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       为了在2050年实现全球碳中和的目标，必须对电子材料进行根本性改变，以创建更可靠、更具弹性的电力网络，金刚石可能就是实现社会电气化所需的解决方案。

       美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种使用金刚石制成的半导体器件，与之前报道的金刚石器件相比，其击穿电压和泄漏电流具有最高的性能。随着世界向可再生能源过渡，这种器件将实现所需的更高效的技术。相关研究成果以“Diamond p-Type Lateral Schottky Barrier Diodes With High Breakdown Voltage (4612 V at 0.01 mA/Mm)”为题，发表于《IEEE Electron Device Letters》杂志。

金刚石半导体器件（4mm×4mm）图源：格兰杰工程学院

       据估计，目前世界上50%的电力由功率器件控制，预计十年之内将增加到80%。到2050年,电力需求将增加50%。

       根据美国国家科学院、工程和医学院的一份新报告：“对于成功实现能源过渡的最大技术危险，就是国家未能选址、现代化并建设电力网。如果没有增加输电能力，可再生能源的部署将会延迟，可能至少会暂时增加化石燃料排放，阻碍国家实现减排目标。”

       “为满足这些电力需求并使电力网络现代化，很重要的一点是我们必须从传统材料（如硅）转向今天正在被采用的新材料（如碳化硅）和下一代半导体材料——超宽带隙材料（如氮化铝、金刚石和相关化合物）。”领导该研究的电气与计算机工程教授Can Bayram和研究生Zhuoran Han说。

       超越硅

       大多数半导体都是由硅制造的，截至目前，已满足了社会的电气需求。但正如Bayram指出的那样：“我们希望确保资源足够供所有人使用，需求正在不断改变。现在，我们正在使用越来越多的带宽，我们正在创建更多的数据（带来更多的存储空间），我们正在使用更多的功率、更多的电和更多的能源。问题是，能否在不产生更多能源或建设更多发电厂之外，使这一切更加高效？”

       为什么选择金刚石？

       金刚石是一种具有最高导热率的超宽带隙半导体，导热率是材料传递热量的能力。由于这些性质，金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下运行（使用更少的材料），并且仍然能够在不降低电性能的情况下散热。

       相比传统的半导体材料，例如硅，要建立一个需要高电流和高电压的电力网络，使太阳能电池板和风力涡轮等应用更加高效，需要一种没有热限制的技术。这就是金刚石的用武之地。

       尽管很多人把金刚石与昂贵的珠宝联系在一起，但在实验室里，可以以更经济、更可持续地方法制造金刚石，使其成为一种可行且重要的半导体替代品。天然钻石在地球深处在巨大的压力和热量下形成，但由于它本质上只是碳，因此人工合成的钻石可以在几周内就完成制造，而且还能减少百倍的碳排放量。

       在这项工作中，Bayram和Han展示了他们的金刚石器件可以承受约5千伏的高电压，尽管电压受到测量设置的限制而非来自器件本身。理论上，该器件可以承受高达9千伏的电压，这也是金刚石器件报告的最高电压。除了最高的击穿电压外，该器件还表现出最低的漏电流，泄漏电流影响器件的整体效率和可靠性。

       Han说：“我们构建了一种更适合未来电力网络和其他电力应用的高功率、高电压应用的电子器件。并且我们在超宽带隙材料——合成金刚石上构建了这个器件，它有望实现更好的效率和性能。希望我们将继续优化这个器件和其他配置，以便接近金刚石材料潜在性能的极限。”

       图文导读

图1. 金刚石横向 SBD 的外延和洁净室微加工步骤。(a)p-漂移层外延生长；(b)p+接触层选择性生长；(c)欧姆接触沉积；(d)Al2O3场板形成；(e)肖特基接触沉积；(f)使用视场板制造的金刚石横向SBD的俯视显微镜图像。

图2. (a)室温下，带和不带场板(FP)的金刚石横向SBD的正向J -V特性，以半对数和线性标度表示；虚线表示计算出的空间电荷限制传导(SCLC)J-V 关系。(b)200℃时，带和不带FP的金刚石横向SBD的正向J-V 特性，采用半对数和线性标度。

图3. 带和不带 FP 的金刚石横向 SBD 的室温反向漏电J -V 特性。

图5. 所制造的横向 SBD 与之前报道的金刚石功率器件（包括横向 MESFET、MOSFET 和结 FET，以及室温下的伪垂直和垂直 SBD）进行比较的基准。

论文原文：10.1109/LED.2023.3310910