Power Diamond Systems (PDS), japoński startup wywodzący się z Uniwersytetu Waseda, szybko staje się pionierem w produkcji półprzewodników mocy nowej generacji z wykorzystaniem diamentu syntetycznego. Na targach Semiconductor Japan 2025 firma zaprezentowała się znakomicie, prezentując tranzystory MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik) mocy na bazie diamentu, przeznaczone do zastosowań wysokonapięciowych i wysokotemperaturowych. Co istotne, PDS zademonstrował tę technologię w swoim zintegrowanym systemie ewaluacji, potwierdzając prawidłowe działanie urządzeń w obudowach – co stanowiło pierwszą publiczną weryfikację wydajności półprzewodników diamentowych w obudowach.
Te diamentowe tranzystory MOSFET zostały starannie zaprojektowane, aby wytrzymać napięcie rzędu setek woltów, charakteryzując się trwałością i wydajnością znacznie przewyższającą porównywalne produkty z krzemu (Si), a nawet węglika krzemu (SiC). PDS przewiduje, że te urządzenia znajdą ostatecznie zastosowanie w takich dziedzinach jak pojazdy elektryczne (EV), platformy kosmiczne i satelity telekomunikacyjne, gdzie występują poważne wyzwania projektowe dotyczące naprężeń termicznych, promieniowania i gęstości mocy. Chociaż technologia ta jest wciąż w fazie badań i rozwoju, firma planuje współpracę z potencjalnymi partnerami branżowymi, aby osiągnąć komercjalizację do lat 30. XXI wieku.
Ambicje PDS wykraczają daleko poza rynek krajowy. W lipcu 2025 roku startup ogłosił nawiązanie współpracy badawczej z Japońską Agencją Eksploracji Aerokosmicznej (JAXA) w celu przetestowania swoich diamentowych tranzystorów MOSFET w rzeczywistych warunkach kosmicznych. Celem tej współpracy jest sprawdzenie trwałości tych urządzeń w warunkach intensywnego promieniowania, próżni i cykli termicznych, typowych dla operacji planetarnych i satelitarnych. Rozpoczęcie naziemnych testów wydajności i niezawodności planowane jest na rok fiskalny 2025 (od kwietnia 2025 do marca 2026). W tej fazie zostanie oceniona stabilność mechaniczna i elektroniczna urządzeń przed wysłaniem ich komponentów na orbitalną platformę testową lub misję w głęboki kosmos.
Diament, jako podłoże półprzewodnikowe, posiada liczne zalety. Charakteryzuje się najwyższą znaną przewodnością cieplną spośród wszystkich ciał stałych, doskonałą odpornością na promieniowanie oraz szeroką przerwą energetyczną, co czyni go idealnym materiałem do zastosowań wysokonapięciowych. Właściwości te umożliwiają urządzeniom diamentowym pracę w wyższych temperaturach i napięciach niż węglik krzemu (SiC) czy azotek galu (GaN), co potencjalnie zredefiniuje elektronikę mocy w przyszłych zastosowaniach w przemyśle lotniczym, obronnym i wysokowydajnych pojazdach elektrycznych.
Do tej pory prototypy PDS osiągnęły rekordowe gęstości mocy, co stawia firmę w czołówce innowacji w dziedzinie półprzewodników. Chociaż masowa produkcja jest jeszcze odległa o kilka lat, PDS ma szansę stać się liderem w dziedzinie ultrawydajnych półprzewodników mocy w ciągu najbliższej dekady, dzięki fizycznym zaletom diamentu, pionowo zintegrowanej inżynierii urządzeń oraz współpracy z instytucjami.
Półprzewodniki mocy na bazie diamentu, takie jak te produkowane przez PDS, mogą wpływać na oświetlenie LED, ale wpływ ten jest głównie pośredni i systemowy. Największy wpływ dotyczy odprowadzania ciepła, wydajności sterowników, niezawodności oraz niektórych wymagających zastosowań środowiskowych.
Wydajność i miniaturyzacja na poziomie systemu
Tranzystory MOSFET z diamentem umożliwiają przełączanie wysokich napięć przy mniejszych stratach, co poprawia wydajność konwersji prądu przemiennego na prąd stały i prądu stałego na prąd stały w sterownikach opraw LED dużej mocy, takich jak oświetlenie uliczne, stadionowe i ogrodowe.
Większa wydajność sterownika oznacza mniejszą ilość ciepła odpadowego, co pozwala na stosowanie mniejszych radiatorów, bardziej kompaktowych konstrukcji opraw oświetleniowych lub wyższych wartości lumenów na oprawę przy danym budżecie mocy.
Zarządzanie temperaturą i żywotność
Doskonała przewodność cieplna diamentu sprawia, że jest on cennym materiałem nie tylko jako aktywny półprzewodnik, ale także jako materiał odprowadzający ciepło w modułach LED i płytkach sterowników.
Udowodniono, że stosowanie podłoży diamentowych lub płytek drukowanych w diodach LED dużej mocy znacząco wydłuża żywotność podzespołów, ponieważ obniża temperaturę złącza, która jest krytycznym czynnikiem powodującym awarie w systemach LED dużej mocy.
Trudne warunki i oświetlenie specjalistyczne
Elektronika diamentowa i potencjalne diamentowe diody LED nadają się do stosowania w ekstremalnych warunkach, w tym w środowisku o wysokiej temperaturze, wysokim ciśnieniu, promieniowaniu lub w środowisku zawierającym żrące substancje chemiczne (np. w zakładach przemysłowych, pod ziemią, w przestrzeni kosmicznej, elektrowniach jądrowych).
W branży LED oznacza to niszowe linie produktów: oprawy oświetleniowe do pracy w trudnych warunkach, światła sygnalizacyjne o krytycznym znaczeniu oraz dedykowane źródła światła pomiarowego lub UV/sterylizacyjnego do szybkiego starzenia się konwencjonalnych diod LED lub sterowników.
Integracja z azotkiem galu i diodami LED dużej mocy
Badania łączące warstwy diamentowe z azotkiem galu wykazały, że wydajność cieplną diod LED dużej mocy można znacznie poprawić dzięki skuteczniejszemu rozpraszaniu i odprowadzaniu ciepła z układu scalonego.
Dzięki umieszczeniu diamentowych elementów mocy i diod LED GaN na podłożu diamentowym producenci mogą zwiększyć natężenie prądu i gęstość mocy bez poświęcania niezawodności, uzyskując w ten sposób jaśniejsze i bardziej wytrzymałe pakiety o dużej mocy.