能源部资助 GaN 技术研究以替代电力电子中的硅

布莱恩·桑托（Brian Santo），特约作家

能源部将花费高达 3200 万美元资助 16 个旨在提高半导体功率性能的研发项目。好处应该是广泛的，但美国能源部的主要关注点是帮助提高数据中心的效率。

数据中心像没有人的生意一样吸电。它们已经消耗了美国发电量的 2.5%，美国能源部估计这个数字将在未来八年内翻一番。

高级研究计划署 - 能源 (ARPA-E) 于 2013 年开始资助沿着这些方向进行的研究，实施了一个名为 SWITCHES 的项目，该项目涉及推进块状氮化镓 (GaN) 功率半导体器件，使用碳化硅 (SiC) 器件制造铸造模型，以及合成金刚石晶体管的设计。

在某些情况下，对于电力电子而言，GaN 可能比硅更有效，但硅的价格要便宜得多。然而，硅在几个领域正在接近基本的物理极限。

GaN 有望成为未来高压、大电流应用的必经之路。该材料承诺更低的损耗、更高的开关频率和更高的温度容差。然而，需要更多的研究来实现这一承诺，这促使了 SWITCHES 计划。

6 月份宣布了 SWITCHES 的两个后续产品——一个称为 ENLITENED，另一个称为 PNDIODES。

ENLITENED 计划的参与者将参与通过集成光子技术支持的新网络设计将数据中心能源效率提高一倍的努力。他们将分摊约 2500 万美元的支出。

PNDIODES 计划的参与者将分配总数的余额。一般来说，他们将专注于宽带隙 (WBG) GaN 中的选择性掺杂，以在高压功率器件中创建更有效的 PN 结。WBG GaN 和 SiC 的带隙大约是硅的三倍（金刚石的带隙大约是硅的五倍）。

ENLITENED 计划中的组织包括：

Ayar Labs，研究光收发器与处理器的联合封装

哥伦比亚大学，架构创新，包括通过统一的光子互连连接处理和内存；基于多芯片模块（MCM）的数据中心“节点”；和新的硅光子器件

IBM (1)，多波长、芯片级光模块，可直接与交换机或处理器集成；共封装光学

IBM (2)，以纳秒级运行的超低功耗光子开关器件

MIT，一种统一的、基于光的通信技术，可以跨芯片、电路板和机架互连级别进行扩展

加州大学伯克利分校，一种用于仓库规模计算机 (WSC) 的新网络拓扑

加州大学圣巴巴拉分校，内置光子接口的芯片封装

加州大学圣地亚哥分校，一种结合基于光电路开关的分布式控制的独特架构的新方法；一种大端口数低损耗光开关技术，可路由作为光波携带的信息；专为光开关设计的封装、可扩展、节能的光互连技术

南加州大学将为该计划中的其他技术开发一个测试平台。测试平台将创建一个“虚拟互联网”，还可以测试系统安全性。

PNDIODES 计划中的组织包括：

Adroit Materials，研究使用镁离子注入的 p 型掺杂

亚利桑那州立大学，选择性外延生长技术

JR2J，激光尖峰退火激活和修复 p 型掺杂剂

桑迪亚国家实验室，pn 二极管的图案化再生

SUNY Polytechnic Institute，离子注入和回旋管退火

密西西比大学，中子嬗变掺杂

耶鲁大学，研究再生过程

Yuji Zhao 教授（亚利桑那州立大学）致力于推进氮化镓宽带隙半导体选择性区域掺杂工艺的基础知识。图片：Pete Zrioka/ASU。

ARPA-E 将管理这些项目。代理总监 埃里克·罗尔芬 ( Eric Rohlfing ) 表示：“通过加速开发提高数据中心效率的使能技术并推进高性能半导体的创新制造工艺，ARPA-E 正在进一步履行其改善美国经济和能源安全的使命。”

为了清楚起见，标准做法是在第一次使用程序时提供它们的全名，然后是它们的首字母缩略词，这些首字母缩写词将在随后的提及中使用。在这种情况下，所涉及的程序的名称非常长而且特别折磨，显然是为了将它们简化为比它们的全名更容易理解的首字母缩略词。

因此，对于任何感兴趣的人，SWITCHES 代表宽带隙策略，用于控制高效系统的廉价晶体管，ENLITENED 代表增强数据中心的节能光波集成技术支持网络，PNDIODES 代表氮化物掺杂创新产品启用 SWITCHES 的设备，因为谁不喜欢 portmanteau 首字母缩略词？希望有帮助。

审核编辑 黄昊宇