钻石的璀璨：改变半导体技术世界-DG城市

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伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发的高性能金刚石半导体器件代表了满足不断增长的电力需求和到 2050 年实现碳中和的重要一步。金刚石技术的这一突破提供了更高的电压容量和更低的泄漏电流，优于传统的硅基半导体。

研究人员开发了一种由金刚石制成的半导体器件，为到 2050 年实现碳中和提供了有前途的解决方案。与现有的金刚石器件相比，该器件具有最高的击穿电压和最低的泄漏电流，标志着电气化进程的重大进步。

为了实现到2050年实现全球碳中和的目标，必须从根本上改变电子材料，以创造一个更可靠、更有弹性的电网。钻石可能是女孩最好的朋友，但它也可能是维持未来 30 年实现碳中和所需的社会电气化所需的解决方案。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种使用金刚石制成的半导体器件，与以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泄漏电流。随着世界向可再生能源的过渡，这种设备将实现所需的更高效的技术。

不断增长的电力需求

据估计，目前世界上50%的电力由功率器件控制，在不到十年的时间里，预计这一数字将增加到80%，同时，到2050年，电力需求将增加50%。

根据美国国家科学院、工程院和医学院的一份新报告，“成功实现能源转型的最大技术风险可能是国家无法选址、现代化和建设电网的风险。如果不增加输电能力，可再生能源的部署将被推迟，最终结果可能至少是化石燃料排放暂时增加，从而阻止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，我们从传统材料（如硅）转向我们今天看到的新材料（如碳化硅）和下一代半导体（超宽带隙材料）非常重要，例如氮化铝、金刚石和相关化合物，”电气和计算机工程教授Can Bayram说，他与研究生韩卓然一起领导了这项研究。这项工作的结果发表在IEEE Electron Device Letters杂志上。

半导体：超越硅

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气需求。但正如 Bayram 所指出的，“我们希望确保我们有足够的资源供每个人使用，同时我们的需求也在不断发展。现在，我们正在使用越来越多的带宽，我们正在创建更多的数据（这也伴随着更多的存储），并且我们正在使用更多的电力，更多的电力和更多的能源。问题是：有没有办法让这一切更有效率，而不是产生更多的能源和建造更多的发电厂？

金刚石半导体的优越性

金刚石是一种超宽间隙半导体，具有最高的导热性，这是一种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降低电气性能。“要建立一个需要高电流和高电压的电网，使太阳能电池板和风力涡轮机等应用更加高效，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以更实惠和可持续的方式制造，使其成为一种可行且重要的半导体替代品。天然钻石是在巨大的压力和热量下在地球表面深处形成的，但由于它本质上只是碳（其中有大量的碳），人工合成的钻石可以在数周而不是数十亿年内制造出来，同时产生的碳排放量也减少了 100 倍。

在这项工作中，Bayram 和 Han 表明他们的金刚石器件可以承受大约 5 kV 的高电压，尽管电压受到测量设置的限制，而不是设备本身的限制。理论上，该器件可以承受高达 9 kV 的电压。这是金刚石器件报告的最高电压。除了最高的击穿电压外，该器件还具有最低的漏电流，可以认为这是一个漏水的水龙头，但具有能量。漏电流会影响器件的整体效率和可靠性。