芯耀
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3月22日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员发表了最新研究成果：一种基于金刚石的功率开关，能够在 1kV 电压下处理 17.1A 的电流，打破了之前的性能记录。
这项超快垂直体导电本征金刚石光电导半导体开关（PCSS），在 1kV 直流偏压下实现 17.1A 峰值光电流，关断时间仅 25 纳秒，一举创下高压金刚石功率开关的性能新纪录。
该成果也首次系统验证了垂直体导电本征金刚石 PCSS的可行性，不依赖化学掺杂、靠精准光激发实现高效导电，既保留了金刚石的极致性能，又解决了传统结构的先天缺陷，同时深化了学界对本征金刚石光电导特性的认知。这款开关有望从实验室走向产业化，为全球电网和下一代电动汽车所需的超快、高效组件方面带来核心组件革新，支撑全球低碳能源转型。
相关研究成果“Ultrafast vertical photoconductive intrinsic diamond switch with high current (17.1 A at 1 kV)”发表在《Applied Physics Letters》上。
https://doi.org/10.1063/5.0320842
1、钻石：功率半导体的 “天选材料”，为何长期难落地？
钻石长期以来被认为是理想的半导体材料，禁带宽度达 5.47eV、临界电场超 10kV/cm、电子 / 空穴迁移率分别高达 4500/3800cm²/V・s，这使他它能够承受极高的电应力，以无与伦比的速度传输电流，并且散热性能远胜于其他任何材料，能轻松应对大功率场景的散热挑战。
然而，制造出实用的钻石开关却是一个持续数十年的挑战。
“钻石是一种不可思议的材料，但众所周知，用传统方法很难控制它，”领导尼克·霍洛尼亚克微纳米技术实验室这项研究的坎·拜拉姆说道。“大多数电子产品都依赖于掺杂——向晶体中添加杂质使其导电。在钻石中，这个过程非常困难，往往会损害材料的最佳性能。”
传统掺杂工艺会破坏金刚石的本征优异性能，而现有的横向或边缘照明结构设计，让电流仅沿金刚石晶体表面传输，极易引发表面闪络、复合损耗等问题，大幅限制了器件的电压扩容能力与反向阻断性能。 这也是实用化金刚石开关一直面临两大瓶颈。
伊利诺伊大学团队采取了一种不同的、更优雅的方式：他们利用了光。
2、颠覆性设计：从 “表面导电” 到 “垂直体导电”
这支团队跳出传统思路，摒弃了依赖化学杂质掺杂，用纯本征金刚石基底材料 + 光触发 + 垂直结构的组合，彻底破解上述难题。
该研究团队开发了一种光导开关。这种开关平时保持绝缘体状态，只有在特定波长的深紫外光照射下才会导电。一旦被照射，钻石便会瞬间变成高性能导体。主要有以下实验亮点：
高纯基底：该团队选用 500μm 厚、4.5×4.5mm² 的本征 IIa 型 CVD 单晶金刚石高纯基底，硼、氮杂质浓度均低于检测限，无额外掺杂干扰；
垂直体导电架构：创新打造出垂直体导电的器件结构，通过网格状顶部电极在保障紫外光入射通道的同时，实现高效的电流收集，让电流穿过金刚石晶体的内部体区，有效避开了表面缺陷带来的性能损耗，让器件内部电场分布更均匀；
精准光触发：研究团队还精准找到了金刚石的匹配吸收窗口，将光触发波长锁定在 224-235nm 区间，以 225nm 为最优激发波长，使光穿透深度与 500μm 的衬底厚度相匹配，实现金刚石体区内全域电子 - 空穴对的高效激发；
偏置优化：同时利用金刚石中电子迁移率高于空穴的特性，优化偏置电压极性实现电子主导导电，让器件在 1kV 高压下仍保持高度线性的电流输出，避免了空穴导电带来的电流饱和问题。
“通过使用特定的紫外波长——‘匹配吸收’窗口——我们可以同时触发整个钻石的体积，”Bayram解释说。“这使我们能够实现高压钻石开关有史以来最低的导通电阻，使其效率比以往的设计显著提高。”
3、解锁本征金刚石光导新边界，赋能下一代大功率电力电子
该开关的速度同样令人印象深刻！在 20μJ 脉冲、225nm 紫外光激发下，这款开关交出了碾压现有方案的成绩单：1kV 偏压下峰值光电流达到 17.1A，有效导通电阻仅 8.48Ω，创下 kV 级金刚石光电导开关的最低导通电阻纪录，面积归一化响应度达 54.2mA・W⁻¹・cm⁻²。25 纳秒的超快关断速度由载流子快速扫出机制主导，远快于本征金刚石的载流子复合速度，彻底摆脱了传统器件关断速度慢的局限。
这不仅仅是一项实验室记录；它是未来基础设施的概念验证！
作为超快换流元件，仅需25纳秒（十亿分之一秒）即可关闭，这种速度对于保护现代电网免受突发浪涌和短路的影响至关重要，尤其是在用于远距离输送风能和太阳能的高压直流（HVDC）网络中。
同时也能应用于脉冲功率系统、新能源并网等场景，大幅提升低碳能源系统的稳定性与韧性，是构建韧性低碳能源经济的核心基础模块。
目前，这项研究得到了美国能源部高级研究计划署（ARPA-E）的支持。
