在美國(guó)電網(wǎng)面臨電力需求歷史性增長(zhǎng)的困境之際，鉆石半導(dǎo)體可以大大提高人工智能數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車(chē)以及小型消費(fèi)電子產(chǎn)品的能源效率。這就是為什么美國(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)。

       人們每次給手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦充電時(shí)都會(huì)使用電力電子設(shè)備，這種設(shè)備可以將電力在電網(wǎng)所需的電壓和電流與電子設(shè)備使用的水平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電力電子設(shè)備還將儲(chǔ)存的電池能量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)可用的電力，并確保商業(yè)太陽(yáng)能和風(fēng)能能夠高效地輸送到遠(yuǎn)距離客戶(hù)。截至 2024 年，美國(guó)約 30% 的電力通過(guò)電力電子設(shè)備，到 2030 年，這一比例可能會(huì)上升到 80%。

       但現(xiàn)代電力電子中使用的硅半導(dǎo)體無(wú)法承受美國(guó)電網(wǎng)日益增加的壓力。為了滿足工廠和數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的電力需求，并支持更多電動(dòng)汽車(chē)和熱泵作為美國(guó)脫碳目標(biāo)的一部分，電網(wǎng)必須以比目前更高的電壓水平傳輸更多的電力。需要新一代電力電子設(shè)備來(lái)快速有效地管理這種激增。

       “這些設(shè)備必須能夠處理更大的電流和電壓，”美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃署 (ARPA-E) 項(xiàng)目主管 Olga Spahn 說(shuō)。“這就是我們對(duì)超寬帶隙材料感興趣的原因，而金剛石就是其中之一。”

       ARPA-E 通過(guò) ULTRAFAST 項(xiàng)目投入了 4200 萬(wàn)美元來(lái)改善硅半導(dǎo)體以及寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體材料的性能極限。寬帶隙和超寬帶隙材料是能夠承受比硅高得多的溫度、電壓和頻率的半導(dǎo)體類(lèi)別。因此，基于這些材料的電力電子器件可以比硅材料更節(jié)能，處理更高的功率水平。

       碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導(dǎo)體越來(lái)越受歡迎，基于超寬帶隙半導(dǎo)體（如金剛石、氮化鋁鎵和氮化鋁）的器件也正在開(kāi)發(fā)中。金剛石可以發(fā)揮它們的最大優(yōu)勢(shì)。

       加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Lars Voss 說(shuō)：“金剛石從根本上說(shuō)具有我們擁有的所有半導(dǎo)體材料中最好的性能。” 他將金剛石描述為“眾多潛在材料選擇”中的少數(shù)幾種，這些材料正在被認(rèn)真考慮用于未來(lái)的電力電子器件。

       伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的 Can Bayram 表示，金剛石器件的尺寸可能比硅器件小得多，同時(shí)導(dǎo)通電阻低三個(gè)數(shù)量級(jí)——這意味著能量損失大大減少——并且能夠處理更多的功率。這種金剛石器件還可以在 700°C 以上的溫度下工作，并且比其他半導(dǎo)體更有效地散熱，而硅器件通常無(wú)法在 200°C 以上工作。

       另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，金剛石材料可以在實(shí)驗(yàn)室中制造，而其他半導(dǎo)體材料可能包含鎵等稀有開(kāi)采元素。“金剛石只是碳，一種輕而簡(jiǎn)單的元素，”Bayram 說(shuō)。

       Bayram 目前正在通過(guò) ARPA-E 計(jì)劃資助的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)金剛石半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)設(shè)備。基于金剛石的器件是“光電導(dǎo)”半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的更新版本——它由紫外線而不是電信號(hào)觸發(fā)。這種設(shè)計(jì)決策避免了可能產(chǎn)生電磁干擾的控制電路的需要。

       同樣，沃斯和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種金剛石晶體管設(shè)備，當(dāng)它以多個(gè)晶體管串聯(lián)排列時(shí)，可以支持超過(guò) 6 千伏的功率——這是商用半導(dǎo)體的兩倍。他們的 ARPA-E 資助項(xiàng)目也使用光來(lái)控制該設(shè)備。

       但金剛石半導(dǎo)體仍面臨重大發(fā)展障礙。例如，改變材料以使其成為更好的半導(dǎo)體的典型方法涉及引入其他化學(xué)元素。但由于金剛石具有極其堅(jiān)硬的晶體結(jié)構(gòu)，以這種方式改變金剛石的性質(zhì)仍然具有挑戰(zhàn)性。

       為了使這種類(lèi)型的半導(dǎo)體具有成本效益，公司還需要生產(chǎn)適合同時(shí)制造許多設(shè)備的大晶片尺寸的金剛石。例如，硅器件通常由 12 英寸硅晶片制成。但 Bayram 表示，4 英寸金剛石晶片去年才在美國(guó)和歐洲實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

       “我希望我們能夠在 2035 年左右加大努力，最遲在 2050 年看到金剛石半導(dǎo)體解決方案進(jìn)入電網(wǎng)，”他說(shuō)。