À medida que os consumidores em todo o mundo se tornam cada vez mais dependentes de eletrônicos, o transistor, um componente semicondutor central para a operação desses dispositivos, tornou-se um assunto crítico da pesquisa científica. Nas últimas décadas, cientistas e engenheiros conseguiram diminuir o tamanho médio do transistor e reduzir drasticamente seus custos de produção. A atual geração de smartphones, por exemplo, depende de chips em que cada um possui mais de 3,3 bilhões de transistores.

A maioria dos transistores são baseados em silício e a tecnologia de silício impulsionou a revolução do computador. Em alguns aplicativos, Contudo, o silício tem limitações significativas. Isso inclui o uso em dispositivos eletrônicos de alta potência e em ambientes hostis, como o motor de um carro ou sob o bombardeio de raios cósmicos no espaço. Dispositivos de silício são propensos a vacilar e falhar em ambientes difíceis.

Enfrentando esses desafios, Jiangwei Liu, do Instituto Nacional de Ciências de Materiais do Japão, e seus colegas descrevem um novo trabalho de desenvolvimento de transistores baseados em diamante esta semana no jornal Cartas de Física Aplicada .

"Transistores baseados em silício frequentemente sofrem de alta perda de chaveamento durante a transmissão de energia e falham quando expostos a temperaturas extremamente altas ou níveis de radiação, "Liu disse." Dada a importância de desenvolver dispositivos que usem menos energia e funcionem em condições adversas, tem havido muito interesse dentro da comunidade científica mais ampla em determinar uma maneira de construir transistores que utilizem diamantes manufaturados, que são um material muito durável. "

E com esse interesse em mente, a equipe desenvolveu um novo processo de fabricação envolvendo diamante, trazendo "eletrônica reforçada" mais perto da realização.

“Os diamantes manufaturados têm uma série de propriedades físicas que os tornam muito interessantes para os pesquisadores que trabalham com transistores, "disse Yasuo Koide, professor e cientista sênior do Instituto Nacional de Ciência de Materiais que lidera o grupo de pesquisa. "Não são apenas materiais fisicamente duros, eles também conduzem bem o calor, o que significa que podem lidar com altos níveis de energia e operar em temperaturas mais altas. Além disso, eles podem suportar tensões maiores do que os materiais semicondutores existentes antes de quebrar. "

O grupo de pesquisa concentrou seu trabalho em transistores de efeito de campo de óxido metálico-semicondutor de modo de aprimoramento (MOSFETs), um tipo de transistor comumente usado em eletrônica. Uma das características distintivas dos transistores é a inclusão de um terminal isolado denominado "portão", cuja tensão de entrada determina se o transistor conduzirá eletricidade ou não.

"Um dos desenvolvimentos que torna nosso processo de fabricação inovador é que depositamos isolante de óxido de ítrio (Y2O3) diretamente na superfície do diamante [para formar a porta], "disse Liu." Adicionamos óxido de ítrio ao diamante com uma técnica conhecida como evaporação por feixe de elétrons, que envolve o uso de um feixe de elétrons para transformar moléculas de óxido de ítrio do estado sólido para o estado gasoso, de modo que possam cobrir uma superfície e solidificar nela. "

De acordo com Liu, o óxido de ítrio tem muitas qualidades desejáveis, incluindo alta estabilidade térmica, forte afinidade com oxigênio e energia de intervalo de banda larga, o que contribui para suas capacidades como isolante.

"Outra inovação foi que o óxido de ítrio foi depositado como uma única camada, "Liu disse." Em nosso trabalho anterior, criamos bi-camadas de óxido, mas uma única camada é atraente porque é menos difícil e menos cara de fabricar. "

Liu e seus colegas esperam refinar sua compreensão do movimento do elétron através do transistor de diamante com projetos de pesquisa futuros.

“Trabalhamos com um tipo de diamante manufaturado que possui uma camada de hidrogênio em sua superfície. Um dos desafios importantes daqui para frente será entender o mecanismo de condução de elétrons através dessa camada de carbono-hidrogênio, "disse Liu.

"Em última análise, o objetivo de nossa equipe é construir circuitos integrados com diamantes, "Koide disse." Com isso em mente, esperamos que nosso trabalho possa apoiar o desenvolvimento de dispositivos com eficiência energética que possam funcionar em condições de calor ou radiação extremos. "