L'électronique en diamant, le semi-conducteur ultime ?
Il conduit la chaleur cinq fois mieux que le cuivre, supporte des tensions énormes et résiste aux radiations. Fabriqué aujourd'hui à partir de méthane, le diamant de synthèse pourrait transformer l'électronique de puissance. À condition de surmonter quelques obstacles tenaces.
Presque toute l'électronique du monde repose sur le silicium. Mais dans certains usages, il atteint ses limites : quand il faut commuter des tensions très élevées, travailler à haute température ou survivre sous un flux de radiations. On se tourne alors vers des semi-conducteurs dits « à large bande interdite », comme le carbure de silicium ou le nitrure de gallium. Plus loin encore sur cette échelle se trouve un matériau que l'on associe d'ordinaire aux bijoux : le diamant.
Qu'est-ce que la bande interdite ?
Dans un semi-conducteur, les électrons ne peuvent pas prendre n'importe quelle énergie. Entre les états où ils restent liés aux atomes et ceux où ils circulent librement s'étend une zone interdite. Sa largeur, la bande interdite, mesurée en électronvolts (eV), fixe le comportement du matériau. Elle vaut 1,12 eV pour le silicium, 3,2 à 3,3 eV pour le carbure de silicium, 3,4 eV pour le nitrure de gallium, et 5,47 eV pour le diamant.
Une bande interdite large présente plusieurs avantages. Le matériau supporte un champ électrique beaucoup plus intense avant de « claquer », c'est-à-dire de laisser passer brutalement le courant. Pour le diamant, ce champ de claquage théorique dépasse 10 mégavolts par centimètre, contre environ 3 pour le carbure de silicium et 3,5 pour le nitrure de gallium. On peut ainsi bloquer une tension donnée avec une couche bien plus fine, donc moins résistive, et perdre moins d'énergie. Le diamant y ajoute deux atouts rares : des porteurs de charge très mobiles et l'une des plus fortes conductivités thermiques connues, environ 2 000 watts par mètre et par kelvin à température ambiante, cinq fois celle du cuivre. La chaleur produite dans un composant s'en échappe donc très vite.
Du méthane au cristal
Le premier procédé industriel de synthèse, publié en 1955, imitait les conditions des profondeurs de la Terre : hautes pressions et hautes températures. Il donne encore aujourd'hui des cristaux de grande qualité, mais petits : les meilleurs substrats ainsi obtenus mesurent au plus environ un centimètre carré.
L'autre voie, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), date des années 1950 et s'est industrialisée dans les années 1980. On mélange un peu de méthane, en général moins de 5 %, à beaucoup d'hydrogène, puis on chauffe ce gaz au-delà de 2 000 K, souvent avec un plasma micro-ondes. L'hydrogène se dissocie en atomes, très réactifs, qui favorisent la croissance du diamant au détriment du graphite. Les atomes de carbone se déposent couche après couche sur un support porté entre 700 et 1 300 °C. On obtient ainsi des plaques de diamant d'une pureté que la nature n'atteint pas.
Des détecteurs déjà en service
L'usage le plus abouti du diamant électronique est la détection des rayonnements. Une particule qui traverse le cristal y libère des charges électriques, que des électrodes recueillent. Comme le diamant résiste remarquablement aux radiations, des détecteurs en diamant CVD surveillent depuis des années le faisceau dans les zones les plus irradiées de presque toutes les expériences du LHC, au CERN. En 2015, l'expérience ATLAS a été la première à y installer des modules de pixels en diamant. La collaboration RD42, au CERN, développe ces détecteurs pour les futures versions du collisionneur. Le diamant sert aussi à la dosimétrie médicale et à la détection des neutrons.
L'électronique de puissance, le grand défi
Pour les convertisseurs qui transforment le courant dans les réseaux, les éoliennes en mer ou les avions, le diamant ferait merveille. En laboratoire, des diodes en diamant ont déjà tenu des tensions de l'ordre de 10 000 volts, lors d'essais sous vide. Mais trois obstacles freinent son passage à l'industrie.
Le premier est le dopage. Pour fabriquer un composant, on introduit des impuretés qui apportent des charges mobiles : du bore pour un dopage de type p, du phosphore pour le type n. Dans le diamant, ces impuretés retiennent fortement leurs charges, avec des énergies d'activation de 0,37 eV pour le bore et 0,6 eV pour le phosphore, si bien qu'une petite partie seulement participe à la conduction à température ambiante. Le deuxième obstacle est la taille et la qualité des plaques : les substrats CVD atteignent environ 3,5 pouces, mais avec 10 millions à 1 milliard de défauts par centimètre carré. Le troisième touche les transistors, dont la stabilité et le fonctionnement « normalement bloqué », sans courant en l'absence de commande, restent difficiles à obtenir.
L'Europe s'est fortement engagée dans ce domaine. Le projet GreenDiamond, financé par l'Union européenne à hauteur d'environ 4 millions d'euros de 2015 à 2020 et coordonné par le CNRS, a réalisé un convertisseur à composants en diamant et un boîtier capable de fonctionner jusqu'à 250 °C. Ses premières évaluations laissent espérer une réduction des pertes électriques de 75 % par rapport au silicium. Le projet a donné naissance à deux jeunes entreprises. À Grenoble, Diamfab, issue en 2019 de l'Institut Néel du CNRS, a levé 8,7 millions d'euros en 2024 pour monter une ligne pilote de plaques de diamant.
Et vers les étoiles ?
Une sonde lointaine baigne pendant des années dans le rayonnement cosmique, qui dégrade peu à peu ses circuits. On les protège notamment par du blindage. La sonde Juno, partie vers Jupiter en 2011, abrite ainsi son ordinateur de bord, son unité de distribution électrique et une vingtaine d'autres équipements dans un coffre en titane aux parois d'environ un centimètre d'épaisseur, qui pèse à lui seul environ 200 kilogrammes.
La marche « Cœur de diamant » (voir la marche C-MAT-05) veut faire du diamant synthétique l'électronique de puissance des sondes lointaines, capable de fonctionner des décennies sous rayonnement sans blindage lourd. Elle prévoit de mesurer la tenue de diodes et de détecteurs en diamant aux protons, aux neutrons et aux ions lourds, et d'explorer des matériaux qui pourraient un jour lui succéder. Sur Terre, les exploitants de centrales nucléaires et de réseaux électriques en profiteraient dès maintenant : des capteurs et des convertisseurs plus compacts, qui perdent moins d'énergie et tolèrent la chaleur et les radiations.