超硬材料網

       在美國電網面臨電力需求歷史性增長的困境之際，鉆石半導體可以大大提高人工智能數據中心和電動汽車以及小型消費電子產品的能源效率。這就是為什么美國政府投入數百萬美元開發基于鉆石的新型電力電子技術。

       人們每次給手機、平板電腦或筆記本電腦充電時都會使用電力電子設備，這種設備可以將電力在電網所需的電壓和電流與電子設備使用的水平之間進行轉換。電力電子設備還將儲存的電池能量轉換為電動汽車電機可用的電力，并確保商業太陽能和風能能夠高效地輸送到遠距離客戶。截至 2024 年，美國約 30% 的電力通過電力電子設備，到 2030 年，這一比例可能會上升到 80%。

       但現代電力電子中使用的硅半導體無法承受美國電網日益增加的壓力。為了滿足工廠和數據中心日益增長的電力需求，并支持更多電動汽車和熱泵作為美國脫碳目標的一部分，電網必須以比目前更高的電壓水平傳輸更多的電力。需要新一代電力電子設備來快速有效地管理這種激增。

       “這些設備必須能夠處理更大的電流和電壓，”美國能源部高級研究計劃署 (ARPA-E) 項目主管 Olga Spahn 說。“這就是我們對超寬帶隙材料感興趣的原因，而金剛石就是其中之一。”

       ARPA-E 通過 ULTRAFAST 項目投入了 4200 萬美元來改善硅半導體以及寬帶隙和超寬帶隙半導體材料的性能極限。寬帶隙和超寬帶隙材料是能夠承受比硅高得多的溫度、電壓和頻率的半導體類別。因此，基于這些材料的電力電子器件可以比硅材料更節能，處理更高的功率水平。

       碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導體越來越受歡迎，基于超寬帶隙半導體（如金剛石、氮化鋁鎵和氮化鋁）的器件也正在開發中。金剛石可以發揮它們的最大優勢。

       加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的 Lars Voss 說：“金剛石從根本上說具有我們擁有的所有半導體材料中最好的性能。” 他將金剛石描述為“眾多潛在材料選擇”中的少數幾種，這些材料正在被認真考慮用于未來的電力電子器件。

       伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的 Can Bayram 表示，金剛石器件的尺寸可能比硅器件小得多，同時導通電阻低三個數量級——這意味著能量損失大大減少——并且能夠處理更多的功率。這種金剛石器件還可以在 700°C 以上的溫度下工作，并且比其他半導體更有效地散熱，而硅器件通常無法在 200°C 以上工作。

       另一個關鍵優勢是，金剛石材料可以在實驗室中制造，而其他半導體材料可能包含鎵等稀有開采元素。“金剛石只是碳，一種輕而簡單的元素，”Bayram 說。

       Bayram 目前正在通過 ARPA-E 計劃資助的項目開發金剛石半導體開關設備。基于金剛石的器件是“光電導”半導體開關的更新版本——它由紫外線而不是電信號觸發。這種設計決策避免了可能產生電磁干擾的控制電路的需要。

       同樣，沃斯和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊正在開發一種金剛石晶體管設備，當它以多個晶體管串聯排列時，可以支持超過 6 千伏的功率——這是商用半導體的兩倍。他們的 ARPA-E 資助項目也使用光來控制該設備。

       但金剛石半導體仍面臨重大發展障礙。例如，改變材料以使其成為更好的半導體的典型方法涉及引入其他化學元素。但由于金剛石具有極其堅硬的晶體結構，以這種方式改變金剛石的性質仍然具有挑戰性。

       為了使這種類型的半導體具有成本效益，公司還需要生產適合同時制造許多設備的大晶片尺寸的金剛石。例如，硅器件通常由 12 英寸硅晶片制成。但 Bayram 表示，4 英寸金剛石晶片去年才在美國和歐洲實現商業化。

       “我希望我們能夠在 2035 年左右加大努力，最遲在 2050 年看到金剛石半導體解決方案進入電網，”他說。