Sind Diamanten die ultimative Chips?

In den letzten Jahrzehnten haben wir die transformativen Entwicklungen im Bereich der Leistungselektronik miterlebt. Von den Bipolartransistoren über die MOSFETs bis hin zu breiten Bandlückenhalbleitern (WBG) wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) hat jede technologische Innovation höhere Leistung, höhere Effizienz und die Miniaturisierung von Leistungssystemen gebracht.

Heute stehen wir an einer aufregenden Schwelle, die möglicherweise einen weiteren Sprung in Richtung der legendären 99,99 %-Effizienz für Leistungshalbleiter markiert: die Verwendung von synthetischem Diamant als Halbleitermaterial. Für Leistungselektronikingenieure ist dies eine aufregende Entdeckung.

Abbildung 1: Die Materialeigenschaften bestimmen die Leistung

Ist die Verwendung von Diamanten im Halbleiterbereich realistisch?

Dieser Gedanke mag zunächst wie eine Phantasie erscheinen, ja fast wie eine Märchenerzählung. Schließlich sind Diamanten traditionell mit Schmuck, industriellen Anwendungen (z. B. Schleifmitteln) sowie Schneide-, Bohr-, Schleif- und Poliermaschinen oder für Hochdruckexperimente im Labor verbunden, nicht aber mit Leistungswandlungssystemen oder Hochfrequenzverstärkern.

Allerdings wird seit Jahren in der Wissenschaft anerkannt, dass Diamant das Material mit der besten Wärmeableitung ist, dessen Wärmeleitfähigkeit weit über die von herkömmlichen Materialien wie Silizium hinausgeht. Dennoch war Diamant aufgrund seiner inhärenten Härte und der Komplexität seiner Verarbeitung bisher für die Halbleitertechnologie ungeeignet.

Bevor wir uns eingehender mit den Eigenschaften und Vorteilen von Diamant befassen, ist es sinnvoll, einen Überblick über die Entwicklung von Diamant in technologischen Anwendungen zu geben. Diese Geschichte begann 1954, als die General Electric Company (GE) den ersten synthetischen Diamanten mithilfe der Hochdruck-Hochtemperatur-Methode (HPHT) herstellte, was das erste erfolgreiche Herstellen von Diamanten durch den Menschen markierte. Nach diesem Meilenstein wurde in den 1980er Jahren erstmals die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) zur Synthese von Diamanten eingesetzt, und in den 1990er Jahren wurde die Dotierungstechnik erforscht. Seitdem haben die Forscher von synthetischem Diamant ständig ihr Wissen über dieses Material in Bezug auf Charakterisierung, Herstellung und Verarbeitung erweitert.

Allerdings wandeln Fortschritte in der Materialwissenschaft und der Herstellungstechnik synthetischen Diamant schnell in einen starken Kandidaten für die zukünftige Halbleiterindustrie um. Lassen Sie uns untersuchen, warum Diamant als ein hervorragendes Material angesehen wird, welche Vorteile er im Vergleich zu herkömmlichen breiten Bandlückenhalbleitern (wie Siliziumcarbid und Galliumnitrid) hat und welche Hindernisse noch zu überwinden sind, bevor er kommerziell reif wird.

Die Stufenleiter der technologischen Entwicklung

Wir sagten früher immer, dass die Entwicklung der Leistungselektronik wie eine Stufenleiter sei, bei der jede große Entdeckung neue Technologien von der Forschung in den Markt brachte und so die Leistung steigerte. Diamant-Halbleiter könnten als die nächste Stufe angesehen werden, aber einige halten die Herausforderungen für zu groß, um sie zu verwirklichen.

Es ist bemerkenswert, dass der Erfolg von Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) auch nicht von heute auf morgen erreicht wurde. Ich erinnere mich, dass Ende der 1990er Jahre SiC-Leistungsdioden teuer, schwierig herzustellen und in ihrer Zuverlässigkeit problematisch waren. Die kommerzielle Entwicklung von GaN begann später, zunächst in der Hochfrequenztechnik, und es entwickelte sich schließlich zu einem effizienten Leistungstransistor, der in einer Vielzahl von Geräten, von Schnellladern bis hin zu Datencenter-Stromversorgungen, eingesetzt wird.

Es ist unbestritten, dass die herkömmliche Silizium-Halbleitertechnik sehr reif ist und sich mit neuen Technologien ständig verbessert. Der Erfolg von SiC und GaN beruht jedoch hauptsächlich auf der Nachfrage der Branche nach höheren Spannungen, höherer Effizienz und höheren Schaltfrequenzen, um die Größe der Endgeräte zu verringern.

Heute finden sich Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) in allen Bereichen, von Elektromobilität bis hin zu Solarinvertern. Breite Bandlückenmaterialien (WBG) haben die Größe, das Gewicht und den Stromverbrauch (SWaP) von Bauteilen erheblich verringert, sodass wir leistungsstarke, energieeffiziente und kompakte USB-Adapter nutzen können.

Galliumnitrid (GaN) zeigt aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit und niedrigen Kapazität Vorteile im Bereich der Hochfrequenzschaltung. Gleichzeitig hat Siliziumcarbid (SiC) in Mittel- und Hochspannungsbereichen seinen Platz gefunden und ersetzt IGBTs und Silizium-MOSFETs in Anwendungen wie Elektromobilität und industriellen Antrieben.

Allerdings haben sowohl Siliziumcarbid (SiC) als auch Galliumnitrid (GaN) ihre Grenzen. Einige Anwendungen, die bei hohen Temperaturen und in rauen Umgebungen betrieben werden, erfordern möglicherweise höhere Leistung und Stabilität, und die Eigenschaften von Diamant können genau diese Anforderungen erfüllen und eine transformierende Wirkung haben.

Die Vorteile von Diamant auf einen Blick

Um das Potenzial von Diamant zu verstehen, müssen wir uns mit der Materialwissenschaft befassen. Im Bereich der Halbleitertechnik hängt die Leistung eines Materials in Hochleistungs-, Hochfrequenz- oder Hochtemperaturanwendungen von seinen wesentlichen physikalischen Eigenschaften ab. Wir haben in der Tabelle (Abbildung 01) die Grundeigenschaften von Silizium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid und Diamant aufgelistet und vier Schlüsselparameter ausgewählt, um die Leistung und die Vorteile der verschiedenen Materialien zu vergleichen:

1. Bandlücke

Die Bandlücke ist ein wichtiger Indikator für die leitfähigkeit eines Materials und ein Schlüsselkriterium für seine Eignung in Hochtemperatur- oder Hochenergieumgebungen. Eine breitere Bandlücke bedeutet eine stärkere Widerstandsfähigkeit gegen Leckströme und Durchschläge, was für Anwendungen unter extremen Bedingungen von entscheidender Bedeutung ist. In dieser Hinsicht übertrifft Diamant alle anderen Materialien bei weitem. Seine breite Bandlücke von 5,5 eV ermöglicht es, dass Bauteile bei höheren Spannungen und Temperaturen arbeiten können.

2. Durchbruchfeldstärke

Die Durchbruchfeldstärke ist die Fähigkeit eines Materials, elektrische Spannungen zu widerstehen, bevor es leitend wird. Es ist bemerkenswert, dass für Bauteile, die unter Hochspannung arbeiten, insbesondere für Leistungselektronikbauteile, eine höhere Durchbruchfeldstärke von entscheidender Bedeutung ist. Dies liegt daran, dass es wichtig ist, die optimale Leistung der Bauteile unter extremen elektrischen Belastungen sicherzustellen.

Die theoretische kritische elektrische Feldstärke von Diamant liegt bei nahezu 10 MV/cm, was das Dreifache von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC) und mehr als 30 Mal so hoch wie bei Silizium ist. Dies ermöglicht es, dass Bauteile bei derselben Nennspannung dünner ausgeführt werden können, wodurch der Widerstand verringert und die Effizienz erhöht wird. Dies ebnet auch den Weg für Bauteile mit einer Nennspannung von 10 kV, 20 kV oder sogar 50 kV, was möglicherweise die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HVDC), die elektrifizierten Bahnen und die Netzgekoppelten Energiesysteme revolutionieren könnte.

3. Elektronenbeweglichkeit

Die Elektronenbeweglichkeit ist die Geschwindigkeit, mit der Elektronen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen. Sie ist ein wesentlicher Bestandteil von Elektronenschaltungen und Signalübertragungen, die oft sehr schnell ablaufen. Die Verbesserung der Elektronenbeweglichkeit in diesen Bauteilen kann die Leistung von digitalen Schaltungen und Hochfrequenzanalogbauteilen verbessern. Obwohl die Elektronenbeweglichkeit von Galliumnitrid (GaN) und Diamant ähnlich ist, kann Diamantbauteile eine höhere Sättigungsgeschwindigkeit aufweisen, was extrem schnelle Schaltgeschwindigkeiten, einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand und geringere Verluste ermöglicht. Dies könnte die Schaltfrequenzen auf neue Höhen bringen und die Größe von magnetischen Bauteilen wie Transformatoren und Induktivitäten weiter verringern.

4. Bewertung der Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die die Fähigkeit eines Materials zur Wärmeübertragung misst. Im Bereich der Elektronik ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Diese Eigenschaft ist für eine effektive Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung, um Überhitzung zu vermeiden und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauteile zu erhöhen. Die Wärmeleitfähigkeit von Diamant beträgt bis zu 20 W/cmK, was die höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit aller Materialien ist und ihm in Bezug auf die Wärmeableitung eine hervorragende Leistung verleiht, die in der Leistungselektronik immer ein großer Herausforderung ist.

Es ist bekannt, dass die Wärmeverwaltung einer der kostspieligsten und leistungsbegrenzenden Faktoren in Hochleistungssystemen ist. Beispielsweise benötigt Galliumnitrid (GaN) normalerweise spezielle Substrate wie Siliziumcarbid, um Überhitzung zu vermeiden.

Die unübertroffene Wärmeableitfähigkeit von Diamant ermöglicht es, dass Bauteile bei Temperaturen von über 400 °C stabil betrieben werden können, was kompaktere und robusterere Systeme ermöglicht, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und bei Hochtemperaturanwendungen.

Wo befinden wir uns derzeit?

Obwohl Diamant-Halbleiter viel Aufmerksamkeit erregen, sind sie noch nicht in der Massenproduktion etabliert. In den letzten zehn Jahren, insbesondere bei der Herstellung von synthetischem Diamant mit der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) -Technik, wurden jedoch bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Die CVD-Technik ermöglicht die Herstellung von großflächigen, ultrareinen einkristallinen Diamantscheiben - ein entscheidender Voraussetzung für die Herstellung zuverlässiger Halbleiterbauteile.

Heute wurden in Laboren Diamant-Schottky-Dioden und Leistungstransistoren (FET) mit guten Eigenschaften erfolgreich demonstriert. Allerdings ist die vollständige Kommerzialisierung aufgrund von Faktoren wie Herstellungskosten, Defektdichte, Dotierungssteuerung und Skalierbarkeit noch in der Anfangsphase. Dennoch

sind die neuesten Forschungsergebnisse aufregend, und es wurden auch einige bemerkenswerte Fortschritte erzielt.

Wenn ich an die Vergangenheit zurückdenke, habe ich die gleichen Gefühle wie damals, als Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sich noch in der Forschungsstufe befanden. Als Leistungselektronikingenieur habe ich viele Artikel über breite Bandlückentechnologien und ihre Perspektiven studiert, Artikel geschrieben und auf Konferenzen präsentiert, um meine Begeisterung mit der Leistungselektronikgemeinschaft zu teilen. Zwanzig Jahre später sind diese Perspektiven zu kommerziellen Realitäten geworden.

Nach Jahren grundlegender Forschung steht die Anwendung von Diamant in der Halbleiterindustrie vor einem neuen Stadium, nämlich der Vorindustrialisierung und dem Aufbau eines Ökosystems, das zukünftige kommerzielle Produkte unterstützt.

Es ist nahezu unmöglich, alle wichtigen Fortschritte, die kürzlich in der Diamant-Halbleiterindustrie gemacht wurden, aufzulisten. In diesem Artikel teilen wir einige herausragende Projekte aus Japan und Frankreich (EU), aber es ist sicher, dass auch in den USA viele ähnliche Fortschritte erzielt wurden.

1. Japan

Es ist bekannt, dass die erste Leistungsschaltung mit synthetischem Diamant-Halbleiter von einem Forschungsteam einer japanischen Universität entwickelt wurde. Das Forschungsteam der Universität Saga, unter der Leitung von Professor Kasaseki, hat die Hypothese untersucht, dass Diamant-Halbleiter Silizium und andere vorhandene Materialien übertreffen könnten, und hat daraufhin die Forschung an Diamant-Halbleitern begonnen. Schließlich wurde ein funktioneller n-Kanal-MOSFET-Transistor aus Diamant entwickelt.

Ein weiterer wichtiger Wendepunkt in der Geschichte der japanischen Halbleiterindustrie war die Stilllegung der Fukushima Daiichi-Kernkraftwerksanlage (NPS). Am 11. März 2011 führte der Tsunami, der durch das Erdbeben in Ostjapan ausgelöst wurde, zur Stilllegung der Fukushima Daiichi-Kernkraftwerksanlage. Im Rahmen des Rückbaus des Kernreaktors wurde 2012 ein Forschungsplan gestartet, um Diamant-Halbleiter zu entwickeln, die in der schwierigen Umgebung der beschädigten Kernkraftwerksanlage, die hohen Strahlungskontaminationen ausgesetzt war, funktionieren können.

Dieses Projekt wurde möglich, dank der Zusammenführung der technologischen Expertise von renommierten Institutionen wie dem Japanischen Institut für industrielle Technologie (AIST), der Japanischen Agentur für Atomenergieforschung und -entwicklung (JAEA), der Universität Hokkaido und dem Forschungsinstitut für Hochenergiebeschleuniger (KEK).

Das Ziel war klar: Die Entwicklung einer Schlüsselmethode, um ein Überwachungssystem mit Diamant-Halbleitern, die hohen Strahlungswerten standhalten können, zu entwerfen, um detaillierte Daten, einschließlich der Neutronendosis von Brennstofffragmenten, bereitzustellen. Dies soll die Sicherheit und Effizienz des Fragmententfernungsplans sicherstellen.

Als Teil dieses Projekts hat das Start-up Ookuma Diamond Device Co., Ltd., gegründet von der Universität Hokkaido und dem Japanischen Institut für industrielle Technologie (AIST), ein vertikal integriertes Herstellungssystem für Diamant-Halbleiter aufgebaut, das alle Schritte von der Substratentwicklung bis zur Montage der weltweit ersten Differenzverstärkerschaltung mit Diamant-Halbleitern umfasst. Diese Schaltung hat sich als langzeitstabil bei hohen Temperaturen (300 °C) erwiesen, wie das neueste Prototypbild zeigt.

Anfang 2025 wurde berichtet, dass in der fortschrittlichen Halbleitertechnologie bedeutende Fortschritte erzielt wurden. Das Japanische Institut für industrielle Technologie (AIST) hat in Zusammenarbeit mit Honda R & D ein Prototyp eines Wasserstoff-terminierten Diamant-MOSFETs erfolgreich hergestellt. Dieser Durchbruch hat erstmals einen Amperestrom-Hochgeschwindigkeitsschaltbetrieb ermöglicht und ist ein bedeutender Fortschritt in der Halbleiterforschung. Das Forschungsteam um Keita Takae hat die Substratgröße vergrößert und eine Parallelverdrahtungstechnik entwickelt, um den Strom zu erhöhen. In Zukunft planen sie, diese Technologie auf nächste Generationen