在电力电子领域，如何让设备既能在关闭时绝对安全、又能在开启时高效输出大功率，一直是科学家们努力攻克的难题。近日，由英国格拉斯哥大学、澳大利亚皇家墨尔本理工大学和美国普林斯顿大学组成的国际研究团队，在《先进电子材料》杂志上发布了一项突破性成果——一种新型金刚石晶体管，首次实现了“极端增强模式”下的高性能运行。这项研究不仅为智能电网、新能源汽车等领域的电力系统提供了更优解决方案，也让“金刚石半导体”这一未来材料离现实应用更近了一步。

       金刚石：从宝石到半导体

       金刚石（钻石）不仅是自然界最坚硬的物质，还隐藏着惊人的电学性能。其禁带宽度高达5.47 eV（远超硅的1.12 eV），具备超高热导率（硅的13倍）、高击穿电场以及抗辐射、耐高温等特性，被誉为“终极半导体材料”。这些特性使金刚石特别适合用于高功率、高频率、高温环境下的电子器件，例如电动汽车的逆变器、电网的超高压开关等。

       然而，天然金刚石难以直接用于半导体制造。科学家通过化学气相沉积（CVD）技术合成高品质人造金刚石薄膜，并对其进行表面处理（如氢终端化），使其具备可控的导电性能。此次研究团队正是基于氢终端金刚石，设计出新一代场效应晶体管（FET），解决了传统金刚石器件的关键短板。

       传统难题与新突破：鱼与熊掌兼得

       过去，金刚石晶体管面临一个两难选择：要么在关闭状态下完全“绝缘”，但开启时电流受限；要么能承载大电流，但关闭时存在漏电风险。正如研究负责人戴维·莫兰教授所说：“安全与性能不可兼得，限制了金刚石的实际应用。”

       此次，团队通过两项创新实现了突破：

       1.表面化学工程：在金刚石表面镀氢原子，形成导电通道，再覆盖氧化铝层作为绝缘栅介质。氢终端处理增强了表面导电性，而氧化铝层则优化了栅极控制能力。

       2.极端增强模式设计：晶体管默认处于完全关闭状态，需施加-6V以上电压才能导通（传统器件仅需-3V）。这种“高阈值电压”确保了设备在意外电压波动时仍能保持关闭，杜绝漏电风险。同时，导通时的电流密度远超同类器件。

       这种“平时坚如磐石，用时澎湃如潮”的特性，完美平衡了安全性与高效能需求。

       应用前景：重塑电力电子未来

       新型金刚石晶体管的优势，将在多个高功率场景中发挥革命性作用：

       智能电网：高压输电系统中的开关器件需要承受数万伏电压，金刚石晶体管的耐压和低损耗特性可显著提升电网效率与稳定性。

       新能源汽车：电机控制器、车载充电器等核心部件对功率密度要求极高，金刚石器件的小型化、耐高温特性可助力延长续航、缩短充电时间。

       航空航天：极端环境下（如火箭发动机附近）的电子设备需要抗辐射、耐高温的半导体，金刚石是理想选择。

       此外，研究团队通过优化电荷迁移效率，进一步降低了器件能耗。这项成果证明了金刚石半导体同时实现安全与性能的可能性未来，尽管这项研究迈出了关键一步，但金刚石半导体的产业化仍需持续攻关。随着金刚石生长和加工技术的成熟，这类晶体管有望替代传统硅基器件，成为高功率电子领域的“新王者”。或许在不久的将来，我们会在身边的电动汽车、充电桩甚至手机快充头中，发现这颗“钻石之心”的跃动。

       相关论文：  

       David Moran et al., Extreme Enhancement-Mode Operation Accumulation Channel Hydrogen-Terminated Diamond FETs with Vth <−6V and High on-Current*, Advanced Electronic Materials (2024). 

       原文链接：

       https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400770