La brillance des diamants : révolution dans la technologie des semi-conducteurs

Patrick Lesggie

Le développement d’un dispositif semi-conducteur à haute performance en diamant par l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign représente un pas significatif vers la satisfaction de la demande croissante en électricité et l’atteinte de la neutralité carbone d’ici 2050. Cette percée dans la technologie du diamant offre une capacité de tension plus élevée et un courant de fuite plus faible, surpassant les semi-conducteurs traditionnels à base de silicium.

Des chercheurs ont développé un dispositif semi-conducteur en diamant, offrant une solution prometteuse pour atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. Ce dispositif présente la plus haute tension de claquage et le plus faible courant de fuite par rapport aux dispositifs en diamant existants, marquant une avancée significative dans le processus d’électrification.

Pour atteindre l’objectif mondial de neutralité carbone d’ici 2050, il doit y avoir un changement fondamental dans les matériaux électroniques pour créer un réseau électrique plus fiable et résilient. Le diamant pourrait être le meilleur ami d’une fille, mais il pourrait aussi être la solution nécessaire pour soutenir l’électrification de la société qui permettra d’atteindre la neutralité carbone dans les 30 prochaines années. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé un dispositif semi-conducteur en diamant, présentant la plus haute tension de claquage et le courant de fuite le plus faible par rapport aux dispositifs en diamant précédemment rapportés. Un tel dispositif permettra des technologies plus efficaces nécessaires à la transition mondiale vers les énergies renouvelables.

La demande croissante en électricité

On estime qu’actuellement, 50% de l’électricité mondiale est contrôlée par des dispositifs de puissance, et qu’en moins d’une décennie, ce chiffre devrait atteindre 80%, alors que simultanément, la demande d’électricité augmentera de 50% d’ici 2050.

Selon un nouveau rapport de l’Académie nationale des sciences, de l’ingénierie et de la médecine, « Le plus grand danger technologique pour une transition énergétique réussie est le risque que le pays ne parvienne pas à implanter, moderniser et développer le réseau électrique. Sans une capacité de transmission accrue, le déploiement des énergies renouvelables serait retardé, et le résultat net pourrait être au moins une augmentation temporaire des émissions de combustibles fossiles, empêchant le pays d’atteindre ses objectifs de réduction des émissions. »

Diamond Semiconductor Device

Dispositif semi-conducteur en diamant (4 mm x 4 mm). Crédit : The Grainger College of Engineering à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign

“Pour satisfaire ces demandes en électricité et moderniser le réseau électrique, il est très important que nous nous éloignions des matériaux conventionnels, comme le silicium, pour les nouveaux matériaux que nous voyons adoptés aujourd’hui, tels que le carbure de silicium et la prochaine génération de semi-conducteurs — les matériaux à large bande interdite — comme le nitrure d’aluminium, le diamant et les composés apparentés”, explique Can Bayram, professeur en génie électrique et informatique, qui a dirigé cette recherche avec le doctorant Zhuoran Han. Les résultats de ce travail ont été publiés dans la revue IEEE Electron Device Letters.

Semi-conducteurs : Au-delà du silicium

La plupart des semi-conducteurs sont fabriqués en utilisant du silicium et, jusqu’à présent, ont répondu aux besoins électriques de la société. Mais comme le souligne Bayram, « Nous voulons nous assurer que nous avons suffisamment de ressources pour tout le monde, alors que nos besoins évoluent. En ce moment, nous utilisons de plus en plus de bande passante, nous créons plus de données (qui s’accompagne également de plus de stockage), et nous utilisons plus de puissance, plus d’électricité et plus d’énergie en général. La question est : y a-t-il un moyen de rendre tout cela plus efficace, au lieu de générer plus d’énergie et de construire plus de centrales électriques ?”

La supériorité des semi-conducteurs en diamant

Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite ayant la conductivité thermique la plus élevée, c’est-à-dire la capacité d’un matériau à transférer la chaleur. En raison de ces propriétés, les dispositifs semi-conducteurs en diamant peuvent fonctionner à des tensions et des courants beaucoup plus élevés (avec moins de matériau) et dissiperont toujours la chaleur sans réduire les performances électriques, par rapport aux matériaux semi-conducteurs traditionnels comme le silicium. « Pour avoir un réseau électrique où vous avez besoin de courant et de tension élevés, ce qui rend tout plus efficace pour des applications telles que les panneaux solaires et les éoliennes, alors nous avons besoin d’une technologie qui n’ait aucune limite thermique. C’est là que le diamant intervient », explique Bayram.

Bien que beaucoup de personnes associent le diamant à des bijoux coûteux, le diamant peut être fabriqué de manière plus abordable et durable en laboratoire, ce qui en fait une alternative de semi-conducteur viable et importante. Le diamant naturel se forme en profondeur sous la surface de la Terre sous une pression et une chaleur immenses, mais comme il est essentiellement constitué de carbone — dont il y a abondance — le diamant synthétisé artificiellement peut être produit en quelques semaines au lieu de milliards d’années, tout en produisant 100 fois moins d’émissions de carbone.

Dans ce travail, Bayram et Han montrent que leur dispositif en diamant peut supporter une tension élevée, d’environ 5 kV, bien que la tension ait été limitée par la configuration de la mesure et non par le dispositif lui-même. En théorie, le dispositif peut supporter jusqu’à 9 kV. Il s’agit de la tension la plus élevée signalée pour un dispositif en diamant. En plus de la plus haute tension de claquage, le dispositif présente également le plus faible courant de fuite, qui peut être comparé à un robinet qui fuit mais avec de l’énergie. Le courant de fuite affecte l’efficacité et la fiabilité globales du dispositif.

Perspectives d’avenir

Han déclare : « Nous avons mis au point un dispositif électronique mieux adapté aux applications haute puissance, haute tension pour le futur réseau électrique et d’autres applications énergétiques. Et nous avons construit ce dispositif sur un matériau à bande interdite ultra large, le diamant synthétique, qui promet une meilleure efficacité et de meilleures performances que les dispositifs de la génération actuelle. Nous espérons continuer à optimiser ce dispositif et d’autres configurations afin que nous puissions approcher les limites de performance du potentiel matériel du diamant. »

Référence : « Diodes Schottky à barrière latérale de type p en diamant avec une tension de claquage élevée (4612 V à 0,01 mA/mm) » par Zhuoran Han et Can Bayram, octobre 2023, IEEE Electron Device Letters.
DOI : 10.1109/LED.2023.3310910

Can Bayram est également membre affilié du Laboratoire de micro et nanotechnologie Holonyak de l’UIUC.