前不久，美國能源部（DOE）宣布再投4800萬美元資金，用于開發(fā)電網(wǎng)技術，以改善美國國內(nèi)電網(wǎng)的控制和保護。其中特別提到寬禁帶（WBG）和超寬禁帶（UWBG）半導體研發(fā)與應用。
上述稱為ULTRAFAST的項目旨在通過功率半導體技術的更快驅(qū)動來解決持久的變革彈性進展，目標是提高硅、寬禁帶和超寬禁帶半導體器件的性能極限，從而在更高的電流和電壓水平下實現(xiàn)更快的切換和/或觸發(fā)，從而改善電網(wǎng)的控制和保護。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由美國能源部能源先進研究計劃署（ARPA-E）管理，包括幾個方面：
一是器件和/或模塊技術：通過納秒級反應時間和相應的轉(zhuǎn)換速率在盡可能低的集成水平下實現(xiàn)非?？焖俚呐月贰⒎至骰蛑袛嗄芰?，以實現(xiàn)高電流和電壓水平的保護功能。
二是提升開關速度：開發(fā)和實現(xiàn)高效、高功率、高速電力電子轉(zhuǎn)換器的高開關頻率器件和/或模塊。
三是互補技術：利用電壓和電流的無線傳感、集成無線致動器和設備/模塊級保護的高密度封裝、動力電池級電容器和電感器及支持上述實現(xiàn)技術的熱管理策略。
ARPA-E非常重視超快觸發(fā)半導體技術的進展，試圖利用此類器件幫助美國實現(xiàn)發(fā)展未來高性能彈性電力系統(tǒng)的國家目標。
變革性清潔能源技術研發(fā)
變革性清潔能源技術研發(fā)一直是ARPA-E的目標，2022年4月，新一期OPEN2021開放招標計劃資助1.75億美元支持國家實驗室、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研發(fā)，確保美國在未來綠色能源技術的全球領導地位，同時助力美國2050年實現(xiàn)凈零排放目標。是次資助聚焦十三個領域，其中與半導體相關的研究如下：
建筑能效：研究新型基于氮化鎵（GaN）半導體的直接發(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：設計和建造能夠利用可再生能源直接將煙道氣中的CO2電催化還原為高價值化學品（如乙醇、丙醇等）的高性能反應裝置，以實現(xiàn)綠色高效減排。
電力電子器件和設備效率：
•突破性無線充電系統(tǒng)，為電動汽車靜態(tài)和動態(tài)充電，大幅減少對昂貴和笨重車載電池需求，提高續(xù)航里程，加速電動汽車的普及；
•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；
•通過增材制造技術制造具有網(wǎng)絡狀結構的非晶金屬氧化物軟磁復合材料（SMC），降低成本，減少浪費；
•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)中心未來服務器的能源效率；
•開發(fā)高效、資源節(jié)約的熱能設備，同時提高服務器冷卻效率，直接用于建筑供暖與制冷的高質(zhì)量熱能；
•開發(fā)能量高達數(shù)十兆電子伏特的氮化硼快中子探測器（FND），用于反應堆高溫高輻照的極端環(huán)境中直接監(jiān)測反應堆和燃料狀態(tài)。
電網(wǎng)技術研發(fā)：
•開發(fā)高比例可再生能源并網(wǎng)電網(wǎng)高效穩(wěn)定運營技術，包括：用100千伏GaN光導半導體開關取代傳統(tǒng)硅技術制造的半導體開關；結合電力電子的功能與高壓電纜功率密度優(yōu)勢的一體化結構，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)保護方案，提高可再生能源并網(wǎng)比例。
•圍繞電網(wǎng)開發(fā)相關的算法、模型、軟件和控制技術，優(yōu)化電網(wǎng)運行效能，包括利用超導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，實現(xiàn)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)和控制。
•針對電源系統(tǒng)和新能源研發(fā)能源技術，包括基于GaN的小型脈沖電源系統(tǒng)架構，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，以提高磁體的運行能量密度，提高電機效率；開發(fā)高功率密度的電機，特別是功率高達10兆瓦及以上的電動飛機推進系統(tǒng)；開發(fā)自動電池驅(qū)動軌道車輛運輸系統(tǒng)，使終端變得更小、更清潔；為電動飛機開發(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，旨在激勵和開發(fā)滿足清潔、低廉與可靠能源的強烈需求，實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新、具有變革意義和潛在巨大應用價值的高風險能源研究項目，推動革命性能源技術的開發(fā)。
2009以來，ARPA-E已提供超過15億美元資金，資助36個重點項目和3個開放式支助項目，共計580多個子項目，263個子項目已完成。許多團隊成功利用ARPA-E投資，56個子項目形成了新的公司，68個子項目繼續(xù)與其他政府機構合作開展研究，74個研究團隊從市場募集了超過18億美元的資金，用于將技術推向市場。
2016年，ARPA-E出版第一次成果匯編，總結了在短短7年時間里通過資助一系列先進能源技術的研究，使美國解決最緊迫的能源挑戰(zhàn)。其投資繼續(xù)得到回報，一些技術成功商業(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的各種產(chǎn)品。
ARPA-E除了設立特定領域主題研究計劃外，還每三年開展一次開放式項目招標計劃。OPEN招標計劃于2009年推出，旨在支持非共識探索研究和機會型探索研究，避免遺漏在主題研究領域之外的創(chuàng)新思想。2009年第一輪開放式招標（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項目相關半導體技術
高效電能傳輸技術：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。
儲能設備先進管理與保護：開發(fā)先進的傳感、控制和電源管理技術，重新定義電池管理。
電動汽車電池：開發(fā)各種將使電動汽車和插電式混合動力汽車達到或超越汽油動力汽車價格和性能的可充電電池技術，使人們愿意駕駛電動汽車。
集成微型優(yōu)化太陽能電池陣列：開發(fā)技術和理念，降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高性能。
道路車輛自動連接的新一代能源技術：利用自動化協(xié)同連接優(yōu)化車輛動態(tài)控制和動力系統(tǒng)，降低車輛能耗。
高效太陽能電力技術：將太陽光轉(zhuǎn)化為電能，將先進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)新一代功率開關器件，提高能源效率，包括新的照明技術、計算機電源和工業(yè)電機，特別是寬禁帶半導體材料和器件結構，減少功率損失，大大降低成本。
超寬禁帶半導體研發(fā)與應用
在寬禁帶半導體材料之后，更新的超寬禁帶半導體材料也已出現(xiàn)。超寬禁帶半導體代表半導體材料、物理、器件研究和應用領域一個令人興奮并具有挑戰(zhàn)性的新領域，其禁帶顯著寬于GaN的3.4 eV，例如AlN寬度可達6.0 eV左右。
研究發(fā)現(xiàn)，器件性能的許多品質(zhì)因數(shù)與禁帶呈非線性關系，人們早就發(fā)現(xiàn)這些半導體在高功率和RF電子學、深紫外光電子學、量子信息和極端環(huán)境有很大應用潛力。最近幾年，超寬禁帶半導體材料，如氧化鎵、AlGaN、金剛石和Ga2O3和立方氮化硼等，才逐漸成熟應用，展示了優(yōu)于寬禁帶材料的一些誘人的優(yōu)勢和性能潛力。
自半導體誕生以來，科學好奇心一直在驅(qū)使半導體材料技術的進步。盡管取得了很大進展，但對于超寬禁帶半導體還沒有實現(xiàn)像GaN的p型摻雜的有效摻雜濃度，需要行業(yè)進一步研究優(yōu)化，解決超寬禁帶半導體室溫下實現(xiàn)自由載流子濃度的難題。
例如，要實現(xiàn)芯片級金剛石的工業(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)性技術挑戰(zhàn)；氧化鎵在耐壓、電流、功率、損耗等維度都有其優(yōu)勢，但大功率、高效率電子器件還處于實驗室研發(fā)階段，需要解決大規(guī)模實際應用的問題。
美國目前正從前沿軍事技術布局角度大力發(fā)展氧化鎵材料。隨著技術的進步，超寬禁帶材料就與寬禁帶半導體材料一起開拓更為廣闊的應用市場。中國已將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”，許多科研院所和企業(yè)正在為發(fā)展相關技術而努力。
