Cada evolución tecnológica ha permitido alcanzar un mayor rendimiento, una mayor eficiencia y la miniaturización de los sistemas de potencia. Pero hoy en día nos encontramos en el umbral de lo que podría ser el próximo salto cuántico en el rendimiento de los dispositivos de potencia hacia la mítica eficiencia del 99,99 %: el uso del diamante sintético como material semiconductor, un nuevo concepto realmente emocionante para los ingenieros de electrónica de potencia.
¿Es realista el uso de diamantes en semiconductores?
La idea puede parecer exótica, por no decir descabellada, pero, al fin y al cabo, los diamantes se asocian tradicionalmente con la joyería, aplicaciones industriales como abrasivos y maquinaria para cortar, perforar, esmerilar y pulir, o en laboratorios para experimentos de alta presión, pero no con sistemas de conversión de potencia o amplificadores de radiofrecuencia.
Sin embargo, durante muchos años, la comunidad científica ha reconocido los diamantes como el material por excelencia para la disipación del calor, ya que presentan una conductividad térmica que supera con creces a la de los materiales convencionales, como el silicio. No obstante, la dureza inherente al material y la complejidad de su procesamiento lo habían hecho inadecuado para su utilización en el campo de la tecnología de semiconductores.
Antes de profundizar en el debate posterior sobre el rendimiento y las ventajas, es imprescindible ofrecer una sinopsis de la evolución de la utilización del diamante en aplicaciones tecnológicas. La historia comienza en 1954, cuando General Electric (GE) creó con éxito el primer diamante sintético utilizando el método de alta presión y alta temperatura (HPHT), lo que supuso el primer caso de fabricación de diamantes por el hombre. Tras este hito, la década de 1980 fue testigo de la expansión inicial de los diamantes mediante el método de deposición química en fase vapor (CVD), a la que siguió la exploración de los procesos de dopaje en la década de 1990. A partir de entonces, los investigadores involucrados en el desarrollo de diamantes sintéticos han ampliado sus conocimientos sobre este material en términos de caracterización, fabricación y procesamiento.
Sin embargo, los avances en la ciencia de los materiales y las técnicas de fabricación están transformando rápidamente el diamante sintético en un competidor para el futuro de los semiconductores. Exploremos por qué el diamante se considera un material superlativo, cómo se compara con los semiconductores WBG convencionales y establecidos (SiC y GaN) y qué obstáculos quedan por superar antes de que alcance la madurez comercial.
La escalera de la evolución técnica.
Solíamos decir que la evolución de la electrónica de potencia es como una escalera con grandes saltos que llevan las nuevas tecnologías de la investigación al mercado para mejorar el rendimiento, y los semiconductores de diamante podrían considerarse el siguiente paso, aunque algunos consideran que es un reto demasiado grande para hacerse realidad.
Es importante señalar que el SiC y el GaN tampoco tuvieron un éxito inmediato. Recuerdo que cuando los diodos de potencia de SiC entraron en el mercado a finales de la década de 1990, eran caros, difíciles de fabricar y tenían problemas de fiabilidad. La andadura comercial del GaN comenzó más tarde, encontrando su primera aplicación en aplicaciones de RF y evolucionando posteriormente hacia transistores de potencia de alta eficiencia para todo tipo de aplicaciones, desde cargadores rápidos hasta fuentes de alimentación para centros de datos.
No hay duda de que la tecnología convencional de semiconductores de silicio está bien establecida y mejora constantemente con las nuevas tecnologías, aunque el éxito del SiC y el GaN ha sido impulsado por una industria que requería voltajes más altos, mayor eficiencia y frecuencias de conmutación más altas para reducir el tamaño de los equipos finales. Hoy en día, el SiC y el GaN están presentes en todo, desde los vehículos eléctricos hasta los inversores solares. Los materiales WBG ofrecían importantes ventajas en cuanto a tamaño, peso y potencia (SWaP), y todos disfrutamos de adaptadores USB potentes, eficientes y compactos.
El GaN aportó ventajas en la conmutación de alta frecuencia debido a su alta movilidad de electrones y baja capacitancia. Mientras tanto, el SiC encontró su lugar en los rangos de voltaje medio a alto, sustituyendo a los IGBT y los MOSFET de silicio en aplicaciones como los vehículos eléctricos y los accionamientos industriales. Sin embargo, tanto el SiC como el GaN tienen sus límites y algunas aplicaciones que funcionan a altas temperaturas y en entornos hostiles pueden requerir niveles de rendimiento y robustez más elevados, y aquí es donde las propiedades del diamante no solo parecen superiores, sino transformadoras.
Figura 01: Las propiedades de los materiales definen el rendimiento (Fuente: PRBX)
Ventajas del diamante de un vistazo.
Para comprender el potencial del diamante, debemos partir de la ciencia de los materiales. En la tecnología de semiconductores, el rendimiento de los materiales para aplicaciones de alta potencia, alta frecuencia o alta temperatura viene determinado por propiedades físicas clave. En la tabla (Figura 01) presentamos las propiedades fundamentales del silicio, el carburo de silicio, el nitruro de galio y el diamante, y hemos seleccionado cuatro parámetros clave que facilitan la comparación del rendimiento y las ventajas de los diferentes materiales:
Banda prohibida
La banda prohibida, que indica la capacidad de un material para conducir la electricidad, es un criterio fundamental para determinar su idoneidad para entornos caracterizados por altas temperaturas o altas energías. Una banda prohibida más amplia indica una resistencia superior a las fugas de corriente y a las averías, lo que es fundamental para aplicaciones en condiciones extremas. En este aspecto, el diamante supera con creces a todos los demás materiales. Su amplia banda prohibida de 5,5 eV permite que los dispositivos funcionen a voltajes y temperaturas más altos.
Campo de ruptura
El campo de ruptura es una medida de la resistencia de un material frente al estrés eléctrico antes de que se produzca la conductividad. Es fundamental tener en cuenta que los valores más altos del campo de ruptura son esenciales para los dispositivos que funcionan a voltajes elevados, especialmente en el ámbito de la electrónica de potencia. Esto se debe a que es de suma importancia garantizar un rendimiento óptimo bajo cargas eléctricas extremas.
El campo eléctrico crítico teórico del diamante es de casi 10 MV/cm, tres veces superior al del GaN o el SiC y más de 30 veces superior al del silicio. Esto permite fabricar dispositivos más delgados para la misma tensión nominal, lo que reduce la resistencia y mejora la eficiencia. También abre la puerta a dispositivos con una potencia nominal de 10 kV, 20 kV o incluso 50 kV, lo que podría revolucionar la transmisión de alta tensión en corriente continua (HVDC), los ferrocarriles eléctricos y los sistemas de energía conectados a la red.
Movilidad de los electrones
La movilidad de los electrones se define como la velocidad de movimiento de los electrones bajo un campo eléctrico. Es un componente crítico de la conmutación electrónica y la propagación de señales, que se produce rápidamente. La mejora de la movilidad de los electrones en estos dispositivos conduce a una mejora del rendimiento de los circuitos digitales y los dispositivos analógicos de alta frecuencia. Aunque el GaN y el diamante tienen movilidades de electrones similares, los dispositivos de diamante pueden beneficiarse de velocidades de saturación más altas, lo que permite una conmutación extremadamente rápida con baja resistencia en estado activo y pérdidas reducidas. Esto podría llevar las frecuencias de conmutación a nuevas cotas, miniaturizando aún más los componentes magnéticos como los transformadores y los inductores.
Evaluación de la conductividad térmica
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que cuantifica su capacidad para transferir calor. En el campo de la electrónica, es esencial una alta conductividad térmica. Esta propiedad es crucial para la disipación eficaz del calor, lo que evita el sobrecalentamiento y mejora la fiabilidad y la longevidad de los dispositivos. La conductividad térmica del diamante, de 20 W/cmK, es la más alta conocida de cualquier material, lo que lo hace excepcionalmente bueno para la disipación del calor, un reto constante en la electrónica de potencia.
Como todos sabemos, la gestión térmica es uno de los factores más costosos y limitantes en los sistemas de alto rendimiento. El GaN, por ejemplo, a menudo requiere sustratos exóticos como el carburo de silicio para evitar el sobrecalentamiento. La capacidad sin igual del diamante para disipar el calor podría permitir que los dispositivos funcionen a temperaturas superiores a 400 °C sin degradarse, lo que permitiría sistemas más compactos y resistentes, especialmente en aplicaciones aeroespaciales y de altas temperaturas.
¿Dónde nos encontramos hoy en día?
A pesar del entusiasmo, los semiconductores de diamante aún no se producen de forma generalizada. Sin embargo, en la última década se han logrado avances significativos, especialmente en la fabricación de diamantes sintéticos, liderada por la deposición química en fase vapor (CVD). La CVD permite la producción de obleas de diamante monocristalino de gran superficie y ultra puro, un requisito previo fundamental para la fiabilidad de los dispositivos semiconductores.
En la actualidad, se han demostrado en laboratorios diodos Schottky y transistores FET de potencia de diamante con características prometedoras. Sin embargo, la comercialización a gran escala se encuentra todavía en una fase inicial, limitada por el coste de fabricación, la densidad de defectos, el control del dopaje y la escalabilidad. No obstante, las últimas investigaciones son muy prometedoras.
Algunos avances destacados:
En retrospectiva, siento lo mismo que cuando el SiC y el GaN se encontraban en fase de investigación. Como ingeniero en electrónica de potencia, me sumergí en numerosos artículos sobre la tecnología de banda ancha y sus promesas, escribí artículos y los presenté en conferencias para compartir mi entusiasmo con la comunidad de la electrónica de potencia. Veinte años después, esas promesas se han convertido en una realidad comercial.
Tras años de investigación fundamental, la utilización del diamante en la industria de los semiconductores está pasando ahora a la siguiente fase, que implica la pre-industrialización y el desarrollo de un ecosistema que respalde los futuros productos comerciales.
Es difícil, si no imposible, enumerar todos los pasos importantes que se han dado recientemente en la industria de los semiconductores de diamante. Como ciudadano francés que trabaja para una empresa europea propiedad de la empresa japonesa COSEL, me gustaría compartir algunos proyectos destacados en Japón y Francia (UE), pero sin duda se han dado pasos similares en Estados Unidos.
En Japón
Se sabe que el primer circuito de potencia que contiene semiconductores de diamante sintético ha sido desarrollado por un equipo de investigación de una universidad japonesa. Tras explorar la hipótesis de que los semiconductores de diamante tienen el potencial de superar al silicio y otros materiales actualmente en uso, el profesor Makoto Kasu, de la Universidad de Saga, inició una investigación sobre los semiconductores de diamante y desarrolló un transistor MOSFET de canal n funcional fabricado con diamante.
Otro momento crucial en la evolución de la industria japonesa de semiconductores fue el cese de las operaciones en la central nuclear de Fukushima Daiichi, precipitado por el tsunami que siguió al gran terremoto del este de Japón el 11 de marzo de 2011. En el contexto del proceso de desmantelamiento de los reactores, en 2012 se puso en marcha una iniciativa de investigación con el objetivo de desarrollar semiconductores de diamante que pudieran funcionar en el entorno hostil de la central nuclear dañada, contaminada con altos niveles de radiación.
La iniciativa fue posible gracias a la convergencia de los conocimientos técnicos de organizaciones destacadas como el AIST, la Agencia de Energía Atómica de Japón (JAEA), la Universidad de Hokkaido y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK).
El objetivo era claro: diseñar un enfoque crítico, sistemas de monitorización que utilizaran semiconductores de diamante capaces de soportar altos niveles de radiación, proporcionando así datos detallados, incluida la dosis de neutrones en los restos de combustible. Esta iniciativa se llevó a cabo para garantizar que la planificación de la retirada de los restos fuera más segura y eficiente.
Como parte de este proyecto, Ookuma Diamond Device Co., Ltd., una empresa emergente fundada conjuntamente por la Universidad de Hokkaido y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST), estableció un sistema integrado verticalmente para la fabricación de semiconductores de diamante, que abarca desde el diseño del sustrato hasta el montaje del primer circuito amplificador diferencial del mundo que utiliza semiconductores de diamante, cuyo funcionamiento a largo plazo en un entorno de alta temperatura ha sido confirmado (300℃ ), lo que ha dado lugar al último prototipo que se muestra en las figuras 02 y 03.
Figura 02 - Primer circuito amplificador del mundo con semiconductor de diamante que funciona a 300° C (572° F), pendiente de patente (Foto cortesía de Ookuma Diamond Device Co., Ltd)
Figura 03 - Circuito amplificador diferencial MOSFET de diamante (Foto cortesía de Ookuma Diamond Device Co., Ltd)
A principios de 2025, surgieron informes sobre un avance significativo en el campo de la tecnología avanzada de semiconductores. El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST), en colaboración con Honda R&D, fabricó con éxito un prototipo de MOSFET de diamante con terminación en H. Este avance supuso la primera demostración de una operación de conmutación de alta velocidad a nivel de amperios, lo que supone un importante avance en el ámbito de la investigación y el desarrollo de semiconductores. El equipo de investigación de Keita Takaesu et al. aumentó el tamaño del sustrato y desarrolló una tecnología de cableado paralelo para aumentar la corriente (doi: 10.35848/1882-0786/adba3a). En el futuro, tienen previsto aplicar esta tecnología a la próxima generación de dispositivos de alimentación móvil. Actualmente se encuentran en proceso de verificación y validación de los resultados preliminares, lo que allanará el camino para MOSFET de diamante de mayor corriente.
En Europa:
En Europa se llevaron a cabo varios proyectos, pero conviene mencionar el programa marco de investigación e innovación denominado Horizonte 2020, que se puso en marcha en enero de 2014. Los objetivos de Horizonte 2020 eran reforzar las bases científicas y tecnológicas de la UE, crear un Espacio Europeo de Investigación con libre circulación de investigadores y conocimientos, e impulsar a la UE hacia una sociedad del conocimiento y una economía competitiva.
Como parte de Horizonte 2020, se creó un subproyecto denominado «Green Electronics with Diamond Power Devices», coordinado por el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, con el objetivo de explorar las posibilidades y la viabilidad de esta prometedora tecnología, para lo cual se formó un consorcio. El consorcio reúne a expertos en diseño de dispositivos de potencia, crecimiento y caracterización de diamantes, embalaje y ensayo, así como a un usuario final innovador. La mayoría de los socios también participaban en la tecnología SiC o GaN, lo que permitió al proyecto beneficiarse de su amplia experiencia y logros en semiconductores de banda ancha.
Entre los informes más destacados publicados en el marco de este proyecto, y como parte de la siguiente fase, me gustaría mencionar la empresa francesa Diamfab, fundada en marzo de 2019 por el director general Gauthier Chicot y el director técnico Khaled Driche, con sede en el Instituto Néel-CNRS. Desde su creación, Diamfab ha establecido una red de colaboración que contribuye al desarrollo tecnológico de la síntesis de diamantes y al desarrollo de componentes de vanguardia como diodos Schottky y transistores MOSFET (Figura 04).
Figura 04 - Diodos Schottky y transistores FET de potencia en obleas de diamante semiconductor, antes del encapsulado. (Foto cortesía de Diamfab)
En términos de investigación, cabe destacar la colaboración entre el Instituto Néel (CNRS), el Laboratorio de Plasma y Conversión de Energía (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Universidad) y DIAMFAB, que han diseñado un transistor de diamante que alcanza una conducción de corriente volumétrica récord de 50 mA. El componente es un transistor de efecto de campo de unión (JFET) que utiliza la conducción volumétrica. El equipo logró obtener capas homogéneas de diamante dopado con boro, sin defectos perjudiciales. De este modo, pudieron aumentar el volumen útil del transistor y su puerta, que alcanza los 14,7 mm con 24 dedos paralelos. El transistor ya no es un simple demostrador en miniatura, sino un componente realmente utilizable, lo que augura un buen futuro para la tecnología de los transistores de diamante (Figura 05).
Figura 05 - (Izquierda) Esquema transversal de un JFET de diamante elemental con la configuración de medición eléctrica. (Derecha) Vista superior con microscopio óptico de un JFET de diamante interdigitado al final del proceso de fabricación. (Foto cortesía de Diamfab)
Visión: ¿Hacia dónde nos puede llevar el diamante?
Imaginemos inversores para vehículos eléctricos con una eficiencia del 99,9 %, que conmutan a 1 MHz y no requieren voluminosos sistemas de refrigeración. Imaginemos módulos de alimentación espaciales ultracompactos que soportan temperaturas y radiaciones extremas en la Luna o Marte. O imaginemos redes inteligentes que funcionan a 100 kV con sensores integrados alimentados por circuitos integrados de diamante. Estas visiones pueden parecer futuristas, pero también lo eran el SiC/GaN hace 25 años.
Si el desarrollo continúa, los semiconductores basados en diamantes podrían convertirse en la plataforma elegida para aplicaciones de ultra alta potencia y alta fiabilidad en las próximas dos décadas. Los gobiernos y los actores del sector privado están invirtiendo cada vez más en I+D en diamantes, ya que lo consideran una tecnología estratégica con implicaciones tanto energéticas como de defensa.
Conclusión: no es solo un destello, es un faro
En el mundo de los semiconductores, el material define los límites, y el diamante redefine esos límites. Aunque aún pueden pasar años antes de que esté listo para su comercialización, el rendimiento que promete el diamante es demasiado importante como para ignorarlo. A medida que la electrónica de potencia sigue exigiendo mayor eficiencia, mayor voltaje y factores de forma más pequeños, la industria debe estar atenta a esta joya de material.
Al igual que pasamos del silicio al SiC de banda ancha y al GaN para permitir avances en la movilidad eléctrica y las energías renovables, la próxima frontera bien podría forjarse en la forma más dura del carbono, allanando el camino hacia la plataforma definitiva de semiconductores de potencia.
Y al igual que hicimos con las anteriores oleadas de innovación, quienes trabajamos en este campo debemos prepararnos, no solo con conocimientos técnicos, sino también con imaginación y curiosidad.
Referencias:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Universidad SAGA
https://www.saga-u.ac.jp/en/
Ookuma Diamond Device Co., Ltd.
https://ookuma-dd.com/en/
Honda R&D
https://global.honda/en/RandD/
Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST)
https://www.aist.go.jp/index_en.html
Prueba de doble pulso de clase Ampere de un chip MOSFET de diamante con terminación H de media pulgada
Applied Physics Express 18, 036502 (2025)
https://doi.org/10.35848/1882-0786/adba3a
CNRS - Instituto Néel
https://neel.cnrs.fr/en/institut-neel
Laboratorio de Plasma y Conversión de Energía
https://www.laplace.univ-tlse.fr/en/home/
DIAMFAB
https://diamfab.com/
Corriente superior a 50 mA en transistores de efecto de campo de diamante interdigitados
Damien Michez et al. – IEEE Electron Device Letters, 2024, 45 (11), pp. 2058-2061. ⟨10.1109/LED.2024.3453504⟩.
https://hal.science/hal-04687646v1/
Acerca del autor:
Director de Marketing y Comunicaciones de Powerbox, Patrick Le Fèvre es un experimentado profesional del marketing y un ingeniero titulado con 40 años de trayectoria en el sector de la electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías, como la energía digital, y en iniciativas técnicas para reducir el consumo energético. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos artículos y libros blancos en las principales conferencias internacionales sobre electrónica de potencia. Estos han sido publicados más de 450 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, donde comparte su experiencia y conocimientos sobre energía limpia.
Patrick Le Fèvre
Director de Marketing y Comunicación de Powerbox
