钻石，或许是解决美国电网所需的超级半导体！

未来产链 2025-05-15 19:26

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启明会议

5月22-24日，“2025未来半导体产业创新大会”将于江苏苏州（吴中希尔顿逸林酒店）召开。本次大会由国家第三代半导体创新中心（苏州）、西安交通大学、Flink 启明产链联合举办，并由赵正平、王宏兴、江南三位教授担任大会主席。

大会将以“金刚石+”为核心，围绕金刚石+化合物半导体、半导体用金刚石等关键产业应用难题，从高功率器件散热、晶圆衬底制备、异质融合、抛磨技术、封装集成等关键环节进行详细探讨。

在最近发表于《应用物理快报》的一篇论文中，伊利诺伊大学香槟分校的Can Bayram及其同事报告了一种金刚石光电导半导体开关，该开关同时实现了创纪录的电压/电流处理能力、转换速率、效率和可靠性。他们相信这项技术可能成为提高电网弹性的突破性进展。

停电每年给美国家庭造成1500亿美元的损失。例如，仅天气相关的停电每年就造成250亿至700亿美元的损失，平均每天影响50万美国人。

为了实现2050年更可靠、更具弹性、更低碳的电网目标，需要速度更快、功率更高、防护性能更强、控制更简单的电子设备。光电导半导体开关 (PCSS) 能够以尽可能低的集成度提供这种能力。

光电导半导体开关（PCSS）是在具有不同硼和氮杂质水平（<10 ¹⁴ –10 ¹⁶ cm ⁻³）的 IIa 型金刚石基底上制造的。报道了横向 PCSS 在入射激光波长范围（212 – 240 nm）、每脉冲能量（5 – 65 μ J）和直流偏压（-1.2 至 +1.2 kV）内的光响应。具有最低硼和氮杂质浓度的 PCSS 器件在+1.2 kV 的直流偏压下实现了最高的归一化响应度 9.1 × 10 ⁻⁸ A-cm/WV、峰值光电流为 8.0 A 和开/关比 2.3 × 10 ¹¹，并且随着直流偏压的增加，电流可能会更高。所有 PCSS 都显示出快速上升时间（<3 ns），受激光上升时间的限制。然而，光响应测量表明，较高的杂质水平会降低光电流并降低开/关比。这些结果凸显了使用低背景浓度 IIa 型金刚石基板进行 PCSS 制造的性能优势，并为先进的高功率、高速金刚石开关提供了一条有希望的途径。

上图：1,200 V 直流偏置电压下 PCSS 的光触发和电信号的瞬态曲线。

然而，传统的PCSS无法达到电网保护所需的电压/电流转换速率下的电压/电流水平（功率≥5MW）。原因如下：1）它们依赖于临界电场和热导率较低的传统半导体；2）需要制造灯丝来获得高电流，而这些电流难以预测且具有破坏性；3）使用亚带隙光进行触发，这需要特意掺入杂质，从而限制了PCSS的速度和器件尺寸（进而限制了电流转换速率和总电流）。

金刚石 PCSS：创纪录性能与高频高功率应用新篇

通过使用具有不同硼和氮浓度的金刚石基板进行比较研究，Bayram 团队表明 - 与研究人员关注的重点相反 - 具有最低硼和氮杂质浓度的本征（而非外在）PCSS 设备实现了最高的归一化响应度、光电流和开/关比。

论文《本征、无杂质横向金刚石光电导半导体开关的创纪录性能》中的结果强调了使基于金刚石的 PCSS 在要求高功率、高频率的应用中胜过 SiC 和 GaN 同类产品的可行途径。

这项工作也为金刚石PCSS在高频和高功率领域的广泛应用开辟了道路，包括微波开关、脉冲功率产生和混合功率开关。下一步是兆瓦级功率纳秒开关。

金刚石半导体产业创新深融合

5月22-24日，启明产链联合西安交通大学、国家第三代半导体创新中心（苏州）、中国科学院宁波材料技术与工程研究所，共同举办2025未来半导体产业创新大会！赵正平、王宏兴、江南三位教授担任大会主席。

特别邀请香港大学褚智勤副教授、高压与超硬材料全国重点实验室，物理学院副院长姚明光、中国科学院宁波材料技术与工程研究所王跃忠研究员、中电科第55郭怀鑫研究员、北京贝塔福特公司董事长穆索夫·扎乌尔、中国电子科技集团公司第十二研究所化称意，哈工大教授刘康，深圳市汇芯通信技术有限公司樊永辉，分享金刚石半导体创新研究多功能多种类行业应用！