鉆石，或許是解決美國電網所需的超級半導體！

在美國電網面臨電力需求歷史性增長的困境之際，一項研究表明，鉆石在運行高壓電網方面可能比硅更有效，這對于可再生能源的效率至關重要。美國政府投入數百萬美元開發(fā)基于鉆石的新型電力電子技術。

? ?電力中斷每年給美國造成超過 1500 億美元的損失

北美電力可靠性委員會（NERC）的一項分析顯示，2024 年開始，北美大部分地區(qū)可能面臨電力短缺。未來幾年，隨著科技行業(yè)和建筑及車輛電氣化對能源的需求不斷飆升，美國和加拿大有超過 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造成超過 1500 億美元的損失，電網面臨著基礎設施老化和日益嚴重的天氣事件等挑戰(zhàn)。ULTRAFAST 計劃創(chuàng)新電力電子技術，以實現安全可靠的電網，滿足更高的電力需求。美國的目標是到 2050 年實現碳中和，因此增加電網容量和整合更多可再生能源至關重要。

正因如此，在美國能源部高級研究計劃署 (ARPA-E) 部署一項新計劃中，旨在通過以芯片為中心的創(chuàng)新來改善國內電網的控制和保護。伊利諾伊大學迎接這一挑戰(zhàn)，被選為牽頭單位，榮獲350 萬美元資助，該研究小組用金剛石材料為研究對象，以開發(fā)高功率電子電力半導體設備。

作為 ARPA-E 最近資助的三個 ULTRAFAST 項目，Can Bayram 領導著伊利諾伊大學牽頭的一項 300 萬美元項目，同時擔任 Great Lakes Crystal Technologies牽頭的另一個項目的共同負責人，該項目旨在開發(fā)光觸發(fā)金剛石半導體開關設備。ECE 副教授 Shaloo Rakheja 是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室牽頭的一個項目的共同負責人，該項目與伊利諾伊大學、斯坦福大學和加州大學伯克利分校合作，打造高功率金剛石光電設備。

所有項目都專注于將鉆石作為半導體器件的新型材料。這似乎是一個昂貴的選擇，但正如 Bayram 所解釋的那樣，“鉆石是碳，因此底層元素并不昂貴，而實驗室生產的鉆石使其更加實惠?！?/p>

???基于金剛石半導體的電力電子將實現下一代無碳電網

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

Bayram 表示，提高電網效率的方法之一是將交流電轉換為直流電。直流電網將不再需要將交流電轉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生的直流電網預計將使目前的交流電網損耗減少 90%”，Bayram 表示。

此外，高壓直流電網在長距離輸送能源方面比交流電網更有效率。這意味著這對偏遠的太陽能和風力發(fā)電場特別有利。

電力電子控制著全球一半以上的電力，對于支持這些電網至關重要。拜拉姆預測，由于可再生能源的日益普及，到 2030 年，這一數字將上升到 80%。Bayram認為，未來的直流電網將需要比目前的硅器件更快、更強大的電力電子，而半導體金剛石可能是答案。

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

盡管存在這些障礙，研究團隊仍然在薄漂移層中實現了約 5,000 伏的創(chuàng)紀錄高擊穿電壓，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 5 兆瓦的高端功率水平進入半導體市場?；诮饎偸?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8/">轉換器將具有成本競爭力，因為即使金剛石器件本身比通常的硅器件更昂貴，半導體尺寸的減小和包括熱管理在內的系統(tǒng)的簡化將顯著降低總體成本?！?/p>

???重新構想 50 年前的技術：金剛石光電導半導體開關

除了使用金剛石作為關鍵組件材料外，他們還改變了設備本身的結構，加入了一個埋藏的金屬導電通道，可實現更高的電流。這些設備由紫外線光源觸發(fā)，這是光學物理與工程實驗室（共同 PI，歐洲經濟委員會教授 Andrey Mironov）率先采用的技術。據了解，光電導半導體開關 (PCSS) 發(fā)明于 1970 年。當時，這項技術具有革命性意義，而Bayram 的團隊更新了設計和材料。Bayram總結道：“我們不受傳統(tǒng)光電導開關技術的限制，因為我們有一種新的光觸發(fā)和電流傳導方式。”ECE 研究生補充道：“我們正在嘗試修改一個已經存在 50 多年的非常簡單的結構，利用一種新材料——金剛石，以及一種新的設備結構，我們認為這將克服傳統(tǒng)上對這類設備的限制?！?/p>

他們的目標是制造一種設備，該設備可以成為高溫、高效和可靠的電力電子設備的關鍵組件。Can Bayram 教授領導該項目，他在格蘭杰工程學院的團隊包括 ECE 教授 Andrey Mironov 和 Jean-Pierre Leburton ，以及 ECE 研究生 Zhuoran Han 和 Jaekwon Lee 。設備封裝由石溪大學聯合 PI 教授Fang Luo領導 。該團隊將與加州曼特卡的Opcondys公司合作 進行高功率測試。

???跨棧創(chuàng)新：光控半導體晶體管

Shaloo Rakheja 的團隊旨在開發(fā)一種光控半導體晶體管，使未來的電網控制系統(tǒng)能夠適應更高的電壓和電流。該項目將開發(fā)和優(yōu)化金剛石光控結型場效應晶體管 (DOG-FET) 技術。該設備將改善未來電網架構的控制、彈性和效率，這些架構需要更高電壓和更高電流的設備以更高的速度運行。該設備在以前的光控晶體管版本上進行了創(chuàng)新，例如使用光來調制而不是控制電導率?！拔覀冇袡C會在金剛石電力電子領域實現真正的跨棧集成新研究理念，我很高興能與我們的團隊成員一起幫助 DOG-FET 技術成熟，”Rakheja 評論道?！把芯窟@個真正具有變革性的概念令人興奮——與目前最先進的解決方案相比，DOG-FET 有望提供 10 倍更好的性能?！?/p>

未來，金剛石基半導體可實現更快、更具彈性的電網！鉆石隱藏的半導體能力可大大提高人工智能數據中心、電動汽車以及小型消費電子產品的能源效率。

金剛石，或許是解決能源需求的超級半導體！