來源：IEEE Spectrum

金剛石半導(dǎo)體器件的尺寸為4 mm x 4 mm。圖源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學(xué)院

本文是IEEE Spectrum與IEEE Xplore合作的獨家IEEE Journal Watch系列的一部分。

事實證明，高壓電網(wǎng)對于可再生能源來說更加高效。現(xiàn)在，一項新的研究發(fā)現(xiàn)，金剛石電子器件在操作這些網(wǎng)格方面可能比硅更有效。

據(jù)美國能源信息署稱，到2050年，全球電力需求將增長近50%。與此同時，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校電氣與計算機(jī)工程副教授Can Bayram說道：“單單在美國，就有三分之二的發(fā)電量無法到達(dá)客戶手中，被浪費掉了”。

“基于半導(dǎo)體金剛石的電力電子器件將使下一代無碳電網(wǎng)成為可能?！?/p>

——Can Bayram，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校

Bayram說，提高電網(wǎng)效率的一種方法是從交流電（AC）切換到直流電（DC）。直流電網(wǎng)將消除對將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流器的需求，并且可以減少對有助于降低配電電壓的變壓器的需求。Bayram表示：“由此產(chǎn)生的直流電網(wǎng)預(yù)計將減少當(dāng)今交流電網(wǎng)損耗的90%”。

此外，高壓直流電網(wǎng)在長距離輸送能量方面比交流電網(wǎng)更有效。這表明它們對于太陽能和風(fēng)電場特別有用，因為這些發(fā)電場通常距離其服務(wù)的客戶很遠(yuǎn)。

支持這種電網(wǎng)需要電力電子器件——幫助控制和引導(dǎo)電流的器件。Bayram表示，目前電力電子控制著全球50%以上的電力，預(yù)計到2030年這一數(shù)字將增至80%，部分原因是可再生能源的使用越來越多。

Bayram認(rèn)為，具有高電流和高電壓的直流電網(wǎng)將需要比當(dāng)前硅器件更快、更強(qiáng)的電力電子器件。他說：“我們肯定，基于半導(dǎo)體金剛石的電力電子器件將實現(xiàn)下一代無碳電網(wǎng)”。

金剛石是已知最硬的半導(dǎo)體，也是最著名的導(dǎo)熱體之一。此外，它還具有高擊穿電壓，也就是說，它在導(dǎo)電之前可以承受高電壓。這些和其他特性意味著金剛石半導(dǎo)體器件可以在比傳統(tǒng)電子器件材料更少的情況下以更高的電流和電壓工作，并且仍然可以散熱而不會降低電氣性能。

Bayram說：“其他明顯好處還包括降低運輸、安裝成本，并且需要的安裝人員更少，因為系統(tǒng)重量更輕”

“基于金剛石的轉(zhuǎn)換器將具有成本競爭力，雖然金剛石器件本身比通常的硅器件更昂貴，但半導(dǎo)體尺寸的減小和包括熱管理在內(nèi)的系統(tǒng)簡化將大大降低總體成本?！?/p>

——Can Bayram，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校

現(xiàn)代電子產(chǎn)品中最常見的元件之一是二極管，其中電流僅沿一個方向流動。在電力電子器件中，幫助二極管承受高電壓的一種方法是增加分隔電極層的“漂移區(qū)”的厚度。這是基于金剛石器件的一個問題——增加漂移區(qū)厚度需要生長更多的金剛石并蝕刻得更深，這兩者都是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

所有這些層通常以垂直堆疊的方式生長。在這項新研究中，研究人員轉(zhuǎn)向了橫向架構(gòu)。然后，他們可以通過調(diào)整電極之間的水平距離來擴(kuò)大擊穿電壓，而不需要厚的漂移層。

Bayram說：“最終，我們的團(tuán)隊在薄至幾微米的漂移層中實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高擊穿電壓，約為5,000伏”。它還具有金剛石器件中最低的漏電流，這一特性會影響器件的整體效率和可靠性。

研究人員表示，他們的目標(biāo)是繼續(xù)優(yōu)化設(shè)備，旨在接近金剛石潛力的性能極限。

Bayram表示：“我們相信金剛石將以超過5兆瓦的高端功率水平進(jìn)入半導(dǎo)體市場，基于金剛石的轉(zhuǎn)換器將具有成本競爭力，雖然金剛石器件本身比通常的硅器件更昂貴，但半導(dǎo)體尺寸的減小和包括熱管理在內(nèi)的系統(tǒng)簡化將大大降低總體成本?！?/p>

科學(xué)家們在《IEEE電子器件快報》雜志上詳細(xì)介紹了其發(fā)現(xiàn)。

審核編輯 黃宇