來源：IEEE Spectrum

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

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，高壓電網對于可再生能源來說更加高效。現在，一項新的研究發現，金剛石電子器件在操作這些網格方面可能比硅更有效。

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

“基于半導體金剛石的電力電子器件將使下一代無碳電網成為可能。”

——Can Bayram，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校

Bayram說，提高電網效率的一種方法是從交流電（AC）切換到直流電（DC）。直流電網將消除對將交流電轉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：“由此產生的直流電網預計將減少當今交流電網損耗的90%”。

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

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

Bayram認為，具有高電流和高電壓的直流電網將需要比當前硅器件更快、更強的電力電子器件。他說：“我們肯定，基于半導體金剛石的電力電子器件將實現下一代無碳電網”。

金剛石是已知最硬的半導體，也是最著名的導熱體之一。此外，它還具有高擊穿電壓，也就是說，它在導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體器件可以在比傳統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，因為系統重量更輕”

“基于金剛石的轉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，但半導體尺寸的減小和包括熱管理在內的系統簡化將大大降低總體成本。”

——Can Bayram，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校

現代電子產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”的厚度。這是基于金剛石器件的一個問題——增加漂移區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性的任務。

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

Bayram說：“最終，我們的團隊在薄至幾微米的漂移層中實現了創紀錄的高擊穿電壓，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，他們的目標是繼續優化設備，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入半導體市場，基于金剛石的轉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，但半導體尺寸的減小和包括熱管理在內的系統簡化將大大降低總體成本。”

科學家們在《IEEE電子器件快報》雜志上詳細介紹了其發現。

審核編輯 黃宇