Jeder technologische Fortschritt hat höhere Leistung, gesteigerte Effizienz und Miniaturisierung von Stromversorgungssystemen ermöglicht. Doch heute stehen wir am Beginn eines möglichen Quantensprungs in der Leistungsfähigkeit von Leistungselektronikbauteilen hin zum sagenumwobenen Wirkungsgrad von 99,99 %: die Verwendung von synthetischem Diamant als Halbleitermaterial – ein wahrhaft aufregendes neues Konzept für Leistungselektronikingenieure.
Ist der Einsatz von Diamanten in Halbleitern realistisch?
Die Idee mag exotisch, ja geradezu abwegig erscheinen, aber schließlich werden Diamanten traditionell mit Schmuck, industriellen Anwendungen wie Schleifmitteln und Maschinen zum Schneiden, Bohren, Schleifen und Polieren oder in Laboren für Hochdruckexperimente in Verbindung gebracht, nicht aber mit Leistungsumwandlungssystemen oder Hochfrequenzverstärkern.
Die Wissenschaft erkennt Diamanten jedoch seit vielen Jahren als ideales Material zur Wärmeableitung an, da ihre Wärmeleitfähigkeit die von herkömmlichen Materialien wie Silizium weit übertrifft. Dennoch machten die inhärente Härte des Materials und die Komplexität seiner Verarbeitung es bisher für den Einsatz in der Halbleitertechnologie ungeeignet.
Bevor wir uns der anschließenden Debatte über Leistung und Vorteile widmen, ist es wichtig, einen Überblick über die Entwicklung der Diamantverwendung in technologischen Anwendungen zu geben. Die Geschichte beginnt 1954, als General Electric (GE) erfolgreich den ersten synthetischen Diamanten mithilfe des Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahrens (HPHT) herstellte und damit die ersten künstlich hergestellten Diamanten schuf. Nach diesem Meilenstein folgte in den 1980er Jahren die erste Ausweitung der Diamantproduktion durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), gefolgt von der Erforschung von Dotierungsverfahren in den 1990er Jahren. Seitdem haben Forscher, die sich mit der Entwicklung synthetischer Diamanten befassen, ihr Wissen über dieses Material hinsichtlich Charakterisierung, Herstellung und Verarbeitung stetig erweitert.
Fortschritte in der Materialwissenschaft und den Fertigungstechniken lassen synthetischen Diamanten jedoch rasant zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Zukunft der Halbleiter werden. Wir wollen untersuchen, warum Diamant als herausragendes Material gilt, wie er sich im Vergleich zu herkömmlichen und etablierten WBG-Halbleitern (SiC und GaN) schlägt und welche Hürden noch zu überwinden sind, bevor er marktreif ist.
Die Leiter der technischen Evolution.
Früher sagten wir, die Entwicklung der Leistungselektronik gleiche einer Leiter mit großen Sprüngen, die neue Technologien aus der Forschung auf den Markt bringen, um die Leistung zu verbessern. Diamant-Halbleiter könnten als nächster Schritt betrachtet werden, obwohl manche deren Realisierung als zu große Herausforderung ansehen.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass weder SiC noch GaN sofort erfolgreich waren. Ich erinnere mich, dass SiC-Leistungsdioden, als sie Ende der 1990er-Jahre auf den Markt kamen, teuer und schwierig herzustellen waren und Zuverlässigkeitsprobleme aufwiesen. GaN hingegen etablierte sich später, zunächst in HF-Schaltungen und später in hocheffizienten Leistungstransistoren für verschiedenste Anwendungen, von Schnellladegeräten bis hin zu Netzteilen für Rechenzentren.
Die konventionelle Silizium-Halbleitertechnologie ist zweifellos etabliert und wird durch neue Technologien stetig verbessert. Der Erfolg von SiC und GaN wurde jedoch maßgeblich von einer Industrie vorangetrieben, die höhere Spannungen, höhere Effizienz und höhere Schaltfrequenzen benötigte, um die Größe von Endgeräten zu reduzieren. Heute finden sich SiC und GaN in nahezu allen Bereichen, von Elektrofahrzeugen bis hin zu Solarwechselrichtern. WBG-Materialien boten deutliche Vorteile hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme (SWaP), und wir alle profitieren von leistungsstarken, effizienten und kompakten USB-Adaptern.
GaN bot aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit und geringen Kapazität Vorteile beim Hochfrequenzschalten. SiC hingegen etablierte sich im mittleren bis hohen Spannungsbereich und ersetzte Silizium-IGBTs und MOSFETs in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Industrieantrieben. Sowohl SiC als auch GaN weisen jedoch Einschränkungen auf, und manche Anwendungen, die bei hohen Temperaturen und in rauen Umgebungen arbeiten, erfordern höhere Leistung und Robustheit. Hier erweisen sich die Eigenschaften von Diamant nicht nur als überlegen, sondern revolutionär.
Abbildung 01: Materialeigenschaften bestimmen die Leistungsfähigkeit (Quelle: PRBX)
Die Vorteile von Diamant auf einen Blick.
Um das Potenzial von Diamant zu verstehen, müssen wir mit der Materialwissenschaft beginnen. In der Halbleitertechnologie wird die Leistungsfähigkeit von Materialien für Hochleistungs-, Hochfrequenz- oder Hochtemperaturanwendungen durch wichtige physikalische Eigenschaften bestimmt. In der Tabelle (Abbildung 01) stellen wir die grundlegenden Eigenschaften von Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid und Diamant dar und haben vier Schlüsselparameter ausgewählt, die den Vergleich der Leistungsfähigkeit und Vorteile der verschiedenen Materialien erleichtern:
Bandlücke:
Die Bandlücke, die die elektrische Leitfähigkeit eines Materials angibt, ist ein grundlegendes Kriterium für dessen Eignung in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder hohen Energieniveaus. Eine größere Bandlücke bedeutet eine höhere Beständigkeit gegen Stromverluste und Durchschläge, was für Anwendungen unter extremen Bedingungen entscheidend ist. In dieser Hinsicht übertrifft Diamant alle anderen Materialien bei Weitem. Seine große Bandlücke von 5,5 eV ermöglicht den Betrieb von Bauelementen bei höheren Spannungen und Temperaturen.
Durchschlagsfeldstärke:
Die Durchschlagsfeldstärke ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen elektrische Spannungen, bevor es leitfähig wird. Höhere Durchschlagsfeldstärkewerte sind für Geräte, die mit hohen Spannungen betrieben werden, insbesondere in der Leistungselektronik, unerlässlich. Denn die Gewährleistung optimaler Leistung unter extremen elektrischen Lasten ist von größter Bedeutung.
Die theoretische kritische Feldstärke von Diamant beträgt nahezu 10 MV/cm und ist damit dreimal höher als die von GaN oder SiC und mehr als 30-mal höher als die von Silizium. Dies ermöglicht die Herstellung dünnerer Bauelemente bei gleicher Nennspannung, wodurch der Widerstand reduziert und der Wirkungsgrad verbessert wird. Zudem eröffnet es die Möglichkeit für Bauelemente mit Nennspannungen von 10 kV, 20 kV oder sogar 50 kV, die die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), elektrische Bahnsysteme und netzgekoppelte Stromversorgungssysteme revolutionieren könnten.
Elektronenbeweglichkeit:
Die Elektronenbeweglichkeit beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen in einem elektrischen Feld bewegen. Sie ist eine entscheidende Komponente für die schnelle elektronische Schaltung und Signalübertragung. Eine verbesserte Elektronenbeweglichkeit in diesen Bauelementen führt zu einer höheren Leistungsfähigkeit digitaler Schaltungen und analoger Hochfrequenzbauelemente. Obwohl GaN und Diamant ähnliche Elektronenbeweglichkeiten aufweisen, profitieren Diamantbauelemente von höheren Sättigungsgeschwindigkeiten. Dies ermöglicht extrem schnelles Schalten mit niedrigem Durchlasswiderstand und reduzierten Verlusten. Dadurch könnten die Schaltfrequenzen deutlich gesteigert und magnetische Bauteile wie Transformatoren und Induktivitäten weiter miniaturisiert werden.
Bewertung der Wärmeleitfähigkeit:
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die deren Fähigkeit zur Wärmeübertragung quantifiziert. In der Elektronik ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit unerlässlich. Diese Eigenschaft ist entscheidend für eine effiziente Wärmeableitung, verhindert Überhitzung und verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Geräten. Diamant besitzt mit 20 W/cmK die höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit aller Materialien und eignet sich daher hervorragend zur Wärmeableitung – eine ständige Herausforderung in der Leistungselektronik.
Wie wir alle wissen, ist das Wärmemanagement einer der kostspieligsten und limitierendsten Faktoren in Hochleistungssystemen. GaN beispielsweise benötigt häufig spezielle Substrate wie Siliziumkarbid, um eine Überhitzung zu verhindern. Die unübertroffene Wärmeableitung von Diamant könnte es ermöglichen, Bauelemente bei Temperaturen von über 400 °C ohne Leistungseinbußen zu betreiben und so kompaktere und robustere Systeme zu realisieren, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie in Hochtemperaturanwendungen.
Wo stehen wir heute?
Trotz der Begeisterung werden Diamant-Halbleiter noch nicht flächendeckend produziert. In den letzten zehn Jahren wurden jedoch bedeutende Fortschritte erzielt, insbesondere bei der Herstellung synthetischer Diamanten, maßgeblich durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD). CVD ermöglicht die Produktion großflächiger, hochreiner Einkristall-Diamantwafer – eine entscheidende Voraussetzung für die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen.
Aktuell wurden in Labors Diamant-Schottky-Dioden und -Feldeffekttransistoren mit vielversprechenden Eigenschaften demonstriert. Die großflächige Kommerzialisierung befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium und wird durch Herstellungskosten, Defektdichte, Dotierungskontrolle und Skalierbarkeit eingeschränkt. Dennoch sind die neuesten Forschungsergebnisse sehr vielversprechend.
Einige wichtige Entwicklungen:
Rückblickend empfinde ich dasselbe wie damals, als SiC und GaN noch in der Forschungsphase waren. Als Leistungselektronikingenieur vertiefte ich mich in zahlreiche Artikel über Breitbandtechnologie und ihre Versprechen, verfasste Fachbeiträge und hielt Vorträge auf Konferenzen, um meine Begeisterung mit der Leistungselektronik-Community zu teilen. Zwanzig Jahre später sind diese Versprechen Realität geworden.
Nach jahrelanger Grundlagenforschung tritt die Verwendung von Diamant in der Halbleiterindustrie nun in die nächste Phase ein, die die Vorindustrialisierung und die Entwicklung eines Ökosystems zur Unterstützung zukünftiger kommerzieller Produkte umfasst.
Es ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich, alle wichtigen Schritte aufzuzählen, die in letzter Zeit in der Diamant-Halbleiterindustrie unternommen wurden. Als französischer Staatsbürger, der für ein europäisches Unternehmen arbeitet, das dem japanischen Konzern COSEL gehört, möchte ich einige bemerkenswerte Projekte in Japan und Frankreich (EU) vorstellen, doch wurden zweifellos auch in den Vereinigten Staaten ähnliche Schritte unternommen.
In Japan
hat ein Forschungsteam einer japanischen Universität den ersten Leistungsschaltkreis mit synthetischen Diamant-Halbleitern entwickelt. Professor Makoto Kasu von der Universität Saga untersuchte die Hypothese, dass Diamant-Halbleiter Silizium und andere derzeit verwendete Materialien übertreffen könnten, und begann daraufhin mit der Forschung an Diamant-Halbleitern. Er entwickelte einen funktionsfähigen, aus Diamant gefertigten n-Kanal-MOSFET-Transistor.
Ein weiterer entscheidender Moment in der Entwicklung der japanischen Halbleiterindustrie war die Abschaltung des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi, die durch den Tsunami nach dem Großen Ostjapanischen Erdbeben am 11. März 2011 ausgelöst wurde. Im Rahmen des Rückbauprozesses des Reaktors wurde 2012 eine Forschungsinitiative ins Leben gerufen, deren Ziel die Entwicklung von Diamanthalbleitern war, die in der feindlichen Umgebung des beschädigten, mit hoher Strahlung kontaminierten Kernkraftwerks funktionieren konnten.
Die Initiative wurde durch das Zusammenwirken der technischen Expertise führender Organisationen wie AIST, der Japanischen Atomenergiebehörde (JAEA), der Universität Hokkaido und der Forschungsorganisation für Hochenergiebeschleuniger (KEK) ermöglicht.
Das Ziel war klar: die Entwicklung eines kritischen Überwachungssystems auf Basis von Diamant-Halbleitern, das hohen Strahlungsdosen standhält und somit detaillierte Daten, einschließlich der Neutronendosis im Brennstoffrückstand, liefert. Diese Initiative wurde ins Leben gerufen, um eine sicherere und effizientere Planung der Rückstandsbeseitigung zu gewährleisten.
Im Rahmen dieses Projekts hat Ookuma Diamond Device Co., Ltd., ein von der Universität Hokkaido und dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) gemeinsam gegründetes Startup, ein vertikal integriertes System für die Herstellung von Diamanthalbleitern aufgebaut, das alles vom Substratdesign bis zur Montage der weltweit ersten Differenzverstärkerschaltung mit Diamanthalbleitern abdeckt, deren Langzeitbetrieb in einer Hochtemperaturumgebung (300℃) bestätigt wurde, woraus der neueste Prototyp in den Abbildungen 02 und 03 resultierte.
Abbildung 02 – Weltweit erste Verstärkerschaltung mit Diamant-Halbleiter, die bei 300 °C (572 °F) arbeitet, Patent angemeldet (Foto mit freundlicher Genehmigung von Ookuma Diamond Device Co., Ltd)
Abbildung 03 – Differenzverstärkerschaltung mit Diamond-MOSFET (Foto mit freundlicher Genehmigung von Ookuma Diamond Device Co., Ltd)
Anfang 2025 wurde ein bedeutender Durchbruch in der Halbleitertechnologie gemeldet. Das Nationale Institut für fortgeschrittene Industriewissenschaft und -technologie (AIST) fertigte in Zusammenarbeit mit Honda R&D erfolgreich einen Prototyp eines H-terminierten Diamant-MOSFETs. Dieser Durchbruch markierte die erste Demonstration von Hochgeschwindigkeitsschaltvorgängen im Amperebereich und stellt einen wichtigen Fortschritt in der Halbleiterforschung und -entwicklung dar. Das Forschungsteam um Keita Takaesu et al. vergrößerte das Substrat und entwickelte eine Parallelverdrahtungstechnologie zur Stromerhöhung (doi: 10.35848/1882-0786/adba3a). Sie planen, diese Technologie in der nächsten Generation mobiler Stromversorgungsgeräte anzuwenden. Derzeit werden die vorläufigen Ergebnisse verifiziert und validiert, die den Weg für Diamant-MOSFETs mit höheren Strömen ebnen werden.
In Europa:
In Europa wurden mehrere Projekte durchgeführt, besonders hervorzuheben ist jedoch das Forschungs- und Innovationsrahmenprogramm Horizont 2020, das im Januar 2014 gestartet wurde. Ziel von Horizont 2020 war es, die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen der EU zu stärken, einen europäischen Forschungsraum mit freiem Personen- und Wissensverkehr zu schaffen und die EU zu einer Wissensgesellschaft und einer wettbewerbsfähigen Wirtschaft zu entwickeln.
Im Rahmen von Horizon 2020 wurde das Teilprojekt „Grüne Elektronik mit Diamant-Leistungshalbleitern“ unter der Leitung des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) ins Leben gerufen, um die Möglichkeiten und die Machbarkeit dieser vielversprechenden Technologie zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein Konsortium gebildet, das Experten für die Entwicklung von Leistungshalbleitern, das Wachstum und die Charakterisierung von Diamanten, die Gehäusefertigung und das Testen sowie einen innovativen Endanwender vereint. Die meisten Partner verfügten zudem über Erfahrung mit SiC- oder GaN-Technologie, sodass das Projekt von ihrem umfassenden Know-how und ihren Erfolgen im Bereich Breitbandhalbleiter profitieren konnte.
Unter den bemerkenswertesten Berichten, die im Rahmen dieses Projekts und in der nächsten Phase veröffentlicht wurden, möchte ich das französische Unternehmen Diamfab erwähnen. Es wurde im März 2019 von CEO Gauthier Chicot und CTO Khaled Driche gegründet und ist am Néel-Institut-CNRS angesiedelt. Seit seiner Gründung hat Diamfab ein Kooperationsnetzwerk aufgebaut, das zur technologischen Weiterentwicklung der Diamantsynthese und zur Entwicklung modernster Komponenten wie Schottky-Dioden und MOSFET-Transistoren beiträgt (Abbildung 04).
Abbildung 04 – Schottky-Dioden und Leistungs-FET-Transistoren auf Halbleiter-Diamantwafern vor der Gehäusemontage. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Diamfab)
Im Forschungsbereich ist die Zusammenarbeit zwischen dem Néel-Institut (CNRS), dem Labor für Plasma- und Energieumwandlung (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Universität) und DIAMFAB besonders hervorzuheben. Sie haben einen Diamanttransistor entwickelt, der eine rekordverdächtige volumetrische Stromleitfähigkeit von 50 mA erreicht. Das Bauteil ist ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), der die volumetrische Leitfähigkeit nutzt. Dem Team gelang es, homogene Schichten aus bor-dotiertem Diamant ohne schädliche Defekte herzustellen. Dadurch konnte das nutzbare Volumen des Transistors und seines Gates auf 14,7 mm² mit 24 parallelen Fingern vergrößert werden. Der Transistor ist somit nicht mehr nur ein Miniaturdemonstrator, sondern ein voll funktionsfähiges Bauteil, was vielversprechend für die Zukunft der Diamanttransistor-Technologie ist (Abbildung 5).
Abbildung 05 – (Links) Querschnittsschema eines elementaren Diamant-JFET mit der elektrischen Messanordnung. (Rechts) Mikroskopische Draufsicht auf einen interdigitalen Diamant-JFET am Ende des Herstellungsprozesses. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Diamfab)
Vision: Wohin kann uns Diamant führen?
Stellen Sie sich Wechselrichter für Elektrofahrzeuge mit 99,9 % Wirkungsgrad vor, die mit 1 MHz schalten und keine sperrigen Kühlsysteme benötigen. Stellen Sie sich ultrakompakte Weltraum-Energiemodule vor, die extremen Temperaturen und Strahlung auf dem Mond oder Mars standhalten. Oder stellen Sie sich intelligente Stromnetze vor, die mit 100 kV arbeiten und über integrierte Sensoren verfügen, die von integrierten Diamantschaltkreisen angetrieben werden. Diese Visionen mögen futuristisch erscheinen, aber das war SiC/GaN vor 25 Jahren auch.
Bei anhaltender Entwicklung könnten diamantbasierte Halbleiter innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte zur bevorzugten Plattform für Anwendungen mit extrem hoher Leistung und Zuverlässigkeit werden. Regierungen und private Unternehmen investieren zunehmend in die Diamantforschung und -entwicklung, da sie diese als strategische Technologie mit weitreichenden Auswirkungen auf Energie und Verteidigung betrachten.
Fazit: Es ist nicht nur ein kurzer Blitz, es ist ein Leuchtfeuer.
In der Welt der Halbleiter definiert das Material die Grenzen, und Diamant definiert diese Grenzen neu. Auch wenn es noch Jahre dauern mag, bis er marktreif ist, ist die Leistungsfähigkeit, die Diamant verspricht, zu bedeutend, um sie zu ignorieren. Da die Leistungselektronik immer höhere Effizienz, höhere Spannungen und kleinere Bauformen verlangt, muss die Industrie dieses Juwel unter den Materialien genau im Auge behalten.
So wie wir von Silizium zu Breitband-SiC und GaN übergegangen sind, um Fortschritte bei der Elektromobilität und den erneuerbaren Energien zu ermöglichen, könnte die nächste Grenze durchaus in der härtesten Form von Kohlenstoff geschmiedet werden und den Weg zur ultimativen Leistungshalbleiterplattform ebnen.
Und genau wie bei früheren Innovationswellen müssen wir, die wir in diesem Bereich arbeiten, uns nicht nur mit technischem Wissen, sondern auch mit Vorstellungskraft und Neugierde vorbereiten.
Referenzen:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
SAGA Universität
https://www.saga-u.ac.jp/en/
Ookuma Diamond Device Co., Ltd.
https://ookuma-dd.com/en/
Honda Forschung und Entwicklung
https://global.honda/en/RandD/
Nationales Institut für fortgeschrittene Industriewissenschaft und -technologie (AIST)
https://www.aist.go.jp/index_en.html
Ampere-Klasse-Doppelpulstest eines halbzolligen H-terminierten Diamant-MOSFET-Chips
Applied Physics Express 18, 036502 (2025)
https://doi.org/10.35848/1882-0786/adba3a
CNRS – Institut Néel
https://neel.cnrs.fr/en/institut-neel
Labor für Plasma- und Energieumwandlung
https://www.laplace.univ-tlse.fr/en/home/
DIAMFAB
https://diamfab.com/
Ströme über 50 mA in interdigitalen Diamant-Feldeffekttransistoren.
Damien Michez et al. – IEEE Electron Device Letters, 2024, 45 (11), S. 2058–2061. ⟨10.1109/LED.2024.3453504⟩.
https://hal.science/hal-04687646v1/
Über den Autor:
Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor bei Powerbox, ist ein erfahrener Marketingexperte und qualifizierter Ingenieur mit 40 Jahren Erfahrung in der Leistungselektronikbranche. Er gilt als Pionier in der Kommerzialisierung neuer Technologien wie digitaler Energie und in technischen Initiativen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Le Fèvre hat zahlreiche Artikel und Whitepaper verfasst und auf führenden internationalen Konferenzen für Leistungselektronik präsentiert. Diese wurden weltweit über 450 Mal in Medien veröffentlicht. Darüber hinaus engagiert er sich in verschiedenen Umweltforen, wo er sein Fachwissen im Bereich saubere Energie weitergibt.
Patrick Le Fèvre,
Direktor für Marketing und Kommunikation bei Powerbox
