为了在2050年前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。
伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究人员开发了一种用钻石制成的半导体器件，与之前报道的钻石器件相比，该器件具有最高的击穿电压和最低的泄漏电流。在世界向可再生能源过渡的过程中，这种装置将使更高效的技术成为可能。
据估计，目前世界上50%的电力是由动力装置控制的，在不到十年的时间里，预计这一数字将增加到80%，而与此同时，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，“也许对成功的能源转型最大的技术危险是国家无法选址、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的暂时增加，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，我们从传统的材料，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，如氮化铝，钻石和相关化合物，这是非常重要的，”电子和计算机工程教授Can Bayram说，他与研究生卓然汉一起领导了这项研究。这项工作的结果发表在《IEEE电子器件快报》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Bayram指出的那样，“我们希望确保我们有足够的资源来满足每个人的需求，同时我们的需求也在不断变化。现在，我们正在使用越来越多的带宽，我们正在创造更多的数据(这也伴随着更多的存储)，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:我们有没有办法让这一切变得更有效率，而不是生产更多的能源和建造更多的发电厂?”
金刚石是一种超宽间隙半导体，具有最高的导热性，即材料传递热量的能力。由于这些特性，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)，并且与硅等传统半导体材料相比，仍然可以在不降低电气性能的情况下散热。
“要有一个需要大电流和高电压的电网，这使得太阳能电池板和风力涡轮机等应用更有效，然后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。
虽然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、更可持续地制造出来，使其成为一种可行的、重要的半导体替代品。天然钻石是在地球表面深处巨大的压力和热量下形成的，但由于它本质上只是碳——而碳是丰富的——人工合成的钻石可以在几周而不是数十亿年的时间内制造出来，同时产生的碳排放量也减少了100倍。
在这项工作中，Bayram和Han展示了他们的钻石装置可以维持大约5千伏的高电压，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，该装置能承受高达9千伏的电压。这是钻石器件所报告的最高电压。除了最高的击穿电压，该设备还展示了最低的泄漏电流，这可以被认为是一个漏水的水龙头，但有能量。漏电流影响器件的整体效率和可靠性。
韩说:“我们制造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。我们用一种超宽的带隙材料，人造金刚石制造了这个装置，它比当前的设备有更好的效率和性能。希望我们能继续优化这种设备和其他配置，这样我们就能接近钻石材料潜力的性能极限。”
更多资料:韩卓然等，高击穿电压(4612 V, 0.01 mA/Mm)的金刚石p型横向肖特基势垒二极管，IEEE Electron Device Letters(2023)。DOI: 10.1109/LED.2023.3310910由伊利诺伊大学Grainger工程学院提供引文:下一代半导体:钻石器件显示最高击穿电压(2023年，11月27日)检索自2023年11月27日https://techxplore.com/news/2023-11-generation-semiconductors-diamond-device-highest.html本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
