钻石芯片，大有可为

人们每次给手机、平板电脑或笔记本电脑充电时都会使用电力电子设备，这种设备可以将电力在电网所需的电压和电流与电子设备使用的水平之间进行转换。电力电子设备还将储存的电池能量转换为电动汽车电机可用的电力，并确保商业太阳能和风能能够高效地输送到远距离客户。截至 2024 年，美国约 30% 的电力通过电力电子设备，到 2030 年，这一比例可能会上升到 80%。

但现代电力电子中使用的硅半导体无法承受美国电网日益增加的压力。为了满足工厂和数据中心日益增长的电力需求，并支持更多电动汽车和热泵作为美国脱碳目标的一部分，电网必须以比目前更高的电压水平传输更多的电力。需要新一代电力电子设备来快速有效地管理这种激增。

“这些设备必须能够处理更大的电流和电压，”美国能源部高级研究计划署 (ARPA-E) 项目主管 Olga Spahn 说。“这就是我们对超宽带隙材料感兴趣的原因，而金刚石就是其中之一。”

ARPA-E 通过 ULTRAFAST 项目投入了 4200 万美元来改善硅半导体以及宽带隙和超宽带隙半导体材料的性能极限。宽带隙和超宽带隙材料是能够承受比硅高得多的温度、电压和频率的半导体类别。因此，基于这些材料的电力电子器件可以比硅材料更节能，处理更高的功率水平。

碳化硅和氮化镓等宽带隙半导体越来越受欢迎，基于超宽带隙半导体（如金刚石、氮化铝镓和氮化铝）的器件也正在开发中。金刚石可以发挥它们的最大优势。

加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Lars Voss 说：“金刚石从根本上说具有我们拥有的所有半导体材料中最好的性能。” 他将金刚石描述为“众多潜在材料选择”中的少数几种，这些材料正在被认真考虑用于未来的电力电子器件。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Can Bayram 表示，金刚石器件的尺寸可能比硅器件小得多，同时导通电阻低三个数量级——这意味着能量损失大大减少——并且能够处理更多的功率。这种金刚石器件还可以在 700°C 以上的温度下工作，并且比其他半导体更有效地散热，而硅器件通常无法在 200°C 以上工作。

另一个关键优势是，金刚石材料可以在实验室中制造，而其他半导体材料可能包含镓等稀有开采元素。“金刚石只是碳，一种轻而简单的元素，”Bayram 说。

Bayram 目前正在通过 ARPA-E 计划资助的项目开发金刚石半导体开关设备。基于金刚石的器件是“光电导”半导体开关的更新版本——它由紫外线而不是电信号触发。这种设计决策避免了可能产生电磁干扰的控制电路的需要。

同样，沃斯和劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队正在开发一种金刚石晶体管设备，当它以多个晶体管串联排列时，可以支持超过 6 千伏的功率——这是商用半导体的两倍。他们的 ARPA-E 资助项目也使用光来控制该设备。

但金刚石半导体仍面临重大发展障碍。例如，改变材料以使其成为更好的半导体的典型方法涉及引入其他化学元素。但由于金刚石具有极其坚硬的晶体结构，以这种方式改变金刚石的性质仍然具有挑战性。

为了使这种类型的半导体具有成本效益，公司还需要生产适合同时制造许多设备的大晶片尺寸的金刚石。例如，硅器件通常由 12 英寸硅晶片制成。但 Bayram 表示，4 英寸金刚石晶片去年才在美国和欧洲实现商业化。

“我希望我们能够在 2035 年左右加大努力，最迟在 2050 年看到金刚石半导体解决方案进入电网，”他说。