Le Diamant pour révolutionner les transports
Michel Amiet, représentant de la Direction générale de l'armement (DGA) et président du Conseil de perfectionnement de l'ESME Sudria, coordonne le programme Diamonix 2 dont le but est l'élaboration d'un composant en diamant au service de l'électronique de puissance. A la suite du Concordat GENELEC qui a eu lieu à l'ESME Sudria en janvier 2011 et qui est considéré comme la « Grand'messe » du génie électrique, une réunion de lancement s'est déroulée à l'école le 18 janvier 2012 réunissant les différents acteurs de la recherche académique et de l'industrie pour ce projet à la pointe de l'électronique de puissance. Le projet qui s'étale sur trois ans, avance progressivement. Interview de Michel Amiet.
Qu'est-ce que l'électronique de puissance ?
L'électronique de puissance concerne les circuits électriques dépassant la centaine de watts pour atteindre parfois plusieurs centaines de MW. Cette discipline est née avec l'avènement du transistor dans les années 1960 et représente à présent une des trois composantes du génie électrique. L'éolien, le naval, le ferroviaire et l'aéronautique en sont les grandes applications. L'un des enjeux principaux de l'électronique de puissance sont la réduction du volume, de la masse et du coût des matériaux utiles. Les composants de l'électronique de puissance sont en deux catégories : les composants conventionnels (Germanium, Silicium et l'arséniure de Gallium) et les « grand gap », qui ont une valence nettement supérieure aux conventionnels : le nitrure de Gallium (GaN), le carbure de Silicium (SiC) et le Diamant (C). Ces trois matériaux sont les composants d'avenir pour l'électronique de puissance avec un niveau industriel à plus ou moins long terme : le nitrure de gallium à horizon de deux ans, le carbure de silicium à horizon de trois ans et le diamant à horizon de 15 ans. Ces trois composants, classés dans l'ordre croissant ont une tenue supérieure en température, en rapidité de commutation et en tenue en tension de claquage. Ainsi le SiC peut tenir des tensions de l'ordre de 10 kV pour des températures de jonction de 400°C et le diamant de l'ordre de 20 kV pour 700°C.
Que va permettre le développement de nouveaux composants ?
Les composants « grand gap » ont besoin d'un système de refroidissement moins complexe voire nul, puisque leur tenue en température est bien plus élevée que celle du silicium. Cela répond à un réel besoin dans le secteur des transports puisque masse, volume et complexité sont des critères importants. Parmi les différents composants, le diamant est le plus intéressant sur tous ces critères. Mais il reste encore très coûteux à élaborer et les méthodes de synthèse sont encore en développement. A terme, l'usage de ces matériaux ouvre des perspectives révolutionnaires pour les transports comme le train, le transport maritime ou l'aéronautique. Pour les composants à « grand gap », la France a pour l'instant un train de retard sur les Etats-Unis, leaders pour le carbure de Silicium, retard moins flagrant sur les Allemands. Le GaN et le Sic étant des composants à court terme, la France a engagée des actions importantes pour pallier ce retard. Par contre elle occupe une place de leader en Europe, voire dans le monde sur le diamant.
Comment vont-ils être développés ?
Pour le diamant, comme pour les autres « grand gap » des filières industrielles ont été mises en place en France. Pour le diamant, le but premier est d'élaborer un matériau (substrat) de très grande pureté à partir de la croissance d'un germe. Il s'agit à présent de réaliser des substrats de diamètre suffisant pour conduire les autres opérations pour en faire un composant. La filière diamant traite donc du matériau jusqu'au packaging. Le programme Diamonix 2, qui fait suite au programme Diamonix qui s'est déroulé de 2007 à 2010, a été lancé pour atteindre des tailles de substrat« utilisables » et pour développer des composants de puissance en diamant. Il comprend 14 partenaires. Le « meneur » du projet est Alstom Transport. Le maître d'œuvre est la DGA, que je représente dans les filières « grand gap » dont celle du diamant. Le projet vise à apporter aux industriels de l'aéronautique, du militaire et du ferroviaire une avance technologique considérable qui pourrait permettre l'émergence au niveau français d'une industrie du semi-conducteur large bande. L'accent est mis sur l'amélioration de la qualité du matériau, de son dopage, mais aussi sur l'élargissement des surfaces.