美国团队利用金刚石光电导开关向兆瓦级功率和纳秒级开关迈出第一步

上图：在1200 V直流偏压下，光电导半导体开关的光学触发与电信号的瞬态曲线。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Can Bayram及其同事近期在Applied Physics Letters上发表论文，称金刚石光电导半导体开关的电压/电流处理率及压摆率、效率和可靠性同时打破了纪录。他们相信，这项技术有望成为提高电网弹性的突破性进展。

电力中断每年给美国家庭造成1500亿美元的损失。例如，仅与天气有关的电力中断每年就会造成250亿至700亿美元的损失，日均影响50万美国人。

要实现2050年建成更可靠、更具弹性且更低碳的电网的目标，就需要速度更快、功率更大的电子器件，并改进保护功能、简化控制。光电导半导体开关（PCSS）以尽可能低的集成度提供了这种能力。

然而，传统光电导半导体开关无法以电网保护所需的电压/电流压摆率达到电压/电流水平（功率≥5 MW）。原因如下：1）它们依赖于临界电场较弱且热导率较低的传统半导体；2）需要形成细丝才能达到大电流，而这是不可预测且具有破坏性的；3）采用亚带隙光进行触发，这需要有意加入杂质，而且限制了光电导半导体开关的速度和器件的尺寸（进而限制了电流压摆率和总电流）。

使用硼含量和氮含量不同的金刚石衬底进行比较研究，Can Bayram的团队发现，与众多研究人员的关注点相反，硼杂质含量和氮杂质含量最低的本征（而非非本征）光电导半导体开关器件实现了最高的归一化响应度、光电流和开/关比。

论文“Record Performance in Intrinsic, Impurity-Free Lateral Diamond Photoconductive Semiconductor Switches”中的研究成果为制造基于金刚石的光电导半导体开关指明了一条可行途径，在要求严苛的大功率、高频率应用中，该开关的性能优于SiC及GaN同类器件。

这项研究还使金刚石光电导半导体开关可以应用于广泛的高频率、大功率应用，包括微波开关、脉冲发电和混合功率开关。下一步是兆瓦级纳秒功率开关。

参考文献

Z. Han, J. Lee, A. Mazumder, H. Elly, S. Messing, A. Mironov, and C. Bayram; Appl. Phys. Lett. 126, 152105 (2025)

来源：雅时化合物半导体

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