„Diamenty są najlepszym przyjacielem kobiety” to znane powiedzenie spopularyzowane przez piosenkę Marilyn Monroe. Tekst został wymyślony do musicalu „Mężczyźni wolą blondynki” z 1949 roku, a następnie spopularyzowany w filmie z 1953 roku pod tym samym tytułem, gdzie aktorka śpiewała „Diamonds Are a Girl’s Best Friend”.

Teraz wydaje się, że – oczywiście syntetyczne – diamenty mogą stać się najlepszym przyjacielem projektantów elektroniki mocy.

Obecnie w energoelektronice, zamiast krzemu jako bazowego materiału półprzewodnikowego, zaczynają królować węglik krzemu i azotek galu, bez których trudno sobie wyobrazić nowoczesne systemy zasilania dużych centrów danych, magazynów energii, farm fotowoltaicznych i wiatrowych czy samochodów elektrycznych.

Przełomowe właściwości diamentu i tlenku galu

Jednak zarówno SiC, jak i GaN mają swoje ograniczenia, a niektóre zastosowania, działające w wysokich temperaturach i trudnych środowiskach, mogą wymagać wyższych poziomów wydajności i odporności na duże pola elektryczne. To właśnie tutaj właściwości diamentu, czy drugiego obiecującego materiału, jakim jest tlenek galu Ga2O3, wydają się nie tylko lepsze, ale wręcz przełomowe. W tytule artykułu są diamenty, nie zaś oba materiały, ponieważ diamenty budzą większe emocje.

Aby zrozumieć potencjał tych materiałów, musimy zacząć od porównania kluczowych właściwości fizycznych tych materiałów. W tabeli poniżej jest ich zestawienie:

Podstawowe właściwości materiałów półprzewodnikowych stosowanych w podzespołach mocy

No to po kolei:

Pasmo zabronione lub przerwa energetyczna

Przerwa energetyczna, która wskazuje na zdolność materiału do przewodzenia prądu, stanowi kluczowe kryterium określające jego przydatność do pracy w wysokich temperaturach lub wysokich energiach. Szersza przerwa energetyczna oznacza lepszą odporność na upływ prądu i przebicia, co jest kluczowe w zastosowaniach w ekstremalnych warunkach. W tym zakresie diament i tlenek galu mają wartość przerwy energetycznej od 40% do 67% większą niż obecnie stosowane węglik krzemu i azotek galu. Ich szeroka przerwa energetyczna (WBG), wynosząca odpowiednio 5,5 eV i 4,8 eV, pozwala urządzeniom energoelektronicznym pracować przy wyższych napięciach i temperaturach.

Krytyczne natężenie pola elektrycznego prowadzące do przebicia

Pole elektryczne poniżej natężenia prowadzącego do przebicia jest miarą odporności materiału na natężenie pola elektryczne przed wystąpieniem przewodnictwa. Należy zauważyć, że wyższe wartości mają istotne znaczenie dla urządzeń pracujących przy podwyższonych napięciach, szczególnie w dziedzinie elektroniki mocy.

Teoretyczne krytyczne pole elektryczne diamentu wynosi prawie 10 MV/cm, a tlenku galu 8 MV/cm, co jest 2,5- 3 razy wyższe niż w przypadku GaN lub SiC i około 30 razy wyższe niż w przypadku krzemu. Pozwala to na zmniejszenie grubości podzespołów, ich powierzchni przy tym samym napięciu znamionowym, zmniejszając rezystancję i poprawiając efektywność systemów zasilania. Umożliwia także budowę podzespołów półprzewodnikowych pracujących nawet przy 50 kV, co jest niezbędne w takich systemach jak np. przesył prądu stałego wysokiego napięcia (HVDC).

Ruchliwość nośników – elektronów

Ruchliwość elektronów definiuje się jako prędkość ruchu elektronów w polu elektrycznym. Jest to kluczowy element przełączania elektronicznego i propagacji sygnału. Zwiększenie ruchliwości elektronów w tych przyrządach prowadzi do poprawy sprawności obwodów cyfrowych i urządzeń analogowych o wysokiej częstotliwości. GaN i diament mają podobną ruchliwość elektronów, jednakże podzespoły na bazie diamentu mają wyższą prędkość elektronów w stanie nasycenia, co umożliwia niezwykle szybkie przełączanie przy niskiej rezystancji włączenia i minimalnych stratach. Mogłoby to znacząco zwiększyć częstotliwości przełączania, umożliwiając kolejne zmniejszenie elementów pojemnościowych i indukcyjnych w systemach energoenergetycznych. Pozwoliłoby na dalsze zmniejszenie tych systemów.

W tym punkcie jest istotna różnica między diamentem a tlenku galu Ga2O3. Tlenek galu ma najmniejszą ruchliwość elektronów spośród wszystkich ww. materiałów. To jest jego wada, jednak inne zalety przeważają.

Przewodność cieplna

To bardzo istotny parametr. Nie wiem czy to nie jest najważniejsza cecha tych dwóch nowych materiałów półprzewodnikowych. Przewodność cieplna to właściwość materiału, która określa jego zdolność do przenoszenia ciepła. Ta właściwość ma kluczowe znaczenie dla efektywnego odprowadzania ciepła, zapobiegając w ten sposób przegrzaniu i zwiększając niezawodność oraz trwałość podzespołów i całych systemów.

Przewodność cieplna, zarówno diamentu jak i tlenku galu, wynosząca ponad 20 W/cmK, jest najwyższą znaną wartością spośród wszystkich materiałów półprzewodnikowych, co sprawia, że mają one wyjątkowo dobre właściwości odprowadzania ciepła. Jest to jeden z kluczowych problemów elektroniki.

Wyrafinowane systemy chłodzenia, nowe typy obudów i materiałów w nich stosowanych prowadzą często do istotnego zwiększenia kosztów całego systemu. Mała przewodność cieplna GaN względem SiC – ponad 2 razy mniejsza – to istotne ograniczenie tego materiału. Zdolność dwóch nowych materiałów do odprowadzania ciepła może sprawić, że podzespoły półprzewodnikowe będą pracować w temperaturach przekraczających nawet 400°C bez degradacji i uszkodzeń. Brak dużych systemów chłodzenia umożliwia budowę bardziej kompaktowych i niezawodnych systemów energoelektronicznych.

Kiedy będą dostępne podzespoły półprzewodnikowe z nowych materiałów?

W tabeli określiłem podzespoły mocy krzemowe i z węglika krzemu SiC jako dojrzałe, a dostępność standardowych podzespołów od wielu producentów jako dużą. Nie muszę chyba wyjaśniać tego dla krzemu. W przypadku węglika krzemu ta dojrzałość przejawia się w fakcie, że rynek jest już dość dobrze ukształtowany, a dostępność różnych typów podzespołów, diod, tranzystorów MOSFET czy modułów mocy, jest duża.

Pierwsze komercyjnie dostępne podzespoły SiC pojawiły się już w roku 2001, a w 2006 były już dostępne pierwsze tranzystory MOSFET z tego materiału. Wysyp różnych produktów i konsolidacja rynku nastąpiła jednak dopiero w latach 2019-2022. Czyli od pojawienia się pierwszych produktów do momentu, gdy rynek osiągnął dojrzałość, minęło 15-20 lat.

Nieco inaczej jest w przypadku podzespołów GaN. Pierwsze komercyjne podzespoły z tego materiału pojawiły się w latach 2009-2016. Oczywiście wcześniej też były dostępne, ale jako podzespoły RF, a nie podzespoły mocy. Konsolidacja rynku następuje przez przejęcia firm typu start-up przez dużych producentów podzespołów półprzewodnikowych np. przejęcie kanadyjskiej firmy GaN Systems przez Infineon Technologies. Porównując rynek GaN z SiC można założyć, że dojrzałość osiągnie około roku 2030.

Badania nad tlenkiem galu Ga2O3 przyspieszyły po roku 2013, a pierwsze podzespoły pojawiły się w roku 2021. Możemy więc zakładać, chociaż przy pracach badawczych to zawsze jest pewien rodzaj spekulacji, że rynek zacznie się dynamicznie rozwijać około roku 2040.

Trochę trudniej jest z diamentem. Diamenty syntetyczne w elektronice/energetyce zaczęto używać już w drugiej połowie lat 50-tych ubiegłego wieku (General Electric w USA). Jednakże badania nad zastosowaniem tego materiału w energoelektronice dynamiczne ruszyły także po roku 2010. Podobnie jak z tlenkiem galu Ga2O3, rynek osiągnie jako taką dojrzałość dopiero około roku 2040.

Ciekawe, który materiał zyska większą popularność. Można przypuszczać, że podobnie jak z SiC i GaN, oba materiały znajdą zastosowanie.

Problemy do przezwyciężenia dla tlenku galu Ga2O3

Istotną zaletą tego materiału jest fakt, że monokryształy możemy wytwarzać dobrze nam znaną metodą Czochralskiego. To znacząco obniża koszty wytwarzania tego materiału.

Do wad tlenku galu należy trudność w stworzeniu stabilnego i wydajnego półprzewodnika typu p Ga2O3, który jest niezbędny do produkcji podzespołów, takich jak diody i tranzystory. Podobnie jak w przypadku wielu półprzewodników złożonych, zanieczyszczenia i uszkodzenia w strukturze kryształu mogą negatywnie wpływać na jakość i stabilność wytwarzanego podzespołu. Jest to poważna przeszkoda w jego komercjalizacji.

Problemy komercyjnego wdrożenia podzespołów półprzewodnikowych na bazie syntetycznego diamentu

Podobnie jak obecnie GaN-y, także warstwy diamentowe możemy budować na innych podłożach. Obecnie podzespoły GaN wytwarza się głównie na podłożach z SiC lub Si. Te same procesy, np. różne odmiany procesów CVD, możemy wykorzystać do tworzenia warstw diamentowych.

• Główny problem to wciąż znaczne koszty wytwarzania syntetycznego diamentu, chociaż staje się on coraz bardziej przystępny cenowo.
• Kolejny problem to obróbka powłok diamentowych. Diament to najtwardszy znany nam materiał, co utrudnia jego obróbkę i integrację ze złożonymi strukturami półprzewodnikowymi.

Obecnie w laboratoriach wytwarzane są diamentowe diody Schottky’ego i tranzystory mocy FET o bardzo obiecujących właściwościach. Jednak pełna komercjalizacja
jest wciąż na wczesnym etapie, ograniczona kosztami produkcji, gęstością defektów, kontrolą domieszkowania i skalowalnością. Jednak najnowsze badania są bardzo obiecujące.

W świecie półprzewodników to materiał definiuje granice. Nowe materiały pozwolą nam na przesunięcie tych granic w obszary o których jeszcze niedawno nawet nie myśleliśmy.

Grzegorz Kamiński przed ratuszem w Antwerpii – stolicy diamentów

Zdjęcia i grafiki udostępnione przez autora.