在電力電子領(lǐng)域，如何讓設備既能在關(guān)閉時絕對安全、又能在開啟時高效輸出大功率，一直是科學家們努力攻克的難題。近日，由英國格拉斯哥大學、澳大利亞皇家墨爾本理工大學和美國普林斯頓大學組成的國際研究團隊，在《先進電子材料》雜志上發(fā)布了一項突破性成果——一種新型金剛石晶體管，首次實現(xiàn)了“極端增強模式”下的高性能運行。這項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“金剛石半導體”這一未來材料離現(xiàn)實應用更近了一步。

       金剛石：從寶石到半導體

       金剛石（鉆石）不僅是自然界最堅硬的物質(zhì)，還隱藏著驚人的電學性能。其禁帶寬度高達5.47 eV（遠超硅的1.12 eV），具備超高熱導率（硅的13倍）、高擊穿電場以及抗輻射、耐高溫等特性，被譽為“終極半導體材料”。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體制造。科學家通過化學氣相沉積（CVD）技術(shù)合成高品質(zhì)人造金剛石薄膜，并對其進行表面處理（如氫終端化），使其具備可控的導電性能。此次研究團隊正是基于氫終端金剛石，設計出新一代場效應晶體管（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兩難選擇：要么在關(guān)閉狀態(tài)下完全“絕緣”，但開啟時電流受限；要么能承載大電流，但關(guān)閉時存在漏電風險。正如研究負責人戴維·莫蘭教授所說：“安全與性能不可兼得，限制了金剛石的實際應用?！?/p>

       此次，團隊通過兩項創(chuàng)新實現(xiàn)了突破：

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

       2.極端增強模式設計：晶體管默認處于完全關(guān)閉狀態(tài)，需施加-6V以上電壓才能導通（傳統(tǒng)器件僅需-3V）。這種“高閾值電壓”確保了設備在意外電壓波動時仍能保持關(guān)閉，杜絕漏電風險。同時，導通時的電流密度遠超同類器件。

       這種“平時堅如磐石，用時澎湃如潮”的特性，完美平衡了安全性與高效能需求。

       應用前景：重塑電力電子未來

       新型金剛石晶體管的優(yōu)勢，將在多個高功率場景中發(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：電機控制器、車載充電器等核心部件對功率密度要求極高，金剛石器件的小型化、耐高溫特性可助力延長續(xù)航、縮短充電時間。

       航空航天：極端環(huán)境下（如火箭發(fā)動機附近）的電子設備需要抗輻射、耐高溫的半導體，金剛石是理想選擇。

       此外，研究團隊通過優(yōu)化電荷遷移效率，進一步降低了器件能耗。這項成果證明了金剛石半導體同時實現(xiàn)安全與性能的可能性未來，盡管這項研究邁出了關(guān)鍵一步，但金剛石半導體的產(chǎn)業(yè)化仍需持續(xù)攻關(guān)。隨著金剛石生長和加工技術(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”?；蛟S在不久的將來，我們會在身邊的電動汽車、充電樁甚至手機快充頭中，發(fā)現(xiàn)這顆“鉆石之心”的躍動。

       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