Va fi diamantul semiconductorul suprem?
Timp de peste patru decenii am fost martorul unor schimbări radicale în peisajul electronicii de putere: de la tranzistoarele bipolare, la MOSFET-uri și apoi la semiconductori cu bandă interzisă largă (WBG – Wide Band Gap), precum carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN). Fiecare evoluție tehnologică a adus performanțe superioare, eficiență crescută și miniaturizarea sistemelor de alimentare. Astăzi, însă, ne aflăm în pragul a ceea ce ar putea fi următorul salt cuantic în performanța dispozitivelor de putere, către legendara eficiență de 99,99%: utilizarea diamantului sintetic ca material semiconductor – un concept cu adevărat fascinant pentru inginerii electroniști din domeniul electronicii de putere.
Este realistă utilizarea diamantelor în semiconductori?
Ideea poate părea exotică – dacă nu chiar exagerată. Până la urmă, diamantele sunt asociate, de obicei, cu bijuterii sau cu aplicații industriale precum abrazivele și utilajele pentru tăiere, găurire, șlefuire și lustruire, ori cu experimente de laborator la presiune ridicată – dar cu greu cu sistemele de conversie a puterii sau cu amplificatoarele de radiofrecvență.
Cu toate acestea, comunitatea științifică a recunoscut de mulți ani diamantul ca fiind cel mai bun material pentru disiparea căldurii, având o conductivitate termică net superioară materialelor convenționale, precum siliciul. Totuși, duritatea intrinsecă și complexitatea procesării l-au făcut, mult timp, inadecvat pentru utilizarea în tehnologia semiconductorilor.
Înainte de a analiza performanțele și beneficiile, este necesar să prezentăm un rezumat al evoluției utilizării diamantului în aplicațiile tehnologice. Povestea începe în 1954, când General Electric (GE) a produs primul diamant sintetic prin metoda HPHT (High Pressure High Temperature), marcând astfel prima fabricare artificială a diamantelor. Ulterior, în anii 1980, a urmat extinderea experimentală a metodei de depunere chimică din fază de vapori (CVD), iar în anii 1990 au fost explorate procesele de dopare. După această etapă, cercetătorii și dezvoltatorii implicați în domeniu și-au aprofundat cunoștințele legate de caracterizarea, fabricarea și prelucrarea diamantelor sintetice.
Progresele recente în știința materialelor și în tehnicile de fabricație transformă însă rapid diamantul sintetic într-un potențial concurent pentru viitorul semiconductorilor. În continuare, vom examina de ce diamantul este considerat un material al superlativelor, cum se compară cu semiconductorii WBG consacrați (SiC și GaN) și care sunt obstacolele rămase până la atingerea maturității comerciale.
Scara evoluției tehnice
Evoluția electronicii de putere poate fi comparată cu o scară, unde fiecare treaptă reprezintă un salt tehnologic major, de la stadiul de cercetare până la implementarea pe piață, cu impact direct asupra performanței. În acest context, semiconductorii pe bază de diamant ar putea fi următorul pas înainte, deși mulți îi consideră încă o provocare dificil de transpus în realitate.
Este esențial de menționat că nici SiC, nici GaN nu au cunoscut succesul peste noapte. Îmi amintesc că atunci când diodele de putere din SiC au apărut pe piață, la sfârșitul anilor ’90, erau costisitoare, dificil de fabricat și ridicau semne de întrebare legate de fiabilitate. În schimb, călătoria comercială a GaN a început ceva mai târziu, fiind adoptată inițial în aplicații RF, pentru ca mai apoi să evolueze spre tranzistoare de putere de înaltă eficiență, utilizate astăzi în totul, de la încărcătoare rapide până la surse de alimentare pentru centre de date.
Succesul SiC și GaN
Nu există nicio îndoială că tehnologia convențională bazată pe siliciu este bine consolidată și continuă să se perfecționeze prin integrarea unor inovații constante. Totuși, succesul SiC și GaN a fost alimentat de nevoia industriei de a obține tensiuni mai ridicate, o eficiență sporită și frecvențe de comutare mai mari, toate acestea contribuind la reducerea dimensiunilor echipamentelor finale. Astăzi, atât SiC, cât și GaN sunt utilizate pe scară largă, de la vehicule electrice până la invertoare solare. Aceste materiale WBG au adus avantaje semnificative în ceea ce privește dimensiunea, greutatea și puterea (SWaP – Size, Weight and Power), iar rezultatele sunt vizibile în produsele de zi cu zi: adaptoare USB compacte, extrem de eficiente energetic și surprinzător de puternice.
GaN a adus beneficii majore în comutarea la frecvențe înalte, datorită mobilității ridicate a electronilor și capacitanței reduse. În paralel, SiC și-a câștigat un rol solid în aplicațiile de medie și înaltă tensiune, înlocuind IGBT-urile și MOSFET-urile din siliciu în domenii precum vehiculele electrice și acționările industriale. Totuși, atât SiC, cât și GaN au propriile limite. Anumite aplicații care operează la temperaturi extreme sau în medii solicitante necesită niveluri superioare de performanță și robustețe. În aceste cazuri, diamantul nu doar că depășește materialele existente, ci introduce un set de proprietăți cu adevărat inovatoare.
Avantajele diamantului la prima vedere
Figura 1: Proprietățile materialelor definesc performanța. (Sursă PRBX)
Pentru a înțelege potențialul acestui material, este necesar să pornim de la știința materialelor. În tehnologia semiconductorilor, performanța unui material utilizat în aplicații de mare putere, frecvență înaltă sau temperatură ridicată este determinată de proprietățile sale fizice fundamentale. În tabelul din figura 1, care prezintă siliciul, carbura de siliciu, nitrura de galiu și diamantul, am selectat patru parametri esențiali. Aceștia simplifică procesul de comparare a performanțelor și beneficiilor fiecărui material.
Banda interzisă
Banda interzisă (band gap) reprezintă un parametru fundamental al materialelor semiconductoare, deoarece indică abilitatea lor de a conduce electricitatea. El constituie un criteriu esențial pentru evaluarea adaptabilității unui material la aplicații ce implică temperaturi ridicate sau niveluri mari de energie. O bandă interzisă mai largă semnalează o rezistență superioară la scurgeri și la fenomenul de străpungere electrică, aspect critic în aplicațiile aflate în condiții extreme. Din acest punct de vedere, diamantul depășește net toate celelalte materiale. Cu o bandă interzisă de 5,5 eV, el permite realizarea de dispozitive capabile să funcționeze la tensiuni și temperaturi mult mai ridicate.
Câmp electric de străpungere
Câmpul electric de străpungere reprezintă măsura rezistenței unui material la stresul electric înainte de apariția conductivității nedorite. Este important de subliniat că valori ridicate ale acestui parametru sunt critice pentru dispozitivele destinate să funcționeze la tensiuni înalte, în special în electronica de putere. Aceasta deoarece performanța optimă în condiții de sarcini electrice extreme depinde direct de robustețea materialului în fața fenomenului de străpungere.
În cazul diamantului, câmpul electric critic teoretic atinge aproape 10 MV/cm, de aproximativ trei ori mai mare decât cel al GaN sau SiC și de peste 30 de ori mai mare decât al siliciului. Această caracteristică permite realizarea de dispozitive mai subțiri pentru aceeași tensiune nominală, ceea ce reduce rezistența și sporește eficiența. Totodată, deschide posibilitatea dezvoltării unor dispozitive capabile să opereze la 10 kV, 20 kV sau chiar 50 kV, cu impact revoluționar asupra sistemelor de transport HVDC, rețelelor feroviare electrificate și infrastructurilor energetice interconectate.
Mobilitatea electronilor
Mobilitatea electronilor este definită ca viteza cu care aceștia se deplasează sub acțiunea unui câmp electric. Este un parametru esențial pentru comutația electronică și propagarea rapidă a semnalelor. O mobilitate mai ridicată se traduce printr-o performanță superioară atât în circuitele digitale, cât și în dispozitivele analogice de înaltă frecvență. Deși GaN și diamantul prezintă valori similare ale mobilității electronilor, dispozitivele realizate pe bază de diamant beneficiază de viteze de saturație mai mari. Acest avantaj permite comutarea extrem de rapidă, cu rezistență de conducție (RON) redusă și pierderi minime. Rezultatul direct este posibilitatea atingerii unor frecvențe de comutare mult mai ridicate, ceea ce contribuie la miniaturizarea suplimentară a componentelor magnetice, precum transformatoarele și inductoarele.
Evaluarea conductivității termice
Conductivitatea termică reprezintă proprietatea unui material de a transfera căldură. În electronica de putere, o conductivitate termică ridicată este un parametru fundamental, deoarece asigură disiparea eficientă a energiei termice, prevenind supraîncălzirea și contribuind la fiabilitatea și durata de viață a dispozitivelor. Diamantul se remarcă printr-o conductivitate termică excepțională, de aproximativ 20 W/cm·K, cea mai mare dintre toate materialele cunoscute, ceea ce îl transformă într-un material ideal pentru disiparea căldurii – una dintre cele mai mari provocări în proiectarea sistemelor electronice.
Gestionarea termică este recunoscută ca unul dintre factorii cei mai costisitori și restrictivi în dezvoltarea sistemelor de înaltă performanță. Spre exemplu, tehnologiile GaN necesită adesea substraturi exotice, iar SiC are și el constrângeri similare, pentru a evita supraîncălzirea. În schimb, capacitatea fără egal a diamantului de a disipa căldura ar putea permite funcționarea dispozitivelor la temperaturi ce depășesc 400°C fără degradare semnificativă, deschizând calea către sisteme mai compacte și mai robuste, în special pentru aplicații aerospațiale și pentru medii cu temperaturi extreme.
Unde ne aflăm astăzi?
Deși interesul pentru semiconductori pe bază de diamant este tot mai mare, aceștia nu au ajuns încă la stadiul de producție de serie. În ultimul deceniu însă, au fost realizate progrese importante, în special în domeniul fabricării diamantelor sintetice prin depunere chimică în vapori (CVD – Chemical Vapor Deposition). Această tehnologie permite obținerea de plachete monocristaline de diamant, cu suprafață mare și puritate foarte ridicată – o condiție esențială pentru realizarea de dispozitive semiconductoare fiabile.
În prezent, diodele Schottky și tranzistoarele de putere FET pe bază de diamant au fost deja testate în laboratoare, demonstrând caracteristici promițătoare. Cu toate acestea, comercializarea pe scară largă se află încă într-o etapă incipientă, fiind constrânsă de costurile ridicate de fabricație, densitatea defectelor, dificultățile de control al dopajului și provocările de scalabilitate. Chiar și așa, cele mai recente rezultate din cercetare sunt încurajatoare și arată o direcție clară de evoluție.
Câteva evoluții notabile
Privind retrospectiv, am aceeași senzație ca atunci când SiC și GaN se aflau încă în faza de cercetare. În calitate de inginer în domeniul electronicii de putere, studiam numeroase lucrări despre tehnologiile cu bandă interzisă largă și potențialul lor, scriam articole și le prezentam la conferințe pentru a-mi împărtăși entuziasmul în comunitatea de specialitate. Douăzeci de ani mai târziu, acele promisiuni s-au transformat într-o realitate comercială.
Astăzi, după mulți ani de cercetare fundamentală, utilizarea diamantului în industria semiconductorilor pășește într-o nouă etapă: preindustrializarea și dezvoltarea unui ecosistem capabil să susțină apariția viitoarelor produse comerciale.
Este dificil, dacă nu chiar imposibil, să enumerăm toate realizările majore obținute în ultima perioadă în domeniul semiconductorilor pe bază de diamant. Totuși, în calitate de cetățean francez care lucrează pentru o companie europeană deținută de grupul japonez COSEL, voi menționa câteva proiecte notabile din Japonia și Franța (UE), conștient fiind că evoluții similare au avut loc și în Statele Unite.
Evoluții recente în Japonia
În Japonia, se știe că primul circuit de putere care a integrat semiconductori sintetici pe bază de diamant a fost dezvoltat de o echipă de cercetare universitară. Investigând ipoteza că semiconductorii din diamant ar putea depăși performanțele siliciului și ale altor materiale actuale, profesorul Makoto Kasu și echipa sa de la Universitatea Saga au demarat cercetări dedicate și au reușit să dezvolte un tranzistor MOSFET cu canal n funcțional, realizat pe bază de diamant.
Figura 2: Primul circuit amplificator din lume bazat pe semiconductori din diamant, capabil să funcționeze la 300°C (572°F), în curs de brevetare. (Fotografie oferită prin amabilitatea Ookuma Diamond Device Co., Ltd)
Un alt moment de referință pentru industria japoneză a semiconductorilor a fost închiderea centralei nucleare Fukushima Daiichi, determinată de tsunami-ul care a urmat marelui cutremur din estul Japoniei, la 11 martie 2011. În cadrul procesului de dezafectare a reactoarelor, în 2012 a fost lansată o inițiativă de cercetare cu scopul de a dezvolta semiconductori pe bază de diamant capabili să funcționeze în condițiile extreme ale centralei avariate, contaminate cu radiații intense.
Această inițiativă a fost posibilă datorită colaborării dintre organizații de prestigiu precum AIST, Agenția Japoneză pentru Energie Atomică (JAEA), Universitatea Hokkaido și Organizația de Cercetare a Acceleratoarelor de Energie Înaltă (KEK).
Obiectivul a fost clar: dezvoltarea unor sisteme de monitorizare bazate pe semiconductori din diamant, capabile să reziste la niveluri ridicate de radiații și să furnizeze date detaliate, inclusiv privind doza de neutroni asupra resturilor de combustibil. Acest demers urmărea să asigure un proces de planificare mai sigur și mai eficient pentru îndepărtarea resturilor.
Figura 3: Circuit amplificator diferențial MOSFET realizat cu semiconductori din diamant. (Fotografie oferită prin amabilitatea Ookuma Diamond Device Co., Ltd)
În cadrul acestui proiect, Ookuma Diamond Device Co., Ltd., un start-up fondat în comun de Universitatea Hokkaido și Institutul Național de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST), a creat un sistem integrat pe verticală pentru fabricarea semiconductorilor din diamant. Acesta acoperă întregul flux – de la proiectarea substratului până la asamblarea primului circuit amplificator diferențial din lume pe bază de semiconductori din diamant, confirmat pentru funcționare de lungă durată la temperaturi ridicate (300°C). Rezultatele acestui proces sunt ilustrate în figurile 2 și 3.
La începutul anului 2025 au fost raportate progrese semnificative în domeniul tehnologiei avansate a semiconductorilor. Institutul Național de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST), în colaborare cu Honda R&D, a fabricat cu succes un prototip de MOSFET din diamant cu terminație H. Această realizare marchează prima demonstrație a comutației de mare viteză la nivel de amperi, un pas major în cercetarea și dezvoltarea semiconductorilor. Echipa condusă de Keita Takaesu et al. a reușit să mărească dimensiunea substratului și să dezvolte o tehnologie de cablare paralelă pentru creșterea curentului (DOI: 10.35848/1882-0786/adba3a). În continuare, cercetătorii intenționează să aplice această tehnologie la dispozitivele mobile de putere de nouă generație. În prezent, ei se află în faza de verificare și validare a rezultatelor preliminare, care ar putea deschide calea către MOSFET-uri din diamant cu curenți și mai mari.
Evoluții recente în Europa
Au fost derulate mai multe proiecte relevante, însă merită menționat în special programul-cadru pentru cercetare și inovare Orizont 2020, lansat în ianuarie 2014. Obiectivele acestuia au fost de a consolida bazele științifice și tehnologice ale Uniunii Europene, de a crea un Spațiu european de cercetare bazat pe libera circulație a cercetătorilor și a cunoștințelor și de a orienta UE către o societate a cunoașterii și o economie competitivă.
În cadrul programului Orizont 2020, un subproiect intitulat „Green Electronics with Diamond Power Devices”, coordonat de Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) din Franța, a avut ca scop explorarea potențialului și a fezabilității tehnologiei pe bază de diamant. În acest scop a fost format un consorțiu internațional care a reunit experți în proiectarea dispozitivelor de putere, creșterea și caracterizarea diamantelor, ambalare și testare, precum și un utilizator final inovator. Majoritatea partenerilor erau deja activi și în domeniul tehnologiilor SiC sau GaN, ceea ce a permis proiectului să beneficieze de experiența și realizările acumulate anterior în dezvoltarea semiconductorilor cu bandă interzisă largă.
Figura 4: Diode Schottky și tranzistoare FET de putere pe plachete semiconductoare din diamant, înainte de ambalare. (Fotografie obținută prin amabilitatea Diamfab)
Compania franceză Diamfab
Printre rapoartele notabile publicate în cadrul acestui proiect și ca parte a etapei următoare, merită menționată compania franceză Diamfab, fondată în martie 2019 de către CEO-ul Gauthier Chicot și CTO-ul Khaled Driche, găzduită la Institut Néel-CNRS. De la înființare, Diamfab a construit o rețea solidă de colaborări care contribuie la progresul tehnologic în domeniul sintezei diamantelor și la dezvoltarea unor componente de ultimă generație, precum diodele Schottky și tranzistoarele MOSFET (Figura 4).
În ceea ce privește cercetarea, merită menționată colaborarea dintre Institutul Néel (CNRS), Laboratorul de Plasmă și Conversie a Energiei (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Universitate) și DIAMFAB, care au proiectat un tranzistor JFET din diamant capabil să atingă un volum record de conducție a curentului de 50 mA. Componenta utilizează conducția în volum, fiind realizată din straturi omogene de diamant dopat cu bor, lipsite de defecte dăunătoare.
Figura 5: (Stânga) Schema în secțiune transversală a unui tranzistor JFET elementar din diamant, împreună cu configurația de măsurare electrică. (Dreapta) Imagine prin microscopie optică a unui tranzistor JFET din diamant cu structură interdigitată, la finalul procesului de fabricație. (Fotografie obținută prin amabilitatea Diamfab)
Acest progres a permis creșterea volumului activ al tranzistorului și al porții sale, până la 14,7 mm, cu 24 de “degete” paralele (fingers) pentru contactare. Dispozitivul nu mai este doar un demonstrator miniatural, ci o componentă cu utilizare reală, care oferă perspective promițătoare pentru tehnologia tranzistoarelor din diamant (figura 5).
Viziune: Potențialul diamantului în electronică de putere
Imaginați-vă invertoare pentru vehicule electrice cu o eficiență de 99,9%, capabile să comute la 1 MHz fără a necesita sisteme de răcire voluminoase. Sau module de alimentare spațiale ultra-compacte, capabile să reziste la temperaturile extreme și la radiațiile întâlnite pe Lună sau Marte. Gândiți-vă, de asemenea, la rețele inteligente care operează la 100 kV, cu senzori încorporați alimentați de circuite integrate din diamant.
Astfel de scenarii pot părea futuriste – dar la fel păreau și soluțiile pe bază de SiC și GaN acum 25 de ani.
Dacă progresele vor continua în același ritm, semiconductorii din diamant ar putea deveni, în următoarele două decenii, platforma de referință pentru aplicațiile de foarte mare putere și fiabilitate ridicată. Atât guvernele, cât și companiile private investesc masiv în cercetare și dezvoltare, considerând diamantul o tehnologie strategică cu implicații majore în domeniul energiei și al apărării.
Concluzie: Nu doar o scânteie, ci un far
În lumea semiconductorilor, materialul stabilește limitele – iar diamantul le redefinește. Chiar dacă disponibilitatea comercială se află încă la câțiva ani distanță, nivelul de performanță pe care îl promite diamantul este un prag prea important pentru a fi ignorat. Pe măsură ce electronica de putere continuă să ceară eficiență sporită, tensiuni mai mari și factori de formă mai compacți, industria trebuie să rămână atentă la această adevărată “bijuterie” a materialelor.
La fel cum am făcut tranziția de la siliciu la SiC cu bandă interzisă largă și GaN, pentru a permite progrese majore în mobilitatea electrică și în sursele regenerabile de energie, următoarea frontieră ar putea fi deschisă de cea mai dură formă a carbonului – diamantul – pregătind terenul pentru cea mai avansată platformă de semiconductori de putere.
Și, la fel ca în valurile anterioare de inovație, noi, profesioniștii din domeniu, trebuie să fim pregătiți – nu doar din punct de vedere tehnic, ci și prin imaginație și curiozitate.
Referințe
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com
SAGA University: https://www.saga-u.ac.jp/en
Ookuma Diamond Device Co., Ltd.: https://ookuma-dd.com/en
Honda R&D: https://global.honda/en/RandD
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST): https://www.aist.go.jp/index_en.html
Ampere-class double pulse testing of half-inch H-terminated diamond MOSFET chip
Applied Physics Express 18, 036502 (2025): https://doi.org/10.35848/1882-0786/adba3a
CNRS – Institut Néel: https://neel.cnrs.fr/en/institut-neel
Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie: https://www.laplace.univ-tlse.fr/en/home
DIAMFAB: https://diamfab.com
Over 50 mA current in interdigitated diamond field effect transistor
Damien Michez et al. – IEEE Electron Device Letters, 2024, 45 (11), pp.2058-2061. ⟨10.1109/LED.2024.3453504⟩.: https://hal.science/hal-04687646v1
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com
Glosar de termeni
- Bandă interzisă (Band gap) – diferența de energie dintre banda de valență și banda de conducție a unui semiconductor; determină tensiunile și temperaturile la care poate funcționa dispozitivul.
- Câmp de rupere (Breakdown field) – intensitatea câmpului electric maxim pe care un material îl poate suporta fără a deveni conductor.
- Mobilitatea electronilor – măsura vitezei cu care electronii se deplasează printr-un material sub acțiunea unui câmp electric.
- Conductivitate termică – capacitatea unui material de a conduce căldura.
- WBG (Wide Band Gap) – semiconductori cu bandă interzisă largă, precum carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN).
- MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) – tranzistor de putere utilizat pe scară largă în electronica modernă.
- Schottky diode – diodă cu barieră Schottky, caracterizată prin comutație rapidă și pierderi reduse.
- CVD (Chemical Vapor Deposition) – tehnică de fabricare a diamantelor sintetice prin depunerea chimică în stare de vapori.
- HVDC (High Voltage Direct Current) – tehnologie pentru transmiterea energiei electrice la tensiuni foarte ridicate și pierderi reduse.
- SiC (Silicon Carbide) – material semiconductor utilizat pentru dispozitive de putere la tensiuni înalte.
- GaN (Gallium Nitride) – material semiconductor utilizat pentru comutații rapide și aplicații RF.