全新潛力：金剛石作為下一代半導體的角逐者

實現碳中和的雄心壯志正在燃燒全球需求，推動我們尋求更高效、更強大的半導體材料。半導體材料如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)已經允許電力電子行業超越了硅的局限性，從而導向開發更高效、更環保的技術平臺。這些材料在制造電力電子產品中充當關鍵角色，而這些產品在可再生能源系統、電動車(EVs)和其他減少碳排放技術中發揮著重要功能。除了GaN和SiC，另一種具有高潛力的半導體材料也引人注目，它就是金剛石。

金剛石，以其無比的硬度和璀璨的光芒而聞名，也打開了其作為半導體的新視角，為下一代電子元件提供了新的可能。金剛石特有的特性，包括高導熱性和電絕緣特性，使其在一些特殊的電子和功率器件應用中具有極大的吸引力，特別是在高功率和高溫環境中。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的一項研究，他們創造了一種由金剛石制成的半導體器件，其擊穿電壓和漏電流最小，相比之前的金剛石器件有著顯著的提升。這個設備可能助推全球向需要更高效技術的可再生能源轉型。該項研究結果已經在《IEEE Electron Device Letters》雜志上發表。

雖然鉆石作為寶石因其極硬度而受到喜愛，但其獨特的電氣特性為半導體應用增添新的視角。碳原子能產生強大的共價連接，形成金剛石的晶格結構。這個晶格結構使半導體具有三大重要特性：快速的載流子遷移率、寬帶隙和卓越的導熱性。

金剛石的一個突出特性就是它的寬帶隙。材料的價帶和導帶之間的能量差距被稱為帶隙。寬帶隙有利于高效的電子傳輸和減少漏電流，從而適合高功率和高頻應用。

金剛石被公認為是最堅韌的物質之一，它是碳的密度最大的形態，其密度是水的3.5倍。這些硬度和密度特性都可以通過其獨特的晶格結構來解釋。

此外，金剛石有高達3500度的超高熔點，并且是具有最高導熱率的超寬帶隙(UWBG)半導體，確保其可以有效傳輸熱量。

擊穿電壓，或稱其為臨界電場或介電強度，是衡量半導體器件的關鍵標準。一個材料可以在不導電、不斷裂的情況下承受的最高電場就是其擊穿電壓。這個特性與材料的帶隙寬度和其固有特性有很大的相關性。金剛石作為寬帶隙半導體，其擊穿電壓相比于傳統半導體顯著增強。

對于半導體器件來說，金剛石的寬帶隙約為5.5電子伏特(eV)，具有很高的擊穿電壓，通常在106至107伏每厘米(V/cm)的范圍內。這種卓越的擊穿電壓使金剛石成為高功率和高頻電子應用的理想選擇，因為它可以承受高電場而不發生電擊穿。

金剛石半導體器件具有獨特的特性，能夠在顯著升高的電壓和電流下工作，且使用的材料較少。此外，與硅等傳統半導體材料相比，它們可以有效散熱而不影響電氣性能。

專家認為，金剛石在實驗室環境中可以以較低的成本生產，并且具有更大的環保性，使其成為半導體的有效且重要的替代品。人工合成的鉆石可以在幾周內生產，而不需要數十億年的漫長時間，同時產生的碳排放也大幅度降低。

然而，值得注意的是，電壓限制是由于測量設備而非設備本身造成的。根據理論計算，該裝置最高可承受9kV的電壓。這表示了金剛石裝置歷史上記錄的最高電壓。除了出色的擊穿電壓，該設備還有最低的漏電流。

金剛石適用于各種場合，在高功率電子產品方面，金剛石的卓越導熱性使其成為非常理想的選擇。在射頻 (RF) 電子產品方面，金剛石的寬帶隙使其非常適合射頻電子器件，有助于推進高頻設備的發展。此外，金剛石在不同波長下的廣泛透明度和其導電性的結合為光電應用創造了機會，可能用于復雜的應用，例如傳感器、激光器和光電探測器等。