A Waseda Egyetemen alapított japán startup, a Power Diamond Systems (PDS) gyorsan úttörővé válik a szintetikus gyémántot használó, következő generációs teljesítmény-félvezetők gyártásában. A Semiconductor Japan 2025 kiállításon a vállalat erőteljes bemutatót tartott, bemutatva a nagyfeszültségű, magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz tervezett gyémánt alapú teljesítmény-MOSFET-eket (fém-oxid-félvezető térvezérlésű tranzisztorokat). A PDS figyelemre méltó módon bemutatta ezt a technológiát integrált értékelő rendszerében, validálva a tokozott eszközök sikeres működését – ez volt a tokozott gyémánt félvezetők teljesítményének első nyilvános ellenőrzése.
Ezek a gyémántteljesítményű MOSFET-ek aprólékosan úgy vannak megtervezve, hogy több száz voltot bírjanak ki, tartósságukat és hatékonyságukat messze felülmúlva a szilíciumból (Si) vagy akár a szilícium-karbidból (SiC) készült hasonló termékekét. A PDS elképzelése szerint ezeket az eszközöket végül olyan területeken fogják használni, mint az elektromos járművek (EV-k), a repülőgépipari platformok és a kommunikációs műholdak, ahol komoly tervezési kihívások merülnek fel a hőfeszültség, a sugárzás és a teljesítménysűrűség tekintetében. Míg a technológia még a kutatás-fejlesztési fázisban van, a vállalat azt tervezi, hogy együttműködik a potenciális ipari partnerekkel a 2030-as évekre történő kereskedelmi forgalomba hozatal elérése érdekében.
A PDS ambíciói messze túlmutatnak a hazai piacon. 2025 júliusában a startup bejelentette, hogy közös kutatási partnerséget kötött a Japán Űrkutatási Ügynökséggel (JAXA), hogy gyémántenergiával működő MOSFET-jeit valós űrkörnyezetben teszteljék. Az együttműködés célja, hogy ellenőrizze ezen eszközök tartósságát a bolygó- és műholdműveletekben megszokott intenzív sugárzás, vákuum és hőciklus-körülmények között. A földi teljesítmény- és megbízhatósági tesztelés a tervek szerint a 2025-ös pénzügyi évben (2025 áprilisa és 2026 márciusa) kezdődik. Ez a fázis az eszközök mechanikai és elektronikus stabilitását értékeli, mielőtt az alkatrészeket egy orbitális tesztplatformra vagy mélyűri küldetésre küldenék.
A gyémánt, mint félvezető szubsztrát, számos előnnyel rendelkezik. Az összes szilárd anyag közül a legmagasabb ismert hővezető képességgel, kiváló sugárzásállósággal és széles tiltott sávval rendelkezik, így ideális anyag nagyfeszültségű alkalmazásokhoz. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a gyémánt alapú eszközök magasabb hőmérsékleten és feszültségen működjenek, mint a szilícium-karbid (SiC) vagy a gallium-nitrid (GaN), ami potenciálisan újraértelmezheti a teljesítményelektronikát a jövő repülőgépipari, védelmi és nagy teljesítményű elektromos járműalkalmazásaiban.
A PDS prototípusai a mai napig rekordteljesítményű teljesítménysűrűséget értek el, ezzel a vállalatot a félvezető-innováció élvonalába helyezve. Bár a tömeggyártás még évekig várat magára, a PDS a gyémánt fizikai előnyeinek, a vertikálisan integrált eszköztervezésnek és az intézményekkel való együttműködésnek köszönhetően a következő évtizedben vezető szerepet tölthet be az ultranagy teljesítményű teljesítmény-félvezetők terén.
A gyémánt alapú teljesítmény félvezetők, mint amilyeneket a PDS (PoE) gyárt, hatással lehetnek a LED-es világításra, de ez a hatás elsősorban közvetett és rendszerszintű. Legnagyobb hatása a hőkezelésre, a meghajtó hatékonyságára, a megbízhatóságra és bizonyos igényes környezeti alkalmazásokra rejlik.
Rendszerszintű hatékonyság és miniatürizálás
A gyémánt teljesítményű MOSFET-ek nagy feszültségeket képesek kapcsolni alacsonyabb veszteségekkel, javítva a nagy teljesítményű LED-es lámpatestek, például utcai lámpák, stadionvilágítás és kerti lámpák meghajtóinak AC-DC és DC-DC átalakítási hatékonyságát.
A megnövekedett meghajtóhatékonyság csökkentett hulladékhőt eredményez, ami lehetővé teszi kisebb hűtőbordák, kompaktabb lámpatest-kialakítások vagy nagyobb fényáram/lámpatest használatát egy adott energiaköltségvetésen belül.
Hőkezelés és élettartam
A gyémánt kiváló hővezető képessége nemcsak aktív félvezetőként, hanem hőelvezető anyagként is értékes a LED-modulokban és a meghajtókártyákban.
A gyémánt aljzatok vagy áramköri lapok használata nagy teljesítményű LED-ekben bizonyítottan jelentősen meghosszabbítja az alkatrészek élettartamát, mivel csökkenti az illesztési hőmérsékletet, ami kritikus meghibásodási mechanizmus a nagy teljesítményű LED-rendszerekben.
Mostoha környezetek és speciális világítás
A gyémántelektronika és a potenciális gyémánt LED-ek alkalmasak extrém környezeti körülményekre, mint például magas hőmérséklet, nagy nyomás, sugárzás vagy korrozív vegyi anyagok (pl. ipari üzemek, föld alatti területek, repülőgépipar, atomenergia).
A LED-ipar számára ez niche termékvonalakat jelent: zord környezeti világítótesteket, kritikus fontosságú jelzőlámpákat, valamint dedikált mérő- vagy UV/sterilizáló fényforrásokat a hagyományos LED-ek vagy meghajtók gyors öregedéséhez.
Gallium-nitriddel és nagy teljesítményű LED-ekkel való integráció
A gyémántfilmeket gallium-nitriddel kombináló tanulmányok kimutatták, hogy a nagy teljesítményű LED-ek hőteljesítménye jelentősen javítható a chipből történő hő hatékonyabb diffúziójával és elvezetésével.
A gyémántalapú teljesítményeszközök és a GaN LED-ek gyémánt hordozóra történő beépítésével a gyártók tovább növelhetik a meghajtóáramot és a teljesítménysűrűséget a megbízhatóság feláldozása nélkül, ezáltal fényesebb és robusztusabb nagy teljesítményű csomagokat érhetnek el.