Le diamant pour créer le semi-conducteur ultime

En 2019, cinq chercheurs de l’institut Néel, laboratoire CNRS grenoblois, créent la start-up DiamFab pour développer une technologie de semi-conducteur en diamant. Afin de poursuivre les travaux entre DiamFab et l’institut, est lancé en 2025 un laboratoire commun, DiamLab, composé de quatre chercheurs de l’Institut Néel, et de trois responsables R&D de DiamFab. L’objectif de ce laboratoire est d’utiliser le diamant pour faire de l’électronique de puissance et fabriquer des semi-conducteurs. Ces derniers sont généralement composés de silicium ou de nitrure de gallium.

Dans les voitures électriques, où la puissance est plus importante, Tesla a recours au carbure de silicium. « Nous pensons que le prochain saut technologique sera le passage au diamant qui convertit mieux la puissance dans un volume réduit et limite les pertes d’énergie », explique Gwenolé Jacopin, chargé de recherche à l’Institut Néel du CNRS et directeur du laboratoire DiamLab. Lui et ses équipes maîtrisent la croissance du diamant pour le rendre isolant, conducteur, voire supraconducteur. Leur expertise se base sur l’arrangement des atomes de carbone. Ils arrivent ainsi à remplacer un atome de carbone sur un million par un atome de bore, ce qui change la conductivité du diamant. Ils font croître le diamant par une synthèse en phase vapeur grâce à du méthane et du dihydrogène avec un plasma créé par micro-ondes. Le carbone se dépose par monocouche. Cette méthode était déjà connue dans le monde de la joaillerie. « Tout l’art de notre procédé est d’arriver à faire croître du diamant et non du graphite, notamment grâce à l’hydrogène qui empêche cela en favorisant les liaisons cristallines. Nous avons également une bonne maîtrise de la pureté et de la concentration de bore dans nos différentes couches », ajoute le chercheur. Ces couches de diamants sont développées sur un substrat qui est ensuite intégré dans les composants électriques et couplé avec des capacités et des résistances.

Avec cette technologie, l’encombrement est plus faible, ce qui offre un bénéfice en termes de dissipation thermique. D’autant que le diamant évacue naturellement la chaleur. L’intérêt de cette technique reste qu’elle ne dépend pas de métaux lourds ou de matières premières critiques. Tous les éléments peuvent être facilement produits en France. Son prix est compensé par les avantages qu’il procure : moins de pertes de chaleur, un poids plus léger et une augmentation des performances.

Des pistes à explorer

L’un des objectifs est d’augmenter la taille des wafers fonctionnalisés pour obtenir le plus de composants possible en un lot de croissance. « Aujourd’hui nous travaillons sur des petits substrats. Mais pour produire en masse, nous avons besoin d‘augmenter leur taille pour avoir un modèle économique viable. Le domaine des semi-conducteurs est soumis à des standards en taille de substrat et tant que nos échantillons sont trop petits ils ne peuvent pas être intégrés dans la chaîne de production », ajoute Gwenolé Jacobin.

L’autre point de recherche de DiamLab et Diamfab est le dopage du diamant non pas avec du bore, mais avec de l’azote pour une utilisation dans les capteurs quantiques. « Lorsqu’on met de l’azote dans du diamant, il se crée un centre coloré : un atome d’azote est associé à une lacune de carbone. Cela engendre des émetteurs quantiques, qui produisent un seul photon à la fois et dont on peut contrôler les propriétés avec différentes excitations. Cela présente aussi des applications dans la mesure du champ magnétique », conclut Gwénolé Jacopin.