Le diamant sera-t-il le semiconducteur ultime ?
Tout comme nous sommes passés du silicium au SiC à large bande interdite et au GaN pour permettre des avancées décisives dans les domaines de la mobilité électrique et des énergies renouvelables, la prochaine frontière pourrait bien être franchie grâce à la forme la plus dure du carbone, ouvrant la voie à la plateforme ultime pour les semiconducteurs de puissance. Fort de ses 40 ans d’expérience dans le domaine de l’électronique de puissance, Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est témoin des transformations radicales qui ont bouleversé le paysage de l’électronique de puissance. En exclusivité pour ViPress.net, il fait un point détaillé sur les semiconducteurs à base de diamant et les derniers développements en date.
Par Patrick Le Fèvre, directeur Marketing et Communication de Powerbox
Depuis plus de quarante ans, je suis témoin des transformations radicales qui ont bouleversé le paysage de l’électronique de puissance. Tout a commencé avec les transistors bipolaires, puis sont apparus les Mosfet, avant d’entrer dans l’ère des semiconducteurs à large bande interdite (WBG, Wide Band Gap), tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). Chaque évolution technologique a permis d’améliorer les performances, d’accroître l’efficacité et de miniaturiser les systèmes d’alimentation. Mais aujourd’hui, nous sommes à l’aube de ce qui pourrait être le prochain bond en avant dans les performances des dispositifs de puissance, vers l’efficacité mythique de 99,99 % : l’utilisation du diamant synthétique comme matériau semiconducteur, un nouveau concept vraiment passionnant pour les ingénieurs en électronique de puissance.
L’utilisation du diamant dans les semiconducteurs est-elle réaliste ?
Patrick Le Fèvre – © Powerbox (PRBX)
L’idée peut sembler exotique, voire farfelue, mais après tout, le diamant est traditionnellement associé à la joaillerie, à des applications industrielles telles que les abrasifs et les machines de coupe, de forage, de meulage et de polissage, ou encore aux laboratoires pour des expériences à haute pression, mais pas aux systèmes de conversion d’énergie ou aux amplificateurs radiofréquence.
Cependant, depuis de nombreuses années, la communauté scientifique reconnaît le diamant comme le matériau par excellence pour la dissipation thermique, grâce à sa conductivité thermique nettement supérieure à celle des matériaux conventionnels tels que le silicium. Néanmoins, la dureté inhérente à ce matériau et la complexité de son traitement le rendaient jusqu’à présent inadapté à une utilisation dans le domaine de la technologie des semiconducteurs.
Avant d’aborder la question des performances et des avantages, il est indispensable de présenter un résumé de l’évolution de l’utilisation du diamant dans les applications technologiques. L’histoire commence en 1954, lorsque General Electric (GE) réussit à créer le premier diamant synthétique à l’aide de la méthode HPHT (High Pressure High Temperature), marquant ainsi la première fabrication artificielle de diamants. Après cette étape importante, les années 1980 ont vu la première expansion des diamants grâce à la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), suivie par l’exploration des processus de dopage dans les années 1990. Par la suite, les personnes impliquées dans le développement des diamants synthétiques ont approfondi leurs connaissances sur ce matériau en termes de caractérisation, de fabrication et de traitement.
Cependant, les progrès de la science des matériaux et des techniques de fabrication transforment rapidement le diamant synthétique en un candidat sérieux pour l’avenir des semiconducteurs. Explorons pourquoi le diamant est considéré comme un matériau exceptionnel, comment il se compare aux semiconducteurs WBG conventionnels et établis (SiC et GaN), et quels obstacles restent à surmonter avant qu’il puisse atteindre sa maturité commerciale.
L’escalier de l’évolution technique
Nous avions l’habitude de dire que l’évolution de l’électronique de puissance ressemble à un escalier avec des bonds en avant majeurs qui font passer les nouvelles technologies de la recherche au marché afin d’améliorer les performances. Les semiconducteurs en diamant pourraient être considérés comme la prochaine étape, mais certains estiment que le défi est trop grand pour devenir réalité.
Il est important de noter que le SiC et le GaN n’ont pas connu un succès immédiat. Lorsque les diodes de puissance au SiC ont fait leur apparition sur le marché à la fin des années 1990, elles étaient chères, difficiles à fabriquer et présentaient des problèmes de fiabilité. Le parcours commercial du GaN a commencé plus tard, avec une adoption initiale dans les applications RF, puis une évolution vers des transistors de puissance à haut rendement pour tout type d’application, des chargeurs rapides aux alimentations pour centres de données.
Il ne fait aucun doute que la technologie conventionnelle des semiconducteurs en silicium est bien établie et s’améliore constamment grâce aux nouvelles technologies, même si le succès du SiC et du GaN a été stimulé par une industrie qui avait besoin de tensions plus élevées, d’un rendement supérieur et de fréquences de commutation plus importantes afin de réduire la taille des équipements finaux. Aujourd’hui, le SiC et le GaN sont présents dans tous les domaines, des véhicules électriques aux onduleurs solaires. Les matériaux WBG offrent des avantages significatifs en termes de taille, de poids et de puissance (SWaP), et nous profitons tous d’adaptateurs USB puissants, compacts et économes en énergie.
Le GaN a apporté des avantages en matière de commutation haute fréquence grâce à sa mobilité électronique élevée et à sa faible capacité. Parallèlement, le SiC a trouvé sa place dans les gammes de tension moyenne à haute, remplaçant les IGBT et les Mosfet en silicium dans des applications telles que les véhicules électriques et les systèmes d’entraînement industriels. Cependant, le SiC et le GaN ont tous les deux leurs limites et certaines applications fonctionnant à des températures élevées et dans des environnements difficiles peuvent nécessiter des niveaux de performance et une robustesse encore supérieurs. C’est là que les propriétés du diamant apparaissent non seulement supérieures, mais aussi transformatrices.
Les avantages du diamant en un coup d’œil
Les propriétés des matériaux déterminent les performances – © Powerbox (PRBX)
Pour comprendre le potentiel du diamant, il faut commencer par la science des matériaux. Dans la technologie des semiconducteurs, les performances des matériaux destinés aux applications à haute puissance, haute fréquence ou haute température sont déterminées par des propriétés physiques clés. L’illustration ci-dessus présente les propriétés fondamentales du silicium, du carbure de silicium, du nitrure de gallium et du diamant. Nous avons sélectionné quatre paramètres clés afin de faciliter la comparaison des performances et des avantages des différents matériaux :
Bande interdite
La bande interdite, qui indique la capacité d’un matériau à conduire l’électricité, est un critère essentiel pour déterminer son adéquation à des environnements caractérisés par des températures ou des énergies élevées. Une bande interdite plus large indique une meilleure résistance aux fuites de courant et aux pannes, ce qui est essentiel pour les applications dans des conditions extrêmes. Dans ce domaine, le diamant surpasse de loin tous les autres matériaux. Sa large bande interdite de 5,5 eV permet aux dispositifs de fonctionner à des tensions et des températures plus élevées.
Champ de rupture
Le champ de claquage est une mesure de la résistance d’un matériau à la contrainte électrique avant l’apparition de la conductivité. Il est impératif de noter que des valeurs de champ de claquage plus élevées sont essentielles pour les dispositifs fonctionnant à des tensions élevées, en particulier dans le domaine de l’électronique de puissance. En effet, il est primordial de garantir des performances optimales sous des charges électriques extrêmes.
Le champ électrique critique théorique du diamant est de près de 10 MV/cm, soit trois fois plus élevé que celui du GaN ou du SiC et plus de 30 fois celui du silicium. Cela permet de fabriquer des appareils plus fins pour une tension nominale identique, ce qui réduit la résistance et améliore l’efficacité. Cela ouvre également la voie à des dispositifs conçus pour une utilisation à 10 kV, 20 kV ou même 50 kV, ce qui pourrait révolutionner le transport d’électricité à courant continu et haute tension (HVDC), les chemins de fer électriques et les systèmes énergétiques connectés au réseau.
Mobilité des électrons
La mobilité des électrons est définie comme la vitesse de déplacement des électrons sous l’effet d’un champ électrique. Elle est un élément essentiel de la commutation électronique et de la propagation des signaux, qui se produisent rapidement. L’amélioration de la mobilité des électrons dans ces dispositifs conduit à une amélioration des performances des circuits numériques et des dispositifs analogiques à haute fréquence. Bien que le GaN et le diamant aient des mobilités électroniques similaires, les dispositifs en diamant peuvent bénéficier de vitesses saturées plus élevées, permettant une commutation extrêmement rapide avec une faible résistance à l’état passant et des pertes réduites. Cela pourrait pousser les fréquences de commutation vers de nouveaux sommets, miniaturisant encore davantage les composants magnétiques tels que les transformateurs et les inductances.
Évaluation de la conductivité thermique
La conductivité thermique est une propriété des matériaux qui quantifie leur capacité à transférer la chaleur. Dans le domaine de l’électronique, une conductivité thermique élevée est essentielle. Cette propriété est cruciale pour une dissipation efficace de la chaleur, ce qui permet d’éviter la surchauffe et d’améliorer la fiabilité et la longévité des dispositifs. La conductivité thermique du diamant, qui est de 20 W/cmK, est la plus élevée de tous les matériaux connus, ce qui le rend exceptionnellement efficace pour la dissipation de la chaleur, un défi constant dans l’électronique de puissance.
Comme nous le savons tous, la gestion thermique est l’un des facteurs les plus coûteux et les plus limitants dans les systèmes haute performance. Le GaN, par exemple, nécessite souvent des substrats exotiques comme le carbure de silicium pour éviter la surchauffe. La capacité inégalée du diamant à dissiper la chaleur pourrait permettre à des appareils de fonctionner à des températures supérieures à 400°C sans dégradation, ce qui rendrait possibles des systèmes plus compacts et plus robustes, en particulier dans les applications aérospatiales et à haute température.
Où en sommes-nous aujourd’hui ?
Malgré le battage médiatique, les semiconducteurs en diamant ne sont pas encore produits à grande échelle. Mais des progrès significatifs ont été réalisés au cours de la dernière décennie, en particulier dans la fabrication de diamants synthétiques, grâce au dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le CVD permet de produire des plaquettes de diamant monocristallin ultra pur de grande surface, une condition préalable essentielle à la fiabilité des dispositifs semiconducteurs.
Aujourd’hui, des diodes Schottky et des transistors FET de puissance en diamant ont été testés en laboratoire et présentent des caractéristiques prometteuses. Cependant, leur commercialisation à grande échelle en est encore à ses débuts, limitée par le coût de fabrication, la densité des défauts, le contrôle du dopage et l’évolutivité. Les dernières recherches sont toutefois très encourageantes.
Voici quelques développements notables :
Avec le recul, je ressens la même chose que lorsque le SiC et le GaN en étaient encore au stade de la recherche. En tant qu’ingénieur en électronique de puissance, je me suis plongé dans de nombreux articles sur la technologie à large bande interdite et ses promesses, j’ai rédigé des articles et les ai présentés lors de conférences afin de partager mon enthousiasme avec la communauté des ingénieurs en électronique de puissance. Vingt ans plus tard, ces promesses sont devenues une réalité commerciale.
Après des années de recherche fondamentale, l’utilisation du diamant dans l’industrie des semiconducteurs passe désormais à l’étape suivante, qui consiste en la pré-industrialisation et le développement d’un écosystème pour soutenir les futurs produits commerciaux.
Il est difficile, voire impossible, d’énumérer toutes les étapes importantes qui ont récemment eu lieu dans l’industrie des semiconducteurs à base de diamant. En tant que ressortissant français travaillant pour une entreprise européenne détenue par la société japonaise Cosel, je voudrais partager quelques projets notables au Japon et en France (UE), mais il ne fait aucun doute que de nombreuses initiatives similaires ont été prises aux États-Unis.
Au Japon :
On sait que le premier circuit de puissance contenant des semiconducteurs en diamant synthétique a été développé par une équipe de recherche d’une université japonaise. Après avoir exploré l’hypothèse selon laquelle les semiconducteurs en diamant pourraient surpasser le silicium et d’autres matériaux actuellement utilisés, une équipe de l’université de Saga, dirigée par le professeur Makoto Kasu, a lancé une étude sur les semiconducteurs en diamant et mis au point un transistor Mosfet à canal N fonctionnel fabriqué à partir de diamant.
Premier circuit amplificateur au monde à semiconducteur en diamant fonctionnant à 300°C, brevet en instance (photo gracieusement fournie par Ookuma Diamond Device) – © Ookuma Diamond Device
Circuit amplificateur différentiel Mosfet en diamant (photo gracieusement fournie par Ookuma Diamond Device) – © Ookuma Diamond Device
Un autre moment décisif dans l’évolution de l’industrie japonaise des semiconducteurs a été l’arrêt de l’exploitation de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, précipité par le tsunami qui a suivi le grand séisme de l’est du Japon le 11 mars 2011. Dans le cadre du processus de démantèlement des réacteurs, une initiative de recherche a été lancée en 2012 dans le but de développer des semiconducteurs en diamant capables de fonctionner dans l’environnement hostile de la centrale nucléaire endommagée, contaminée par de fortes radiations.
Cette initiative a été rendue possible grâce à la convergence des compétences techniques d’organismes de premier plan tels que l’AIST, l’Agence japonaise de l’énergie atomique (JAEA), l’université d’Hokkaido et l’Organisation pour la recherche sur les accélérateurs à haute énergie (KEK).
L’objectif était clair : mettre au point une approche critique, des systèmes de surveillance utilisant des semiconducteurs en diamant capables de résister à des niveaux de rayonnement élevés, afin de fournir des données détaillées, notamment sur la dose de neutrons sur les débris de combustible. Cette initiative a été lancée afin de garantir une planification plus sûre et plus efficace du retrait des débris.
Dans le cadre de ce projet, Ookuma Diamond Device, une start-up fondée conjointement par l’université d’Hokkaido et l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), a mis en place un système verticalement intégré pour la fabrication de semiconducteurs en diamant, couvrant tout, de la conception des substrats à l’assemblage du premier circuit amplificateur différentiel au monde utilisant des semiconducteurs en diamant. Le fonctionnement à long terme de ce circuit dans un environnement à haute température (300℃) a été confirmé, ce qui a abouti au dernier prototype en date, représenté sur les photos ci-dessus.
Au début de l’année 2025, des rapports ont fait état d’une avancée significative dans le domaine des technologies avancées des semiconducteurs. L’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), en collaboration avec Honda R&D, a réussi à fabriquer un prototype de Mosfet en diamant à terminaison H. Cette percée a marqué la première démonstration d’un fonctionnement de commutation à grande vitesse de l’ordre de l’ampère, une avancée majeure dans le domaine de la recherche et du développement des semiconducteurs. L’équipe de recherche de Keita Takaesu et al. a augmenté la taille du substrat et développé une technologie de câblage parallèle afin d’augmenter le courant (https://doi.org/10.35848/1882-0786/adba3a). À l’avenir, ils prévoient d’appliquer cette technologie à la prochaine génération de dispositifs d’alimentation mobiles. Ils sont actuellement en train de vérifier et de valider les résultats préliminaires, qui ouvriront la voie à des Mosfet en diamant à courant plus élevé.
En Europe :
Plusieurs projets ont été menés en Europe, mais il convient de mentionner le programme-cadre pour la recherche et l’innovation appelé Horizon 2020, qui a été lancé en janvier 2014. Les objectifs d’Horizon 2020 étaient de renforcer les bases scientifiques et technologiques de l’UE, de créer un espace européen de la recherche avec libre circulation des chercheurs et des connaissances, et de faire progresser l’UE vers une société de la connaissance et une économie compétitive.
Diodes Schottky et transistors FET de puissance sur des plaquettes de diamant semiconducteur, avant encapsulation (photo gracieusement fournie par Diamfab) – © Diamfab
Dans le cadre d’Horizon 2020, un sous-projet intitulé « Green Electronics with Diamond Power Devices », coordonné par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) français, visait à explorer les possibilités et la faisabilité de cette technologie prometteuse et a ainsi formé un consortium. Le consortium rassemble des experts en conception de dispositifs de puissance, en croissance et caractérisation du diamant, en conditionnement et en essais, ainsi qu’un utilisateur final innovant. La plupart des partenaires étaient également impliqués dans les technologies SiC ou GaN, ce qui a permis au projet de bénéficier de leur vaste expérience et de leurs réalisations dans le domaine des semiconducteurs à large bande interdite.
Parmi les rapports notables publiés dans le cadre de ce projet, et dans le cadre de la phase suivante, il faut mentionner la société française Diamfab, fondée en mars 2019 par son Pdg, Gauthier Chicot, et son directeur technique, Khaled Driche, et hébergée à l’Institut Néel-CNRS. Depuis sa création, Diamfab a mis en place un réseau de collaboration qui contribue au développement technologique de la synthèse de diamants et à la mise au point de composants de pointe tels que des diodes Schottky et des transistors Mosfet (voir photo ci-dessus).
En termes de recherche, il convient de mentionner la collaboration entre l’Institut Néel (CNRS), le Laboratoire des Plasmas et de la Conversion d’Énergie (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Université) et Diamfab, qui ont conçu un transistor en diamant atteignant un courant de conduction volumique record de 50 mA. Ce composant est un transistor à effet de champ à jonction (JFET) utilisant la conduction volumique. L’équipe a réussi à obtenir des couches homogènes de diamant dopé au bore, sans aucun défaut nuisible. Elle a ainsi pu augmenter le volume utile du transistor et de sa grille, qui atteint 14,7 mm avec 24 doigts parallèles (voir illustration ci-dessous). Le transistor n’est plus un simple démonstrateur miniature, mais un véritable composant utilisable, qui laisse présager un bel avenir pour la technologie des transistors en diamant.
À gauche, schéma en coupe transversale d’un JFET au diamant élémentaire avec le dispositif de mesure électrique. À droite, vue de dessus au microscope optique d’un JFET au diamant interdigité à la fin du processus de fabrication. (photo gracieusement fournie par Diamfab) – © Diamfab
Vision : où le diamant peut-il nous mener ?
Imaginez des onduleurs pour véhicules électriques avec un rendement de 99,9%, commutant à 1 MHz, ne nécessitant aucun système de refroidissement encombrant. Imaginez des modules d’alimentation spatiale ultra-compacts résistant à des températures et à des rayonnements extrêmes sur la Lune ou sur Mars. Ou encore, imaginez des réseaux intelligents fonctionnant à 100 kV avec des capteurs intégrés alimentés par des circuits intégrés en diamant. Ces visions peuvent sembler futuristes, mais il en était de même pour le SiC et le GaN il y a 25 ans.
Si le développement se poursuit, les semiconducteurs à base de diamant pourraient devenir la plateforme de choix pour les applications à très haute puissance et haute fiabilité au cours des deux prochaines décennies. Les gouvernements et les acteurs du secteur privé investissent de plus en plus dans la R&D sur le diamant, qu’ils considèrent comme une technologie stratégique ayant des implications tant sur le plan énergétique que sur le plan de la défense.
Conclusion : plus qu’une simple étincelle, un véritable phare
Dans le monde des semiconducteurs, le matériau définit les limites, et le diamant redéfinit ces limites. Même si sa commercialisation n’est pas pour demain, le potentiel de performance du diamant est trop important pour être ignoré. Alors que l’électronique de puissance continue d’exiger une efficacité accrue, des tensions plus élevées et des formats plus compacts, l’industrie doit garder un œil sur ce matériau exceptionnel.
Tout comme nous sommes passés du silicium au SiC à large bande interdite et au GaN pour permettre des avancées décisives dans les domaines de la mobilité électrique et des énergies renouvelables, la prochaine frontière pourrait bien être franchie grâce à la forme la plus dure du carbone, ouvrant la voie à la plateforme ultime pour les semiconducteurs de puissance.
Et comme nous l’avons fait lors des précédentes vagues d’innovation, ceux d’entre nous qui travaillent dans ce domaine doivent se préparer, non seulement sur le plan technique, mais aussi en faisant preuve d’imagination et de curiosité.
Références :
Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST)
Essais à double impulsion de classe ampère sur une puce Mosfet en diamant à terminaison H d’un demi-pouce
Applied Physics Express 18, 036502 (2025)
Laboratoire Plasma et Conversion d’Énergie
Courant supérieur à 50 mA dans un transistor à effet de champ à diamant interdigité
Damien Michez et al. – IEEE Electron Device Letters, 2024, 45 (11), pp.2058-2061. ⟨10.1109/LED.2024.3453504⟩
