隨著電動汽車市場的迅猛發展，功率半導體技術在電動汽車的核心部件——電機、充電裝置以及電池管理系統中的應用變得尤為關鍵。功率半導體是電動汽車電力電子系統的“大腦”，直接決定了能效、速度和可靠性等多個因素。傳統的半導體材料如硅（Si）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）在電動汽車領域已得到廣泛應用，但隨著對性能要求的提升，企業開始探索更加先進的半導體材料。
       金剛石被譽為“終極半導體”，其具有其他半導體材料所無法比擬的優異性能。首先，金剛石的禁帶寬度高達5.5 eV，是硅的10倍以上，使得金剛石能夠承受更高的電壓和溫度，從而有效提高功率電子器件的耐用性和可靠性。其次，金剛石的熱導率極高，約為硅的五倍，意味著它在高功率、高溫的工作環境下能夠更好地散熱，保持器件的穩定性。這些優勢在高功率應用中，尤其是在電動汽車的高效能電力轉換系統中顯得尤為重要。
       近日，日本產業技術綜合研究所與本田技術研究院合作，制造了p型金剛石MOSFET原型，并首次演示了安培級高速開關操作。該公司計劃將該技術搭載于下一代移動動力裝置中，并進行運行驗證，以期在社會中得以實施。

       金剛石MOSFET的工作原理與傳統MOSFET相似，但其結構和材料的差異使其在處理高電流和高頻率信號時表現出了明顯優勢。

       研究人員采用了比傳統方法更大尺寸的單晶金剛石襯底，并開發了可實現并行操作的布線技術。具體而言，就是在半英寸單晶金剛石襯底上，采用以氫終止的二維空穴載氣制作大量p型功率MOSFET，并進行布線以實現并聯操作。

新開發的安培級金剛石MOSFET，由314個元件并聯（左），單個金剛石MOSFET元件的性能（右）

       研究人員還對所制備的金剛石MOSFET的特性進行了評估。已確認柵極寬度為1020μm的單個元件具有優異的工作特性，并且能夠以高成品率在同一基板上制造元件。

       此外，314個單體元件的源極、柵極、漏極電極相互并聯。柵極連接方式使得總柵極寬度約為32cm，并且使用雙脈沖方法評估元件的開關速度。結果確認，驅動電流為2.5A時，下降時間為19納秒，上升時間為32納秒。

新開發的安培級金剛石MOSFET的開關特性

       這一技術突破表明，金剛石MOSFET不僅能在電動汽車的電力系統中發揮作用，還能解決傳統半導體材料在高功率應用中的諸多問題，如散熱不足、開關速度慢、承受電壓有限等問題。

       提高能效：由于金剛石具有極高的熱導率，金剛石MOSFET能夠在更高溫度下工作，從而提高電動汽車的功率轉換效率。這意味著電動汽車在高速行駛或高負載時，可以更高效地利用電能，延長續航里程。

       更高的耐用性和可靠性：金剛石的物理特性使其在高溫、高電壓和惡劣環境下保持良好的性能。隨著電動汽車對功率半導體的要求不斷提高，金剛石MOSFET的優異耐用性將使其在電動汽車中具有更長的使用壽命和更強的可靠性。

       優化充電性能：金剛石MOSFET的高速開關性能，使得電動汽車的充電過程更加高效，能夠支持更高功率的快速充電技術。這對于推動電動汽車的普及具有重要意義，尤其是在快速充電站的建設中，金剛石MOSFET的應用能夠大幅提升充電速度，縮短電動汽車充電時間。

       減輕車輛重量和體積：金剛石半導體器件的高效能使得在實現同樣性能的情況下，能夠使用更小巧、更輕便的器件。這對于電動汽車來說，無疑是一個巨大的優勢，特別是在追求車輛輕量化、提高能效的今天。

       盡管金剛石MOSFET在理論和實驗室階段取得了顯著進展，但其產業化的道路仍然充滿挑戰。首先，金剛石的生長技術仍然是制約金剛石半導體產業化的瓶頸。金剛石晶體的生長過程復雜且成本高昂，尤其是大尺寸、高質量金剛石襯底的制造仍存在技術難題。其次，金剛石MOSFET的生產工藝需要進一步優化，以確保其在實際應用中的穩定性和可靠性。

       盡管如此，隨著技術的不斷進步，金剛石半導體有望在未來逐步取代現有的半導體材料，成為電動汽車功率電子系統中的核心組件。特別是隨著電動汽車產業的不斷發展和對高效能、長續航的需求增加，金剛石MOSFET將為電動汽車提供更加高效、可靠的電力轉換解決方案，推動整個行業的創新和進步。