Growth of superconducting boron doped diamond on 4inch silicon wafers

Le diamant est généralement connu comme le matériau naturel le plus dur, une pierre précieuse qui conduit brillamment la chaleur mais bloque complètement l'électricité. Cependant, lorsque les scientifiques mélangent une petite quantité de bore dans la structure cristalline du diamant, le matériau change totalement de nature. Au lieu de se comporter comme un isolant, le diamant commence à conduire l'électricité comme un métal. Si suffisamment de bore est ajouté, le matériau subit une transformation remarquable à des températures très basses, entrant dans un état appelé supraconductivité. Dans cet état, l'électricité circule à travers le matériau sans aucune résistance, ce qui signifie qu'aucune énergie n'est perdue sous forme de chaleur. Cette propriété fait du diamant supraconducteur un candidat prometteur pour la construction de dispositifs électroniques avancés, tels que des capteurs ultra-sensibles et des ordinateurs quantiques, à condition que le matériau puisse être cultivé sous forme de grandes feuilles utilisables.

Pendant des années, des chercheurs ont réussi à cultiver ces films de diamant supraconducteurs sur de petites plaquettes de silicium, mesurant typiquement deux pouces de large. Bien que cette taille soit suffisante pour les tests et les petits prototypes, elle est trop petite pour la production de masse de dispositifs commerciaux. Pour rendre ces matériaux exploitables pour la technologie du monde réel, les scientifiques doivent les cultiver sur des surfaces beaucoup plus grandes, telles que des plaquettes de quatre pouces, qui sont la taille standard utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs. Le défi réside dans le fait que le processus utilisé pour cultiver les films de diamant, appelé dépôt chimique en phase vapeur, ne se comporte pas toujours de la même manière lorsque la taille de la surface change. Les conditions qui fonctionnent parfaitement sur un petit cercle pourraient échouer ou produire des résultats inégaux sur un cercle plus grand. Une équipe de chercheurs de l'Université de Cardiff s'est donné pour mission de résoudre ce problème en tentant de cultiver des films de diamant dopés au bore sur des plaquettes de silicium de quatre pouces, dans le but de voir s'ils pouvaient maintenir des performances de haute qualité sur toute la surface.

Les chercheurs ont commencé par préparer les plaquettes de silicium avec une couche de minuscules graines de diamant pour encourager la croissance uniforme du nouveau film. Ils ont ensuite placé ces plaquettes dans une chambre spéciale où ils les ont chauffées à environ 800 degrés Celsius et les ont baignées dans un plasma d'hydrogène et de gaz méthane. Pour créer le matériau supraconducteur, ils ont introduit du bore dans le mélange gazeux. Ils ont testé une large gamme de concentrations de bore, en commençant par une faible quantité et en l'augmentant progressivement pour voir comment le matériau réagissait. L'objectif était de trouver le point d'équilibre précis où la teneur en bore était suffisamment élevée pour déclencher la supraconductivité, mais pas trop élevée pour endommager la structure cristalline. Ils ont cultivé six films différents, chacun ayant un rapport distinct entre le bore et le carbone dans le gaz, allant d'environ 6 500 parties par million à plus de 36 000 parties par million.

Lorsque l'équipe a examiné la surface de ces nouveaux films sous des microscopes puissants, elle a constaté que la texture physique restait remarquablement constante. Peu importe la quantité de bore ajoutée au gaz, les minuscules grains qui composent le film de diamant conservaient sensiblement la même taille, mesurant entre 240 et 270 nanomètres de large. C'était une première étape cruciale, car cela signifiait que l'ajout de bore ne ruinait pas la lissé ou la structure du film. Le véritable test, cependant, consistait à savoir si les films pouvaient réellement conduire l'électricité sans résistance. Les chercheurs ont refroidi les échantillons à seulement deux degrés au-dessus du zéro absolu et ont mesuré leurs propriétés électriques. Ils ont découvert que le film avec la plus faible concentration de bore ne devenait pas du tout supraconducteur. Cependant, tous les autres films, de la concentration suivante la plus basse jusqu'à la plus élevée, sont entrés avec succès dans l'état supraconducteur.

La découverte la plus excitante fut la façon dont la température à laquelle le matériau devenait supraconducteur changeait avec la quantité de bore. À mesure que les chercheurs augmentaient le bore dans le gaz, la température à laquelle le film devenait supraconducteur augmentait régulièrement. Il a atteint sa performance maximale dans le film avec un rapport de gaz d'environ 24 700 parties par million, où le matériau est devenu supraconducteur à 4,03 Kelvin. C'est une température significative pour ce type de matériau, car c'est le point le plus haut de la courbe avant que la performance ne commence à chuter. Lorsqu'ils ont ajouté encore plus de bore au-delà de ce point, la température de supraconductivité a recommencé à baisser. Cela nous indique qu'il existe une quantité optimale de bore pour obtenir les meilleurs résultats ; ajouter trop de bore nuit en réalité à la capacité du matériau à conduire l'électricité sans perte. Le film présentant la meilleure performance pouvait également résister à un champ magnétique puissant de plus de 3 Teslas avant de perdre son état supraconducteur, une exigence vitale pour de nombreuses applications électroniques.

Pour s'assurer que ces résultats n'étaient pas seulement un coup de chance sur un point isolé de la plaquette, l'équipe a découpé des morceaux du centre, du milieu et du bord du meilleur film pour voir si la qualité était uniforme sur l'ensemble du cercle de quatre pouces. Ils ont constaté que les propriétés supraconductrices étaient effectivement présentes partout, mais qu'elles n'étaient pas parfaitement identiques. La pièce provenant du milieu de la plaquette a obtenu les meilleures performances, devenant supraconductrice à 4,19 Kelvin. La pièce du centre suivait de très près à 4,02 Kelvin. Cependant, la pièce prélevée au bord de la plaquette présentait une baisse notable, devenant supraconductrice à seulement 3,33 Kelvin. Cette variation suggère que, bien que toute la plaquette de quatre pouces puisse être rendue supraconductrice, les conditions au bord sont légèrement moins favorables qu'au milieu. Les chercheurs ont confirmé cela en utilisant une technique appelée spectroscopie Raman, qui utilise la lumière laser pour mesurer la quantité réelle de bore à l'intérieur du diamant. Les mesures ont montré que la concentration de bore était la plus élevée dans la section centrale et plus faible au bord, correspondant parfaitement au schéma de performance supraconductrice.

Lorsque l'équipe a comparé ses résultats sur les grandes plaquettes de quatre pouces aux travaux précédents réalisés sur de plus petites plaquettes de deux pouces, une différence claire est apparue. Sur les plaquettes plus petites, les meilleures propriétés supraconductrices étaient obtenues avec des quantités de bore beaucoup plus faibles dans le gaz. Pour obtenir les mêmes résultats de haute qualité sur les grandes plaquettes de quatre pouces, les chercheurs ont dû utiliser des mélanges gazeux avec des concentrations de bore nettement plus élevées. Cela indique que le processus d'incorporation du bore dans le cristal de diamant devient moins efficace à mesure que la zone de croissance s'élargit. Il est probable que la densité d'énergie du plasma utilisé pour cultiver le film soit trop dispersée sur la plus grande surface pour incorporer le bore aussi efficacement que sur un cercle plus petit. Malgré ce défi, le fait qu'ils aient pu cultiver un film supraconducteur couvrant une partie substantielle d'une plaquette de quatre pouces est une étape majeure. Cela prouve que ces matériaux peuvent être mis à l'échelle pour la fabrication, même si la recette doit être ajustée pour la plus grande taille.

L'étude conclut que, bien que la culture de diamant supraconducteur sur de grandes plaquettes soit réalisable, elle nécessite un réglage minutieux de l'apport en bore pour compenser la réduction d'efficacité du processus de croissance sur une plus grande échelle. Les chercheurs ont démontré qu'il est possible de produire une grande zone de matériau supraconducteur, ce qui ouvre la voie à la création de dispositances plus complexes et plus larges. La clé du succès réside dans la gestion de la concentration de bore et la garantie qu'elle soit répartie aussi uniformément que possible sur la plaquette. En identifiant ces défis spécifiques, ce travail offre une voie claire pour les améliorations futures, faisant passer la technologie du banc d'essai du laboratoire vers les lignes de production nécessaires à l'électronique de nouvelle génération.