隨著電動汽車市場的迅猛發(fā)展，功率半導體技術(shù)在電動汽車的核心部件——電機、充電裝置以及電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用變得尤為關(guān)鍵。功率半導體是電動汽車電力電子系統(tǒng)的“大腦”，直接決定了能效、速度和可靠性等多個因素。傳統(tǒng)的半導體材料如硅（Si）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）在電動汽車領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但隨著對性能要求的提升，企業(yè)開始探索更加先進的半導體材料。
       金剛石被譽為“終極半導體”，其具有其他半導體材料所無法比擬的優(yōu)異性能。首先，金剛石的禁帶寬度高達5.5 eV，是硅的10倍以上，使得金剛石能夠承受更高的電壓和溫度，從而有效提高功率電子器件的耐用性和可靠性。其次，金剛石的熱導率極高，約為硅的五倍，意味著它在高功率、高溫的工作環(huán)境下能夠更好地散熱，保持器件的穩(wěn)定性。這些優(yōu)勢在高功率應(yīng)用中，尤其是在電動汽車的高效能電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中顯得尤為重要。
       近日，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與本田技術(shù)研究院合作，制造了p型金剛石MOSFET原型，并首次演示了安培級高速開關(guān)操作。該公司計劃將該技術(shù)搭載于下一代移動動力裝置中，并進行運行驗證，以期在社會中得以實施。

       金剛石MOSFET的工作原理與傳統(tǒng)MOSFET相似，但其結(jié)構(gòu)和材料的差異使其在處理高電流和高頻率信號時表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。

       研究人員采用了比傳統(tǒng)方法更大尺寸的單晶金剛石襯底，并開發(fā)了可實現(xiàn)并行操作的布線技術(shù)。具體而言，就是在半英寸單晶金剛石襯底上，采用以氫終止的二維空穴載氣制作大量p型功率MOSFET，并進行布線以實現(xiàn)并聯(lián)操作。

新開發(fā)的安培級金剛石MOSFET，由314個元件并聯(lián)（左），單個金剛石MOSFET元件的性能（右）

       研究人員還對所制備的金剛石MOSFET的特性進行了評估。已確認柵極寬度為1020μm的單個元件具有優(yōu)異的工作特性，并且能夠以高成品率在同一基板上制造元件。

       此外，314個單體元件的源極、柵極、漏極電極相互并聯(lián)。柵極連接方式使得總柵極寬度約為32cm，并且使用雙脈沖方法評估元件的開關(guān)速度。結(jié)果確認，驅(qū)動電流為2.5A時，下降時間為19納秒，上升時間為32納秒。

新開發(fā)的安培級金剛石MOSFET的開關(guān)特性

       這一技術(shù)突破表明，金剛石MOSFET不僅能在電動汽車的電力系統(tǒng)中發(fā)揮作用，還能解決傳統(tǒng)半導體材料在高功率應(yīng)用中的諸多問題，如散熱不足、開關(guān)速度慢、承受電壓有限等問題。

       提高能效：由于金剛石具有極高的熱導率，金剛石MOSFET能夠在更高溫度下工作，從而提高電動汽車的功率轉(zhuǎn)換效率。這意味著電動汽車在高速行駛或高負載時，可以更高效地利用電能，延長續(xù)航里程。

       更高的耐用性和可靠性：金剛石的物理特性使其在高溫、高電壓和惡劣環(huán)境下保持良好的性能。隨著電動汽車對功率半導體的要求不斷提高，金剛石MOSFET的優(yōu)異耐用性將使其在電動汽車中具有更長的使用壽命和更強的可靠性。

       優(yōu)化充電性能：金剛石MOSFET的高速開關(guān)性能，使得電動汽車的充電過程更加高效，能夠支持更高功率的快速充電技術(shù)。這對于推動電動汽車的普及具有重要意義，尤其是在快速充電站的建設(shè)中，金剛石MOSFET的應(yīng)用能夠大幅提升充電速度，縮短電動汽車充電時間。

       減輕車輛重量和體積：金剛石半導體器件的高效能使得在實現(xiàn)同樣性能的情況下，能夠使用更小巧、更輕便的器件。這對于電動汽車來說，無疑是一個巨大的優(yōu)勢，特別是在追求車輛輕量化、提高能效的今天。

       盡管金剛石MOSFET在理論和實驗室階段取得了顯著進展，但其產(chǎn)業(yè)化的道路仍然充滿挑戰(zhàn)。首先，金剛石的生長技術(shù)仍然是制約金剛石半導體產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。金剛石晶體的生長過程復雜且成本高昂，尤其是大尺寸、高質(zhì)量金剛石襯底的制造仍存在技術(shù)難題。其次，金剛石MOSFET的生產(chǎn)工藝需要進一步優(yōu)化，以確保其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性。

       盡管如此，隨著技術(shù)的不斷進步，金剛石半導體有望在未來逐步取代現(xiàn)有的半導體材料，成為電動汽車功率電子系統(tǒng)中的核心組件。特別是隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和對高效能、長續(xù)航的需求增加，金剛石MOSFET將為電動汽車提供更加高效、可靠的電力轉(zhuǎn)換解決方案，推動整個行業(yè)的創(chuàng)新和進步。