La croissance exponentielle de la puissance informatique ces dernières années a un prix de plus en plus difficile à payer : la chaleur. À mesure que les transistors à l’échelle nanométrique basculent à des gigahertz et que les architectures s’empilent verticalement, les points chauds au sein des puces peuvent grimper de dizaines de degrés au-dessus du reste du circuit, contraignant une réduction de la fréquence ou diminuant la durée de vie des appareils. Les solutions classiques —ventilateurs, radiateurs, chambres de vapeur, voire refroidissement liquide ou immersion— fonctionnent, mais arrivent trop tard : la chaleur est déjà née dans le silicium. La question fondamentale est évidente : et si l’on pouvait dissiper cette chaleur dès l’intérieur, à quelques nanomètres du transistor, avant qu’elle ne se concentre ?

Une équipe de l’Université de Stanford, dirigée par la professeure Srabanti Chowdhury, affirme avoir trouvé une voie pratique avec un matériau aussi inattendu que prometteur : le diamant. Non celui utilisé en bijouterie — monocristallin et épais —, mais un diamant polycristallin déposé sous forme d’une fine couche, de l’ordre de microns, croît directement sur les dispositifs à seulement 400 °C. Ce seuil est crucial : en dessous de 1 000 °C, il n’est plus nécessaire de détruire les interconnexions ou dielectriques du « backend » des puces modernes. Si cette technique parvient à une échelle industrielle, le concept de « couverture » ou structure thermique en diamant pourrait faire chuter drastiquement les températures internes, libérant ainsi de la marge pour plus de performances, une intégration en 3D accrue et une réduction de la consommation.

Pourquoi le diamant, et pourquoi maintenant ?

Le diamant est depuis longtemps connu en gestion thermique pour une propriété clé : sa conductivité thermique peut dépasser les 2 200–2 400 W/m·K en monocristal, soit jusqu’à six fois celle du cuivre. En version polycristalline, accessible via des processus industriels, les meilleures valeurs oscillent généralement entre 300 et 2 200 W/m·K, selon l’épaisseur, l’orientation et la méthode de fabrication. De plus, il est isolant électrique et présente une basse constante diélectrique, ce qui minimise la pénalisation sur le signal lorsqu’il est intégré là où aujourd’hui se trouvent les matériaux isolants classiques.

Le principal obstacle jusqu’ici était d’ordre processus: faire croître un diamant de haute qualité nécessitait des températures qui abîmaient le reste du circuit. La nouveauté de Stanford se situe à deux niveaux : une granulométrie contrôlée dès le départ — avec de grands cristaux qui conduisent bien à l’horizontale, évitant les « forêts » de colonnes peu efficaces — et une croissance à faible température (≈ 400 °C), grâce à une chimie de dépôt incorporant de l’oxygène pour « nettoyer » le carbone non diamant durant la croissance. Le résultat est une couche enveloppante pouvant couvrir également les côtés des dispositifs 3D, rapprochant ainsi un « diffuseur thermique » à quelques nanomètres du point chaud.

Un pont invisible pour la chaleur : le rôle du carbure de silicium

Intégrer différents matériaux introduit presque toujours un goulot d’étranglement : la résistance thermique de l’interface (TBR). Sur cette limite, les phonons — paquets vibratoires transportant la chaleur — rebondissent si leurs réseaux cristallins ne communiquent pas bien, ralentissant ainsi le flux thermique. Le groupe de Chowdhury a observé quelque chose d’inattendu en faisant croître du diamant sur des dispositifs GaN recouverts de nitrure de silicium : la TBR chutait à des valeurs record. L’explication est venue de l’étude de l’interface : du carbure de silicium (SiC) se formait par intermixing, agissant comme un « pont phononique » entre les deux matériaux. Ce détail, bien que relégué à une étape de la recherche fondamentale, eut un impact immédiat : une amélioration notable de l’évacuation thermique sans nuire au fonctionnement des transistors.

Premier banc d’essai : les transistors RF en GaN

Les HEMT en GaN sont des candidats idéaux pour inaugurer une technologie de gestion thermique : ils sont tridimensionnels, fonctionnent à hautes densités de puissance, et leur canal électrique — le point qui chauffe — se trouve à seulement dizaines de nanomètres sous la surface. Si quelque chose « brise » la physique du dispositif, cela se voit immédiatement dans les mesures.

En entourant le transistor d’une mantaire en diamant polycristallin d’épaisseur micrométrique et en respectant une température de process inférieure à 400 °C, les résultats furent impressionnants : une réduction de 50 à 70 °C de la température du canal, et une amélioration des performances dans la bande X (entre 8 et 12 GHz) quand le transistor était moins chaud. Tout n’est pas parfait : certains paramètres de haute fréquence ont légèrement décrochi, mais le bilan thermique — et donc la fiabilité — s’est amélioré suffisamment pour attirer l’attention des industriels et institutionnels.

Vers le silicium : un cadre thermique pour le 3D

Le vrai défi, cependant, concerne les puces CMOS et leur futur empilement en 3D. Les mémoires à haut débit (HBM) et les accélérateurs pour l’intelligence artificielle se superposent déjà dans plusieurs « usines » ; ce montage promet des performances accrues mais augmente considérablement le défi thermique : il faut évacuer la chaleur de chaque couche, pas seulement de celle du dessus.

Voilà le concept d’« armature thermique » : insérer des couches ultrafines de diamant dans le « backend » du circuit, juste au-dessus des transistors, pour diffuser latéralement la chaleur et les relier entre elles via des piliers thermiques (en cuivre ou diamant même) qui la conduisent verticalement vers d’autres couches de dissipation ou directement vers le circuit de refroidissement. Sur des prototypes soumis à des charges thermiques simulant une utilisation réelle, cette structure a réduit la température de jusqu’à un dixième par rapport aux dispositifs sans cette structure, un résultat difficilement atteint avec des dissipateurs externes, qui arrivent en retard face au point chaud.

Les solutions actuelles : encore indispensables mais insuffisantes

Le secteur n’est pas resté sans réaction : dissipateurs plus denses, ventilateurs plus performants, chambres de vapeur optimisées, microcanaux pour les fluides, matériaux à changement de phase ou immersion dans des fluides diélectriques ont déjà permis de repousser les limites. Cependant, toutes ces méthodes traitent le problème après sa génération, et souvent à distance du transistor. Dans le cas de circuits empilés comme des « gratte-ciel de silicium », la chaleur qui ne se dissout pas à l’intérieur est difficile à récupérer dehors. L’introduction du diamant promet de compléter cet arsenal en rapprochant la gestion thermique à la source même de la chaleur.

Industrie et défense, alliées pour une fois

Le problème de la chaleur ne connaît pas de frontières entre secteurs : fabricants et fournisseurs rarement rassemblés autour d’une même table ont concentré leur attention sur cette innovation, tels Applied Materials, Samsung, Micron ou TSMC. Parallèlement, la DARPA impulse son programme THREADS (Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale), visant à refroidir à l’échelle du dispositif des modules de puissance et des amplificateurs RF dont la densité atteint 6 à 8 fois celle des dispositifs actuels. En défense, le margé thermique équivaut à performance et fiabilité accrues.

Les chiffres-clés (et leur lecture)

• Conductivité thermique : un diamant monocristallin atteint 2 200–2 400 W/m·K; un diamant polycristallin de haute qualité peut osciller entre 300 et 2 200 W/m·K selon l’épaisseur, l’orientation et le procédé. Le cuivre tourne autour de 400 W/m·K.
• Température de traitement : passer sous environ 900–1 000 °C à environ 400 °C ouvre la voie à son intégration dans des puces finies sans « griller » les interconnexions.
• Interface : la formation de SiC à l’interface diamant/nitrure de silicium/GaN réduit la TBR à des valeurs record (de l’ordre de m²·K/GW très faibles), facilitant la circulation du flux de phonons.
• Impact pratique : –50 à –70 °C de température du canal dans des dispositifs RF mesurés; environ –90 % dans des prototypes d’armature thermique pour banques 3D comportant des charges thermiques simulant une utilisation réelle.

Les enjeux encore ouverts

Tout n’est pas résolu. La clé consiste à atteindre des surfaces atomiquement planes au sommet du revêtement en diamant, indispensable pour continuer à empiler des métaux et des diélectriques dans le « backend » sans introduire de défauts. La reproductibilité à l’échelle de la wafer, la variabilité granulométrique dans des géométries complexes, et la compatibilité avec les procédés standards (BEOL) nécessitent encore une finesse d’ingénierie. Il s’agit de défis d’ingénierie, pas de physique impossible, ce qui rassure sur un potentiel industriel croissant : si le processus s’étend, la route vers des piles 3D plus froides et des puces plus denses se dégage.

Connecté à l’ère de l’IA

La demande thermique ne concerne pas uniquement la computation classique. Les accélérateurs pour IA générative atteignent des densités de puissance qui mettent à rude épreuve tout système de refroidissement. Certaines données parlent d’elles-mêmes : les serveurs GPU de nouvelle génération frôlent les 15 kW de consommation par châssis; empiler des mémoire HBM autour des puces logiques multiplie les points chauds et limite le scaling si on ne développe pas un système de dissipation supplémentaire. Intégrer le diamant dans le circuit n’élimine pas la nécessité du refroidissement liquide en centre de données, mais cela atténue les pics de chaleur susceptibles de ralentir la vitesse et la performance.

Impacts potentiels pour l’utilisateur et l’industrie

• Rendement accru : moins de throttling thermique lors de longues charges.
• Meilleure fiabilité : fonctionner plus frais limite fuites, electromigration et vieillissement des matériaux.
• Châssis plus compact : en diffusant la chaleur depuis l’intérieur, il pourrait être possible de réduire le volume et l’utilisation de métal externe.
• Architectures 3D innovantes : traiter le couvercle thermique couche par couche facilite des empilements plus denses et des circuits de signal plus courts.

Une voie pragmatique pour temporiser face à la chaleur

Depuis des années, l’industrie fantasme sur des transistors en diamant. Peut-être en niches, mais ils ne sont pas indispensables. La stratégie du « diamant comme isolant diélectrique thermique » paraît plus réaliste : elle s’appuie sur l’électronique existante, une chimie maîtrisée, et offre une nouvelle fonctionnalité là où les matériaux actuels, s’ils isolent, n’aident pas forcément à dissiper la chaleur. Si, comme le suggèrent les premières expérimentations, le procédé peut être industrialisé et maîtrisé à l’interface, il est raisonnable d’en attendre que « les mantaux de diamant » deviennent une pièce essentielle du puzzle thermique de la prochaine décennie.

Questions fréquentes

Le diamant intégré dans le circuit remplace-t-il les dissipateurs externes et la refroidissement liquide ?
Non. Il agit en amont, en atténuant les pics de chaleur dès leur origine, et complète les systèmes externes. Ensemble, ils offrent un plus large margin avant que le throttling thermique ne limite la performance.

Pourquoi est-il si crucial de réduire la TBR à l’interface ?
Parce qu’en dépit de sa conductivité exceptionnelle, le diamant ne peut pas transmettre efficacement la chaleur si les phonons rebondissent à l’interface. La formation d’un SiC permet de créer un « pont phononique » qui facilite ce transfert et optimise l’impact du diamant.

Peut-on intégrer cette technologie dans des circuits CMOS avancés sans compromettre le processus de fabrication ?
La promesse d’un dépôt à environ 400 °C repose sur la possibilité de rester en dessous du seuil qui endommage les interconnexions et dielectriques, tout en intégrant la couche dans le flux de fabrication du « backend ». Il reste à affiner la planéité, la reproductibilité, mais ces défis sont d’ingénierie, pas physiques insurmontables.

Quel serait l’impact à court terme ?
Principalement dans le domaine des RF haute puissance (GaN HEMT) et du 3D stacking de mémoire et calcul (HBM + logique), où la gestion thermique et les points chauds limitent aujourd’hui le développement.

Sources
• Analyse technique et divulgation sur la croissance du diamant polycristallin à basse température pour les « mantas thermiques » en RF et CMOS, avec résultats en GaN HEMT, structures thermiques 3D et partenaires industriels.
• Programme DARPA THREADS sur la dissipation thermique à l’échelle des dispositifs RF haute puissance.
• Étude sur la formation record de SiC à l’interface diamant/Si₃N₄/GaN, permettant un pont phononique basé sur SiC.
• Recherche sur les intercouches en diamant et piliers thermiques pour les SoC et le stacking 3D, avec des conductivités variées du diamant polycristallin et des prototypes de thermal scaffolding.
• Recueil récent sur la méthode de manta de diamant et ses effets de réduction thermique en essais et simulations.

via spectrum.ieee.org