日本早稻田大学：金刚石功率器件迎来实用化突破

随着人工智能、高性能计算、新能源汽车等领域对电力电子系统效率和功率密度提出更高要求，功率器件正加速向宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体演进。

在众多候选材料中，金刚石因其极高的热导率、超高击穿电场以及优异载流子迁移率，被认为是最具潜力的下一代功率半导体材料之一。然而，长期以来，金刚石功率器件大多停留在器件性能验证阶段，距离实际电力电子系统应用仍存在关键一步——能否真正驱动功率变换器持续运行。

近日，日本Power Diamond Systems、早稻田大学、九州工业大学等团队联合在2026 IEEE APEC会议上发表论文《First Demonstration of Buck Converter using Diamond MOSFET》，首次报道了基于金刚石MOSFET的降压变换器（Buck Converter）运行结果。

论文指出，金刚石拥有约5.5 eV禁带宽度、10 MV/cm击穿电场以及22 W/cm·K热导率，在关键材料参数上普遍优于碳化硅、氮化镓和氧化镓等宽禁带半导体。因此，从理论上看，金刚石功率器件有望同时实现更低损耗、更高耐压以及更优散热能力。

近年来，金刚石功率器件研究取得了明显进展。研究人员已实现超过2600 V击穿电压、400℃高温运行以及毫欧厘米平方级导通电阻等关键指标突破。同时，基于氢终端表面形成的二维空穴气（2DHG）结构，也为解决金刚石掺杂激活率低的问题提供了有效路径。不过，尽管器件性能持续提升，连续开关运行和实际变换器验证此前尚未实现。

在本项研究中，研究团队采用二维空穴气金刚石MOSFET作为核心器件，并通过与硅MOSFET构成级联（Cascode）结构实现常关型工作模式。在此基础上，研究人员搭建了非同步Buck变换器，对其开关特性和电路运行能力进行了系统验证。

测试结果显示，金刚石MOSFET表现出非常快的开关速度。器件上升时间和下降时间达到纳秒级水平，即使在数百千赫兹工作频率下仍可稳定运行。随后，团队构建的Buck变换器在48 V输入条件下实现了稳定降压输出，在200 kHz至400 kHz开关频率范围内均完成连续运行验证。当输入电压约48 V时，系统成功获得约24 V输出电压，并且输出电压能够随占空比变化而正常调节，证明变换器具备完整功能。

为了进一步评估技术潜力，研究人员还对系统损耗进行了分析。结果表明，目前原型系统效率已超过90%，主要损耗来源仍然是MOSFET导通损耗以及二极管导通损耗。论文认为，未来若采用同步整流拓扑并进一步降低器件导通电阻，效率有望显著提升。

基于现有二维空穴气金刚石MOSFET的发展路线，研究团队建立了未来器件性能模型。计算结果显示，在优化接触电阻、提升沟道迁移率以及采用更合理器件结构后，金刚石MOSFET导通电阻有望进一步下降。在同步Buck变换器架构下，系统效率预计可达到98.2%，达到当前先进SiC和GaN功率器件的水平。

研究团队认为，此次工作首次证明了金刚石MOSFET具备连续开关和实际电能变换能力，标志着金刚石功率器件从单纯器件验证迈向系统级应用验证的重要一步。结合金刚石材料本身极高的热导率和击穿电场优势，未来有望通过更高频率工作实现磁性器件和散热系统的小型化，从而进一步提升功率电子系统的功率密度。

对于仍处于产业化早期阶段的金刚石半导体而言，这项成果不仅验证了其在电力电子领域的可行性，也为后续开发高效率、高功率密度电源转换系统提供了重要技术基础。随着大尺寸单晶金刚石衬底、低电阻器件结构以及常关型技术不断成熟，金刚石功率电子器件有望逐步从实验室走向实际应用。