第一情报 ---能源与环境

美国投资支持14项变革性电网技术发展

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-11-7   关键字:电网技术  DOE  Transformational  Grid  Technologies  )SWITCHES”计划  
2013年10月21日,美国能源部能源先进研究计划署(APRA-E)宣布投资2700万美元支持分布于全国9个州的14个项目,旨在开发下一代功率转换设备,以推动变革性电网技术(Transformational Grid Technologies)发展。上述项目主要是在美国能源部能源先进研究计划署(APRA-E)“SWITCHES”计划下开展(见表1)。
 
在现代的能源基础设施领域,今天的电力电子技术还是基于几十年前的旧技术,并依赖于昂贵的、体积大的、容易出现故障的部件。为了应对这些严峻的挑战,“SWITCHES”计划试图降低成本,并提高功率开关器件的能源效率。这些设备对美国的基础设施至关重要,因为所有的电子产品(从笔记本电脑到电动机)依靠上述设备从高电压到低电压来控制或转换电能,以便正确操作。在一个大的范围内,高功率电子设备的主要用途包括如下几个方面:把太阳能电池板和风力涡轮机连接到电网上去,操作工业设备(如电梯或制热、通风与空调控制系统等),并运行电动和混合动力电动汽车。
 
美国能源部能源先进研究计划署(APRA-E)“SWITCHES”计划正在创造新的宽禁带半导体材料、器件结构和制造工艺,以使得电网中电机驱动器和电源开关设备等重要部件广泛使用的电力电子,可以增加能量密度和开关频率,更好的温度控制,并降低功率损耗。
 
“SWITCHES”计划的14个项目将在美国的有关大学、企业和国家实验室领导下开展。例如,美国加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)将获得317.2205万美元的资助,开发一些新的垂直型氮化镓(GaN)半导体技术,这将显著提高高功率电力电子器件的性能,并降低成本。UCSB的设备可以减少功率损耗,使电机驱动器、电动汽车和电网应用可以实现低成本的高功率转换。此外,“SWITCHES”计划中的8个项目是通过APRA-E“小企业创新研究”(SBIR)计划以及“小企业技术转移”(STIR)计划资助。例如,麦克林设备(MicroLink Devices)公司,位于伊利诺伊州的奈尔斯市,将收到172.5万美元的资助以开发电源转换所需的实惠、高性能的晶体管。目前,高性能功率晶体管是昂贵的,因为它们的原材料是昂贵的氮化镓半导体晶片。在传统制造工艺中,这种昂贵的晶片被永久性地附着到晶体管上,所以晶片只能使用一次。麦克林设备(MicroLink Devices)公司将开发一种创新的方法从晶片中去除晶体管结构,而不损坏任何部件,使得晶片可以被重新使用,这就显著降低了成本。
 
表1  美国能源部能源先进研究计划署(APRA-E)“SWITCHES”计划主要项目一览表
 
 
领导
研究机构
资助
金额
地理位置
项目名称及项目描述
1
Avogy公司
172.5万美元
加利福尼亚州的圣何塞市
批量氮化镓衬底(Bulk GaN Substrates)的垂直氮化镓晶体管。Avogy公司将开发一种垂直的氮化镓(GaN)晶体管。该晶体管比传统晶体管小30倍,并可以传导更多的电力。有了这样一个小装置,Avogy公司可以在三年内可以与当前的技术实现功能的成本平价,同时提供显著的性能改进。如果成功的话,Avogy公司的晶体管将使得高功率转换器、电机驱动器、太阳能和风能逆变器变得更小,更可靠,更加高效节能,并更具成本效益。
2
Fairfield Crystal Technology
142.5万美元
康乃狄克州的新米尔福德市
高品质、低成本的氮化镓衬底的高功率器件。Fairfield Crystal Technology公司将开发一种新技术,加快氮化镓单晶体晶柱的生长。晶柱是由一个大的晶体切割成晶片,并进行表面抛光,以适合半导体装置的制造。Fairfield Crystal Technology公司独特的技术在克服多重障碍后,结合当前美国最先进的氢化物气相外延(HVPE)技术,可以迅速生成高质量的氮化镓晶体晶柱。如果成功的话,Fairfield Crystal Technology公司的将会生产大量的、低成本的氮化镓衬底以用于半导体器件。这些半导体器件是高效节能的电力转换器的重要组成部分。
3
iBeam Materials公司
79.3477万美元
新墨西哥州的圣达菲市
低成本晶体管器件所需外延生长氮化镓柔性金属层技术。iBeam Materials公司将开发一种新技术来制造低成本的氮化镓,以用于大型电力电子设备。iBeam Materials公司将在大面积、柔性的金属箔表面使用晶体对齐涂料来沉积外延氮化镓薄膜。这种低成本的涂层技术,最近被用来生产高质量、低成本的超导线材。如果成功的话,iBeam Materials公司在高性能氮化镓电子设备制造中将使用这种涂层技术,这将显著降低制造成本。
4
Kyma Technologies公司
322.4993万美元
北卡罗纳州的罗利市
高质量、低成本氮化镓衬底技术。Kyma Technologies公司将开发具有成本效益的技术来生长高质量氮化镓。目前,从氮化镓种晶(Seed)生成晶柱是缓慢的,昂贵的,并且尺寸不一,这就对制造成品率和电子设备的性能产生不利影响。Kyma Technologies公司将选择高质量的氮化镓种晶(Seed),并使用其专有的氢化物气象外延(HVPE)生长技术来迅速地使这些种晶成长为晶柱,同时保持晶体结构较高的质量和纯度。如果成功的话,Kyma Technologies公司将生产功率半导体制造所需的低成本、高性能晶柱。
5
MicroLink Devices公司
172.5万美元
伊利诺伊州的奈尔斯市
通过外延层剥离(Epitaxial Lift-off)技术在低位错密度(Low-Dislocation-Density)氮化镓衬底上制造垂向结型场效应晶体管(Vertical-junction Field-Effect Transistors)。麦克林设备(MicroLink Devices)公司将开发电源转换所需的实惠、高性能的晶体管。目前,高性能功率晶体管是昂贵的,因为它们的原材料是昂贵的氮化镓半导体晶片。在传统制造工艺中,这种昂贵的晶片被永久性地附着到晶体管上,所以晶片只能使用一次。麦克林设备公司将开发一种创新的方法从晶片中去除晶体管结构,而不损坏任何部件,使得晶片可以被重新使用,这就显著降低了成本。
6
Monolith Semiconductor公司
322.4845万美元
纽约州的伊萨卡市
低成本碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的先进制造和性能增强。Monolith Semiconductor公司将开发低成本、大批量制造工艺来生产电源转换所需的高性能碳化硅(SiC)器件。碳化硅器件比目前的硅器件提供了更好的性能和效率,但是它们目前的成本居高不下。Monolith Semiconductor公司将利用现有的硅制造设施,开发一个高容量的碳化硅生产工艺,以降低资金成本。
7
SixPoint Materials公司
172.5万美元
加利福尼亚州的布尔顿市
在低成本、高质量氨热法合成的氮化镓衬底上用气相外延技术生产氮化镓同质外延晶片。SixPoint Materials公司将采用一个多阶段生产工艺生产(采用两种氢化物气相外延技术和氨热法生长技术)低成本、高品质的垂直型氮化镓衬底,以降低生产成本,并保持晶体质量。基材是半导体功率器件所需材料的薄晶片。在其二期工程项目中,SixPoint Materials公司将首先着眼于发展高品质的氮化镓基板,继而再扩大基板尺寸。如果成功的话,与今天的氮化镓器件相比,SixPoint Materials公司将使得高功率氮化镓电路的能量损失减少一半。
8
Soraa公司
22.5万美元
加利福尼亚州的弗里蒙特市
大面积、低成本的大容量电力电子用氮化镓衬底。Soraa公司将开发一种具有成本效益的技术来制造高品质、高性能的氮化镓衬底。目前的氮化镓衬底价格昂贵,并容易出现缺陷。Soraa公司还将开发大面积氮化镓衬底,可以应用到电源开关。基材是半导体功率器件所需材料的薄晶片,如晶体管和集成电路等。如果成功的话,与传统氮化镓衬底相比,Soraa公司生产的氮化镓衬底发生缺陷的概率仅为1/100,成本仅为1/8,直径是其3-4倍。
9
亚利桑那州立大学
42.0434万美元
亚利桑那州的坦佩市
磷掺杂金刚石功率晶体管。亚利桑那州立大学将开发一种方法来生产低成本、垂直型的金刚石半导体设备用于高功率电子。当在金刚石晶体结构中添加或掺杂硼或磷时,金刚石就成为一种很好的电导体。事实上,金刚石比硅能承受更高的温度并具有更高的性能水平。然而,生长均匀掺杂的金刚石晶体成本非常高,并且难以实现。亚利桑那州立大学的创新的金刚石成长工艺将可能使得掺杂更加均匀,电接点显著改善,并有助于降低金刚石半导体的成本。
10
哥伦比亚大学
300万美元
纽约州的纽约市
使用受控剥落异质基板的垂直氮化镓功率晶体管。哥伦比亚大学将使用一种剥落技术(该技术将整个氮化镓器件转移到备用基板)制造垂直的氮化镓设备。哥伦比亚大学将从氮化镓晶片到低成本的硅衬底剥落整个晶体管。哥伦比亚大学也将支持硅衬底的互连,并小规模整合氮化镓器件。如果成功的话,哥伦比亚大学的氮化镓转移技术,将使高功率晶体管在工业电机和汽车行业的应用具有明显的低成本。
11
HRL实验室
290万美元
加利福尼亚州的马里布市
低成本氮化镓垂直晶体管。HRL实验室将开发一种新的、高性能的氮化镓垂直型晶体管来取代目前低效的晶体管技术。这种低成本的氮化镓垂直型晶体管主要在高功率开关方面应用,如电机驱动器等。HRL实验室将改进设备制造技术和电路设计,使得氮化镓高功率运行。与今天广泛使用的硅晶体管相比,在相同成本下,这种新的氮化镓垂直晶体管功率损耗降低10倍左右。
12
密歇根州立大学
55.8914万美元
密歇根州的东兰辛市
金刚石二极管和晶体管器件。密歇根州立大学制造高功率电子器件用高压金刚石半导体器件。如果成功的话,密歇根州立大学的创新技术将可以不同的掺杂浓度和元素生长金刚石层,以便能够为高功率电子设备进行足够的电力传导。
13
加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)
317.2205万美元
加利福尼亚州的圣巴巴拉市
用于高效电源开关的垂直型电子晶体管。加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)将开发一些新的垂直型氮化镓(GaN)半导体技术,这将显著提高高功率电力电子器件的性能,并降低成本。UCSB的设备可以减少功率损耗,使电机驱动器、电动汽车和电网应用可以实现低成本的高功率转换。
14
圣母大学
249.6428万美元
印第安纳州的圣母市
磁性结型场效应管(Polar JFET)垂直氮化镓功率晶体管。圣母大学将开发一种创新的高效率氮化镓电源开关。与传统电源开关相比,圣母大学设计的电源开关体积更小,但性能更加强劲,从而使之成为各种电力电子器件的理想选择。圣母大学也将再利用昂贵的氮化镓材料,并利用传统的低成本生产技术,把制造成本降低下来。如果成功的话,圣母大学的小型化、低成本、高性能氮化镓功率晶体管可以替代目前传统的硅晶体管。
资料来源:美国能源部能源先进研究计划署(APRA-E)“SWITCHES”计划。
 
 
参考文献:
“Strategies for wide-bandgap, inexpensive transistors for controlling high efficiency systems”(SWITCHES),Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E),October 21,2013.
 

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