為了在2050年實(shí)現(xiàn)全球碳中和的目標(biāo)，必須對電子材料進(jìn)行根本性改變，以創(chuàng)建更可靠、更具彈性的電力網(wǎng)絡(luò)，金剛石可能就是實(shí)現(xiàn)社會電氣化所需的解決方案。

       美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員開發(fā)了一種使用金剛石制成的半導(dǎo)體器件，與之前報(bào)道的金剛石器件相比，其擊穿電壓和泄漏電流具有最高的性能。隨著世界向可再生能源過渡，這種器件將實(shí)現(xiàn)所需的更高效的技術(shù)。相關(guān)研究成果以“Diamond p-Type Lateral Schottky Barrier Diodes With High Breakdown Voltage (4612 V at 0.01 mA/Mm)”為題，發(fā)表于《IEEE Electron Device Letters》雜志。

金剛石半導(dǎo)體器件（4mm×4mm）圖源：格蘭杰工程學(xué)院

       據(jù)估計(jì)，目前世界上50%的電力由功率器件控制，預(yù)計(jì)十年之內(nèi)將增加到80%。到2050年,電力需求將增加50%。

       根據(jù)美國國家科學(xué)院、工程和醫(yī)學(xué)院的一份新報(bào)告：“對于成功實(shí)現(xiàn)能源過渡的最大技術(shù)危險(xiǎn)，就是國家未能選址、現(xiàn)代化并建設(shè)電力網(wǎng)。如果沒有增加輸電能力，可再生能源的部署將會延遲，可能至少會暫時增加化石燃料排放，阻礙國家實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)?！?/p>

       “為滿足這些電力需求并使電力網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化，很重要的一點(diǎn)是我們必須從傳統(tǒng)材料（如硅）轉(zhuǎn)向今天正在被采用的新材料（如碳化硅）和下一代半導(dǎo)體材料——超寬帶隙材料（如氮化鋁、金剛石和相關(guān)化合物）。”領(lǐng)導(dǎo)該研究的電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Can Bayram和研究生Zhuoran Han說。

       超越硅

       大多數(shù)半導(dǎo)體都是由硅制造的，截至目前，已滿足了社會的電氣需求。但正如Bayram指出的那樣：“我們希望確保資源足夠供所有人使用，需求正在不斷改變?，F(xiàn)在，我們正在使用越來越多的帶寬，我們正在創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)（帶來更多的存儲空間），我們正在使用更多的功率、更多的電和更多的能源。問題是，能否在不產(chǎn)生更多能源或建設(shè)更多發(fā)電廠之外，使這一切更加高效？”

       為什么選擇金剛石？

       金剛石是一種具有最高導(dǎo)熱率的超寬帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)熱率是材料傳遞熱量的能力。由于這些性質(zhì)，金剛石半導(dǎo)體器件可以在更高的電壓和電流下運(yùn)行（使用更少的材料），并且仍然能夠在不降低電性能的情況下散熱。

       相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，例如硅，要建立一個需要高電流和高電壓的電力網(wǎng)絡(luò)，使太陽能電池板和風(fēng)力渦輪等應(yīng)用更加高效，需要一種沒有熱限制的技術(shù)。這就是金剛石的用武之地。

       盡管很多人把金剛石與昂貴的珠寶聯(lián)系在一起，但在實(shí)驗(yàn)室里，可以以更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)地方法制造金剛石，使其成為一種可行且重要的半導(dǎo)體替代品。天然鉆石在地球深處在巨大的壓力和熱量下形成，但由于它本質(zhì)上只是碳，因此人工合成的鉆石可以在幾周內(nèi)就完成制造，而且還能減少百倍的碳排放量。

       在這項(xiàng)工作中，Bayram和Han展示了他們的金剛石器件可以承受約5千伏的高電壓，盡管電壓受到測量設(shè)置的限制而非來自器件本身。理論上，該器件可以承受高達(dá)9千伏的電壓，這也是金剛石器件報(bào)告的最高電壓。除了最高的擊穿電壓外，該器件還表現(xiàn)出最低的漏電流，泄漏電流影響器件的整體效率和可靠性。

       Han說：“我們構(gòu)建了一種更適合未來電力網(wǎng)絡(luò)和其他電力應(yīng)用的高功率、高電壓應(yīng)用的電子器件。并且我們在超寬帶隙材料——合成金剛石上構(gòu)建了這個器件，它有望實(shí)現(xiàn)更好的效率和性能。希望我們將繼續(xù)優(yōu)化這個器件和其他配置，以便接近金剛石材料潛在性能的極限。”

       圖文導(dǎo)讀

圖1. 金剛石橫向 SBD 的外延和潔凈室微加工步驟。(a)p-漂移層外延生長；(b)p+接觸層選擇性生長；(c)歐姆接觸沉積；(d)Al2O3場板形成；(e)肖特基接觸沉積；(f)使用視場板制造的金剛石橫向SBD的俯視顯微鏡圖像。

圖2. (a)室溫下，帶和不帶場板(FP)的金剛石橫向SBD的正向J -V特性，以半對數(shù)和線性標(biāo)度表示；虛線表示計(jì)算出的空間電荷限制傳導(dǎo)(SCLC)J-V 關(guān)系。(b)200℃時，帶和不帶FP的金剛石橫向SBD的正向J-V 特性，采用半對數(shù)和線性標(biāo)度。

圖3. 帶和不帶 FP 的金剛石橫向 SBD 的室溫反向漏電J -V 特性。

圖5. 所制造的橫向 SBD 與之前報(bào)道的金剛石功率器件（包括橫向 MESFET、MOSFET 和結(jié) FET，以及室溫下的偽垂直和垂直 SBD）進(jìn)行比較的基準(zhǔn)。

論文原文：10.1109/LED.2023.3310910