LSPM Le diamant : un candidat sérieux pour l`électronique

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LSPM
Le diamant : un candidat sérieux
pour l’électronique ?
Le diamant est constitué d’atomes de carbone liés
selon une structure cubique par des liaisons ato-
miques extrêmement solides. Ces liaisons donnent
au diamant les caractéristiques qu’on lui connaît :
sa brillance, traduite par un indice de réfraction
très élevé, sa solidité, sa grande conductivité ther-
mique qui lui donne cet aspect froid au toucher…
Les propriétés électroniques du diamant, issues
de cette structure atomique particulière, sont en
revanche moins célèbres. Le diamant est un maté-
riau à grande bande interdite : les électrons sont
fortement liés aux atomes de carbone et ne peuvent
se déplacer, faisant du diamant un matériau
isolant à température ambiante. Cependant, toute
charge injectée dans ce matériau se déplace à
grande vitesse, grâce à sa mobilité élevée. Cette
propriété, ajoutée à la tenue inégalée du diamant
aux fortes tensions et à son excellente conducti-
vité thermique permet d’envisager des applications
dans l’électronique de puissance ; le diamant est
alors rendu conducteur par un dopage au bore.
L’opération consiste en l’incorporation d’atomes de
bore au sein du diamant : ces atomes apportent
des charges électriques capables de circuler et de
porter le courant électrique.
Les concepteurs de détecteurs de radiation s’in-
téressent eux aussi de très près au diamant qui
résiste aux rayonnements intenses et peut donc
fonctionner en environnement difcile tout en per-
mettant une détection rapide.
Les diamants naturels de très haute pureté et
qualité étant rares, chers et présentant tous des
caractéristiques différentes, les applications élec-
troniques sont envisagées à partir de diamants syn-
thétiques. Les diamants les plus purs sont réalisés
par des procédés reproductibles de dépôt chimique
en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (en
anglais : Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposi-
tion ou CVD). Le LSPM a développé une expertise
reconnue dans la croissance de diamants dopés ou
non et travaille actuellement à la réalisation et à
la caractérisation de dispositifs électroniques en
diamant, en s’appuyant sur les équipements de la
salle blanche, la centrale de proximité de Paris 13.
Quelle que soit l’application visée, la connaissance
précise de la mobilité des charges dans le diamant
est cruciale. Pour cela, des mesures de temps de
vol dans les dispositifs en diamant non dopé ont
été mises en œuvre au LSPM. Un échantillon de
diamant non dopé est recouvert de chaque côté
d’électrodes métalliques. Des charges électriques
sont induites juste sous une électrode dans le
diamant par un rayon α, c’est-à-dire un noyau
d’hélium. La tension appliquée permet de collecter
ces charges à travers la seconde électrode :
l’impulsion de courant ainsi obtenue est ampliée
puis mesurée à l’aide d’un oscilloscope. La largeur
de cette impulsion est le temps de vol, c’est-à-dire
le temps nécessaire pour que les charges traversent
le diamant. Plus le temps de vol est court, plus les
charges sont mobiles.
Cette expérience a permis d’obtenir des mobilités
aussi hautes que 2200 cm²/Vs pour les électrons
comme pour les trous. Ces éléments sont à comparer
aux valeurs mesurées dans le silicium respectivement
de 1450 cm²/Vs et 450 cm²/Vs. Il faudra donc
compter avec le diamant pour les applications
électroniques futures.
Audrey VALENTIN
audrey[email protected]
contact
Laboratoire
des Sciences
des Procédés et
des Matériaux
(LSPM)
CNRS-UPR3407
Directeur :
Khaled Hassouni
p 01 49 40 34 37
Institut Galilée
Figure 1 :
Un échantillon de
diamant recouvert d’une
électrode d’aluminium,
prêt à être inséré dans le
support de caractérisation
par mesure de temps
de vol.
Figure 2 :
Schéma du banc
de mesure.
Figure 3 :
Courbes de temps de vol
obtenues avec les trous
(en noir) et les électrons
(en rouge). Le temps
de vol extrait des courbes
est indiqué.
La joaillerie raffole des diamants pour leur exceptionnelle brillance. Sa dureté extrême sert de
référence universelle. Mais ce cristal, lorsqu’il est élaboré dans des conditions très spécifiques,
possède également des caractéristiques électriques idéales pour des applications en forte
tension ou sous des radiations intenses. La mesure de ces caractéristiques ne peut cependant
être effectuée qu’avec des dispositifs adaptés.
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3