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DIJOUX Jérôme 2AI EPMI
DUCHEMIN sylvain
Ecole d’Electricité, de Production et des Méthodes Industrielles
Cergy Pontoise
Projet deuxième année ingénieur
Utilisation du diamant en électronique
EPMI 8 juin 2006

DIJOUX Jérôme Utilisation du diamant en électronique 2AI EPMI
DUCHEMIN Sylvain
- 2 - 8 juin 2006
Remerciements
Nous tenons à remercier Jacques CHEVALIER et Marie Amandine PINAULT chercheurs au CNRS
du Laboratoire de Physique des Solides et de Cristallogene (LPSC) de Bellevue, qui nous ont permis
d’avoir une vision plus précise sur les semi-conducteurs à base de diamant, la synthétisation de
diamant, ainsi que l’avancée des recherches sur ce matériau dans le monde. Nous les remercions de
même pour avoir accepté de prendre un peu de leur temps pour nous accueillir et nous faire visiter leur
laboratoire ainsi que pour les documentations qu’ils ont pu nous fournir.

DIJOUX Jérôme Utilisation du diamant en électronique 2AI EPMI
DUCHEMIN Sylvain
- 3 - 8 juin 2006
Résumé
Le diamant est un cristal composé exclusivement d’atomes de carbone : c’est une forme métastable de
celui-ci, la forme finale étant le graphite. On le trouve à l’état naturel mais depuis une cinquantaine
d’années l’Homme parvient à le synthétiser soit par méthode Haute Pression Haute Température
(HPHT) soit par déposition en phase vapeur (CVD).
La synthèse de diamant a ouvert de nouveaux horizons, et permet à moindre coût d’exploiter les
propriétés exceptionnelles de ce matériau. C’est d’abord l’industrie qui l’exploita le premier
notamment pour sa dureté pour les outils de coupe.
Plus récemment des recherches ont été lancées afin de parvenir à le faire fonctionner en tant que semi-
conducteur. A l’état pur le diamant est un isolant, les recherches s’orientent alors vers des procédés de
dopage, encore mal maîtrisés pour ce matériau, qui lui permettront de devenir semi-conducteur.
Encore une fois ce matériau est promis à un grand avenir car ses propriétés lui permettent de surpasser
les semi-conducteurs actuels à base de silicium en terme de vitesse et de résistance à la chaleur. Il
s’agit donc d’un matériau tout à fait adapté à des applications en électronique de puissance.
Mots clefs : diamant, carbone, synthèse CVD, dopage, semi-conducteur, électronique de puissance.

DIJOUX Jérôme Utilisation du diamant en électronique 2AI EPMI
DUCHEMIN Sylvain
- 4 - 8 juin 2006
SOMMAIRE
INTRODUCTION 5
PARTIE I - PRESENTATION DU DIAMANT 6
1. D EFINITION 6
2. S TRUCTURE ATOMIQUE DU DIAMANT 6
3. L A FORMATION DU DIAMANT 6
3.1 N ATURELLE 6
3.2 A RTIFICIELLE 6
3.2.1. Techniques HPHT 7
3.2.2. Techniques CVD 7
3.2.3. Techniques d’analyse des couches obtenues 9
4. LES PROPRIETES DU DIAMANT 10
4.1 P ROPRIETES MECANIQUES 10
4.2 P ROPRIETES THERMIQUES 10
4.3 P ROPRIETES OPTIQUES 10
4.4 P ROPRIETES ELECTRIQUES 10
PARTIE II - UTILISATION DU DIAMANT EN ELECTRONIQUE 11
1. N OTION FONDAMENTALE SUR LES SEMI CONDUCTEURS 11
1.1. D EFINITION SEMI CONDUCTEUR 11
1.2. S TRUCTURE ELECTRONIQUE DES SEMI CONDUCTEURS 11
1.3. S EMI CONDUCTION INTRINSEQUE 13
2. L E DIAMANT EN TANT QUE SEMI - CONDUCTEUR 14
2.1. D ES PROPRIETES INTERESSANTES POUR L ’ ELECTRONIQUE DE PUISSANCE 14
2.2. L E DOPAGE DU DIAMANT 16
2.2.1. Mécanisme du dopage 16
2.2.2. Le dopage en pratique 18
PARTIE III- APPLICATIONS DANS L’ELECTRONIQUE 20
1. L' ELECTRONIQUE ACTIVE 21
1.1. L A DIODE SCHOTTKY 21
1.2. L ES DETECTEURS UV 22
1.3. A UTRES RECHERCHES 22
2. L' ELECTRONIQUE PASSIVE 22
3. A UTRES APPLICATIONS 23
CONCLUSION 25
BIBLIOGRAPHIE 26

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DUCHEMIN Sylvain
- 5 - 8 juin 2006
INTRODUCTION
Le mot diamant est dérivé du grec ‘adamas’ qui signifie ‘métal le plus dur’. Il s’agit d’un matériau
naturel essentiellement formé d'atomes de carbone, disposés suivant une structure particulière, qui se
forme sous certaines conditions (haute température T≥1500°C et haute pression P≥6 GPa). Sa rareté et
son prix élevé ont constitué pendant longtemps un obstacle à l'exploitation de ses propriétés
remarquables : forte dureté, transparence optique, forte conductivité thermique, très bonne inertie
chimique... La synthèse de diamants en laboratoire à partir du milieu 20
ième
siècle va permettre le début
de son utilisation dans l’industrie.
L’application qui nous intéresse dans cette étude est son utilisation en électronique ou plus
précisément en tant que semi-conducteur, c'est-à-dire un matériau présentant une conductivité
électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. L'objectif recherché est de mettre à profit les
propriétés physiques du diamant pour la fabrication de dispositifs électroniques adaptés aux milieux
hostiles et aux conditions extrêmes. En effet, résistant à des températures élevées (plus de 1000 °C), à
de fortes puissances et capable de répondre à de hautes fréquences, le diamant dépasse les matériaux
actuellement utilisés dans les semi-conducteurs tels que le silicium qui compose 90 % des composants
semi-conducteurs [6], [7].
L’objet de notre travail ici est la réalisation d’une étude bibliographique dont le but est de faire un état
de l’art, de l’utilisation du diamant en tant que semi conducteur en électronique et de faire un point sur
les recherches actuelles.
Dans ce rapport nous répondrons à la problématique suivante :
 Qu’est ce qu’un diamant ?
 Quelles sont ses propriétés ?
 Comment se forme t’il ?
 Pourquoi l’utiliser en tant que semi conducteur en électronique ?
 Quels sont ses atouts, ses faiblesses ?
 Quelles sont les techniques de dopage mises en œuvre ?
 Quelles sont les applications du diamant en électronique?
 Quel est l’état de l’art du marché utilisant le diamant en électronique ?
Pour ce faire notre étude sera composée d’une première partie qui présentera de manière générale le
diamant, puis où l’on détaillera sa structure, ses multiples propriétés ainsi que sa formation (naturelle
et artificielle).
Une seconde partie sera consacrée à son utilisation en tant que semi conducteur en électronique. On
définira au préalable ce qu’est un semi-conducteur et les différentes notions dont on a besoin pour
comprendre les mécanismes utilisés. On expliquera quelles sont les propriétés du diamant qui le
rendent intéressant vis-à-vis des autres matériaux connus ainsi que les techniques de dopage pendant la
synthèse de diamant artificiel.
Enfin, une Troisième partie abordera les applications du diamant dans l’électronique : utilisation
passive et active.