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在美国电网面临电力需求历史性增长的困境之际，一项研究表明，钻石在运行高压电网方面可能比硅更有效，这对于可再生能源的效率至关重要。美国政府投入数百万美元开发基于钻石的新型电力电子技术。
电力中断每年给美国造成超过 1500 亿美元的损失
北美电力可靠性委员会（NERC）的一项分析显示，2024 年开始，北美大部分地区可能面临电力短缺。未来几年，随着科技行业和建筑及车辆电气化对能源的需求不断飙升，美国和加拿大有超过 3 亿人面临电力短缺的可能性，这种可能性从 2024 年一直持续到 2028 年。
电力中断每年给美国造成超过 1500 亿美元的损失，电网面临着基础设施老化和日益严重的天气事件等挑战。ULTRAFAST 计划创新电力电子技术，以实现安全可靠的电网，满足更高的电力需求。美国的目标是到 2050 年实现碳中和，因此增加电网容量和整合更多可再生能源至关重要。
正因如此，在美国能源部高级研究计划署 (ARPA-E) 部署一项新计划中，旨在通过以芯片为中心的创新来改善国内电网的控制和保护。伊利诺伊大学迎接这一挑战，被选为牵头单位，荣获350 万美元资助，该研究小组用金刚石材料为研究对象，以开发高功率电子电力半导体设备。
作为 ARPA-E 最近资助的三个 ULTRAFAST 项目，Can Bayram 领导着伊利诺伊大学牵头的一项 300 万美元项目，同时担任 Great Lakes Crystal Technologies牵头的另一个项目的共同负责人，该项目旨在开发光触发金刚石半导体开关设备。ECE 副教授 Shaloo Rakheja 是劳伦斯利弗莫尔国家实验室牵头的一个项目的共同负责人，该项目与伊利诺伊大学、斯坦福大学和加州大学伯克利分校合作，打造高功率金刚石光电设备。
所有项目都专注于将钻石作为半导体器件的新型材料。这似乎是一个昂贵的选择，但正如 Bayram 所解释的那样，“钻石是碳，因此底层元素并不昂贵，而实验室生产的钻石使其更加实惠。”
基于金刚石半导体的电力电子将实现下一代无碳电网
伊利诺伊大学香槟分校副教授坎·拜拉姆 (Can Bayram)表示，美国约有三分之二的发电量在到达用户之前就损失了。
Bayram 表示，提高电网效率的方法之一是将交流电转换为直流电。直流电网将不再需要将交流电转换为直流电的整流器，还可以减少用于降低配电电压的变压器的需求。“由此产生的直流电网预计将使目前的交流电网损耗减少 90%”，Bayram 表示。
此外，高压直流电网在长距离输送能源方面比交流电网更有效率。这意味着这对偏远的太阳能和风力发电场特别有利。
电力电子控制着全球一半以上的电力，对于支持这些电网至关重要。拜拉姆预测，由于可再生能源的日益普及，到 2030 年，这一数字将上升到 80%。Bayram认为，未来的直流电网将需要比目前的硅器件更快、更强大的电力电子，而半导体金刚石可能是答案。
与硅等传统半导体材料相比，金刚石具有许多优势。金刚石是一种超宽带隙材料，具有非常高的击穿强度、更好的载流子迁移率和高热导率，与其他宽带隙和超宽带隙半导体相比，金刚石可以实现更快的开关和更高的额定功率的设备和电源模块技术，从而改变电源管理。由于重量较轻，金刚石基电子产品可以降低运输和安装成本。不过，仍存在一些挑战需要克服，例如增加金刚石基设备中“漂移区”的厚度，这是承受高电压的关键部件。
尽管存在这些障碍，研究团队仍然在薄漂移层中实现了约 5,000 伏的创纪录高击穿电压，证明了金刚石器件的最低漏电流。Bayram 表示：“我们相信金刚石将以超过 5 兆瓦的高端功率水平进入半导体市场。基于金刚石的转换器将具有成本竞争力，因为即使金刚石器件本身比通常的硅器件更昂贵，半导体尺寸的减小和包括热管理在内的系统的简化将显著降低总体成本。”
重新构想 50 年前的技术：金刚石光电导半导体开关
除了使用金刚石作为关键组件材料外，他们还改变了设备本身的结构，加入了一个埋藏的金属导电通道，可实现更高的电流。这些设备由紫外线光源触发，这是光学物理与工程实验室（共同 PI，欧洲经济委员会教授 Andrey Mironov）率先采用的技术。据了解，光电导半导体开关 (PCSS) 发明于 1970 年。当时，这项技术具有革命性意义，而Bayram 的团队更新了设计和材料。Bayram总结道：“我们不受传统光电导开关技术的限制，因为我们有一种新的光触发和电流传导方式。”ECE 研究生补充道：“我们正在尝试修改一个已经存在 50 多年的非常简单的结构，利用一种新材料——金刚石，以及一种新的设备结构，我们认为这将克服传统上对这类设备的限制。”
他们的目标是制造一种设备，该设备可以成为高温、高效和可靠的电力电子设备的关键组件。Can Bayram 教授领导该项目，他在格兰杰工程学院的团队包括 ECE 教授 Andrey Mironov 和 Jean-Pierre Leburton ，以及 ECE 研究生 Zhuoran Han 和 Jaekwon Lee 。设备封装由石溪大学联合 PI 教授Fang Luo领导 。该团队将与加州曼特卡的Opcondys公司合作 进行高功率测试。
跨栈创新：光控半导体晶体管
Shaloo Rakheja 的团队旨在开发一种光控半导体晶体管，使未来的电网控制系统能够适应更高的电压和电流。该项目将开发和优化金刚石光控结型场效应晶体管 (DOG-FET) 技术。该设备将改善未来电网架构的控制、弹性和效率，这些架构需要更高电压和更高电流的设备以更高的速度运行。该设备在以前的光控晶体管版本上进行了创新，例如使用光来调制而不是控制电导率。“我们有机会在金刚石电力电子领域实现真正的跨栈集成新研究理念，我很高兴能与我们的团队成员一起帮助 DOG-FET 技术成熟，”Rakheja 评论道。“研究这个真正具有变革性的概念令人兴奋——与目前最先进的解决方案相比，DOG-FET 有望提供 10 倍更好的性能。”
未来，金刚石基半导体可实现更快、更具弹性的电网！钻石隐藏的半导体能力可大大提高人工智能数据中心、电动汽车以及小型消费电子产品的能源效率。
金刚石，或许是解决能源需求的超级半导体！
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