Caracterização de transistores de filme fino produzidos com diamante CVD dopado com nitrogênio

Abstract

Transistores de filme fino são uma variação dos transistores MOSFET, porém fabricados com estrutura plana. Vários materiais podem ser usados para produzi-los, incluindo diamante dopado com diferentes elementos, agindo como semicondutor. Diamante dopado com nitrogênio é utilizado para fabricar componentes eletrônicos como MOSFETs. No entanto, não há trabalhos relacionando o uso de diamante dopado com nitrogênio em transistores de filme fino. Nesse trabalho, as características estruturais e elétricas de transistores de filme fino feitos com diamante dopado com nitrogênio são determinadas. Foi feita a deposição de filmes de diamante CVD sobre substrato de silício usando diferentes percentuais de nitrogênio (0%; 0,5% e 1%), em reator de filamento quente. As características estruturais e superficiais dos filmes foram obtidas utilizando microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica e espectroscopia Raman. As características elétricas dos transistores de filme fino feitos com diamante CVD foram determinadas a partir das curvas de corrente versus tensão dos componentes. Os resultados indicam que os filmes produzidos cresceram uniformemente sobre os substratos, com superfície rugosa e tamanho dos grãos reduzido pela inclusão de nitrogênio. O nitrogênio é incorporado aos filmes de forma intersticial, elevando a resistividade elétrica do diamante. Com 0,5% de nitrogênio, não houve a formação adequada de um transistor de filme fino. Para 1%, obteve-se um transistor de filme fino cuja corrente de dreno é diretamente proporcional à tensão de porta aplicada, mas com relação exponencial entre a corrente de dreno e a tensão dreno-fonte, o que difere da literatura tradicional. O transistor de filme fino é adequado para circuitos de baixa potência, devido aos baixos valores de corrente de dreno do dispositivo.

Thin-film transistors are a variation of MOSFET transistors but manufactured with a planar structure. Several materials can be used to assemble them, including diamond doped with different elements, acting as a semiconductor. Nitrogen-doped diamond is used to assemble electronic devices such as MOSFETs. However, there are no works relating to the use of nitrogen-doped diamond in thin-film transistors. In this work, the structural and electrical characteristics of thin-film transistors made with nitrogen-doped diamond are determined. The deposition of CVD diamond films over silicon substrates using different percentages of nitrogen (0%; 0.5% and 1%) was done in a hot-filament chemical vapor deposition reactor. The structural and surface characteristics of the films were obtained through scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and Raman spectroscopy. Electric characteristics of diamond-made thin film transistors were got through current-versus-voltage curves of the components. Results point that the films have grown uniformly over the substrates, with a rough surface and reduced grain size due to the incorporation of nitrogen. Nitrogen is incorporated into the films in the interstitial form, raising the electrical resistivity of the diamond. With 0.5% of nitrogen, no thin-film transistor was obtained. Using 1%, a thin-film transistor showing a drain current directly proportional to the gate voltage was obtained, but it showed an exponential relation between drain current and drain-source voltage; this differs from the traditional semiconductor literature. The thin-film transistor is suitable for low-power circuits due to its low drain current values.