Entwicklung eines Diamant-Halbleiter-Leistungsschaltkreises

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Makoto Kasu an der Saga-Universität hat bei der Entwicklung von Stromkreisen mit Diamanthalbleitern bahnbrechende Erfolge erzielt. Als Weltneuheit hat die Gruppe erfolgreich Hochgeschwindigkeitsschaltvorgänge von weniger als 10 Nanosekunden demonstriert. Dieser Durchbruch wird voraussichtlich bei Beyond 5G und Kommunikationssatelliten Anwendung finden.

Mit der zunehmenden Kommunikationskapazität steigt die Nachfrage nach Halbleiterbauelementen mit hoher Frequenz und hoher Leistung. Während mobile Endgeräte eine Frequenz und Leistung von etwa 1,5 GHz/1 W haben, benötigen Kommunikationssatelliten und Fernsehsender 10 GHz/1 kW oder mehr und Beyond 5G erfordert 100 GHz/100 W oder mehr. Derzeit werden in diesen Bereichen Vakuumröhren verwendet, die jedoch im Vergleich zu Halbleitern eine geringere Effizienz und größere Energieverluste aufweisen, weshalb die Halbleitertechnologie sehr gefragt ist.

Diamanthalbleiter haben Eigenschaften, die die von bestehenden Materialien deutlich übertreffen, was sie ideal für Hochfrequenz-Leistungsgeräte macht. Im Jahr 2022 erreichte Professor Kasu mit einem Diamanthalbleitergerät die weltweit höchste Ausgangsleistung von 875 MW/cm2 und eine Ausgangsspannung von 3659 V. Es wurde jedoch berichtet, dass die Verschlechterung des Geräts schnell eintritt, wenn ein Diamanthalbleiter als Leistungsschaltkreis betrieben wird, was den Langzeitbetrieb schwierig und die praktische Anwendung nicht einfach macht.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte die Forschungsgruppe einen Stromkreis, bei dem eine einzigartige Methode der Drahtverbindung mit Golddrähten zwischen dem Diamanthalbleiter und der Leiterplatte zum Einsatz kam. Es wurde bestätigt, dass der Betrieb dieses Schaltkreises ultraschnelle Schaltvorgänge von weniger als 10 Nanosekunden und eine deutliche Verlustreduzierung aufweist. Darüber hinaus wurde selbst nach 190 Stunden kontinuierlicher Messung keine Verschlechterung der Eigenschaften beobachtet.

Dieser Durchbruch eröffnet die Möglichkeit, die Anwendung von Diamanthalbleitern auf Kommunikationszwecke wie Beyond 5G und Leistungssteuergeräte für Elektrofahrzeuge auszuweiten. Die Forschungsgruppe möchte den Mechanismus der Charakteristikänderungen der entwickelten Schaltung aufklären und Geräte mit Gegenmaßnahmen entwickeln. Darüber hinaus werden sie Forschung und Entwicklung hin zur praktischen Anwendung beschleunigen, indem sie den Betrieb bei noch höheren Spannungen und dynamische Charakteristiktests durchführen.