Power Diamond Systems (PDS), een Japanse startup afkomstig van de Waseda Universiteit, ontpopt zich snel als een pionier in de productie van de volgende generatie vermogenshalfgeleiders met behulp van synthetisch diamant. Op Semiconductor Japan 2025 maakte het bedrijf een sterke indruk met de onthulling van op diamant gebaseerde vermogens-MOSFETs (metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren) die zijn ontworpen voor toepassingen met hoge spanning en hoge temperaturen. PDS demonstreerde deze technologie in zijn geïntegreerde evaluatiesysteem en valideerde de succesvolle werking van verpakte componenten – de eerste publieke verificatie van de prestaties van verpakte diamanthalfgeleiders.
Deze diamant-MOSFET's zijn zorgvuldig ontworpen om honderden volts te weerstaan en vertonen een duurzaamheid en efficiëntie die die van vergelijkbare producten van silicium (Si) en zelfs siliciumcarbide (SiC) ruimschoots overtreffen. PDS verwacht dat deze componenten uiteindelijk zullen worden gebruikt in toepassingen zoals elektrische voertuigen (EV's), ruimtevaartplatforms en communicatiesatellieten, waar grote ontwerpuitdagingen bestaan met betrekking tot thermische belasting, straling en vermogensdichtheid. Hoewel de technologie zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevindt, is het bedrijf van plan om samen te werken met potentiële industriële partners om de technologie tegen de jaren 2030 te commercialiseren.
De ambities van PDS reiken veel verder dan de binnenlandse markt. In juli 2025 kondigde de startup een gezamenlijk onderzoekpartnerschap aan met het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA om zijn diamant-MOSFETs te testen in realistische ruimteomstandigheden. Deze samenwerking is gericht op het verifiëren van de duurzaamheid van deze componenten onder de intense straling, het vacuüm en de thermische cycli die kenmerkend zijn voor planetaire en satellietoperaties. De tests op de grond, inclusief prestatie- en betrouwbaarheidstests, zullen naar verwachting beginnen in het fiscale jaar 2025 (april 2025 tot maart 2026). In deze fase wordt de mechanische en elektronische stabiliteit van de componenten geëvalueerd voordat ze naar een orbitale testlocatie of een missie in de diepe ruimte worden gestuurd.
Diamant heeft als halfgeleidersubstraat talrijke inherente voordelen. Het beschikt over de hoogste bekende thermische geleidbaarheid van alle vaste stoffen, een uitstekende stralingsbestendigheid en een brede bandgap, waardoor het een ideaal materiaal is voor hoogspanningsapplicaties. Deze eigenschappen stellen op diamant gebaseerde apparaten in staat om te werken bij hogere temperaturen en spanningen dan siliciumcarbide (SiC) of galliumnitride (GaN), wat mogelijk een revolutie teweeg kan brengen in de vermogenselektronica voor toekomstige toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, defensie en hoogwaardige elektrische voertuigen.
Tot nu toe hebben de prototypes van PDS recordbrekende vermogensdichtheden bereikt, waarmee het bedrijf een leidende positie inneemt in de halfgeleiderinnovatie. Hoewel massaproductie nog enkele jaren op zich laat wachten, is PDS dankzij de fysieke voordelen van diamant, verticaal geïntegreerde apparaatontwikkeling en samenwerkingen met instellingen klaar om de komende tien jaar een leider te worden in ultra-hoogwaardige vermogenshalfgeleiders.
Diamantgebaseerde vermogenshalfgeleiders zoals die van PDS kunnen invloed hebben op ledverlichting, maar deze invloed is voornamelijk indirect en op systeemniveau. De grootste impact is te zien in thermisch beheer, de efficiëntie van de driver, de betrouwbaarheid en bepaalde veeleisende toepassingen in diverse omgevingen.
Efficiëntie en miniaturisatie op systeemniveau
Diamond power MOSFETs kunnen hoge spanningen schakelen met lagere verliezen, waardoor de AC-DC- en DC-DC-conversie-efficiëntie van drivers voor krachtige LED-armaturen zoals straatverlichting, stadionverlichting en tuinverlichting wordt verbeterd.
Een hogere efficiëntie van de driver leidt tot minder warmteverlies, waardoor kleinere koelplaten, compactere armatuurontwerpen of een hogere lichtopbrengst per armatuur binnen een bepaald energiebudget mogelijk zijn.
Thermisch beheer en levensduur
De uitstekende thermische geleidbaarheid van diamant maakt het niet alleen waardevol als actieve halfgeleider, maar ook als warmteafvoerend materiaal in LED-modules en driverboards.
Het gebruik van diamantsubstraten of printplaten in krachtige LED's heeft bewezen de levensduur van componenten aanzienlijk te verlengen, omdat het de junctietemperatuur verlaagt, een kritiek falmechanisme in krachtige LED-systemen.
Extreme omstandigheden en speciale verlichting
Diamantelektronica en potentiële diamant-LED's zijn geschikt voor extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen, hoge drukken, straling of corrosieve chemicaliën (bijv. industriële installaties, ondergrondse ruimtes, de lucht- en ruimtevaart, kerncentrales).
Voor de LED-industrie vertaalt dit zich in nicheproductlijnen: verlichtingsarmaturen voor veeleisende omgevingen, bedrijfskritische signaalverlichting en speciale lichtbronnen voor meting of UV-/sterilisatie ter vervanging van conventionele LED's of drivers die snel verouderen.
Integratie met galliumnitride en krachtige LED's
Onderzoeken waarbij diamantfilms werden gecombineerd met galliumnitride hebben aangetoond dat de thermische prestaties van krachtige LED's aanzienlijk kunnen worden verbeterd door de warmte effectiever af te voeren en te verspreiden vanuit de chip.
Door diamantvermogenscomponenten en GaN-LED's op een diamantsubstraat te encapsuleren, kunnen fabrikanten de stroomsterkte en vermogensdichtheid verder verhogen zonder in te boeten aan betrouwbaarheid, waardoor helderdere en robuustere hoogvermogencomponenten mogelijk worden.