全新潜力：金刚石作为下一代半导体的角逐者

实现碳中和的雄心壮志正在燃烧全球需求，推动我们寻求更高效、更强大的半导体材料。半导体材料如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)已经允许电力电子行业超越了硅的局限性，从而导向开发更高效、更环保的技术平台。这些材料在制造电力电子产品中充当关键角色，而这些产品在可再生能源系统、电动车(EVs)和其他减少碳排放技术中发挥着重要功能。除了GaN和SiC，另一种具有高潜力的半导体材料也引人注目，它就是金刚石。

 

 

金刚石，以其无比的硬度和璀璨的光芒而闻名，也打开了其作为半导体的新视角，为下一代电子元件提供了新的可能。金刚石特有的特性，包括高导热性和电绝缘特性，使其在一些特殊的电子和功率器件应用中具有极大的吸引力，特别是在高功率和高温环境中。

 

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一项研究，他们创造了一种由金刚石制成的半导体器件，其击穿电压和漏电流最小，相比之前的金刚石器件有着显著的提升。这个设备可能助推全球向需要更高效技术的可再生能源转型。该项研究结果已经在《IEEE Electron Device Letters》杂志上发表。

 

虽然钻石作为宝石因其极硬度而受到喜爱，但其独特的电气特性为半导体应用增添新的视角。碳原子能产生强大的共价连接，形成金刚石的晶格结构。这个晶格结构使半导体具有三大重要特性：快速的载流子迁移率、宽带隙和卓越的导热性。

 

 

金刚石的一个突出特性就是它的宽带隙。材料的价带和导带之间的能量差距被称为带隙。宽带隙有利于高效的电子传输和减少漏电流，从而适合高功率和高频应用。

 

金刚石被公认为是最坚韧的物质之一，它是碳的密度最大的形态，其密度是水的3.5倍。这些硬度和密度特性都可以通过其独特的晶格结构来解释。

 

此外，金刚石有高达3500度的超高熔点，并且是具有最高导热率的超宽带隙(UWBG)半导体，确保其可以有效传输热量。

 

击穿电压，或称其为临界电场或介电强度，是衡量半导体器件的关键标准。一个材料可以在不导电、不断裂的情况下承受的最高电场就是其击穿电压。这个特性与材料的带隙宽度和其固有特性有很大的相关性。金刚石作为宽带隙半导体，其击穿电压相比于传统半导体显著增强。

 

对于半导体器件来说，金刚石的宽带隙约为5.5电子伏特(eV)，具有很高的击穿电压，通常在106至107伏每厘米(V/cm)的范围内。这种卓越的击穿电压使金刚石成为高功率和高频电子应用的理想选择，因为它可以承受高电场而不发生电击穿。

 

金刚石半导体器件具有独特的特性，能够在显著升高的电压和电流下工作，且使用的材料较少。此外，与硅等传统半导体材料相比，它们可以有效散热而不影响电气性能。

 

专家认为，金刚石在实验室环境中可以以较低的成本生产，并且具有更大的环保性，使其成为半导体的有效且重要的替代品。人工合成的钻石可以在几周内生产，而不需要数十亿年的漫长时间，同时产生的碳排放也大幅度降低。

 

 

然而，值得注意的是，电压限制是由于测量设备而非设备本身造成的。根据理论计算，该装置最高可承受9kV的电压。这表示了金刚石装置历史上记录的最高电压。除了出色的击穿电压，该设备还有最低的漏电流。

 

金刚石适用于各种场合，在高功率电子产品方面，金刚石的卓越导热性使其成为非常理想的选择。在射频 (RF) 电子产品方面，金刚石的宽带隙使其非常适合射频电子器件，有助于推进高频设备的发展。此外，金刚石在不同波长下的广泛透明度和其导电性的结合为光电应用创造了机会，可能用于复杂的应用，例如传感器、激光器和光电探测器等。