在電力電子領(lǐng)域，如何讓設(shè)備既能在關(guān)閉時(shí)絕對(duì)安全、又能在開啟時(shí)高效輸出大功率，一直是科學(xué)家們努力攻克的難題。近日，由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)和美國(guó)普林斯頓大學(xué)組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在《先進(jìn)電子材料》雜志上發(fā)布了一項(xiàng)突破性成果——一種新型金剛石晶體管，首次實(shí)現(xiàn)了“極端增強(qiáng)模式”下的高性能運(yùn)行。這項(xiàng)研究不僅為智能電網(wǎng)、新能源汽車等領(lǐng)域的電力系統(tǒng)提供了更優(yōu)解決方案，也讓“金剛石半導(dǎo)體”這一未來材料離現(xiàn)實(shí)應(yīng)用更近了一步。

       金剛石：從寶石到半導(dǎo)體

       金剛石（鉆石）不僅是自然界最堅(jiān)硬的物質(zhì)，還隱藏著驚人的電學(xué)性能。其禁帶寬度高達(dá)5.47 eV（遠(yuǎn)超硅的1.12 eV），具備超高熱導(dǎo)率（硅的13倍）、高擊穿電場(chǎng)以及抗輻射、耐高溫等特性，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。這些特性使金剛石特別適合用于高功率、高頻率、高溫環(huán)境下的電子器件，例如電動(dòng)汽車的逆變器、電網(wǎng)的超高壓開關(guān)等。

       然而，天然金剛石難以直接用于半導(dǎo)體制造。科學(xué)家通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)合成高品質(zhì)人造金剛石薄膜，并對(duì)其進(jìn)行表面處理（如氫終端化），使其具備可控的導(dǎo)電性能。此次研究團(tuán)隊(duì)正是基于氫終端金剛石，設(shè)計(jì)出新一代場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），解決了傳統(tǒng)金剛石器件的關(guān)鍵短板。

       傳統(tǒng)難題與新突破：魚與熊掌兼得

       過去，金剛石晶體管面臨一個(gè)兩難選擇：要么在關(guān)閉狀態(tài)下完全“絕緣”，但開啟時(shí)電流受限；要么能承載大電流，但關(guān)閉時(shí)存在漏電風(fēng)險(xiǎn)。正如研究負(fù)責(zé)人戴維·莫蘭教授所說：“安全與性能不可兼得，限制了金剛石的實(shí)際應(yīng)用。”

       此次，團(tuán)隊(duì)通過兩項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了突破：

       1.表面化學(xué)工程：在金剛石表面鍍氫原子，形成導(dǎo)電通道，再覆蓋氧化鋁層作為絕緣柵介質(zhì)。氫終端處理增強(qiáng)了表面導(dǎo)電性，而氧化鋁層則優(yōu)化了柵極控制能力。

       2.極端增強(qiáng)模式設(shè)計(jì)：晶體管默認(rèn)處于完全關(guān)閉狀態(tài)，需施加-6V以上電壓才能導(dǎo)通（傳統(tǒng)器件僅需-3V）。這種“高閾值電壓”確保了設(shè)備在意外電壓波動(dòng)時(shí)仍能保持關(guān)閉，杜絕漏電風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，導(dǎo)通時(shí)的電流密度遠(yuǎn)超同類器件。

       這種“平時(shí)堅(jiān)如磐石，用時(shí)澎湃如潮”的特性，完美平衡了安全性與高效能需求。

       應(yīng)用前景：重塑電力電子未來

       新型金剛石晶體管的優(yōu)勢(shì)，將在多個(gè)高功率場(chǎng)景中發(fā)揮革命性作用：

       智能電網(wǎng)：高壓輸電系統(tǒng)中的開關(guān)器件需要承受數(shù)萬伏電壓，金剛石晶體管的耐壓和低損耗特性可顯著提升電網(wǎng)效率與穩(wěn)定性。

       新能源汽車：電機(jī)控制器、車載充電器等核心部件對(duì)功率密度要求極高，金剛石器件的小型化、耐高溫特性可助力延長(zhǎng)續(xù)航、縮短充電時(shí)間。

       航空航天：極端環(huán)境下（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)附近）的電子設(shè)備需要抗輻射、耐高溫的半導(dǎo)體，金剛石是理想選擇。

       此外，研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化電荷遷移效率，進(jìn)一步降低了器件能耗。這項(xiàng)成果證明了金剛石半導(dǎo)體同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全與性能的可能性未來，盡管這項(xiàng)研究邁出了關(guān)鍵一步，但金剛石半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化仍需持續(xù)攻關(guān)。隨著金剛石生長(zhǎng)和加工技術(shù)的成熟，這類晶體管有望替代傳統(tǒng)硅基器件，成為高功率電子領(lǐng)域的“新王者”。或許在不久的將來，我們會(huì)在身邊的電動(dòng)汽車、充電樁甚至手機(jī)快充頭中，發(fā)現(xiàn)這顆“鉆石之心”的躍動(dòng)。

       相關(guān)論文：  

       David Moran et al., Extreme Enhancement-Mode Operation Accumulation Channel Hydrogen-Terminated Diamond FETs with Vth

       原文鏈接：

       https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400770