碳的晶体形态金刚石电子器件有望用于绿色电网，非常适用于可再生能源的高电压和高电流环境

来源：IEEE Spectrum

金刚石半导体器件的尺寸为4 mm x 4 mm。图源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

本文是IEEE Spectrum与IEEE Xplore合作的独家IEEE Journal Watch系列的一部分。

事实证明，高压电网对于可再生能源来说更加高效。现在，一项新的研究发现，金刚石电子器件在操作这些网格方面可能比硅更有效。

据美国能源信息署称，到2050年，全球电力需求将增长近50%。与此同时，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气与计算机工程副教授Can Bayram说道：“单单在美国，就有三分之二的发电量无法到达客户手中，被浪费掉了”。

“基于半导体金刚石的电力电子器件将使下一代无碳电网成为可能。”

——Can Bayram，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校

Bayram说，提高电网效率的一种方法是从交流电（AC）切换到直流电（DC）。直流电网将消除对将交流电转换为直流电的整流器的需求，并且可以减少对有助于降低配电电压的变压器的需求。Bayram表示：“由此产生的直流电网预计将减少当今交流电网损耗的90%”。

此外，高压直流电网在长距离输送能量方面比交流电网更有效。这表明它们对于太阳能和风电场特别有用，因为这些发电场通常距离其服务的客户很远。

支持这种电网需要电力电子器件——帮助控制和引导电流的器件。Bayram表示，目前电力电子控制着全球50%以上的电力，预计到2030年这一数字将增至80%，部分原因是可再生能源的使用越来越多。

Bayram认为，具有高电流和高电压的直流电网将需要比当前硅器件更快、更强的电力电子器件。他说：“我们肯定，基于半导体金刚石的电力电子器件将实现下一代无碳电网”。

金刚石是已知最硬的半导体，也是最著名的导热体之一。此外，它还具有高击穿电压，也就是说，它在导电之前可以承受高电压。这些和其他特性意味着金刚石半导体器件可以在比传统电子器件材料更少的情况下以更高的电流和电压工作，并且仍然可以散热而不会降低电气性能。

Bayram说：“其他明显好处还包括降低运输、安装成本，并且需要的安装人员更少，因为系统重量更轻”

“基于金刚石的转换器将具有成本竞争力，虽然金刚石器件本身比通常的硅器件更昂贵，但半导体尺寸的减小和包括热管理在内的系统简化将大大降低总体成本。”

——Can Bayram，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校

现代电子产品中最常见的元件之一是二极管，其中电流仅沿一个方向流动。在电力电子器件中，帮助二极管承受高电压的一种方法是增加分隔电极层的“漂移区”的厚度。这是基于金刚石器件的一个问题——增加漂移区厚度需要生长更多的金刚石并蚀刻得更深，这两者都是具有挑战性的任务。

所有这些层通常以垂直堆叠的方式生长。在这项新研究中，研究人员转向了横向架构。然后，他们可以通过调整电极之间的水平距离来扩大击穿电压，而不需要厚的漂移层。

Bayram说：“最终，我们的团队在薄至几微米的漂移层中实现了创纪录的高击穿电压，约为5,000伏”。它还具有金刚石器件中最低的漏电流，这一特性会影响器件的整体效率和可靠性。

研究人员表示，他们的目标是继续优化设备，旨在接近金刚石潜力的性能极限。

Bayram表示：“我们相信金刚石将以超过5兆瓦的高端功率水平进入半导体市场，基于金刚石的转换器将具有成本竞争力，虽然金刚石器件本身比通常的硅器件更昂贵，但半导体尺寸的减小和包括热管理在内的系统简化将大大降低总体成本。”

科学家们在《IEEE电子器件快报》杂志上详细介绍了其发现。

审核编辑 黄宇