下一代半導(dǎo)體：金剛石器件顯示出最高的電壓

為了在 2050 年實(shí)現(xiàn)世界碳中和的目標(biāo)，電子材料必須發(fā)生根本性的變化，以創(chuàng)建更可靠、更有彈性的電網(wǎng)。 鉆石可能是女孩最好的朋友，但它也可能是維持社會電氣化所需的解決方案，以在未來 30 年實(shí)現(xiàn)碳中和。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員開發(fā)了一種由金剛石制成的半導(dǎo)體器件，與之前報(bào)道的金剛石器件相比，該器件具有最高的擊穿電壓和最低的漏電流。 隨著世界向可再生能源過渡，這種設(shè)備將實(shí)現(xiàn)所需的更高效的技術(shù)。

據(jù)估計(jì)，目前全球50%的電力由功率器件控制，預(yù)計(jì)不到十年，這一數(shù)字將增至80%，同時(shí)，電力需求將增加50% 2050年。

根據(jù)美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院的一份新報(bào)告，“也許成功能源轉(zhuǎn)型面臨的最大技術(shù)危險(xiǎn)是國家未能選址、現(xiàn)代化和建設(shè)電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。 輸電能力、可再生能源部署將被推遲，最終結(jié)果可能至少是化石燃料排放量暫時(shí)增加，從而阻礙國家實(shí)現(xiàn)其減排目標(biāo)?！?/p>

“為了滿足這些電力需求并使電網(wǎng)現(xiàn)代化，我們必須從傳統(tǒng)材料（如硅）轉(zhuǎn)向我們今天所采用的新材料（如碳化硅）和下一代半導(dǎo)體（超寬），這一點(diǎn)非常重要。 帶隙材料，例如氮化鋁、金剛石和相關(guān)化合物，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Can Bayram 和研究生卓然韓說。 這項(xiàng)工作的結(jié)果發(fā)表在《IEEE Electron Device Letters》雜志上。

大多數(shù)半導(dǎo)體都是用硅制造的，到目前為止，已經(jīng)滿足了社會的電力需求。 但正如拜拉姆指出的那樣，“我們希望確保為每個(gè)人提供足夠的資源，同時(shí)我們的需求也在不斷變化?，F(xiàn)在，我們使用越來越多的帶寬，我們正在創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)（這也帶來了更多的存儲空間） ，我們正在使用更多的電力、更多的電和更多的能源。問題是：有沒有一種方法可以讓我們變得更加高效，而不是產(chǎn)生更多的能源和建造更多的發(fā)電廠？”

為什么是鉆石？

金剛石是一種具有最高導(dǎo)熱率的超寬帶半導(dǎo)體，導(dǎo)熱率是材料傳遞熱量的能力。 由于這些特性，與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，金剛石半導(dǎo)體器件可以在更高的電壓和電流下工作（使用更少的材料），并且仍然可以散熱，而不會導(dǎo)致電氣性能下降。

“要擁有一個(gè)需要高電流和高電壓的電網(wǎng)，從而使太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)等應(yīng)用變得更加高效，那么我們需要一種沒有熱限制的技術(shù)。這就是鉆石的用武之地，”Bayram 說 。

盡管許多人將鉆石與昂貴的珠寶聯(lián)系在一起，但鉆石可以在實(shí)驗(yàn)室中更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)地制造，使其成為一種可行且重要的半導(dǎo)體替代品。 天然鉆石是在地球表面深處在巨大的壓力和熱量下形成的，但由于它本質(zhì)上只是碳（碳含量豐富），因此人工合成鉆石可以在數(shù)周而不是數(shù)十億年的時(shí)間內(nèi)制成，同時(shí)產(chǎn)量也減少了 100 倍 碳排放量。

在這項(xiàng)工作中，Bayram 和 Han 展示了他們的金剛石裝置可以承受大約 5 kV 的高電壓，盡管電壓受到測量設(shè)置的限制，而不是來自裝置本身。 理論上，該裝置可承受高達(dá) 9 kV 的電壓。 這是金剛石裝置報(bào)告的最高電壓。 除了最高的擊穿電壓外，該器件還表現(xiàn)出最低的漏電流，可以將其視為具有能量的漏水水龍頭。 漏電流影響器件的整體效率和可靠性。

Han 說：“我們構(gòu)建了一種更適合未來電網(wǎng)和其他電力應(yīng)用的高功率、高壓應(yīng)用的電子設(shè)備。我們在超寬帶隙材料——人造金剛石上構(gòu)建了該設(shè)備，它有望實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的性能。” “性能優(yōu)于當(dāng)前一代設(shè)備。希望我們能夠繼續(xù)優(yōu)化該設(shè)備和其他配置，以便我們能夠接近金剛石材料潛力的性能極限。”