Diamfab : cet Isérois, façonneur de diamants synthétiques pour la microélectronique

Il n'était pas au CES et pourtant, il est positionné sur un créneau de niche qui peut en faire rêver plus d’un : depuis 2019, Diamfab, spin-off de l’Institut Néel de Grenoble, travaille sur la conception de couches de diamants synthétiques... Car en supportant des conditions extrêmes, ce matériau pourrait bien devenir le "joker" du silicium dans le monde de la microélectronique, qui fait face à un besoin accru en matière de composants.

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Diamfab, qui rêve déjà de « devenir le Soitec du diamant », vise le marché de l’électronique de puissance, destiné entre autres à l’automobile, ainsi qu'une levée de 3 millions d’euros dès 2022, en vue de financer une première ligne de production.
Diamfab, qui rêve déjà de « devenir le Soitec du diamant », vise le marché de l’électronique de puissance, destiné entre autres à l’automobile, ainsi qu'une levée de 3 millions d’euros dès 2022, en vue de financer une première ligne de production. (Crédits : DR)

C'est encore une jeune pousse iséroise aux grandes ambitions : depuis sa création en 2019 sur la base d'une technologie de l'institut Néel, un laboratoire du CNRS de physique fondamentale, Diamfab n'a rien de moins que l'ambition de proposer une voie alternative et plus performante que le silicium, la principale base des composants électroniques. Et pour cela, elle a opté pour un matériau bien connu, mais dont le travail et la fabrication diffèrent : le diamant.

« On savait déjà que le diamant pouvait conduire l'électricité depuis la fin des années 60, mais nous avons maintenant réussi à doper efficacement ce matériau pour le rendre plus ou moins conducteur », explique Gauthier Chicot, fondateur et CEO, auteur d'une thèse visant à développer des transistors en diamant. Et d'ajouter :

« Cela fait 20 ans que l'on recherche des matériaux pour remplacer le silicium, afin de gagner en performances et notamment en efficacité pour la gestion d'énergie, pour des applications comme l'automobile électrique et de manière générale l'électronique de puissance ».

Dans la même veine que des technologies émergentes comme le nitrure de gallium ou le carbure de silicium (où se positionnent notamment de grands noms comme Exagan pour le premier, et Tesla et Soitec pour le second), le diamant synthétique offre également une alternative qui présenterait, selon Diamfab, plusieurs atouts :

«Le diamant est un matériau plus performant que le silicium qui permet de gérer des niveaux de puissance bien supérieurs, en faisant passer au sein de la même surface 5.000 fois plus de courant que le silicium, et aussi en gérant des tensions 30 fois plus élevées ».

De quoi promettre aux industriels de produire des capteurs gérant des puissances plus importantes, mais aussi, de réduire la taille des composants à puissance égale, ou de proposer par exemple une recharge en bornes électriques en courant continu, sans déperdition d'énergie. « Il s'agit d'un enjeu important pour le développement de toutes les mobilités électriques, qu'il s'agisse des avions hybrides, voitures électriques, etc... le tout proposant moins de pertes d'énergie », affirme Gauthier Chicot.

Autre avantage ? La plus grande résistance à la température du diamant, qui fait que lorsque les composants s'échauffent lors du fonctionnement, les performances ne seraient pas dégradées. « Cela permettra aussi de faire des systèmes électriques, et notamment des convertisseurs beaucoup plus compacts, puisqu'ils nécessiteront des systèmes de refroidissement plus petits que ceux que l'on connaît aujourd'hui, de l'ordre de 80% ».

Une matière rare, à faire « pousser » de manière synthétique

Jusqu'ici, le diamant faisait aussi partie des matières les plus chères, de par sa rareté à l'échelle terrestre. Mais là aussi, la technologie de Diamfab entend bien faire la différence : car pour transformer le visage de l'industrie de la microélectronique et bâtir des composants reposant sur des fines couches de diamant apposées sur les unes sur les autres et associées à des couches conductrices, la jeune pousse ne veut pas utiliser ce minéral à l'état brut.

Avec un pari : le fabriquer lui-même de manière synthétique. « Pour faire synthétiser du diamant, nous avons besoin de méthane, qui est un gaz ultra abondant à travers l'univers, et d'hydrogène. Car le diamant n'est rien de moins qu'un arrangement particulier d'atomes de carbone, la même base que le graphène et le graphite d'ailleurs », expose Gauthier Chicot.

Selon lui, ce procédé pourrait même être « verdi » par utilisation d'une énergie photovoltaïque, comme en Espagne en utilisant du biométhane. « On pourrait ainsi fabriquer à l'avenir du diamant synthétique avec une empreinte carbone neutre, mais également des composants électroniques qui contribueront à la sobriété énergétique en réduisant leur consommation d'énergie et allégeant des avions hybrides ».

Pour autant, le travail de synthèse nécessite notamment des conditions de pression et de température particulières, selon une technique nommée MPCVD, qui consiste en un dépôt chimique en phase vapeur où l'on utilise un générateur de micro-ondes pour générer un plasma, qui permet de décomposer des molécules de CH4 pour en récupérer les atomes de carbone. Soit une méthode éprouvée au cours des 30 années de R&D menées à l'institut Néel et ayant abouti à la synthèse et au dopage de couches minces de diamant avec une maîtrise unique.

Objectif : « Devenir le Soitec du diamant »

Ce procédé est d'ailleurs, pour l'heure, validé sur des composants de petite taille, mais doit encore passer à l'échelle : « pour l'instant, nous faisons pousser des couches très fines, de l'ordre du micromètre (1 millionième de mètre) sur des petites surfaces. Avec, la possibilité de gérer des tensions de 1.000 V par micromètre de diamant ».

Il concède d'ailleurs que ce procédé de fabrication peut encore être optimisé, afin de passer notamment de petites surfaces de production de quelques millimètres carrées, à des plaques plus importantes permettant de fabriquer davantage de composants électroniques de manière industrielle. « Pour l'instant, le procédé lui-même prend quelques heures à une demi-journée, mais cette durée peut également être amélioré », indique le CEO.

Du côté des prix également, Diamfab espère contribuer à la réduction des tarifs du marché du diamant synthétique, à mesure que les besoins des industriels augmenteront :

« Jusqu'ici, le diamant y compris synthétique est encore, pour l'instant, tiré par le marché de la joaillerie de luxe ». D'ailleurs, un projet espagnol vient d'ouvrir la marche en recevant une enveloppe de 850 millions d'euros pour installer une usine permettant de fournir la matière première à cette industrie naissante, en s'appuyant d'abord sur les besoins de la joaillerie.

De son côté, l'isérois rêve déjà de « devenir le Soitec du diamant », en participant à la création d'une nouvelle chaîne de valeur de cette filière. « Notre objectif n'est pas d'aller jusqu'à la fabrication du composant lui-même, mais de vendre plutôt les empilements de couches de diamants à des fournisseurs. C'est en quoi notre modèle se rapproche plutôt de celui de Soitec ».

Et d'ajouter : « il y a encore une époque, la valeur était principalement captée par les fabricants de composants finaux. Mais l'industrie s'est rendue compte que, pour aller au-delà des performances des composants actuels, il fallait changer de matériaux. C'est sur ce pari que des acteurs comme Soitec captent désormais une plus grande partie de la valeur, grâce à la performance de leurs matériaux ».

Avec, à la clé, des marchés de niche pour commencer comme ceux du spatial, de la défense et même du nucléaire, où les composants électroniques actuels pêchent encore par leur manque de résistance à des conditions extrême. "Aucun robot ne parvient encore à approcher les zones les plus contaminées de Fukushima par exemple », rappelle Gauthier Chicot. Mais aussi à terme des applications nécessitant de petites batteries performantes et embarquées au sein d'applications IoT, de dispositifs médicaux et à terme, de transports électriques.

Un marché potentiel astronomique

Le marché potentiel serait ainsi jugé "énorme" : certaines études estiment que les matériaux semiconducteurs dits grands gap (comprenant le nitrure de gallium, le carbure de silicium et le diamant) pourraient ainsi atteindre plus de 3 milliards de dollars en 2024.

« Même s'il est encore difficile de déterminer la part que pourrait prendre le diamant dans ce mix nous sommes persuadés qu'elle sera significative », confirme le CEO de Diamfab.

Une chose est sure : les 18 millions de véhicules électriques produits annuellement d'ici 2023 seront un argument de plus dans cette course. « On peut estimer que 5 à 7 milliards de dollars seront notamment fléchés vers le marché des composants de puissance ».

De son côté, l'isérois mise sur le développement d'une ligne pilote à compter de 2024 sur le bassin grenoblois, qui sera financée d'abord par une première levée de fonds à l'agenda courant 2022, pour une cible de 3 millions d'euros, puis par une seconde plus conséquente début 2024.

La jeune pousse aurait déjà rencontré une quarantaine d'investisseurs, dont une dizaine se montrent intéressés à ce stade. « Jusqu'ici, nous avons pu bénéficier des fonds et prêts deeptech qui nous permis d'aller chercher jusqu'à 1 million d'euros pour monter notre projet et notre équipe ».

Sa production en volume n'est cependant pas attendue avant 2025, le temps de lever encore les derniers verrous technologiques. « Nous avons déjà démontré la faisabilité de notre technologie en faisant pousser des couches de diamant sur quelques millimètres carrés, et nous devons désormais montrer aux industriels que cela peut se faire sur des wafers d'au moins 2 pouces, ce qui assurera la rentabilité de leurs productions », explique Gauthier Chicot.

Pour autant, il y voit un combat à mener pour l'industrie de la microélectronique, déjà très présente sur le bassin grenoblois, et dont les enjeux de souveraineté sont désormais à l'agenda au plus haut sommet de l'Etat : « Il s'agit clairement d'une opportunité à saisir car si relocalisation la production actuelle de silicium en Europe est impossible, c'est sur le terrain de ces nouveaux matériaux comme le diamant synthétique que l'on se différencier. Car même s'ils coûteront plus cher à produire, c'est là où l'on peut apporter de la valeur ajoutée tout en réduisant la taille des composants et en même temps, leur coût final ».

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