Power Diamond Systems (PDS), une start-up japonaise issue de l'université Waseda, s'impose rapidement comme pionnière dans la fabrication de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération à base de diamant synthétique. Lors du salon Semiconductor Japan 2025, l'entreprise a réalisé une performance remarquable en dévoilant des MOSFET (transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur) de puissance à base de diamant, conçus pour les applications haute tension et haute température. PDS a notamment démontré cette technologie au sein de son système d'évaluation intégré, validant ainsi le bon fonctionnement des dispositifs encapsulés – une première vérification publique des performances de semi-conducteurs en diamant encapsulés.
Ces transistors MOSFET de puissance en diamant sont conçus avec une précision extrême pour résister à des tensions de plusieurs centaines de volts, offrant une durabilité et une efficacité bien supérieures à celles des produits comparables en silicium (Si) et même en carbure de silicium (SiC). PDS envisage leur utilisation future dans des domaines tels que les véhicules électriques, les plateformes aérospatiales et les satellites de communication, où les contraintes thermiques, les radiations et la densité de puissance imposent des défis de conception considérables. Bien que cette technologie soit encore en phase de recherche et développement, l'entreprise prévoit de collaborer avec des partenaires industriels potentiels afin d'en assurer la commercialisation d'ici les années 2030.
Les ambitions de PDS dépassent largement le marché national. En juillet 2025, la start-up a annoncé un partenariat de recherche avec l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) afin de tester ses transistors MOSFET de puissance en diamant dans des conditions spatiales réelles. Cette collaboration vise à vérifier la durabilité de ces composants face aux fortes radiations, au vide et aux cycles thermiques inhérents aux opérations planétaires et satellitaires. Les tests de performance et de fiabilité au sol devraient débuter au cours de l'exercice fiscal 2025 (d'avril 2025 à mars 2026). Cette phase permettra d'évaluer la stabilité mécanique et électronique des composants avant leur envoi vers une plateforme d'essai orbitale ou une mission spatiale lointaine.
Le diamant, utilisé comme substrat semi-conducteur, présente de nombreux avantages intrinsèques. Il possède la conductivité thermique la plus élevée connue pour un solide, une excellente résistance aux radiations et une large bande interdite, ce qui en fait un matériau idéal pour les applications haute tension. Ces propriétés permettent aux dispositifs à base de diamant de fonctionner à des températures et des tensions supérieures à celles du carbure de silicium (SiC) ou du nitrure de gallium (GaN), ce qui pourrait redéfinir l'électronique de puissance dans les futurs secteurs de l'aérospatiale, de la défense et des véhicules électriques haute performance.
À ce jour, les prototypes de PDS ont atteint des densités de puissance record, plaçant l'entreprise à la pointe de l'innovation dans le domaine des semi-conducteurs. Bien que la production de masse ne soit pas prévue avant plusieurs années, PDS est bien positionnée pour devenir un leader des semi-conducteurs de puissance ultra-performants au cours de la prochaine décennie, grâce aux avantages physiques du diamant, à l'intégration verticale de l'ingénierie des dispositifs et à ses collaborations avec des institutions.
Les semi-conducteurs de puissance à base de diamant, comme ceux produits par PDS, peuvent avoir un impact sur l'éclairage LED, mais cet impact est principalement indirect et systémique. Il se manifeste surtout au niveau de la gestion thermique, du rendement des circuits de commande, de la fiabilité et dans certaines applications environnementales exigeantes.
Efficacité et miniaturisation au niveau du système
Les MOSFET de puissance Diamond peuvent commuter des tensions élevées avec des pertes moindres, améliorant ainsi l'efficacité de conversion AC-DC et DC-DC des pilotes pour les luminaires LED haute puissance tels que les lampadaires, l'éclairage de stades et les éclairages de jardin.
L'amélioration du rendement du pilote se traduit par une réduction de la chaleur résiduelle, permettant ainsi des dissipateurs thermiques plus petits, des luminaires plus compacts ou un flux lumineux plus élevé par luminaire pour une puissance donnée.
Gestion thermique et durée de vie
L'excellente conductivité thermique du diamant le rend précieux non seulement comme semi-conducteur actif, mais aussi comme matériau de dissipation thermique dans les modules LED et les cartes de commande.
L'utilisation de substrats ou de circuits imprimés en diamant dans les LED haute puissance s'est avérée prolonger considérablement la durée de vie des composants car elle réduit la température de jonction, un mécanisme de défaillance critique dans les systèmes LED haute puissance.
Environnements difficiles et éclairage spécialisé
L'électronique au diamant et les LED potentielles au diamant sont adaptées aux environnements extrêmes tels que les hautes températures, les hautes pressions, les radiations ou les produits chimiques corrosifs (par exemple, les usines industrielles, les environnements souterrains, l'aérospatiale, l'énergie nucléaire).
Pour l'industrie des LED, cela se traduit par des gammes de produits de niche : luminaires pour environnements difficiles, feux de signalisation critiques et sources lumineuses dédiées à la mesure ou à la stérilisation UV pour compenser le vieillissement rapide des LED ou des drivers conventionnels.
Intégration avec le nitrure de gallium et les LED haute puissance
Des études combinant des films de diamant avec du nitrure de gallium ont montré que les performances thermiques des LED haute puissance peuvent être considérablement améliorées en diffusant et en extrayant plus efficacement la chaleur de la puce.
En encapsulant des dispositifs de puissance en diamant et des LED GaN sur un substrat en diamant, les fabricants peuvent augmenter davantage le courant de commande et la densité de puissance sans sacrifier la fiabilité, obtenant ainsi des boîtiers haute puissance plus lumineux et plus robustes.