實現(xiàn)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(jīng)允許電力電子行業(yè)超越了硅的局限性，從而導向開發(fā)更高效、更環(huán)保的技術(shù)平臺。這些材料在制造電力電子產(chǎn)品中充當關(guān)鍵角色，而這些產(chǎn)品在可再生能源系統(tǒng)、電動車(EVs)和其他減少碳排放技術(shù)中發(fā)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(yīng)用中具有極大的吸引力，特別是在高功率和高溫環(huán)境中。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的一項研究，他們創(chuàng)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(shè)備可能助推全球向需要更高效技術(shù)的可再生能源轉(zhuǎn)型。該項研究結(jié)果已經(jīng)在《IEEE Electron Device Letters》雜志上發(fā)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(yīng)用增添新的視角。碳原子能產(chǎn)生強大的共價連接，形成金剛石的晶格結(jié)構(gòu)。這個晶格結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

金剛石被公認為是最堅韌的物質(zhì)之一，它是碳的密度最大的形態(tài)，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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)性。金剛石作為寬帶隙半導體，其擊穿電壓相比于傳統(tǒng)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(nèi)。這種卓越的擊穿電壓使金剛石成為高功率和高頻電子應(yīng)用的理想選擇，因為它可以承受高電場而不發(fā)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(tǒng)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(huán)境中可以以較低的成本生產(chǎn)，并且具有更大的環(huán)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(nèi)生產(chǎn)，而不需要數(shù)十億年的漫長時間，同時產(chǎn)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(shè)備而非設(shè)備本身造成的。根據(jù)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)備的發(fā)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(jié)合為光電應(yīng)用創(chuàng)造了機會，可能用于復(fù)雜的應(yīng)用，例如傳感器、激光器和光電探測器等。