DiamLab : des diamants synthétiques pour l’électronique de puissance

Une technologie prometteuse au service d’une énergie décarbonée

L’électronique de puissance est présente tout autour de nous : c’est elle qui permet de convertir l’électricité, par exemple celle produite par les panneaux solaires, mais également d’alimenter des appareils aussi variés que des chargeurs de téléphone à charge rapide ou des voitures électriques. Historiquement, le semi-conducteur employé pour ces tâches était le silicium, mais celui-ci atteint ses limites physiques fondamentales face aux besoins croissants de l’industrie. Plusieurs alternatives sont donc apparues : le nitrure de gallium, le carbure de silicium… et le diamant synthétique. 

DIAMFAB développe une solution innovante de diamant synthétique pour la haute puissance, les conditions extrêmes et le quantique. Khaled Driche, CTO de la société et co-directeur du laboratoire commun, précise les avantages de cette technologie. « Le diamant permet d’aller chercher des puissances très élevées, avec une taille et un poids de convertisseur réduits. De plus, il est fabriqué à partir de méthane et d’hydrogène, deux matériaux qui peuvent être biosourcés. Alors que la demande pour une énergie bas-carbone et efficiente ne fait qu’augmenter, le diamant est la meilleure option. » 

Un diamant parfait est composé exclusivement d’atomes de carbone, ce qui en fait un isolant. Afin de rendre le diamant semi-conducteur, et lui permettre de transmettre du courant, il faut changer ses propriétés en remplaçant un atome de carbone par un autre (bore ou azote). Ce processus s’appelle le dopage, et il se joue à l’échelle d’un atome pour 10 000, voire un atome pour un million. 

« C’est là qu’apparait la problématique scientifique », explique Gwenolé Jacopin, chargé de recherche CNRS à l’Institut Néel et co-directeur du laboratoire commun. « On veut quantifier ces niveaux de dopage, les maîtriser et introduire uniquement le type d’atome prévu, sans générer de défauts. »

Trois axes de recherche autour de la mise à l’échelle 

Trois fiches projets ont été définies pour l’instant dans le cadre du laboratoire commun. La première se concentre sur la compréhension et la maîtrise du dopage, la seconde sur la croissance et la troisième sur l’augmentation du courant. 

Le fil rouge de ces projets est la mise à l’échelle et la qualité du matériau, deux critères indispensables pour un usage industriel. « Nous voulons adapter les recettes que nous développons en laboratoire à un usage industriel, et pour cela nous devons mieux comprendre les procédés que nous maîtrisons déjà empiriquement », explique Gwenolé Jacopin. 

Dans la nature, les diamants sont produits sous haute pression et haute température : ce n’est pas l’approche suivie par les partenaires, qui « cassent » les molécules de gaz (du méthane) avec un générateur micro-ondes, ce qui donne un plasma où le carbone est déposé couche par couche. Une des pistes explorées porte sur l’étude du plasma, qui émet de la lumière à la manière d’un arc électrique. En l’analysant, il est possible d’avoir un suivi de la croissance en temps réel.

Pérenniser une collaboration de longue date

DIAMFAB, créée en mars 2019, est une entreprise issue de l’Institut Néel. Parmi les fondateurs, deux y ont réalisé leur thèse, et trois y occupaient des postes d’enseignant-chercheur. L’équipe a été hébergée 6 ans au sein de l’Institut Néel, où elle a pu bénéficier des équipements de caractérisation et des réacteurs, ou encore de la salle blanche (qui offre un environnement contrôlé pour fabriquer des composants). 

Le laboratoire commun est donc un approfondissement logique de la collaboration déjà étroite entre DIAMFAB et l’Institut Néel. Deux projets ANR sur le transistor diamant et les technologies diamant, ainsi qu’un projet européen, l’avaient précédé. Pour Khaled Driche, le laboratoire commun permet « d’avoir un cadre pour discuter de sujets sans qu’ils soient nécessairement liés à un projet précis – nous voulons travailler ensemble sur le long-terme, à échelle 5 ou 10 ans ». 

DIAMFAB a récemment fait l’acquisition de machines capables de fabriquer du diamant sur 4 pouces, qu’elle mettra à disposition du laboratoire commun. « DIAMFAB a pu bénéficier de l’aide de l’argent public, nous devons maintenant contribuer à la recherche publique en apportant nos moyens », considère-t-il. 

Un enjeu de souveraineté technologique

On l’a vu au moment du COVID, et le sujet reste d’actualité en cette période de tensions géopolitiques : l’approvisionnement en composants pour l’industrie est stratégique. Le diamant synthétique est généré à partir de matière (hydrogène et méthane) disponible localement, ce qui permet de ne pas dépendre de terres rares (dont le marché est dominé par la Chine). « Toute la chaîne de valeur est présente en France, salue Khaled Driche, si les industriels et la recherche s’associent, nous pouvons créer une filière autonome. » 

De plus, la France a une avance technologique à consolider, des recherches étant menées depuis une trentaine d’années. Le laboratoire commun est un pas dans cette direction, mais il n’oublie pas la prospective pour autant. « Nous voulons aussi aider l’entreprise à aller vers des sujets plus risqués en s’appuyant sur l’expertise de l’Institut Néel, pour continuer à tester des choses et à explorer », conclut Gwenolé Jacopin.