鉆石，或許是解決美國(guó)電網(wǎng)所需的超級(jí)半導(dǎo)體！

在美國(guó)電網(wǎng)面臨電力需求歷史性增長(zhǎng)的困境之際，一項(xiàng)研究表明，鉆石在運(yùn)行高壓電網(wǎng)方面可能比硅更有效，這對(duì)于可再生能源的效率至關(guān)重要。美國(guó)政府投入數(shù)百萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)基于鉆石的新型電力電子技術(shù)。

? ?電力中斷每年給美國(guó)造成超過(guò) 1500 億美元的損失

北美電力可靠性委員會(huì)（NERC）的一項(xiàng)分析顯示，2024 年開(kāi)始，北美大部分地區(qū)可能面臨電力短缺。未來(lái)幾年，隨著科技行業(yè)和建筑及車(chē)輛電氣化對(duì)能源的需求不斷飆升，美國(guó)和加拿大有超過(guò) 3 億人面臨電力短缺的可能性，這種可能性從 2024 年一直持續(xù)到 2028 年。

電力中斷每年給美國(guó)造成超過(guò) 1500 億美元的損失，電網(wǎng)面臨著基礎(chǔ)設(shè)施老化和日益嚴(yán)重的天氣事件等挑戰(zhàn)。ULTRAFAST 計(jì)劃創(chuàng)新電力電子技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)安全可靠的電網(wǎng)，滿(mǎn)足更高的電力需求。美國(guó)的目標(biāo)是到 2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和，因此增加電網(wǎng)容量和整合更多可再生能源至關(guān)重要。

正因如此，在美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃署 (ARPA-E) 部署一項(xiàng)新計(jì)劃中，旨在通過(guò)以芯片為中心的創(chuàng)新來(lái)改善國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的控制和保護(hù)。伊利諾伊大學(xué)迎接這一挑戰(zhàn)，被選為牽頭單位，榮獲350 萬(wàn)美元資助，該研究小組用金剛石材料為研究對(duì)象，以開(kāi)發(fā)高功率電子電力半導(dǎo)體設(shè)備。

作為 ARPA-E 最近資助的三個(gè) ULTRAFAST 項(xiàng)目，Can Bayram 領(lǐng)導(dǎo)著伊利諾伊大學(xué)牽頭的一項(xiàng) 300 萬(wàn)美元項(xiàng)目，同時(shí)擔(dān)任 Great Lakes Crystal Technologies牽頭的另一個(gè)項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人，該項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)光觸發(fā)金剛石半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)設(shè)備。ECE 副教授 Shaloo Rakheja 是勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭的一個(gè)項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人，該項(xiàng)目與伊利諾伊大學(xué)、斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校合作，打造高功率金剛石光電設(shè)備。

所有項(xiàng)目都專(zhuān)注于將鉆石作為半導(dǎo)體器件的新型材料。這似乎是一個(gè)昂貴的選擇，但正如 Bayram 所解釋的那樣，“鉆石是碳，因此底層元素并不昂貴，而實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的鉆石使其更加實(shí)惠。”

???基于金剛石半導(dǎo)體的電力電子將實(shí)現(xiàn)下一代無(wú)碳電網(wǎng)

伊利諾伊大學(xué)香檳分校副教授坎·拜拉姆 (Can Bayram)表示，美國(guó)約有三分之二的發(fā)電量在到達(dá)用戶(hù)之前就損失了。

Bayram 表示，提高電網(wǎng)效率的方法之一是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流電網(wǎng)將不再需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流器，還可以減少用于降低配電電壓的變壓器的需求?！坝纱水a(chǎn)生的直流電網(wǎng)預(yù)計(jì)將使目前的交流電網(wǎng)損耗減少 90%”，Bayram 表示。

此外，高壓直流電網(wǎng)在長(zhǎng)距離輸送能源方面比交流電網(wǎng)更有效率。這意味著這對(duì)偏遠(yuǎn)的太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)特別有利。

電力電子控制著全球一半以上的電力，對(duì)于支持這些電網(wǎng)至關(guān)重要。拜拉姆預(yù)測(cè)，由于可再生能源的日益普及，到 2030 年，這一數(shù)字將上升到 80%。Bayram認(rèn)為，未來(lái)的直流電網(wǎng)將需要比目前的硅器件更快、更強(qiáng)大的電力電子，而半導(dǎo)體金剛石可能是答案。

與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有許多優(yōu)勢(shì)。金剛石是一種超寬帶隙材料，具有非常高的擊穿強(qiáng)度、更好的載流子遷移率和高熱導(dǎo)率，與其他寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體相比，金剛石可以實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)和更高的額定功率的設(shè)備和電源模塊技術(shù)，從而改變電源管理。由于重量較輕，金剛石基電子產(chǎn)品可以降低運(yùn)輸和安裝成本。不過(guò)，仍存在一些挑戰(zhàn)需要克服，例如增加金剛石基設(shè)備中“漂移區(qū)”的厚度，這是承受高電壓的關(guān)鍵部件。

盡管存在這些障礙，研究團(tuán)隊(duì)仍然在薄漂移層中實(shí)現(xiàn)了約 5,000 伏的創(chuàng)紀(jì)錄高擊穿電壓，證明了金剛石器件的最低漏電流。Bayram 表示：“我們相信金剛石將以超過(guò) 5 兆瓦的高端功率水平進(jìn)入半導(dǎo)體市場(chǎng)。基于金剛石的轉(zhuǎn)換器將具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)榧词菇饎偸骷旧肀韧ǔ５墓杵骷嘿F，半導(dǎo)體尺寸的減小和包括熱管理在內(nèi)的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化將顯著降低總體成本。”

???重新構(gòu)想 50 年前的技術(shù)：金剛石光電導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)

除了使用金剛石作為關(guān)鍵組件材料外，他們還改變了設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，加入了一個(gè)埋藏的金屬導(dǎo)電通道，可實(shí)現(xiàn)更高的電流。這些設(shè)備由紫外線(xiàn)光源觸發(fā)，這是光學(xué)物理與工程實(shí)驗(yàn)室（共同 PI，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)教授 Andrey Mironov）率先采用的技術(shù)。據(jù)了解，光電導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān) (PCSS) 發(fā)明于 1970 年。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)具有革命性意義，而B(niǎo)ayram 的團(tuán)隊(duì)更新了設(shè)計(jì)和材料。Bayram總結(jié)道：“我們不受傳統(tǒng)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)技術(shù)的限制，因?yàn)槲覀冇幸环N新的光觸發(fā)和電流傳導(dǎo)方式?！盓CE 研究生補(bǔ)充道：“我們正在嘗試修改一個(gè)已經(jīng)存在 50 多年的非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，利用一種新材料——金剛石，以及一種新的設(shè)備結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為這將克服傳統(tǒng)上對(duì)這類(lèi)設(shè)備的限制?！?/p>

他們的目標(biāo)是制造一種設(shè)備，該設(shè)備可以成為高溫、高效和可靠的電力電子設(shè)備的關(guān)鍵組件。Can Bayram 教授領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目，他在格蘭杰工程學(xué)院的團(tuán)隊(duì)包括 ECE 教授 Andrey Mironov 和 Jean-Pierre Leburton ，以及 ECE 研究生 Zhuoran Han 和 Jaekwon Lee 。設(shè)備封裝由石溪大學(xué)聯(lián)合 PI 教授Fang Luo領(lǐng)導(dǎo) 。該團(tuán)隊(duì)將與加州曼特卡的Opcondys公司合作 進(jìn)行高功率測(cè)試。

???跨棧創(chuàng)新：光控半導(dǎo)體晶體管

Shaloo Rakheja 的團(tuán)隊(duì)旨在開(kāi)發(fā)一種光控半導(dǎo)體晶體管，使未來(lái)的電網(wǎng)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)更高的電壓和電流。該項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)和優(yōu)化金剛石光控結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (DOG-FET) 技術(shù)。該設(shè)備將改善未來(lái)電網(wǎng)架構(gòu)的控制、彈性和效率，這些架構(gòu)需要更高電壓和更高電流的設(shè)備以更高的速度運(yùn)行。該設(shè)備在以前的光控晶體管版本上進(jìn)行了創(chuàng)新，例如使用光來(lái)調(diào)制而不是控制電導(dǎo)率。“我們有機(jī)會(huì)在金剛石電力電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)真正的跨棧集成新研究理念，我很高興能與我們的團(tuán)隊(duì)成員一起幫助 DOG-FET 技術(shù)成熟，”Rakheja 評(píng)論道。“研究這個(gè)真正具有變革性的概念令人興奮——與目前最先進(jìn)的解決方案相比，DOG-FET 有望提供 10 倍更好的性能?！?/p>

未來(lái)，金剛石基半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)更快、更具彈性的電網(wǎng)！鉆石隱藏的半導(dǎo)體能力可大大提高人工智能數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)以及小型消費(fèi)電子產(chǎn)品的能源效率。

金剛石，或許是解決能源需求的超級(jí)半導(dǎo)體！