O silício proporcionou enormes benefícios para a indústria de eletrônicos de potência. Mas o desempenho da eletrônica de potência à base de silício está se aproximando da capacidade máxima.

Insira os semicondutores de largura de banda larga (WBG). Considerado significativamente mais eficiente em termos de energia, eles surgiram como concorrentes líderes no desenvolvimento de transistores de efeito de campo (FETs) para a eletrônica de potência de última geração. Essa tecnologia FET beneficiaria tudo, desde a distribuição da rede elétrica de fontes de energia renováveis ​​a motores de carros e trens.

O diamante é amplamente reconhecido como o material ideal no desenvolvimento de WBG, devido às suas propriedades físicas superiores, que permitem que os dispositivos operem em temperaturas muito mais altas, tensões e frequências, com perdas reduzidas de semicondutores.

Um desafio principal, Contudo, em perceber todo o potencial do diamante em um tipo importante de FET, ou seja, transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico (MOSFETs) - é a capacidade de aumentar a mobilidade da portadora do canal de orifício. Essa mobilidade, relacionado à facilidade com que a corrente flui, é essencial para a corrente no estado dos MOSFETs.

Pesquisadores da França, o Reino Unido e o Japão incorporam uma nova abordagem para resolver esse problema usando o regime de depleção profunda de MOSFETs de diamante dopado com boro a granel. A nova prova de conceito permite a produção de estruturas MOSFET de diamante simples a partir de pilhas de camada única dopadas com boro. Este novo método, específico para semicondutores WBG, aumenta a mobilidade em uma ordem de magnitude. Os resultados são publicados esta semana em Cartas de Física Aplicada .

Em uma estrutura MOSFET típica, uma camada de óxido e, em seguida, um portão de metal são formados no topo de um semicondutor, que neste caso é diamante. Ao aplicar uma voltagem ao portão de metal, a densidade do portador, e, portanto, a condutividade, da região dos diamantes logo abaixo do portão, o canal, pode ser alterado dramaticamente. A capacidade de usar esse "efeito de campo" elétrico para controlar a condutividade do canal e mudar os MOSFETS de condutores (estado ligado) para altamente isolante (estado desligado) direciona seu uso em aplicações de controle de energia. Muitos dos MOSFETs de diamante demonstrados até agora contam com uma superfície de diamante terminada em hidrogênio para transferir portadores carregados positivamente, conhecidos como buracos, para o canal. Mais recentemente, operação de estruturas MOS de diamante terminadas em oxigênio em um regime de inversão, semelhante ao modo comum de operação de MOSFETS de silício, foi demonstrado. A corrente no estado de um MOSFET é fortemente dependente da mobilidade do canal e em muitos desses projetos de MOSFET, a mobilidade é sensível à aspereza e aos estados de defeito na interface de óxido de diamante, onde ocorre a dispersão indesejada de portadores.

Abordar esta questão, os pesquisadores exploraram um modo diferente de operação, o conceito de esgotamento profundo. Para construir seu MOSFET, os pesquisadores depositaram uma camada de óxido de alumínio (Al2O3) a 380 graus Celsius sobre uma espessa camada epitaxial de diamante terminada em oxigênio. Eles criaram buracos na camada de diamante incorporando átomos de boro à camada. O boro tem um elétron de valência a menos que o carbono, então incluí-lo deixa um elétron ausente que atua como a adição de uma carga positiva, ou buraco. A epilayer em massa funcionou como um canal de orifício condutor espesso. O transistor foi mudado do estado ligado para o estado desligado pela aplicação de uma voltagem que repeliu e esgotou os buracos - a região de depleção profunda. Em transistores baseados em silício, esta tensão também teria resultado na formação de uma camada de inversão e o transistor não teria desligado. Os autores foram capazes de demonstrar que as propriedades únicas do diamante, e, em particular, o grande gap de banda, suprimiu a formação da camada de inversão permitindo a operação no regime de depleção profunda.

"Nós fabricamos um transistor no qual o estado ligado é garantido pela condução do canal em massa através da camada de epilação de diamante dopado com boro, "disse Julien Pernot, pesquisador do Instituto NEEL da França e autor do artigo. "O estado desligado é garantido pela espessa camada de isolamento induzida pelo regime de depleção profunda. Nossa prova de conceito abre caminho para a plena exploração do potencial do diamante para aplicações MOSFET." Os pesquisadores planejam produzir essas estruturas por meio de sua nova startup chamada DiamFab.

Pernot observou que princípios semelhantes deste trabalho podem ser aplicados a outros semicondutores WBG. “O boro é a solução de dopagem para o diamante, "Pernot disse, "mas outras impurezas contaminantes provavelmente seriam adequadas para permitir que outros semicondutores de gap largo alcancem um regime de depleção profunda estável."