Diamantens extrema egenskaper gör att ämnet har fler möjliga användningsområden än bara halvledare inom mikroelektroniken. På Ångströmlaboratoriet drivs en lång rad diamantrelaterade projekt. Diamant har bättre värmeledningsförmåga än något annat ämne, och därför borde diamant kunna användas för att leda bort värme från komponenter som behöver kylas. Ångströmlaboratoriet har ett forskningsprojekt för diamanter som kylningsmetod. Mikromekanik är en annan tänkbar tillämpning, där hårdheten kan komma väl till pass. Ett projekt arbetar med att bygga små spetsar i diamant som kan användas i röntgenkällor. Även brytningsindexet hos diamant är extremt högt. Det är det som gör den så attraktiv som ädelsten, men det gör även att det finns tänkbara optotillämpningar för diamant. På Ångströmlaboratoriet pågår forskning kring att konstruera diffraktiva linser som tål höga effekter i diamant.

- Att diamant är så hårt är både en fördel och en nackdel. Det gör det svårt att bearbeta materialet, men det är trevligt att hantera.

Det säger Jan Isberg på Ångströmlaboratoriet, som forskar på att göra halvledare i diamant. Det har han gjort sedan 1997, då på ABB, där man intresserade sig för diamantens potential som kraftledarkomponent.

- Diamant har 50 gånger högre spänningstålighet än kisel. Och värmeledningsförmågan är 15 gånger högre, vilket gör att man kan göra komponenterna mindre. Och när de är mindre blir de i sin tur snabbare, förklarar Jan Isberg.

I praktiken svårt
Det gör alltså diamant i teorin idealt för högfrekvens- och högeffektstransistorer, till exempel för slutsteg i basstationer eller mikrovågslänkar. I praktiken är det förstås svårt att smida halvledare ur diamant, och Jan Isberg är en av de få som lyckats.
- Vi har tagit fram schottkydioder av hygglig kvalitet med en metallövergång av guld. De klarar av att blockera 2 kV spänning. Med kisel kan man blockera 10 kV, men det är efter 60 års utveckling, det här var bara med ett ihopsatt minimum för att få diodfunktionalitet, säger Jan Isberg.

Diamant består av rent kol. Det halvledarmaterial som närmast påminner om diamant är kiselkarbid, som är en blandning av kisel och kol. Även kiselkarbiden, som används i begränsad omfattning till halvledare i dag, har extrema egenskaper, men inte i närheten av diamant.

Kiselkarbid har idag problem med åldring av materialet när det används. Några sådana problem väntar man sig inte av diamant, som är ett stabilare material.

Det största problemet med att göra halvledare i diamant är att få material i tillräcklig kvalitet. Naturligt förekommande diamant innehåller alldeles för mycket föroreningar och defekter för att kunna göra halvledare av, och att göra konstgjorda diamanter är svårt och tar tid. Den effektivaste metoden för att framställa konstgjorda diamanter ger dessutom polykristallina diamanter (materialet består inte av en enda stor kristallstruktur, utan flera små), vilket är oanvändbart för halvledare.

Men här har det skett ett genombrott den senaste tiden. Element Six, ett dotterbolag till sydafrikanska diamantjätten DeBeers, har utvecklat en teknik med plasmadeposition av högkvalitativ diamant på ett diamantsubstrat av sämre kvalitet. Defekterna i substratet förs inte vidare till den odlade diamanten, och när processen är klar kan substratet skäras loss och återanvändas.

- Nu har materialet blivit så bra att det går att göra reproducerbara komponenter. Men några 6-tumsskivor rör det sig inte om, 5 x 5 mm med en tjocklek på max 1 mm är vad man kan göra i dagsläget, berättar Jan Isberg.

Stabil laddning
Kvaliteten på materialet kan också mätas i laddningsbärningslivstiden, det vill säga hur länge en laddning är stabil innan någon rekombination sker och laddningen försvinner. I vanlig naturdiamant är denna tid under en nanosekund, med Element Six material har man kommit upp i över 2 us.

Ett annat stort hinder för diamant som halvledarmaterial är att det är väldigt svårt att dopa. Diffusionsdopning fungerar inte på grund av den täta kristallstrukturen, och jonimplantering har svårt att nå in på djupet. Man har lyckats åstadkomma p-dopning med bor, men än har man inte fått fram någon lyckad metod för n-dopning.

- Det stora genombrottet för diamant vore naturligtvis om man hittade en fungerande n-dopning. Det finns forskare som hävdar att de lyckats, men deras resultat är osubstantierade, anser Jan Isberg.

Så länge räcker i alla fall p-dopningen till att göra unipolära komponenter, som Mesfet-transistorer och schottkydioder. Jan Isberg hoppas kunna göra Mesfet-transistorer med arbetsfrekvenser på några tiotal gigahertz och hög linjäritet som demonstratorer. Han vill också utveckla processer för etsning och jonimplantering av diamant.

Men som så mycken annan svensk elektronikforskare saknas det finansiering. ABB har släppt projektet helt, och Jan Isberg håller som bäst på att söka forskningsbidrag. Till dess går projektet på sparlåga, med bara Jan Isberg själv och en examensarbetare.

- Vi fick inte ett rött öre från Vetenskapsrådet fick vi veta idag. Om vi inte kan ordna andra medel snart finns det risk att vi inte kan behålla denna forskning i Sverige, tyvärr, suckar Jan Isberg.

Elias Nordling