Power Diamond Systems (PDS), ein japanisches Start-up-Unternehmen der Waseda-Universität, entwickelt sich rasant zu einem Pionier in der Herstellung von Leistungshalbleitern der nächsten Generation aus synthetischem Diamant. Auf der Semiconductor Japan 2025 präsentierte sich das Unternehmen eindrucksvoll mit diamantbasierten Leistungs-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) für Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen. PDS demonstrierte diese Technologie in seinem integrierten Evaluierungssystem und bestätigte so den erfolgreichen Betrieb der verkapselten Bauelemente – die erste öffentliche Leistungsprüfung von verkapselten Diamanthalbleitern.
Diese Diamant-Leistungs-MOSFETs sind präzise konstruiert, um Spannungen von mehreren hundert Volt standzuhalten und eine Langlebigkeit und Effizienz zu erreichen, die vergleichbare Produkte aus Silizium (Si) und sogar Siliziumkarbid (SiC) deutlich übertrifft. PDS plant, diese Bauelemente zukünftig in Bereichen wie Elektrofahrzeugen, Luft- und Raumfahrtplattformen sowie Kommunikationssatelliten einzusetzen, wo aufgrund von thermischer Belastung, Strahlung und Leistungsdichte große Herausforderungen bestehen. Obwohl sich die Technologie noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befindet, plant das Unternehmen, mit potenziellen Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um die Kommerzialisierung bis in die 2030er-Jahre zu erreichen.
Die Ambitionen von PDS reichen weit über den heimischen Markt hinaus. Im Juli 2025 kündigte das Startup eine gemeinsame Forschungspartnerschaft mit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA an, um seine Diamant-Leistungs-MOSFETs unter realen Weltraumbedingungen zu testen. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es, die Langlebigkeit dieser Bauelemente unter den intensiven Strahlungs-, Vakuum- und Temperaturwechselbedingungen zu überprüfen, die bei planetaren und Satellitenmissionen üblich sind. Die Leistungs- und Zuverlässigkeitstests am Boden sollen im Geschäftsjahr 2025 (April 2025 bis März 2026) beginnen. In dieser Phase wird die mechanische und elektronische Stabilität der Bauelemente bewertet, bevor die Komponenten auf einer orbitalen Testplattform oder im Rahmen einer Tiefraummission eingesetzt werden.
Diamant besitzt als Halbleitersubstrat zahlreiche inhärente Vorteile. Er weist die höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit aller Festkörper, eine ausgezeichnete Strahlungsbeständigkeit und eine große Bandlücke auf und ist somit ein ideales Material für Hochspannungsanwendungen. Dank dieser Eigenschaften können diamantbasierte Bauelemente bei höheren Temperaturen und Spannungen als Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) betrieben werden und haben das Potenzial, die Leistungselektronik in zukünftigen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und von Hochleistungs-Elektrofahrzeugen grundlegend zu verändern.
Die Prototypen von PDS haben bisher rekordverdächtige Leistungsdichten erreicht und das Unternehmen damit an die Spitze der Halbleiterinnovation katapultiert. Obwohl die Massenproduktion noch einige Jahre entfernt ist, dürfte PDS dank der physikalischen Vorteile von Diamant, der vertikal integrierten Geräteentwicklung und der Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen im Laufe des nächsten Jahrzehnts zu einem führenden Anbieter von Hochleistungs-Leistungshalbleitern werden.
Diamantbasierte Leistungshalbleiter, wie sie beispielsweise von PDS hergestellt werden, können die LED-Beleuchtung beeinflussen, jedoch ist dieser Einfluss primär indirekt und auf Systemebene. Die größten Auswirkungen zeigen sich im Wärmemanagement, der Treibereffizienz, der Zuverlässigkeit und in bestimmten anspruchsvollen Umgebungsanwendungen.
Systemeffizienz und Miniaturisierung
Diamond-Leistungs-MOSFETs können hohe Spannungen mit geringeren Verlusten schalten und verbessern so den Wirkungsgrad der AC/DC- und DC/DC-Wandlung von Treibern für Hochleistungs-LED-Leuchten wie Straßenlaternen, Stadionbeleuchtung und Gartenbeleuchtung.
Eine höhere Treibereffizienz führt zu weniger Abwärme, wodurch kleinere Kühlkörper, kompaktere Leuchtenkonstruktionen oder höhere Lumen pro Leuchte innerhalb eines gegebenen Leistungsbudgets möglich sind.
Wärmemanagement und Lebensdauer
Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Diamant macht ihn nicht nur als aktiven Halbleiter wertvoll, sondern auch als Wärmeableitungsmaterial in LED-Modulen und Treiberplatinen.
Die Verwendung von Diamantsubstraten oder -leiterplatten in Hochleistungs-LEDs hat sich als äußerst vorteilhaft erwiesen, da sie die Lebensdauer der Komponenten deutlich verlängert, weil sie die Sperrschichttemperatur reduziert, einen kritischen Ausfallmechanismus in Hochleistungs-LED-Systemen.
Raue Umgebungen und Spezialbeleuchtung
Diamantelektronik und potenzielle Diamant-LEDs eignen sich für extreme Umgebungen wie hohe Temperaturen, hohen Druck, Strahlung oder korrosive Chemikalien (z. B. Industrieanlagen, Untertagebau, Luft- und Raumfahrt, Kernkraftwerke).
Für die LED-Industrie bedeutet dies die Entwicklung von Nischenproduktlinien: Beleuchtungskörper für raue Umgebungen, missionskritische Signalleuchten und spezielle Mess- oder UV-/Sterilisationslichtquellen für die schnelle Alterung herkömmlicher LEDs oder Treiber.
Integration mit Galliumnitrid und Hochleistungs-LEDs
Untersuchungen, bei denen Diamantschichten mit Galliumnitrid kombiniert wurden, haben gezeigt, dass die thermische Leistung von Hochleistungs-LEDs durch eine effektivere Wärmeableitung und -abfuhr vom Chip deutlich verbessert werden kann.
Durch die Verkapselung von Diamant-Leistungsbauelementen und GaN-LEDs auf einem Diamantsubstrat können die Hersteller den Treiberstrom und die Leistungsdichte weiter erhöhen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen, und so hellere und robustere Hochleistungsbauteile realisieren.