A evolução do diamante na electrónica

Tendo como base as excelentes propriedades físicas do diamante e as promissoras figuras de mérito, muitas têm sido as tentativas de construção de dispositivos elec- trónicos [7].

As primeiras tentativas de fabrico de dispositivos começaram ainda durante a déca- da de 1950 [9]_{, em diamante natural dopado com boro. Vários foram os estudos que se}

seguiram neste material [10-20]_{. Tendo como objectivo principal a caracterização das}

propriedades eléctricas do diamante semicondutor e a demonstração da possibilidade de este ser usado em aplicações electrónicas, foram fabricados vários dispositivos de dois terminais, que incluem termístores [10], díodos Schottky [10, 15, 17, 18, 21], estruturas p+-n-i-metal e junções p-n obtidas por implantação iónica [11, 12, 16]. Foi também feito algum trabalho com detectores de radiação nuclear [13, 14, 22-26]. Prins reportou um transístor bipolar em diamante natural implantado ionicamente, mas com um ganho de corrente em emissor comum

h

fe

<

1. Alguns anos mais tarde, o diamante natural foi utilizado para o fabrico de um MESFET rudimentar [27] e de um transístor de base permeável [28]. Através da técnica de etching do diamante com feixe de iões [29] foram também fabricados transístores de base permeável.

O diamante sintético HPHT dopado com boro foi também usado para o fabrico de díodos Schottky [30, 31], termístores [32] e transístores bipolares de contactos pon- tuais [30], assim como de díodos de resistência negativa, baseados nos fenómenos de dupla injecção [33, 34].

Paralelamente à utilização do diamante natural e HPHT, foram desenvolvidas técni- cas de implantação iónica [11, 35-39] e de ion mixing [40]. Foi também dada especial importância ao desenvolvimento de contactos óhmicos de baixa resistência em dia- mante dopado com boro [41-47].

Um importante passo foi dado com o advento dos processos CVD. A pesquisa foi orientada em dois ramos distintos: o estudo das propriedades dos filmes homoepi- taxiais, utilizando cristais naturais e HPHT, e dos filmes heteroepitaxiais, ou policrista- linos, crescidos por exemplo em substratos de silício.

Além de poderem ser facilmente dopados durante o processo de crescimento, sem as desvantagens dos processos de implantação iónica, os filmes de diamante crescidos em ambientes de CH4 e H2 têm a superfície de crescimento terminada com hidrogénio.

O hidrogénio induz uma camada tipo p de condutividade elevada próxima da superfície (HCL – High Conductivity Layer) com uma densidade de portadores

N

A

≈

1x10

13

cm-2, constante entre 150 e 400 K [48]_{. A profundidade desta camada de hidrogénio varia}

Capítulo 2

O Diamante na Electrónica

que faz com que estes se encontrem ionizados à temperatura ambiente, e a mobili- dade ronda os 30-40 cm2/(V·s) [48]. Esta camada superficial tornou possível o desen- volvimento de vários dispositivos superficiais em diamante homoepitaxial, sem ser necessária a sua dopagem.

Na década de 1980 a caracterização eléctrica do diamante centrou-se no estudo da condutividade do diamante (região neutra) e da sua dependência com a tempera- tura [49]. Estes trabalhos mostraram que os filmes de diamante CVD dopados têm uma condutividade activada termicamente com energias de activação semelhantes às do diamante cristalino com níveis de dopagem semelhantes. A elevada gama de impure- zas presentes nos filmes foi usada para mostrar a dependência da energia de activa- ção do nível de dopagem [50-52].

A partir de finais da década de 1980, Gildenblat et al., Geis et al., Shiomi et al. e Fujimori et al. construíram díodos Schottky em diamante monocristalino [53-59]. O desenvolvimento de contactos Schottky deu origem ao aparecimento de MESFETs (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) rudimentares [53, 58, 60]. Foram também fabricados MISFETs [61] _{(Metal Insulator Field Effect Transistor) e MOSFETs} [62] _(Metal

Oxide Field Effect Transistor). Holmes et al [62] construíram portas lógicas (NAND e NOR) com MOSFETs feitos em diamante homoepitaxial.

O diamante policristalino foi também alvo de investigação. Com o estudo da con- dução num regime de corrente limitada por carga espacial (Space-Charge Limited Current – SCLC), alguns autores tentaram estabelecer o efeito do hidrogénio nas propriedades eléctricas dos filmes [63-65]. Vários autores construíram e estudaram as propriedades de díodos Schottky [52, 66-74]_{. Aparentemente, tanto as características em}

corrente contínua (Direct Current – DC) como as de pequeno sinal dos díodos em diamante policristalino são controladas por níveis aceitadores profundos, notavelmente próximos dos níveis dos díodos fabricados em diamante homoepitaxial [31].

Ainda durante a década de 1980 surgiram LEDs (Light Emitting Diodes) a emitir no azul [72, 75, 76].

Os filmes policristalinos encontraram outra aplicação em filtros SAW (Surface Acoustic Wave) [77, 78].

A comparação entre filmes homo e heteroepitaxiais, feita por Williams et al. [79], mostrou que as propriedades dos filmes policristalinos, bastante mais baratos e pas- síveis de serem crescidos em grandes áreas, são perfeitamente comparáveis às dos filmes monocristalinos. De facto, as mobilidades e densidades superficiais dos porta- dores em filmes policristalinos MPCVD e HFCVD (alguns dos quais bastante escuros, devido à elevada percentagem de grafite) expostos a plasma de hidrogénio, quando comparadas com as da superfície hidrogenada de filmes homoepitaxiais, assumem valores bastante parecidos ou mesmo superiores - Tabela 2.3. Apenas o filme crescido por HFCVD apresenta uma mobilidade substancialmente inferior à do filme homoepi- taxial, devido talvez à inclusão no filme de impurezas provenientes do filamento, o que permitiu aos autores concluir que a condutividade da camada superficial dos fil- mes de diamante policristalinos, quando terminada com hidrogénio, é relativamente independente de parâmetros tais como o tamanho e a orientação dos grãos.

Capítulo 2

O Diamante na Electrónica

Tipo de filme

Densidade superficial

de portadores

(cm

-2

₎

Mobilidade

(cm

2

_/(V⋅s))

MPCVD (branco) 2x10 13 22 MPCVD (escuro) 5x10 13 20 MPCVD (branco) 5x10 12 40 HFCVD (escuro) 3x10 13 2 homoepitaxial 3x1013 23

Tabela 2.3 – Valores da densidade superficial e da mobilidade de portadores

em diferentes filmes de diamante, medidos por efeito de Hall

[79]

_.

Os filmes de diamante foram também usados para fabricar heteroestruturas de metal - diamante CVD - silício [67, 68, 74, 80, 81].

No documento Estudo físico de dispositivos semicondutores em diamante policristalino (páginas 53-55)