Une nouvelle technique de découpage laser pour les semi-conducteurs en diamant

Les matériaux à base de silicium sont actuellement les leaders incontestés dans le domaine des semi-conducteurs. Malgré cela, les scientifiques du monde entier tentent activement de trouver des alternatives supérieures à l’électronique de nouvelle génération et aux systèmes haute puissance. Il est intéressant de noter que les diamants comptent parmi les matériaux les plus prometteurs pour des applications telles que les télécommunications rapides et la conversion d’énergie dans les véhicules électriques et les centrales électriques.

Malgré leurs propriétés attractives pour l’industrie des semi-conducteurs, les applications des diamants sont limitées en raison du manque de techniques permettant de les découper efficacement en fines tranches. En conséquence, les plaquettes de diamant doivent être synthétisées une par une, ce qui rend les coûts de fabrication prohibitifs pour la plupart des industries.

Aujourd'hui, une équipe de recherche japonaise, dirigée par le professeur Hirofumi Hidai de la Graduate School of Engineering de l'Université de Chiba, a trouvé une solution à ce problème.Dans une étude récente , mis en ligne le 18 mai 2023 et publié dans Diamond & Related Materials en juin 2023, ils rapportent une nouvelle technique de découpage au laser qui peut être utilisée pour trancher proprement un diamant le long du plan cristallographique optimal, produisant ainsi des tranches lisses. Leur étude est co-écrite par Kosuke Sakamoto, étudiant à la maîtrise de la Graduate School of Science and Engineering de l'Université de Chiba, et par l'ancien doctorant Daijiro Tokunaga, actuellement professeur adjoint à l'Institut de technologie de Tokyo.

Les propriétés de la plupart des cristaux, y compris les diamants, varient selon différents plans cristallographiques, c'est-à-dire des surfaces imaginaires contenant les atomes composant le cristal. Par exemple, un diamant peut être facilement découpé le long de la surface {111}. Cependant, le découpage {100} est difficile car il produit également des fissures le long du plan de clivage {111}, augmentant ainsi la perte de saignée.

Pour empêcher la propagation de ces fissures indésirables, les chercheurs ont développé une technique de traitement du diamant qui concentre de courtes impulsions laser sur un volume étroit en forme de cône à l'intérieur du matériau. « L’éclairage laser concentré transforme le diamant en carbone amorphe, dont la densité est inférieure à celle du diamant. Par conséquent, les régions modifiées par les impulsions laser subissent une réduction de la densité et la formation de fissures », explique Hidai.

En projetant ces impulsions laser sur l'échantillon de diamant transparent selon un motif de grille carrée, les chercheurs ont créé une grille de petites régions sujettes aux fissures à l'intérieur du matériau. Si l'espace entre les régions modifiées dans la grille et le nombre d'impulsions laser utilisées par région sont optimaux, toutes les régions modifiées se connectent les unes aux autres par de petites fissures qui se propagent préférentiellement le long du plan {100}. Par conséquent, une tranche lisse avec une surface {100} peut être facilement séparée du reste du bloc en poussant simplement une aiguille pointue en tungstène contre le côté de l'échantillon.

Dans l’ensemble, la technique proposée constitue une étape cruciale vers la transformation des diamants en un matériau semi-conducteur adapté aux technologies futures. À cet égard, Hidai remarque : « Le découpage du diamant permet la production de tranches de haute qualité à faible coût et est indispensable pour fabriquer des dispositifs semi-conducteurs en diamant. Par conséquent, cette recherche nous rapproche de la réalisation de semi-conducteurs en diamant pour diverses applications dans notre société, telles que l’amélioration du taux de conversion de puissance dans les véhicules et les trains électriques.

Espérons que ce cristal tant convoité nous donnera un avantage dans notre quête de développement technologique avancé, y compris celui qui peut assurer un avenir plus durable !

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Internet de l'Université de Chiba