Le diamant : matériau pour l’électronique du futur

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23568
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Le diamant : matériau pour l’électronique du futur

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Le diamant : matériau pour l’électronique du futur La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 68 Le diamant : matériau pour l’électronique du futur JOCELYN ACHARD1 , DAVID EON2 , KARINE ISOIRD3 (1) LSPM, Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, CNRS, Villetaneuse 93430, France (2) Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel, 38000 Grenoble, France (3) LAAS-CNRS, Université de Toulouse,UPS, 31400 Toulouse, France Le diamant allie un grand nombre de propriétés qui le rendent attractif pour de nombreuses applications. Son extrême dureté, associée à une conductivité thermique de 20 W.cm-1 .K-1 et une température de travail pouvant aller jusqu’à 700°C en l’absence d’oxygène, permet son utilisation en mécanique pour découper ou polir des matériaux durs non ferreux. Sur le plan optique, le diamant est transparent de l’infrarouge lointain jusqu’à l’ultra-violet profond ce qui permet son utilisation pour la réalisation de fenêtres optiques pour les lasers de puissance fonctionnant dans cette gamme de longueurs d’onde. En outre sa grande inertie chimique rend possible son utilisation dans des milieux très agressifs (acides, oxydants, …) et le diamant est par ailleurs parfaitement compatible avec le tissu humain. Ces applications optiques et thermiques ne nécessitent pas un matériau d’une qualité cristalline exceptionnelle, et d’ores et déjà des films de diamant à la fois dans leur forme monocristalline ou poly-cristalline sont disponibles commercialement pour ces usages. Toutefois, c’est sur le plan de l’électronique que les propriétés du diamant monocristallin se combinent le plus avantageusement [1]. Celui-ci est en effet un matériau semi-conducteur à large bande interdite (5.5 eV) qui possède un champ de rupture théorique pouvant atteindre 10 MV.cm-1 . Il se caractérise aussi par une faible constante diélectrique et des mobilités d’électrons et de trous atteignant plus de 2000 cm2 .V-1 .s-1 à température ambiante [2, 3]. Par ailleurs, le dopage de type p par adjonction d’atomes de bore au cours de la croissance est maintenant parfaitement maîtrisée. Elle permet d’obtenir des films de diamant monocristallin avec des concentrations de dopant allant de quelques 1014 à quelques 1021 cm-3 pour des épaisseurs de matériau allant de quelques centaines de nanomètres à quelques centaines de micromètres [4-6]. Des substrats autosupportés sont désormais obtenus (cf. Figure 1) et permettent le développement de composants verticaux. Figure 1 : Films autosupportés de diamant CVD (a) faiblement dopé au bore, (b) fortement dopé au bore et (c) intrinsèque. La synthèse de diamant monocristallin par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma microonde est ainsi devenue un procédé quasi-mature et a permis, à travers différents projets nationaux soutenus par l’ANR (programmes Astrid et Blancs) et la DGA (projets FUI), de réaliser et caractériser des composants unipolaires de type diodes Schottky fonctionnant jusqu’à des températures de 200°C [7]. Sur des structures pseudo-verticales, une densité de courant allant jusqu’à 1000 A.cm- ² a ainsi été mesurée (cf Figure 2a) et ce, avec un taux de diodes fonctionnelles de 95% sur 64 réalisées. Une étude similaire a été réalisée pour des structures verticales conduisant à une densité de courant de 500 A.cm- ² (cf. Figure 2b) avec un taux de diodes fonctionnelles de 75% sur 64 réalisées. Par ailleurs, des travaux menés à l’Institut Néel ont permis de montrer que ce type de composants présentait un champ de claquage supérieur à 7 MV.cm-1 et un facteur de mérite de Baliga supérieur à 244 MW.cm-2 [8]. Notons enfin que, contrairement à ce que l’on observe pour les autres semi-conducteurs, les performances des diodes s’améliorent avec la température de fonctionnement montrant ainsi tout l’intérêt de ce matériau pour l’électronique haute température. Résumé : Le domaine d’application de l’énergie électrique ne cesse de s’étendre et les puissances mises en jeu deviennent de plus en plus importantes. Or, les dispositifs actuels à base de silicium comme semi- conducteur ne satisfont plus totalement les besoins actuels. Des efforts importants sont menés dans le développement de composants à base de semi-conducteurs à large bande interdite, et notamment le diamant dont les performances extrêmes en font un matériau de choix pour ce type d’application. Ces travaux devraient permettre d’élaborer de nouveaux composants forte puissance et haute fréquence. Le diamant : matériau pour l’électronique du futur La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 69 Figure 2 : Caractéristiques I-V sous polarisation directe et pour différentes températures de diodes Schottky avec une structure (a) pseudo-verticale, (b) verticale. Ainsi, même si les résultats obtenus jusqu’à présent restent en deçà de ceux escomptés par simulation, ils placent les acteurs nationaux au meilleur niveau mondial et montrent toute la potentialité du diamant pour des applications en électronique de puissance ainsi que le rôle majeur que peut jouer ce matériau dans le futur. Les domaines d’utilisation, tant dans le domaine civil que dans le domaine de la défense, sont nombreux. On peut citer en particulier le développement de chaînes impulsionnelles de fortes puissances pour les dispositifs de protection active, les canons électromagnétiques, les différents convertisseurs des réseaux de distributions mondiaux (HVDC par exemple). Ces besoins modernes sont motivés par des demandes en énergies toujours plus fortes tout en respectant l’environnement. Le diamant pourrait également jouer un rôle extrêmement important dans le domaine des radiofréquences (RF) même si pour l’instant le nitrure de gallium reste le meilleur candidat. En effet, une stabilité de ces composants RF au-delà de 200°C avec des fréquences de fonctionnement allant jusqu’à 50 GHz, et des densités de puissance de sortie de plusieurs W.cm-1 ont été démontrées récemment [9, 10]. A l’heure actuelle, l’un des verrous technologiques qui freine fortement le développement de ce matériau est l’absence de substrat monocristallin de dimensions supérieures au centimètre carré. Des travaux récents ont néanmoins montré qu’il existait des solutions technologiques [11, 12] et les moyens doivent maintenant être mis en œuvre pour accélérer ce développement, d’autant plus que l’ensemble des compétences nécessaires est présent sur le territoire national. L’opportunité de mettre en place une filière de production diamant est à saisir. Références [1] L.S. Pan, D.R. Kania, Diamond: electronic properties and applications, Kluwer Academic, Boston/Dordrecht/London, 1995. [2] J. Isberg, J. Hammersberg, D.J. Twitchen, A.J. Whitehead, Diam. Relat. Mat. 13, 320-324 (2004). [3] C.J.H. Wort, R.S. Balmer, Materials Today 11, 22- 28 (2008). [4] F. Omnès, P. Muret, P.-N. Volpe, M. Wade, J. Pernot, F. Jomard, Diam. Relat. Mat. 20, 912-916 (2011). [5] J.P. Lagrange, A. Deneuville, E. Gheeraert, Carbon 37, 807-810 (1999). [6] R. Issaoui, J. Achard, A. Tallaire, F. Silva, A. Gicquel, R. Bisaro, B. Servet, G. Garry, J. Barjon, Appl. Phys. Lett. 100, 122109 (2012). [7] R. Monflier, K. Isoird, A. Cazarre, J. Tasselli, A. Servel, J. Achard, D. Eon, M.J. Valdivia Birnbaum, EPE Journal 1-7 (2017). [8] A. Traoré, P. Muret, A. Fiori, D. Eon, E. Gheeraert, J. Pernot, Appl. Phys. Lett. 104, 052105 (2014). [9] M. Kasu, J. J. Appl. Phys. 56, 01AA01 (2017). [10] S. Russell, S. Sharabi, A. Tallaire, D.A.J. Moran, IEEE Transactions on Electron Devices 62, 751-756 (2015). [11] M. Schreck, S. Gsell, R. Brescia, M. Fischer, Scientific Reports 7, 44462 (2017). [12] H. Yamada, A. Chayahara, Y. Mokuno, Y. Kato, S. Shikata, Appl. Phys. Lett. 104, 102110 (2014).