金刚石半导体技术再攀高峰，多项性能指标实现突破！

发布时间：2025-04-25 15:14:31 | 浏览量： 21次

在全球电力系统日益数字化、高可靠性与低碳化并重的背景下，电力电子器件正经历着前所未有的性能迭代,朝着更快、更强、更智能的方向加速演进。光电导半导体开关（PCSS）是一类基于光触发机制的电子开关，凭借其结构精简、环境适应性强等特性，在高压防护、脉冲功率设备及电磁兼容系统等领域展现出独特价值。然而，传统PCSS技术长期面临核心瓶颈——无法在电压/电流转换速率极高（压摆率要求高）情况下实现足够的功率水平（如5MW及以上），这成为制约其进入国家电网核心防护层及新能源系统的关键障碍。






造成这一局限的核心在于传统材料体系的物理限制。当前主流PCSS大多基于砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等化合物半导体材料，这些材料存在如下问题：其一、临界击穿电场较低，限制了其耐压性能；其二、热导率低，难以支撑持续高功率运行；其三、依赖亚带隙激发的光触发机制需引入深能级杂质，不仅牺牲了开关响应速度，更易引发电流局部集中（即细丝效应）造成器件永久性损伤。





针对这一困局，美国科研团队报道了一种性能破纪录的金刚石光电导半导体开关，不仅刷新了PCSS在电压、电流处理能力、压摆率、效率和可靠性等多项指标上的记录，更为下一代高性能电力保护与控制设备提供了可行的新路径。




该团队采用“本征金刚石”作为PCSS的核心材料。相较传统半导体，金刚石具有极高的击穿电场（约10 MV/cm）、优异的热导率（超过2000 W/m·K）、极高的载流子迁移率和带隙宽度（5.5 eV），理论上具备在极端电压与温升条件下稳定运行的能力。此前，金刚石在电子器件领域的应用更多集中于功率晶体管、热界面材料等方向，其在光电导开关中的潜力尚未得到系统开发。




此外，该研究首次明确指出并验证，“越纯净”的金刚石材料，越能实现高效、高速的光电导触发响应。通过对比具有不同硼（B）和氮（N）杂质浓度的金刚石基底样品，团队发现：本征金刚石制备的横向PCSS器件，在响应度、光电流与开关比等核心性能指标上均优于杂质浓度更高的对照组，打破了此前“适当掺杂可提升触发效率”的固有认识，为基于本征材料的极限性能释放提供了理论支撑。






研究中报道的器件不仅在实验室条件下实现了5MW等级的功率处理能力，同时具备高压下稳定触发、极快上升沿（压摆率）、高重复性与长寿命运行能力，整体表现远优于当前主流PCSS器件。更重要的是，该器件具备良好的工艺兼容性和尺寸可扩展性，有望实现从实验室样机向工业量产级器件的跨越。





在实际应用层面，金刚石PCSS可广泛用于需要高速、大功率、强抗干扰能力的场景，如智能电网开关、脉冲功率系统、军用电磁发射系统、粒子加速器、空间能源管理设备等。其低集成复杂度、高触发精度和环境适应性，也为未来构建柔性、分布式电力系统中的高可靠开关提供了理想路径。




据了解，美国每年因电网故障造成的经济损失极高，因此未来电网系统要实现“更可靠、更具韧性、更低碳”的目标，亟需可承受极端运行条件、具备快速响应能力、系统集成简洁的高性能电子保护与控制器件。金刚石PCSS正是这一类“电力电子开关中的理想型选手”。




从材料体系的角度看，金刚石PCSS也具备跨领域融合的潜力。例如在军事脉冲功率装置、电磁武器触发系统、高能物理实验等场景，均需具备极端功率负载和毫秒级响应能力的电子开关。而金刚石因其结构稳定性与热稳定性，也可满足上述极端工况下的长期运行要求。随着CVD金刚石大尺寸衬底与低缺陷率外延工艺的成熟，基于金刚石的PCSS将有可能步入“材料-器件-系统”全链条产业化阶段。




然而金刚石PCSS当前仍面临产业化初期的典型问题。一方面，高纯度金刚石材料制备仍依赖高成本的化学气相沉积（CVD）技术，其在一致性、产能和尺寸控制方面仍需进一步提升；另一方面，光触发系统本身尚需在激光器件微型化、耦合效率优化等方面配合完善，才能实现真正“高功率+低门槛”的商业应用场景。未来的研究需在金刚石材料的晶体缺陷控制、器件结构微型化与系统集成等方面进一步推进。






关于碳方程






碳方程，主要从事第三、四代半导体材料专用设备的研发与制造，其核心业务为金刚石半导体材料所需的MPCVD长晶设备的研发与生产。公司致力于完善金刚石大尺寸材料的加工工艺及相关配套设备，旨在实现核心设备的自主化与产业化，以推动整个行业的快速发展。



截止目前，公司已成功研发出6KW/10KW/15KW等MPCVD长晶设备并大批量应用于金刚石行业，与此同时，公司在技术创新上持续深耕，2024年已顺利推出915MHZ MPCVD设备，并小批量出货。


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