個名為 SWITCHES 的項目，該項目涉及推進(jìn)塊狀氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體器件，使用碳化硅 (SiC) 器件制造鑄造模型，以及合成金剛石晶體管的設(shè)計。

在某些情況下，對于電力電子而言，GaN 可能比硅更有效，但硅的價格要便宜得多。然而，硅在幾個領(lǐng)域正在接近基本的物理極限。

GaN 有望成為未來高壓、大電流應(yīng)用的必經(jīng)之路。該材料承諾更低的損耗、更高的開關(guān)頻率和更高的溫度容差。然而，需要更多的研究來實現(xiàn)這一承諾，這促使了 SWITCHES 計劃。

6 月份宣布了 SWITCHES 的兩個后續(xù)產(chǎn)品——一個稱為 ENLITENED，另一個稱為 PNDIODES。

ENLITENED 計劃的參與者將參與通過集成光子技術(shù)支持的新網(wǎng)絡(luò)設(shè)計將數(shù)據(jù)中心能源效率提高一倍的努力。他們將分?jǐn)偧s 2500 萬美元的支出。

PNDIODES 計劃的參與者將分配總數(shù)的余額。一般來說，他們將專注于寬帶隙 (WBG) GaN 中的選擇性摻雜，以在高壓功率器件中創(chuàng)建更有效的 PN 結(jié)。WBG GaN 和 SiC 的帶隙大約是硅的三倍（金剛石的帶隙大約是硅的五倍）。

ENLITENED 計劃中的組織包括：

Ayar Labs，研究光收發(fā)器與處理器的聯(lián)合封裝

哥倫比亞大學(xué)，架構(gòu)創(chuàng)新，包括通過統(tǒng)一的光子互連連接處理和內(nèi)存；基于多芯片模塊（MCM）的數(shù)據(jù)中心“節(jié)點(diǎn)”；和新的硅光子器件

IBM (1)，多波長、芯片級光模塊，可直接與交換機(jī)或處理器集成；共封裝光學(xué)

IBM (2)，以納秒級運(yùn)行的超低功耗光子開關(guān)器件

MIT，一種統(tǒng)一的、基于光的通信技術(shù)，可以跨芯片、電路板和機(jī)架互連級別進(jìn)行擴(kuò)展

加州大學(xué)伯克利分校，一種用于倉庫規(guī)模計算機(jī) (WSC) 的新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

加州大學(xué)圣巴巴拉分校，內(nèi)置光子接口的芯片封裝

加州大學(xué)圣地亞哥分校，一種結(jié)合基于光電路開關(guān)的分布式控制的獨(dú)特架構(gòu)的新方法；一種大端口數(shù)低損耗光開關(guān)技術(shù)，可路由作為光波攜帶的信息；專為光開關(guān)設(shè)計的封裝、可擴(kuò)展、節(jié)能的光互連技術(shù)

南加州大學(xué)將為該計劃中的其他技術(shù)開發(fā)一個測試平臺。測試平臺將創(chuàng)建一個“虛擬互聯(lián)網(wǎng)”，還可以測試系統(tǒng)安全性。

PNDIODES 計劃中的組織包括：

Adroit Materials，研究使用鎂離子注入的 p 型摻雜

亞利桑那州立大學(xué)，選擇性外延生長技術(shù)

JR2J，激光尖峰退火激活和修復(fù) p 型摻雜劑

桑迪亞國家實驗室，pn 二極管的圖案化再生

SUNY Polytechnic Institute，離子注入和回旋管退火

密西西比大學(xué)，中子嬗變摻雜

耶魯大學(xué)，研究再生過程

Yuji Zhao 教授（亞利桑那州立大學(xué)）致力于推進(jìn)氮化鎵寬帶隙半導(dǎo)體選擇性區(qū)域摻雜工藝的基礎(chǔ)知識。圖片：Pete Zrioka/ASU。

ARPA-E 將管理這些項目。代理總監(jiān) 埃里克·羅爾芬 ( Eric Rohlfing ) 表示：“通過加速開發(fā)提高數(shù)據(jù)中心效率的使能技術(shù)并推進(jìn)高性能半導(dǎo)體的創(chuàng)新制造工藝，ARPA-E 正在進(jìn)一步履行其改善美國經(jīng)濟(jì)和能源安全的使命?！?/p>

為了清楚起見，標(biāo)準(zhǔn)做法是在第一次使用程序時提供它們的全名，然后是它們的首字母縮略詞，這些首字母縮寫詞將在隨后的提及中使用。在這種情況下，所涉及的程序的名稱非常長而且特別折磨，顯然是為了將它們簡化為比它們的全名更容易理解的首字母縮略詞。

因此，對于任何感興趣的人，SWITCHES 代表寬帶隙策略，用于控制高效系統(tǒng)的廉價晶體管，ENLITENED 代表增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能光波集成技術(shù)支持網(wǎng)絡(luò)，PNDIODES 代表氮化物摻雜創(chuàng)新產(chǎn)品啟用 SWITCHES 的設(shè)備，因為誰不喜歡 portmanteau 首字母縮略詞？希望有幫助。

審核編輯 黃昊宇