下一代半导体：金刚石器件显示出最高的电压

为了在 2050 年实现世界碳中和的目标，电子材料必须发生根本性的变化，以创建更可靠、更有弹性的电网。 钻石可能是女孩最好的朋友，但它也可能是维持社会电气化所需的解决方案，以在未来 30 年实现碳中和。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种由金刚石制成的半导体器件，与之前报道的金刚石器件相比，该器件具有最高的击穿电压和最低的漏电流。 随着世界向可再生能源过渡，这种设备将实现所需的更高效的技术。

据估计，目前全球50%的电力由功率器件控制，预计不到十年，这一数字将增至80%，同时，电力需求将增加50% 2050年。

根据美国国家科学院、工程院和医学院的一份新报告，“也许成功能源转型面临的最大技术危险是国家未能选址、现代化和建设电网的风险。 输电能力、可再生能源部署将被推迟，最终结果可能至少是化石燃料排放量暂时增加，从而阻碍国家实现其减排目标。”

“为了满足这些电力需求并使电网现代化，我们必须从传统材料（如硅）转向我们今天所采用的新材料（如碳化硅）和下一代半导体（超宽），这一点非常重要。 带隙材料，例如氮化铝、金刚石和相关化合物，”领导这项研究的电气和计算机工程教授 Can Bayram 和研究生卓然韩说。 这项工作的结果发表在《IEEE Electron Device Letters》杂志上。

大多数半导体都是用硅制造的，到目前为止，已经满足了社会的电力需求。 但正如拜拉姆指出的那样，“我们希望确保为每个人提供足够的资源，同时我们的需求也在不断变化。现在，我们使用越来越多的带宽，我们正在创建更多的数据（这也带来了更多的存储空间） ，我们正在使用更多的电力、更多的电和更多的能源。问题是：有没有一种方法可以让我们变得更加高效，而不是产生更多的能源和建造更多的发电厂？”

为什么是钻石？

金刚石是一种具有最高导热率的超宽带半导体，导热率是材料传递热量的能力。 由于这些特性，与硅等传统半导体材料相比，金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下工作（使用更少的材料），并且仍然可以散热，而不会导致电气性能下降。

“要拥有一个需要高电流和高电压的电网，从而使太阳能电池板和风力涡轮机等应用变得更加高效，那么我们需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地，”Bayram 说 。

尽管许多人将钻石与昂贵的珠宝联系在一起，但钻石可以在实验室中更经济、更可持续地制造，使其成为一种可行且重要的半导体替代品。 天然钻石是在地球表面深处在巨大的压力和热量下形成的，但由于它本质上只是碳（碳含量丰富），因此人工合成钻石可以在数周而不是数十亿年的时间内制成，同时产量也减少了 100 倍 碳排放量。

在这项工作中，Bayram 和 Han 展示了他们的金刚石装置可以承受大约 5 kV 的高电压，尽管电压受到测量设置的限制，而不是来自装置本身。 理论上，该装置可承受高达 9 kV 的电压。 这是金刚石装置报告的最高电压。 除了最高的击穿电压外，该器件还表现出最低的漏电流，可以将其视为具有能量的漏水水龙头。 漏电流影响器件的整体效率和可靠性。

Han 说：“我们构建了一种更适合未来电网和其他电力应用的高功率、高压应用的电子设备。我们在超宽带隙材料——人造金刚石上构建了该设备，它有望实现更高的效率和更好的性能。” “性能优于当前一代设备。希望我们能够继续优化该设备和其他配置，以便我们能够接近金刚石材料潜力的性能极限。”