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Qu'est-ce que Semi-conducteur diamant ?

Semi-conducteur fait de diamant, un cristal de carbone. Avec une bande interdite d'environ 5,5 eV, l'une des plus hautes conductivités thermiques de tous les matériaux et un champ de claquage élevé, il est prometteur pour les dispositifs haute tension, haute fréquence et haute température, mais le dopage de type n et les grands substrats sont difficiles.

Nom japonais: ダイヤモンド半導体

« Semi-conducteur diamant » apparaît dans 2 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Semi-conducteurs composés.

Domaine: Semi-conducteurs composés

Propriétés du matériau

Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite, et même ultra-large : sa bande interdite vaut environ 5,5 eV, et son champ de claquage attendu, d'environ 10 MV/cm, dépasse de loin les quelque 3 MV/cm du SiC et du GaN. Sa conductivité thermique d'environ 2000 W/(m·K) est l'une des plus élevées de tous les matériaux, environ 5 fois celle du cuivre. Les mobilités des électrons et des trous sont aussi relativement élevées, si bien que son facteur de mérite théorique pour les composants de puissance dépasse ceux du SiC et du GaN. C'est pourquoi on l'appelle parfois le « semi-conducteur ultime ».

Pourquoi le dopage est difficile

On peut obtenir du diamant de type p en ajoutant du bore, mais le niveau accepteur se situe environ 0,37 eV au-dessus de la bande de valence, si bien qu'à température ambiante seule une partie du bore libère des trous. Le type n est encore plus difficile : le niveau donneur du phosphore se situe environ 0,57 eV sous la bande de conduction, si bien que très peu d'électrons sont libres à température ambiante. L'absence de niveaux peu profonds à partir desquels presque tous les dopants libèrent des porteurs, comme dans le Si ou le SiC, est la raison fondamentale de la difficulté des dispositifs en diamant.

Transistors à surface hydrogénée

Quand une surface de diamant est terminée par des atomes d'hydrogène, une fine couche conductrice de trous (un gaz de trous bidimensionnel) se forme juste en dessous. On pense qu'elle provient d'échanges d'électrons avec des substances adsorbées en surface, et l'adsorption de NO2 ou de molécules similaires augmente la densité de trous. Comme cela contourne le problème des niveaux de dopants profonds, des MOSFET à canal p utilisant cette couche de surface comme canal sont étudiés. En 2023, l'université de Saga a annoncé le fonctionnement d'un circuit de puissance utilisant des MOSFET diamant à canal p dont les trous étaient induits par du NO2.

Substrats et défis restants

Le diamant monocristallin est fabriqué par des méthodes comme le CVD (dépôt chimique en phase vapeur) à partir de méthane et d'hydrogène, mais produire en masse et à bas coût des substrats de grand diamètre et peu défectueux comme pour le Si ou le SiC reste difficile, si bien qu'au milieu des années 2020 la recherche se concentre sur de petits substrats. Outre les composants de puissance haute tension, on étudie des applications comme les amplificateurs haute fréquence de forte puissance, des dispositifs résistant aux rayonnements et aux hautes températures, et des capteurs quantiques utilisant les centres azote-lacune (NV) du diamant.

S'entraîner : questions sur Semi-conducteur diamant

Dans un semi-conducteur diamant, pourquoi la densité d'électrons à température ambiante d'une couche de type n dopée au phosphore est-elle très inférieure à la concentration de phosphore ?

  1. ALe diamant est un semi-conducteur à bande interdite indirecte
  2. BLe niveau donneur du phosphore est profond, à environ 0,57 eV sous la bande de conduction, si bien qu'il ne s'ionise presque pas à température ambiante
  3. CLe phosphore agit comme accepteur dans le diamant
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Réponse : B. Le niveau donneur du phosphore est profond, à environ 0,57 eV sous la bande de conduction, si bien qu'il ne s'ionise presque pas à température ambiante

Pour qu'un donneur libère un électron, il faut que l'agitation thermique fasse passer cet électron du niveau donneur à la bande de conduction. Dans le silicium, le niveau du phosphore est peu profond, à environ 0,045 eV sous la bande de conduction, si bien qu'il est presque entièrement ionisé à température ambiante. Dans un semi-conducteur diamant, le niveau du phosphore est profond, à environ 0,57 eV, bien au-delà de l'énergie thermique à température ambiante (environ 0,026 eV), si bien que la plupart des atomes de phosphore ne libèrent pas d'électron. Le bore, utilisé pour le type p, est lui aussi assez profond, à environ 0,37 eV, ce qui fait du dopage un défi majeur pour le développement des composants en diamant.

Pourquoi la couche conductrice formée en terminant la surface par de l'hydrogène est-elle étudiée comme canal pour les transistors en semi-conducteur diamant ?

  1. AUne fine couche de trous se forme juste sous la surface, ce qui permet de réaliser des transistors à canal p qui contournent le problème des niveaux de dopants profonds
  2. BLa terminaison hydrogène réduit la bande interdite du diamant à 0 eV et en fait un métal
  3. CLa terminaison hydrogène permet de former facilement des couches de type n
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Réponse : A. Une fine couche de trous se forme juste sous la surface, ce qui permet de réaliser des transistors à canal p qui contournent le problème des niveaux de dopants profonds

Dans un semi-conducteur diamant, les niveaux du bore et du phosphore sont profonds, si bien qu'il est difficile d'obtenir assez de porteurs à température ambiante. Lorsque la surface est terminée par de l'hydrogène, des échanges d'électrons avec les substances adsorbées forment un gaz bidimensionnel de trous juste sous la surface. L'adsorption de NO2 ou de molécules similaires augmente la densité de trous, et des MOSFET à canal p utilisant cette couche comme canal sont étudiés. En 2023, l'université de Saga a annoncé le fonctionnement d'un circuit de puissance utilisant des MOSFET en diamant dans lesquels les trous sont induits par NO2.

Questions fréquentes

Quels sont les avantages d'un semi-conducteur diamant ?

Il combine une large bande interdite d'environ 5,5 eV, un champ de claquage élevé d'environ 10 MV/cm et l'une des plus hautes conductivités thermiques de tous les matériaux. On s'attend à ce qu'il convienne aux composants de puissance haute tension qui dégagent beaucoup de chaleur et aux dispositifs utilisés à haute température ou sous rayonnement.

Pourquoi le diamant de type n est-il difficile à obtenir ?

Le niveau donneur du phosphore se situe environ 0,57 eV sous la bande de conduction, si bien qu'il ne libère presque aucun électron à température ambiante. L'accepteur bore est lui aussi assez profond, à environ 0,37 eV : une faible densité de porteurs à température ambiante est donc un problème commun.

Les semi-conducteurs diamant sont-ils utilisés commercialement ?

Au milieu des années 2020, ils en sont au stade de la recherche et développement. Des résultats comme des circuits de puissance fonctionnels ont été rapportés, mais la production en masse de grands substrats de haute qualité et la résolution du problème du dopage sont décisives pour l'usage pratique.

« Semi-conducteur diamant » dans les explications

Questions mentionnant « Semi-conducteur diamant » (2)

  1. Dans un semi-conducteur diamant, pourquoi la densité d'électrons à température ambiante d'une couche de type n dopée au phosphore est-elle très inférieure à la concentration de phosphore ?
  2. Pourquoi la couche conductrice formée en terminant la surface par de l'hydrogène est-elle étudiée comme canal pour les transistors en semi-conducteur diamant ?

Termes associés

Donneur Chute d'efficacité (efficiency droop) Ga2O3 (oxyde de gallium) GaAs (arséniure de gallium) GaN (nitrure de gallium) Gap direct Gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) HEMT (transistor à haute mobilité électronique) InP (phosphure d'indium) Loi de Vegard

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