Il existe une nouvelle façon de concevoir des puces informatiques et des circuits électroniques pour les environnements extrêmes :les fabriquer en diamant.

Une équipe d'ingénieurs électriciens de l'Université Vanderbilt a développé tous les composants de base nécessaires pour créer des dispositifs microélectroniques à partir de couches minces de nanodiamant. Ils ont créé des versions en diamant des transistors et, plus récemment, portes logiques, qui sont un élément clé dans les ordinateurs.

« Les appareils à base de diamant ont le potentiel de fonctionner à des vitesses plus élevées et nécessitent moins d'énergie que les appareils à base de silicium, " Le professeur de recherche en génie électrique Jimmy Davidson a déclaré. " Le diamant est le matériau le plus inerte connu, nos appareils sont donc largement immunisés contre les dommages causés par les radiations et peuvent fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que ceux fabriqués à partir de silicium. »

Leur conception d'une porte logique est décrite dans le numéro du 4 août du journal Lettres électroniques . Les co-auteurs de l'article sont l'étudiant diplômé Nikkon Ghosh, Professeur de génie électrique Weng Poo Kang.

Pas une bague de fiançailles

Davidson n'a pas tardé à souligner que même si leur conception utilise un film de diamant, ce 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 à l'aide d'une méthode appelée dépôt chimique en phase vapeur qui est largement utilisée dans l'industrie de la microélectronique à d'autres fins. Cette forme déposée de diamant coûte moins d'un millième du prix du diamant "bijou", ce qui l'a rendu suffisamment bon marché pour que les entreprises mettent des revêtements de diamant sur les outils, ustensiles de cuisine et autres produits industriels. Par conséquent, le coût de production des dispositifs nanodiamants devrait être compétitif par rapport au silicium.

Les applications potentielles incluent l'électronique militaire, circuits qui fonctionnent dans l'espace, commutateurs ultra-rapides, applications et capteurs à très faible consommation fonctionnant dans des environnements à fort rayonnement, à des températures extrêmement élevées jusqu'à 900 degrés Fahrenheit et des températures extrêmement basses jusqu'à moins 300 degrés Fahrenheit.

Hybride d'ancien et de nouveau

Les circuits de nanodiamant sont un hybride de tubes à vide à l'ancienne et de microélectronique à l'état solide moderne et combinent certaines des meilleures qualités des deux technologies.
Les dispositifs nanodiamants sont constitués d'un film mince de nanodiamants qui est déposé sur une couche de dioxyde de silicium. Tout comme ils le font dans les tubes à vide, les électrons se déplacent dans le vide entre les composants du nanodiamant, au lieu de traverser un matériau solide comme ils le font dans les dispositifs microélectroniques normaux. Par conséquent, ils nécessitent un emballage sous vide pour fonctionner.

« La raison pour laquelle votre ordinateur portable chauffe est parce que les électrons pompés à travers ses transistors heurtent les atomes du semi-conducteur et les chauffent, ", a déclaré Davidson. "Parce que nos appareils utilisent le transport d'électrons dans le vide, ils ne produisent pas autant de chaleur."

Cette efficacité de transmission est également l'une des raisons pour lesquelles les nouveaux appareils peuvent fonctionner avec de très petites quantités de courant électrique. Un autre est que le diamant est le meilleur émetteur d'électrons au monde, il ne faut donc pas beaucoup d'énergie pour produire de puissants faisceaux d'électrons. « Nous pensons que nous pouvons fabriquer des appareils qui utilisent un dixième de la puissance des appareils au silicium les plus efficaces, " dit Davidson.

La conception est également largement immunisée contre les dommages causés par les radiations. Le rayonnement perturbe le fonctionnement des transistors en induisant des charges indésirables dans le silicium, provoquant un effet comme le déclenchement du disjoncteur dans votre maison. Dans le dispositif nanodiamant, d'autre part, les électrons circulent dans le vide, il n'y a donc rien à perturber pour les particules énergétiques. Si les particules heurtent l'anode ou la cathode en nanodiamant, l'impact est limité à une petite fluctuation du flux d'électrons, pas une perturbation complète, comme c'est le cas avec les dispositifs au silicium.

"Quand j'ai lu les problèmes de la centrale électrique de Fukushima après le tsunami au Japon, J'ai réalisé que les circuits de nanodiamant seraient parfaits pour les circuits à sécurité intégrée dans les réacteurs nucléaires, " a déclaré Davidson. " Il ne serait pas affecté par les niveaux de rayonnement élevés ou les températures élevées créées par les explosions. "

Les dispositifs nanodiamants peuvent être fabriqués par des procédés que l'industrie des semi-conducteurs utilise actuellement. La seule exception est l'obligation de fonctionner sous vide, ce qui nécessiterait une certaine modification du processus d'emballage. Actuellement, les puces semi-conductrices sont scellées dans des boîtiers remplis d'un gaz inerte comme l'argon ou simplement encapsulées dans du plastique, les protégeant de la dégradation chimique. Davidson et ses collègues ont étudié le processus d'emballage et ont découvert que les scellés métalliques utilisés dans les circuits de qualité militaire sont suffisamment solides pour maintenir un vide adéquat pendant des siècles.