Un record de conduction de courant pour un transistor en diamant
S’il est le semiconducteur théoriquement idéal, le diamant ne s’est pas encore imposé dans les transistors et autres composants. Des chercheurs et chercheuses ont fabriqué un transistor à effet de champ (JFET) en diamant d’une conduction de courant de 50 mA. D’après ces travaux publiés dans la revue IEEE Electron Device Letters, c’est cinq fois plus que le précédent record pour un transistor dont la conduction se fait dans tout le volume.
La majorité des transistors sont faits en silicium, en carbure de silicium ou en nitrure de gallium. Le diamant présente théoriquement de meilleures propriétés que tous ces matériaux, mais il est difficile à doper pour le rendre conducteur et sa croissance artificielle reste compliquée à contrôler. Des transistors en diamants sont néanmoins élaborés depuis une trentaine d’années et voient leurs performances s’améliorer. À terme, de tels composants feraient d’excellents composants dans les convertisseurs pour les véhicules électriques et l’aéronautique. Dans la plupart des cas, les transistors en diamant ne conduisent le courant qu’à leur surface, et non dans leur volume, ce qui peut poser des limites en termes de maîtrise de la conductivité, de reproductibilité de fabrication et de fiabilité. Les transistors basés sur une conduction volumique offrent un meilleur passage à l’échelle, au lieu de rester sur de minuscules prototypes, mais leur conductivité reste faible et ne dépasse pas les dix milliampères (mA).
Des chercheurs et chercheuses de l’Institut Néel (CNRS), du Laboratoire plasma et conversion d’énergie (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) et de la startup DIAMFAB (France) ont conçu un transistor en diamant atteignant une conduction volumique de courant record de 50 mA. Le composant est un transistor à effet de champ (JFET) utilisant une conduction volumique, des modèles qui sont composés de trois broches : la grille, le drain et la source. L’équipe a réussi à obtenir des couches homogènes de diamant, ici dopé au bore, sans y faire apparaître de défauts néfastes. Ils ont ainsi pu augmenter le volume utile du transistor et de sa grille, qui atteint 14,7 mm avec 24 doigts parallèles. Le transistor n’est alors plus un simple démonstrateur miniature, mais est un véritable composant utilisable.
Les scientifiques comptent à présent améliorer la conception et la réalisation de ces transistors, notamment pour développer leur tenue en tension, c’est-à-dire leur capacité à bloquer le courant sur commande. Il s’agira ensuite de tester leurs performances dans des environnements plus proches des applications. Enfin, les chercheurs et chercheuses se pencheront sur une autre architecture de transistor : les transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET).
© Michez et al.
Références
Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504
Article consultable sur les bases d’archives ouvertes Arxiv et HAL