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Circuits de diamant pour environnements extrêmes

Il y a une nouvelle façon de concevoir les puces d’ordinateur et de circuits électroniques pour les environnements extrêmes : les construire en diamant. Une équipe d’ingénieurs en électricité à l’Université Vanderbilt a développé tous les composants de base nécessaires pour créer des dispositifs microélectroniques sur des films minces de nanodiamants. Ils ont créé des transistors et, plus récemment, des portes logiques, qui sont un élément clé dans les ordinateurs.

« Les dispositifs à base de diamant ont le potentiel pour fonctionner à des vitesses plus élevées et nécessitent moins de puissance que les dispositifs à base de silicium », explique le professeur de recherche en ingénierie électrique Jimmy Davidson. « Le diamant est le matériau le plus inerte connu. Nos dispositifs électronique sont donc largement à l’abri des dégâts d’irradiation et peuvent fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que les dispositifs équivalents à base de silicium. » Leur conception d’une porte logique est décrite dans la revue Electronics Letters.

Les applications potentielles incluent l’électronique militaire et aérospatiale, les commutateurs à ultra-haute vitesse, des applications à ultra-faible puissance et des capteurs qui fonctionnent dans des environnements de rayonnement élevé ou à des températures extrêmes (de -185° à 480° Celsius).

Même si leur conception utilise un film de diamant, il n’est pas exorbitant. Les appareils sont si petits qu’environ un milliard d’entre eux peuvent être fabriqués à partir d’un carat de diamant. Les films sont fabriqués à partir d’hydrogène et de méthane en utilisant une méthode appelée dépôt de vapeur chimique (CVD) qui est largement utilisé dans l’industrie de la microélectronique à d’autres fins. Cette forme de diamant déposé a un coût inférieur à un millième du coût de « bijoux » en diamant. Il est suffisamment bon marché pour que les entreprises mettent ces revêtements de diamant sur ​​les outils, les ustensiles de cuisine et autres produits industriels. En conséquence, le coût de production des dispositifs en nanodiamants devrait être compétitif avec le silicium.

Les circuits de nanodiamants sont un hybride entre les vieux tubes à vide et la microélectronique à l’état solide moderne. Ils combinent quelques-unes des meilleures qualités des deux technologies. Les dispositifs en nanodiamants se composent d’un film mince de nanodiamants qui est déposé sur une couche de dioxyde de silicium. Tout comme ils le font dans des tubes à vide, les électrons se déplacent dans le vide entre les composantes en nanodiamants, plutôt que de couler à travers un matériau solide comme ils le font dans les dispositifs de microélectroniques normaux. En conséquence, ils ont besoin d’un emballage sous vide pour fonctionner.

« La raison pour laquelle votre ordinateur portable devient chaud est parce que les électrons se déplaçant dand les transistors se cognent avec les atomes du semi-conducteur et les réchauffe», explique Davidson. « Parce que nos appareils utilisent le transport des électrons dans le vide, ils ne produisent pas autant de chaleur. » Ce rendement de transmission est aussi l’une des raisons pour lesquelles les nouveaux appareils peuvent fonctionner avec de très petites quantités de courant électrique. Une autre est que le diamant est le meilleur émetteur d’électrons dans le monde. Il ne faut pas beaucoup d’énergie pour produire de forts faisceaux d’électrons. « Nous pensons que nous pouvons fabriquer des dispositifs qui utilisent un dixième de la puissance du dispositif de silicium le plus efficace », a déclaré Davidson.

Le design est aussi largement à l’abri de dégâts d’irradiation. La radiation perturbe le fonctionnement des transistors en induisant des charges indésirables dans le silicium, ce qui provoque un effet comme le déclenchement du disjoncteur de votre maison. Dans le dispositif de nanodiamants, d’autre part, le flux des électrons se fait à travers le vide donc les particules énergétiques dues à la radiation n’ont rien à perturber. Si les particules atteignent l’anode ou la cathode de nanodiamants, l’impact est limité à une faible fluctuation dans le flux d’électrons, et non pas une perturbation complète, comme c’est le cas avec les dispositifs en silicium. «Quand j’ai lu au sujet des problèmes à la centrale nucléaire Fukushima après le tsunami japonais, j’ai réalisé que les circuits en nanodiamants, seraient parfaits pour les circuits à sécurité intégrée dans les réacteurs nucléaires », a déclaré Davidson. « Ils ne seraient pas affectés par les niveaux de radiation élevés ou les températures élevées créées par les explosions. »

Les dispositifs en nanodiamants peuvent être fabriqués par des procédés que l’industrie des semiconducteurs utilise actuellement. La seule exception est l’obligation de fonctionner dans le vide, ce qui exigerait une modification dans le processus de conditionnement. Actuellement, les puces de semi-conducteurs sont scellés dans des emballages remplis avec un gaz inerte comme l’argon ou simplement encapsulé dans du plastique, les protégeant ainsi de la dégradation chimique. Davidson et ses collègues ont étudié les processus d’emballage et ont constaté que les joints métalliques utilisés dans les circuits de qualité militaire sont assez forts pour tenir un vide adéquat pour des siècles.

Source : article original

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