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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
JULIO CESAR DOS SANTOS
DEPOSIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS DE GaAs E Al
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O
3
PARA
POTENCIAL UTILIZAÇÃO EM TRANSISTORES
Bauru
2009
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JULIO CESAR DOS SANTOS
DEPOSIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS DE GaAs E Al
2
O
3
PARA
POTENCIAL UTILIZAÇÃO EM TRANSISTORES
Dissertação apresentada como requisito
para a obtenção do título de mestre em
Ciência e Tecnologia de Materiais ao
Programa de Pós-graduação em Ciência e
Tecnologia de Materiais (POSMAT) da
Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho”, área de concentração em
Materiais Semicondutores e Filmes Finos.
Orientador: Prof. Dr. Luis Vicente de Andrade Scalvi.
Bauru
2009
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Santos, Julio Cesar dos.
Deposição e Caracterização de Filmes Finos de
GaAs e de Al
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para utilização em transistores /
Julio Cesar dos Santos, 2009.
107 f.
Orientador: Luis Vicente de Andrade Scalvi
Dissertação (Mestrado)–Universidade Estadual
Paulista. Faculdade de Ciências, Bauru, 2009
1. Evaporação resistiva. 2. Sputtering. 3.
Heterojunção. 4. Arseneto de Gálio. 5. Óxido de
Alumínio. I. Universidade Estadual Paulista. Faculdade
de Ciências. II. Título.
Ata de Defesa
Dedico este trabalho a todos aqueles que apreciam e reconhecem o esforço e o trabalho que é
investido no desenvolvimento da Ciência em todas as suas formas.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a todos da minha família, minha mãe, minha namorada, meu
irmão e também meus amigos pelo apoio e incentivo.
Ao meu orientador pela sua orientação e paciência.
Ao Professor Doutor José Humberto Dias da Silva por ter cedido amostras de arseneto de
gálio as quais foram de grande utilidade no trabalho e também por vários conselhos.
Ao Professor Doutor Antonio Carlos Dias Ângelo pelo uso do equipamento de FTIR e ao
Marcelo e ao Maycon pelo acompanhamento nas medidas de FTIR, agradeço também ao
professor pelo uso do microscópio a e Elenice pelo acompanhamento na medida.
Ao Professor Doutor Carlos Roberto Grandini pela utilização do forno para o tratamento
térmico em atmosfera de oxigênio e ao Luciano Henrique de Almeida pelo
acompanhamento nesse tratamento térmico.
A Professora Doutora Lígia de Oliveira Ruggiero pelas medidas no Uv-Vis.
Aos amigos do grupo de pesquisa, Leandro Ravaro, Jorge Maciel, Marco Aurélio, Tatiane
Pineiz, Vitor, pelas conversas, discussões e por terem me ensinado a utilizar vários
aparelhos.
Aos amigos da central de Laboratórios Casca 1, em especial a Camilla por ter ensinado a
operar o equipamento de raios-x, ao Maycon Motta por ter ensinado a operar o
equipamento de FTIR, ao Marcel pelas medidas de R x T utilizando o computador e pelo
software desenvolvido por ele mesmo.
A todos os funcionários da central de Laboratórios Casca 1 e da POSMAT. Bem como a
todos os técnicos dos laboratórios didáticos de física e de química. Ea todos os técnicos do
STI.
Ao CNPq pela bolsa de estudos (processo número 133793/2008-7).
“Milagres não são coisas que acontecem,
mas são coisas que fazemos acontecer.”
Muten Roshi Kame – Sennin
Santos, J. C. Deposição e Caracterização de Filmes Finos de GaAs e de Al
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para potencial
utilização em transistores. 2009. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) –
UNESP. Bauru, 2009.
Resumo
Neste trabalho, foi realizada a deposição, através da técnica de evaporação resistiva, de
filmes finos de GaAs (arseneto de gálio) e de Al (alumínio) com posterior oxidação deste último,
formando Al
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(óxido de alumínio ou alumina), e a caracterização dos filmes de GaAs e da
heteroestrutura formada por Al
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e GaAs. A confecção do dispositivo combinando estes
compostos serviu para a investigação das características relevantes do sistema para potencial
aplicação em transistores. O trabalho compreendeu investigação sobre as condições de deposição,
e foram avaliadas principalmente as características elétricas dos filmes produzidos
individualmente. Os resultados apresentados incluem: resistividade em função da temperatura,
corrente-voltagem em função da temperatura, difração de raios-X e transmitância na região do
infravermelho.
Para caracterização do desempenho do sistema Al
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/GaAs, um transistor simples foi
construído sob um substrato de vidro borossilicato com uma camada de GaAs e outra de Al
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.
Os contatos de fonte, dreno e gate foram feitos de In. Essa estrutura permite a medida da corrente
de fuga e a avaliação de outras características do sistema. Neste dispositivo foram avaliadas as
características corrente-voltagem em função da temperatura, e também a interação com luz, já que
GaAs, por apresentar gap direto, torna-se atraente para aplicações opto-eletrônicas. Assim
medidas de elétricas foto-induzidas foram realizadas com excitação com fontes de luz branca.
Com o intuito de se avaliar a qualidades dos filmes de GaAs obtidos pela evaporação
resistiva, tanto a caracterização estrutural quando elétrica também foram feitas em filmes finos de
GaAs depositados por sputtering, de modo a se ter um padrão de comparação.
Palavras Chaves: Evaporação resistiva, Sputtering, Heterojunção, Arseneto de Gálio, Oxido de
Alumínio.
Santos, J. C. Deposition and characterization of GaAs and Al
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thin films for potential
use in transistors. 2009. Thesis (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) – UNESP.
Bauru, 2009.
Abstract
In this work, the deposition of GaAs (gallium arsenide) and Al (aluminum) thin films
is carried out by the resistive evaporation technique. In the latter case, an oxidation of the film
is accomplished, leading to Al
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(alumina) formation. The characterization of GaAs thin
films and the heterostructure formed by Al
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and GaAs is also carried out. The elaboration
of the device combining these compounds allows investigating the relevant characteristics of
this system to potential application in transistors. The work evolved investigation on the
deposition conditions, and the electrical characteristics of the films were also evaluated
separately. Results includes: resistivity as function of temperature, X-ray diffraction and near
infrared transmittance.
For characterization of the performance of the Al
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/GaAs system, a simple transistor
was built on a borosilicate glass substrate, with a Al
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layer on top of a GaAs layer. The
contacts of source, drain and gate were done using In. This structure allows evaluating the
leak current and other characteristics of this system. In this device, it was evaluated the
current –voltage characteristics and the interaction with light, because GaAs, due to its direct
bandgap, become very attractive for opto-electronic applications. Then, the photo-induced
electrical measurements were done under excitation with white light.
Aiming the evaluation of the quality of films deposited by the resistive evaporation
technique, electrical as well as structural characterization were also carried out for GaAs thin
films deposited by sputtering, in order to have a comparing parameter.
Key Words: Resistive evaporation, Sputtering, Heterojunction, Galium Arsenide, Aluminium
oxide.
Lista de Símbolos.
A
- Absorbância para uma determinada freqüência.
A - Área da Seção Transversal de Condução
Ângulo de Bragg
JCPDF – Base de Dados Joint Comitte on Powder Diffraction Files.
q – Carga do Elétron.
- Coeficiente de Absorção Óptica.
CT – Coeficiente de textura.
 Comprimento de onda.
k
b
– Constante de Boltzmann.
h – Constante de Planck.
a
0
– Constante de rede.
K
c
- Constante que Depende de Fatores Geométricos.
I – Corrente elétrica.
N
c
- Densidade de Estados.
V – Diferença de potencial (tensão)
DRX – Difração de raios-X
l - Distância entre os Contatos Elétricos da Amostra.
E
g
– Energia do gap.
d
hkl
– Espaçamento entre planos.
d – Espessura da amostra.
FTIR - Fourier Transform Infrared Spectroscopy
Freqüência.
h,k,l – Índices de Miller.
n
f
–Índice de refração do filme.
n
0
– Índice de refração do meio.
I
hkl
– Intensidade difratada do plano hkl da amostra.
i
hkl
- Intensidade difratada do plano hkl do padrão.
I
0
– Intensidade de luz incidente.
I
R
– Intensidade refletida.
I
T
– Intensidade transmitida.
B – Largura a meia altura da amostra
b – Largura a meia altura do padrão
Lei de Bragg.
b – c – Ligação fonte - gate
c – d – Ligação fonte - dreno
I x V – Medida de Corrente em função da Tensão Aplicada.
R x T – Medida de Resistividade em função da temperatura.
E
cI
– Nivel de Energia da banda de condução do Isolante.
E
cS
– Nivel de Energia da banda de condução do semicondutor.
E
vI
– Nivel de Energia da banda de valência do Isolante.
E
vS
– Nivel de Energia da banda de valência do semicondutor.
E
f
– Nível de Fermi.
S – Número de oscilações.
N – Número inteiro.
 Mobilidade.
R – Resistência.
Resistividade.
Tamanho do cristalito.
T – Temperatura.
t – Tempo.
J – Termo da função do índice de refração do filme.
T
max
– Transmitância máxima.
T
min
– Transmitância mínima.
T
- Transmitância para uma determinada freqüência.
K – vetor de onda.
Lista de Figuras
Figura 1 - Diagrama simplificado das estruturas de bandas de em a) isolantes, em b)
semicondutores e em c) condutores, este podendo ter duas possibilidades c
1
) com a banda de
condução parcialmente cheia ou em c
2
) com superposição das bandas (adaptado de
Sze,2002).-------------------------------------------------------------------------------------------------23
Figura 2 - Estrutura de banda dos semicondutores em a) arseneto de gálio, em b) silício e em
c) germânio. Entre colchetes as direções cristalográficas (adaptado de Singh, 2003).---------24
Figura 3 – Etapas do processo de formação dos filmes finos. ------------------------------------26
Figura 4 – Alinhamento de bandas entre isolante e semicondutor, em a) antes e em b) após o
equilíbrio ser estabelecido.------------------------------------------------------------------------------30
Figura 5 – Diagrama esquemático do dispositivo Al
2
O
3
/GaAs . ---------------------------------31
Figura 6 – Cela unitária da estrutura Diamante e Zinc Blende. ----------------------------------32
Figura 7 – Diagrama de fases do sistema alumínio-oxigênio, onde L1 é o alumínio em sua
fase liquida e L2 é óxido de alumínio na sua fase liquida (adaptado de Massalski, 1990).----34
Figura 8 – Evaporadora BOC EDWARDS AUTO 500. ------------------------------------------37
Figura 9 – Etapas da deposição dos contatos, em a) sobre filmes de GaAs e em b) sobre a
heterojunção Al
2
O
3
/GaAs. -----------------------------------------------------------------------------39
Figura 10 – Diagrama esquemático geral das amostras. As dimensões mostradas são
diferentes para cada tipo de amostra e estão sumarizadas na tabela 2.----------------------------39
Figura 11 – Fotos de heterojunções de Al/GaAs fotografadas com o substrato visto de cima.
Do lado esquerdo está um heterojunção sem TT em atmosfera de O
2
e a direita outra
heterojunção com o TT em atmosfera de O
2
.---------------------------------------------------------42
Figura 12 – Esquema da anodização.-----------------------------------------------------------------43
Figura 13 - Características básicas de um experimento típico DRX (adaptado de Brundle
et.al., 1992).-----------------------------------------------------------------------------------------------45
Figura 14 – Vários planos atômicos e seus d-espaçamentos no sistema cúbico simples em a);
e índices de Miller dos planos atômicos para uma cristal cúbico simples em b) (adaptado de
Askeland,2003).------------------------------------------------------------------------------------------45
Figura 15 – Equipamentos usados nas medidas elétricas. A identificação dos números está na
tabela 2.----------------------------------------------------------------------------------------------------53
Figura 16 – Esquema das ligações no interior do Criostato. Em a) ligações para os filmes de
GaAs e em b) esquema de ligações para as heterojunções.-----------------------------------------55
Figura 17 - Difratograma para as amostras produzidas por Sputtering.--------------------------58
Figura 18 - Difratograma para as amostras de GaAs produzidas por Evaporação Resistiva. No
quadro superior estão mostradas as respectivas espessuras.----------------------------------------59
Figura 19 - Difratogramas de filmes finos de Alumínio produzidos por Evaporação
Resistiva. -------------------------------------------------------------------------------------------------62
Figura 20 - Difratograma da amostra Al3 após TT 620
o
C por uma hora em atmosfera de O
2
com pressão 1atm ----------------------------------------------------------------------------------------64
Figura 21 – Primeiras amostras anodizadas com a solução de H
2
SO
4
20% e tensão de 15V.
A direita da foto pode ser notada duas amostras que tiveram uma divisão na interface
solução-ar.-------------------------------------------------------------------------------------------------66
Figura 22 – Amostras da série Al anodizadas e tratadas termicamente. Da esquerda para a
direita, amostra Al1 (15 segundos de anodização), Al2 (15 segundos de anodização), Al4 (20
segundos de anodização), Al5 (20 segundos de anodização) e Al3 (tratamento térmico).-----66
Figura 23 – Difratograma das amostras da série Al tratadas por anodização.-------------------66
Figura 24 – Em a) Difratograma de raios-X das heterojunções Al
2
O
3
/GaAs com tempo de
anodização de 15 segundos e em b(difratograma da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs após TT a
400ºC por duas horas.-----------------------------------------------------------------------------------68
Figura 25 – Micrografia da seção transversal de um filme de GaAs depositado por
evaporação resistiva com aproximadamente 1,4m(Pineiz, 2009)-----------------------------------70
Figura 26 – Micrografia da superfície de um filme de GaAs depositado por evaporação
resistiva(Pineiz, 2009).-------------------------------------------------------------------------------------70
Figura 27 – Imagens da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs vistas com o microscópio óptico. Em a)
superfície do filme de Al
2
O
3
sobre GaAs com aumento de 500x, em b) superfície do filme de
Al
2
O
3
sobre GaAs com aumento de 1000x, em c) interface da heteroestrutura Al
2
O
3
/GaAs
com aumento de 500x e em d) interface da heteroestrutura Al
2
O
3
/GaAs com aumento de
1000x..-----------------------------------------------------------------------------------------------------71
Figura 28 – Espectro de FTIR das amostras das séries SP e ER.---------------------------------73
Figura 29 – Espectro de absorção óptica na região do Uv-Vis para as amostras ER3, ER4 e
ER5.--------------------------------------------------------------------------------------------------------74
Figura 30 – Estimativa do gap das amostras ER3, ER4 e ER5 (espessura:604nm). Em a)
estimativa feita com y=1 (semicondutores de transição direta) e em b) estimativa feita com
y=4 (gap de Tauc). --------------------------------------------------------------------------------------75
Figura 31 – Medida de x T para as amostras depositadas por sputtering em a) amostra SP92
e em b) amostra SP94. Nos detalhes, são mostradas as energias de ativação para ionização
próxima da temperatura ambiente, para as respectivas amostras----------------------------------77
Figura 32 – Resistividade (ρ) x T para as amostras depositadas por evaporação resistiva em a)
amostra ER1 e em b) amostra ER2. No detalhe energia de ativação para as respectivas
amostras.---------------------------------------------------------------------------------------------------79
Figura 33 – Medida R x T para as heterojunções: Al/GaAs (GaAs: 316nm e Al: 257nm) e
Al
2
O
3
/GaAs (GaAs: 316nm e tempo de anodização 10 segundos). No detalhe, mostramos
novamente o esquema de ligações feitas na amostra.-----------------------------------------------81
Figura 34 - Medida de Excitação com Luz Branca para a amostra em a) SP92 (300K), em b)
SP92 (100K) e em c) SP94 (100K). Tensão aplicada na amostra: 1V. Potência da fonte
luminosa utilizadas 126W Medida realizada a temperatura ambiente.---------------------------83
Figura 35 - Medida de Excitação com Luz Branca para a amostra em a) ER1 e em b) ER2.
Tensão aplicada na amostra: 1V. Potência da fonte luminosa utilizadas 126W Medida
realizada a temperatura ambiente.---------------------------------------------------------------------84
Figura 36 – Medida de Excitação com Luz Branca para a heterojunção Al/GaAs. Tensão
aplicada na amostra em ambas ligações: 1V. Potência da fonte luminosa utilizadas 126W
Medida realizada a temperatura ambiente.------------------------------------------------------------85
Figura 37 – Medida de Excitação com Luz Branca para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs. Tensão
aplicada na amostra em ambas ligações: 1V. Potência da fonte luminosa utilizadas 126W
Medida realizada a temperatura ambiente.------------------------------------------------------------86
Figura 38 - Medida de I x V para a amostra SP92.-------------------------------------------------88
Figura 39 – Medidas de IxV para a amostra SP94 para várias temperaturas. No detalhe
medida realizada para a temperatura de 300K.-------------------------------------------------------89
Figura 40 – Medidas de I x V para várias temperaturas. Em a) medida para a amostra ER1 e
em b) para a amostra ER2.------------------------------------------------------------------------------90
Figura 41 – Medidas de I x V para várias temperaturas para a heterojunção Al/GaAs. Em a)
medida para a ligação c-d e em b) para a ligação b-c.----------------------------------------------92
Figura 42 – Medidas de I x V para várias temperaturas para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs. Em a)
medida para a ligação c-d e em b) para a ligação b-c.---------------------------------------------93
Figura A1 – Esquema de ligações feitas no dispositivo para medir a corrente de fuga.------105
Figura A2 – Medida da corrente de fuga com o aumento da temperatura.---------------------106
Figura A3 – Extrapolação dos dados obtidos da medida de corrente de fuga.-----------------107
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Aplicações de Filmes finos. --------------------------------------------------------------25
Tabela 2 – Valores das dimensões das amostras.---------------------------------------------------40
Tabela 3 – Especificação de Equipamentos usados na caracterização elétrica. ----------------54
Tabela 4 – Tamanho do Cristalito, Coeficiente de Textura e espessura para as amostra de
GaAs depositadas por Sputtering.----------------------------------------------------------------------59
Tabela 5 - Tamanho do cristalito, coeficiente de textura e espessura para as amostras de GaAs
depositadas por Evaporação Resistiva.----------------------------------------------------------------60
Tabela 6 - Cálculo do tamanho do cristalito, coeficiente de textura e espessura dos filmes de
Alumínio.--------------------------------------------------------------------------------------------------63
Tabela 7 - Tamanho do Cristalito e Coeficiente de Textura das amostras da série Al após a
sua oxidação.----------------------------------------------------------------------------------------------67
Tabela 8 - Comparação entre a espessura calculada e a espessura medida experimentalmente
das amostras da série SP.--------------------------------------------------------------------------------73
Tabela 9 - valores de resistividade obtidos pelo inverso do coeficiente angular da amostra
SP92.-------------------------------------------------------------------------------------------------------89
Tabela 10 - valores de resistividade obtidos pelo inverso do coeficiente angular da amostra
SP94.-------------------------------------------------------------------------------------------------------90
Tabela 11 - Valores de resistência obtidos pelo inverso do coeficiente angular das amostras
ER1 e ER2.------------------------------------------------------------------------------------------------91
Tabela 12 - Valores de resistência obtidos pelo inverso do coeficiente angular para a
heterojunção Al/GaAs.---------------------------------------------------------------------------------92
Tabela 13 - Valores de resistência obtidos pelo inverso do coeficiente angular para o
dispositivo Al
2
O
3
/GaAs.-------------------------------------------------------------------------------93
Sumário
Capítulo 1 – Introdução. -------------------------------------------------------------------------------18
Capitulo 2 – Aspectos Teóricos Relevantes. --------------------------------------------------------21
2.1 – Condutores, Semicondutores e Isolantes. ---------------------------------------------21
2.2 – Estrutura de Bandas de Energia dos Semicondutores. -----------------------------24
2.3 – Filmes Finos. -----------------------------------------------------------------------------25
2.4 – Heteroestruturas. -------------------------------------------------------------------------28
2.5 – Heterojunção Isolante-Semicondutor. -------------------------------------------------29
Capítulo 3 – Materiais e Métodos. -------------------------------------------------------------------32
3.1 – Arseneto de Gálio (GaAs). -------------------------------------------------------------32
3.2 – Alumínio e Óxido de Alumínio. -------------------------------------------------------33
3.3 – Pulverização Catódica (Sputtering). ---------------------------------------------------34
3.4 – Evaporação Resistiva. -------------------------------------------------------------------36
3.5 – Preparação das Amostras. ---------------------------------------------------------------37
3.6 – Dimensão das Amostras. ----------------------------------------------------------------39
3.7 – Tratamentos Térmico (TT). -------------------------------------------------------------40
3.8 – Anodização do Alumínio (Oxidação Anódica). -------------------------------------42
Capítulo 4 – Técnicas de Caracterização. -----------------------------------------------------------44
4.1 – Difração de Raios – X. ------------------------------------------------------------------44
4.1.1 – As direções difratadas dos raios-x. -----------------------------------------44
4.1.2 – Tamanho dos Cristalitos. ----------------------------------------------------46
4.1.3 – Determinação da Orientação preferencial (Textura). --------------------47
4.2 – Caracterização Óptica -------------------------------------------------------------------48
4.2.1 – Espectroscopia na Região do Infravermelho. -----------------------------49
4.2.2 – Cálculo da Espessura de Filmes Finos. ------------------------------------50
4.3 – Medidas de Resistência em função da Temperatura (R x T). ----------------------51
4.4 – Medidas Elétricas Foto-Induzidas. ----------------------------------------------------55
4.5 – Medidas de Corrente em Função da Tensão Aplicada (I x V). --------------------56
Capítulo 5 – Resultados e Discussão. ----------------------------------------------------------------57
5.1 – Caracterização Estrutural. --------------------------------------------------------------57
5.1.1 – Difração de Raios-X. ---------------------------------------------------------57
5.1.2 – Microscopia.--------------------------------------------------------------------69
5.2 – Caracterização Óptica. ------------------------------------------------------------------72
5.2.1 – Espectroscopia no Infravermelho (FTIR) ---------------------------------72
5.2.2 – Espectroscopia na Região do Ultravioleta (UV-Vis).--------------------74
5.3 – Caracterização Elétrica. -----------------------------------------------------------------76
5.3.1 - Resistividade e Energia de Ativação do Nível mais Profundo. ---------76
5.3.2 - Medidas Elétricas Foto-Induzidas. ------------------------------------------83
5.3.3 – Medidas de Corrente-Voltagem I x V. -------------------------------------87
Capítulo 6 – Conclusões. -----------------------------------------------------------------------------95
Capítulo 7 – Referências Bibliográficas. ------------------------------------------------------------98
Apêndice – Medida de Corrente de Fuga. ----------------------------------------------------------105
18
1 - Introdução
Semicondutores são materiais de condutividade elétrica intermediária entre isolantes e
condutores (Callister, 2002). Dispositivos feitos de materiais semicondutores são a base da
eletrônica moderna, sendo fundamentais em equipamentos como computadores, telefones
fixos e móveis, e muitos outros aparelhos. Dentre estes dispositivos, podemos mencionar o
transistor e vários tipos de emissores de luz, incluindo lasers e diodos. Além disso,
semicondutores podem constituir circuitos integrados digitais e analógicos. Também são
utilizados em painéis solares, que convertem diretamente a energia luminosa em energia
elétrica (Valadares, 2005).
Silício é o material semicondutor com maior emprego em dispositivos utilizados
comercialmente, entretanto outros materiais também são utilizados, incluindo germânio,
arseneto de gálio, e carbeto de silício, por exemplo, (Newton, 1999). Arseneto de gálio
(GaAs) foi reconhecido como um material semicondutor com performance superior ao do
silício nos fins dos anos 70 (Ghandhi, 1994). Ainda que GaAs tenha sido sempre mais difícil
de produzir do que o silício (Pankove, 1971), as propriedades deste material permitem que os
elétrons alcancem velocidades cinco vezes maiores do que no silício, devido ao
preenchimento preferencial do vale (Pankove, 1971; Ghandhi 1994 ;Sze, 2002) na banda de
condução, além da transição de gap direta, que o torna atraente para aplicações ópticas. Os
circuitos que normalmente utilizam Si, podem operar com velocidades de duas a quatro vezes
maiores quando em seu lugar é utilizado GaAs e preservando a mesma geometria
(Adashi,1994; Sze 1998; Singh 2003). Além disso, GaAs permite o uso de diferenças de
potencial menores, consumindo menos energia.
Heterojunções, que são constituídas da junção física entre dois diferentes
semicondutores ou a junção com um condutor ou isolante e um semicondutor (Einspruch
et.al., 1994), também dão origem a diversos dispositivos presentes no nosso cotidiano, como
19
por exemplo, o transistor de efeito de campo, onde se utiliza um semicondutor e um óxido
metálico de Si (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET). Sem este
dispositivo, a microeletrônica moderna altamente integrada, presente nos computadores
atuais, não seria possível (Enderlein et.al., 1999). Este dispositivo é uma heterojunção
composta principalmente pela junção de um semicondutor com um isolante. As heterojunções
isolante-semicondutor são de grande importância para os dispositivos eletrônicos
semicondutores (Schubert et.al., 1994; Enderlein et.al., 1999; Tang et.al. 2007). Este tipo de
heterojunção pode ser usado com o propósito de isolação ou de camada passivadora.
Óxido de alumínio é um isolante com um grande potencial para a aplicação em
dispositivos eletrônicos devido a sua larga banda proibida, o que o torna um bom isolante
(Hong-Liang et.al. 2006).
Neste trabalho, foi realizada a deposição e a caracterização de filmes finos de Arseneto
de Gálio (GaAs) e de Alumínio (Al), bem como da heterojunção Al/GaAs, além de, com a
oxidação da camada de Al, obter uma camada de óxido de alumínio sobre o filme de GaAs.
Este sistema serve para a investigação das características relevantes do sistema para potencial
aplicação em transistores ou outros dispositivos eletrônicos.
Os aspectos teóricos que são importantes para o entendimento e o desenvolvimento do
trabalho são abordados na seção 2. A seção 3 traz a apresentação dos materiais utilizados no
trabalho e também descreve os métodos usados para a obtenção das amostras. As técnicas de
caracterização usadas no trabalho são descritas na seção 4. As técnicas abordadas nesta seção
são a difração de raios-X, espectroscopia no infravermelho e medidas de caracterização
elétrica (foto-induzidas, resistência em função da temperatura e corrente em função da tensão
aplicada). Os resultados são apresentados na seção 5, e por fim a seção 6 traz as conclusões
baseadas nos resultados obtidos neste trabalho.
20
É importante mencionar que os filmes finos de GaAs produzidos por Sputtering foram
cedidos pelo Prof. Dr. José Humberto Dias da Silva. Os resultados obtidos com estes filmes
de boa qualidade, serviram para comparação com as amostras obtidas por evaporação
resistiva, que é uma variação de técnicas empregadas em trabalhos pioneiros sobre deposição
de filmes finos de GaAs por evaporação a vácuo (Davey,1968).
21
2 – Aspectos Teóricos Relevantes.
Nesta seção veremos com mais detalhes alguns conceitos citados na seção introdutória
e outros conceitos que são fundamentais para a compreensão do trabalho.
2.1- Condutores, Semicondutores e Isolantes.
A característica mais marcante dos metais é que eles são bons condutores de
eletricidade à temperatura ambiente, ou seja, apresentam baixa resistividade, . Já os
semicondutores apresentam uma resistividade comparativamente bem maior à temperatura
ambiente (Askeland, 2003). Ao contrário do que ocorre nos metais, a resistividade elétrica dos
semicondutores diminui à medida que a sua temperatura aumenta.
Conforme é mostrado no diagrama esquemático apresentado na figura 1, nos metais,
podem existir dois casos: as bandas de valência e de condução se superpõem ou a banda de
condução pode estar parcialmente preenchida. Com isso, nesses materiais sempre se tem
elétrons livres para a condução. Assim os metais são caracterizados por uma condutividade
elétrica muita alta. Existem níveis vazios, de mais alta energia, para os quais os elétrons de
condução podem ser transferidos caso sejam acelerados por um campo elétrico externo. Com
a elevação da temperatura, aumenta a freqüência de choques entre os elétrons do metal e os
núcleos atômicos, que passam a oscilar com maior amplitude. O resultado é que os elétrons
acelerados pelo campo elétrico externo são cada vez mais desviados pelos núcleos atômicos,
aumentando assim a resistividade elétrica do material. Os átomos metálicos possuem um, dois
ou três elétrons em sua última camada eletrônica. Esses elétrons mais externos ao núcleo
atômico não se ligam a nenhum outro átomo em um sólido. Por não estarem ligados a nenhum
outro átomo em particular, estes elétrons são comumente chamados de elétrons livres. Nos
materiais metálicos são estes elétrons livres que mantém os átomos unidos entre si através de
atração eletrostática com os núcleos atômicos (ligação metálica).
22
Metais e semicondutores se diferenciam também pelo número de elétrons livres
disponíveis para a condução elétrica. Nos metais esse número é da ordem de 10
22
elétrons
livres por cm
3
(Valadares, 2005). Já nos semicondutores esse número é mais reduzido, cerca
de 10
12
a 10
19
elétrons livres por cm
3
(Valadares, 2005). Os materiais isolantes, por sua vez,
usualmente não dispõem de elétrons, por isso não conduzem eletricidade nem mesmo a altas
temperaturas.
O comportamento elétrico dos diversos materiais pode ser compreendido, a partir do
conceito de bandas de energia e utilizando o princípio de exclusão de Pauli, que governa a
distribuição dos elétrons nas bandas. De acordo com esse princípio, se uma banda fica cheia, a
banda seguinte passa a ser ocupada.
Nos semicondutores intrínsecos, livres de impurezas ou dopantes, a zero Kelvin, os
elétrons preenchem teoricamente a banda mais baixa de energia (banda de valência), ficando
vazia a banda seguinte (banda de condução). Quando a temperatura do semicondutor é
elevada, elétrons da banda de valência absorvem energia térmica da rede cristalina, o
suficiente para alcançar a banda de condução, onde estão livres para participar da condução
elétrica. O lugar deixado pelo elétron na banda de valência é denominado buraco,
contribuindo também para a condução elétrica (Callister, 2002). Quando o semicondutor
possui impurezas ou dopantes ele é chamado extrínseco. Na presença de um campo elétrico, o
buraco se move no sentido oposto ao dos elétrons, então podemos atribuir ao buraco uma
“carga positiva”. A elevação da temperatura resulta em um maior número de elétrons e
buracos disponíveis para a condução elétrica, proporcionando assim um aumento da
condutividade do semicondutor.
O sucesso dos semicondutores em dispositivos eletrônicos deve-se a 3 principais
fatores (Seeger, 1997; Callister, 2002): 1) Existência de técnicas de sintetização de materiais
semicondutores de alta pureza, com nível de impurezas bem menor do que partes por bilhão
23
(os semicondutores constituem os materiais de mais alta pureza usada em aplicações práticas).
2) Existência de técnicas de cristalização desses materiais com alto nível de perfeição
cristalina. 3) E por fim disponibilidade de técnicas de dopagem (adição de impurezas
especificas) controladas, em nível de concentração e localização no semicondutor, permitindo
assim que suas propriedades sejam mudadas localmente. Isso permite o desenvolvimento de
inúmeros dispositivos eletrônicos, ópticos e sensores.
Os materiais isolantes, assim como os semicondutores, a zero Kelvin, apresentam a
banda de valência totalmente preenchida. Contudo, a banda proibida (gap), é muito mais larga
nos isolantes, o que impede a transferência de elétrons da banda de valência para a banda de
condução com a elevação da temperatura, essa ficando vazia, em regiões de temperatura
ordinárias, pois a energia térmica não é suficiente para a transição de elétrons entre as duas
bandas.
A figura 1apresenta um diagrama comparativo simplificado entre os três tipos de
materiais vistos até aqui, mostrando as diferenças entre os gaps de energia.
Figura 1-Diagrama simplificado das estruturas de bandas de em a) isolantes, em b) semicondutores e em c) condutores, este
podendo ter duas possibilidades c
1
) com a banda de condução parcialmente cheia ou em c
2
) com superposição das bandas
(adaptado de Sze,2002).
Valores típicos de gap de semicondutores estão entre 0,5eV a 4eV, como exemplo
(Streetman, 2000) podemos citar o gap de Silício 1,1eV, Germânio 0,7eV, Arseneto de gálio
1,43, Nitreto de gálio 3,4eV, Fosfeto de gálio 2,3eV. Acima de 4eV os materiais já são
considerados isolantes como é o caso do óxido de alumínio com ~9eV (Hong-Liang et.al.
2006).
24
2.2 - Estrutura de Bandas de Energia de Semicondutores.
Cada semicondutor tem a sua estrutura de bandas específica, com parâmetros
específicos de banda proibida (E
g
), massa efetiva associada a cada vale de condução e
valência, natureza de transição direta ou indireta e outros. Podemos definir que um
semicondutor tem um gap direto quando a energia máxima da banda de valência coincide
com o mínimo da banda de condução, com relação ao valor no espaço do momento cristalino
do elétron, como é o caso de GaAs. Quando esta coincidência não existir, dizemos que o
semicondutor possui um gap do tipo indireto, como é o caso de silício e de germânio. As
propriedades dos elétrons no interior dos semicondutores são descritas pela solução da
equação de Schrödinger apropriada para o material que está sendo estudado (Singh, 2003),
fornecendo a estrutura de bandas de energia em cada caso. A figura 2 traz a estrutura de banda
destes materiais no espaço do momento cristalino do elétron, mostrando as direções
cristalográficas associadas.
Figura 2 - Estrutura de banda dos semicondutores em a) arseneto de gálio, em b) silício e em c) germânio. Entre colchetes as
direções cristalográficas (adaptado de Singh, 2003).
Semicondutores com gap do tipo direto, como é o caso de GaAs, podem apresentar
fenômenos ópticos (emissão de luz), advindos de transições da própria estrutura de bandas da
matriz. Lasers de semicondutores utilizam transições interbandas diretas, quando elétrons são
25
excitados para a banda de condução por simples acréscimos de energia sem a necessidade de
mudanças no momento cristalino dos elétrons. A emissão de luz ocorre quando o elétron
perde a energia que recebeu e volta para a banda de valência, emitindo com comprimentos de
onda da ordem do gap do material. Semicondutores com gap do tipo indireto também podem
apresentar propriedades ópticas, mas estes fenômenos ópticos não ocorrem espontaneamente,
pois nas transições interbandas além de mudanças na energia, são necessárias também
mudanças no momento cristalino dos elétrons (emissão ou absorção de fônons).
2.3 – Filmes Finos.
Filmes finos são depositados sobre substratos para se obter propriedades que não
seriam acessíveis somente pelos substratos (Smith, 1995). Algumas destas propriedades estão
relatadas na tabela 1. Funcionalidades adicionais podem ser alcançadas pela deposição de
múltiplas camadas de diferentes materiais apresentando um comportamento totalmente novo,
criando filmes com propriedades ainda desconhecidas. Por exemplo, filtros de interferência
óptica são constituídos de dezenas ou até mesmo centenas de camadas alternando entre altos e
baixos índices de refração (Smith, 1995).
Tabela 1 - Aplicações de Filmes finos (Smith, 1995).
Aplicação
Aplicação
Camadas Reflexivas e
Antirefexivas.
Filtros de Interfases.
Discos de Memórias.
(CDs, DVDs...).
Barreiras de Difusão.
Proteção contra oxidação ou
corrosão.
Sensores Gás/Líquido.
Isolação.
Condução.
Dispositivos
Semicondutores.
Drives Piezelétricos.
Dureza.
Adsorção.
Discos de Memórias.
Camadas para barreiras o aumento
de calor.
Todos os processos de fabricação de filmes finos possuem 4 ou 5 etapas (Ohring,
1992; Smith 1995), as quais estão representadas na figura 3 e são descritas logo a seguir.
26
Figura 3 – Etapas do processo de formação dos filmes finos (adaptada de Smith,1995).
A fonte que dá origem ao filme pode ser sólida, líquida, vapor ou gás. Materiais
sólidos precisam ser vaporizados para serem transportados até o substrato, o que pode ser
feito através de transferência de calor por um feixe de elétrons, por fótons (Ablasão Laser),
por íons positivos (Sputtering) ou ainda corrente elétrica.
Na etapa de transporte, o fator de maior importância é a uniformidade da taxa de
chegada sobre a área do substrato. Os fatores que afetam a uniformidade são vários e muitos
diferentes, como por exemplo, má fixação e posicionamento do substrato, variações bruscas
na taxa de fornecimento do material, dependendo se o transporte é feito a médio vácuo
(pressão da ordem de 10
-2
-10
-4
mbar (Ohring,1992)) ou a alto vácuo (pressão de 10
-4
-10
-9
mbar (Ohring, 1992)) ou se o transporte é feito por um meio fluido. Em alto vácuo, as
moléculas viajam da fonte até o substrato em praticamente linha reta. A uniformidade da taxa
de chegada do material fonte no substrato é determinada pela geometria. O transporte a alto
vácuo tem como a maior vantagem um acesso “limpo” à superfície do substrato. Já para
deposições em meios fluidos ocorrem muitas colisões entre as moléculas durante este passo.
As vantagens da deposição por um meio de fluido é a deposição à pressão atmosférica sem
necessidade de bombas de vácuo.
O terceiro passo na formação do filme é a deposição do filme sobre a superfície do
substrato. O comportamento da deposição é determinado pela fonte e fatores do transporte e
pelas condições da superfície do substrato. Existem três principais fatores que determinaram a
condição na qual a superfície do substrato se encontra, como é mostrado na figura 3. Estes
fatores são: condição do substrato, reatividade da chegada do material e a contribuição
energética. A condição da superfície do substrato envolve a adsorção das moléculas que
27
formarão as primeiras camadas do filme ao substrato. Temos dois tipos de adsorção: a
química (quimissorção) e a física (fisissorção). Na quimissorção os átomos (ou moléculas)
unem-se à superfície do adsorvente (substrato) através da formação de ligações químicas
(geralmente covalentes) e tendem a se acomodarem em sítios que propiciem o maior número
de coordenação possível com o substrato. Já na fisissorção os átomos se unem à superficie por
interações de van der Waals, que apesar de serem interações de longo alcance, são fracas e
não formam ligações químicas (Smith 1995; Ohring,1992). A difusão superficial é um dos
fatores determinantes da estrutura do filme porque permite às espécies adsorvedoras encontrar
umas as outras, ou encontrar sitos ativos, ou encontrar sítios epitaxiais. Temos ainda a
nucleação que é a formação de aglomerados (clusters), estes constituem o núcleo e só se
tornam estáveis a partir de um tamanho crítico, que depende das condições de operação
(temperatura, supersaturação, irregularidades, etc). Se o cluster não atinge a estabilidade
necessária, ele redissolve. É no estágio de nucleação que os átomos se arranjam de uma forma
definida e periódica que leva à estrutura do cristal (Smith 1995). O fator reatividade refere-se
à probabilidade das moléculas que chegam ao substrato, reagirem com a superfície, ficando
incorporadas ao filme. O terceiro fator é a contribuição energética na superfície. Ela pode
ocorrer de muitas formas e ter profundos efeitos tanto na reatividade do material que está
chegando quanto na composição e estrutura do filme. A temperatura do substrato é a fonte
básica da contribuição energética, mas existem outras fontes (por exemplo, o
bombardeamento de íons positivos carrega grandes quantidades de energia).
Contaminação é também uma questão de grande importância nas etapas de transporte
e deposição. A taxa de fornecimento é importante porque as propriedades do filme variam
com a taxa de deposição e com a proporção dos elementos fornecidos para compor o filme.
O ultimo passo na confecção dos filmes finos é a análise do filme, que consiste em
medir as propriedades que são importantes para a sua aplicação. Estas medidas incluem
28
dureza no caso de ferramentas revestidas, raios-X para análise estrutural, voltagem de ruptura
de filmes isolantes, medidas elétricas no caso de dispositivos microeletrônicos, medidas de
índice de refração para filmes com aplicações ópticas. A análise dos resultados é usada para
ajustar as condições em uma ou mais etapas de modo a se modificar alguma propriedade. A
análise do filme após a deposição pode ser encarada com a fase final do processo de
acompanhamento na confecção do filme. O acompanhamento é importante em todas as etapas
no processo de confecção do filme. Um acompanhamento maior deve ser feito na etapa de
deposição do filme, pois é nesta etapa que o filme será formado.
2.4 – Heteroestruturas.
Uma heteroestrutura é definida como uma estrutura composta na qual a composição
química muda de acordo com a posição, por exemplo, uma junção entre dois semicondutores,
entre metal e semicondutor ou ainda entre isolante e semicondutor (Einspruch et.al. 1994;
Enderlein et.al. 1999). Uma heterojunção ideal consiste em uma junção entre materiais
diferentes ou semelhantes, em que existe um plano de átomos em que toda identidade dos
átomos que participam da estrutura como um todo muda bruscamente. Há diversos tipos de
defeitos gerados por esta mudança brusca na estrutura da interface. A causa mais óbvia de tais
defeitos é a defasagem entre os parâmetros de rede dos materiais participantes (Einspruch
et.al. 1994). Isto produz defeitos na forma de deslocações em um ou outro dos materiais
participantes, e essa perturbação normalmente afeta as características elétricas do sistema,
criando “armadilhas” localizadas para os portadores de cargas. Tais armadilhas podem
influenciar as propriedades elétricas na interface (Sze, 1998).
A característica principal de uma heterojunção é que os gaps dos materiais
participantes são normalmente diferentes. Na maioria das vezes, existem descontinuidades
tanto na borda da banda de condução quanto na de valência. Estas descontinuidades dão
origem à maior parte das propriedades úteis das heterojunções (Einspruch et.al.1994;
29
Sze,1998; Sze, 2002). Como exemplo podemos citar a heterojunção GaAs e AlAs. Suas
constantes de rede são praticamente iguais, logo estes materiais quase não geram defeitos ao
longo de sua interface. Isso não acontece na heterojunção Si e Ge, cujas constantes de rede
diferem significativamente, de modo que ao longo do plano da heterojunção existe uma
grande quantidade de defeitos na forma de deslocações em um dos materiais participantes, e
essa perturbação normalmente afeta as características elétricas do sistema, criando
“armadilhas” localizadas na interface para os portadores de cargas. Se a densidade de tais
armadilhas for suficientemente grande, elas dominarão as propriedades elétricas na interface.
Para o caso da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs, temos que suas constantes de rede são 0,47nm para
Al
2
O
3
e 0,56nm para GaAs (JCPDF, fichas nº 893072 e 892706 respectivamente). Esta
diferença é devido às estruturas, parâmetros de redes e direções cristalográficas preferenciais
diferentes que os materiais (Al
2
O
3
e GaAs) apresentam. Logo com esta grande diferença entre
os parâmetros de rede esperamos uma alta concentração de armadilhas em sua interface.
É possível crescer heterojunções entre diferentes tipos de semicondutores, e com
materiais que não são semicondutores como metais e isolantes. Em todos os tipos de
heterojunções sempre ocorre o encurvamento das bordas das bandas de energia. Isto ocorre
devido ao alinhamento do nível de Fermi dos materiais envolvidos, quando o equilíbrio
termodinâmico é alcançado. Para que este equilíbrio seja possível existe a troca de elétrons e
buracos através da interface da heteroestrutura (Einspruch et.al.1994).
2.5 – Heterojunção Semicondutor-Isolante.
As diferenças entre as heterojunções de semicondutores e a heterojunção isolante-
semicondutor são principalmente de natureza quantitativa, estando associadas ao tamanho do
gap dos materiais aqui envolvidos. (Enderlein et.al. 1999).
Um diagrama de energia esquemático para uma heterojunção isolante-semicondutor
genérica, antes e depois do equilíbrio ser estabelecido, é mostrado na figura 4. A situação
30
representada, na qual a energia do gap do semicondutor fica totalmente dentro do gap do
isolante, não é a única situação possível, mas corresponde a uma situação típica (Enderlein
et.al. 1999). Com a finalidade de alcançar o equilíbrio termodinâmico, portadores de carga
migram do lado do semicondutor para o lado do isolante. Isso porque os elétrons do
semicondutor têm inicialmente maior energia do que os elétrons do isolante. Com isso ocorre
o alinhamento do nível de Fermi de ambos os materiais. Como o isolante possuía o nível de
Fermi mais baixo, recebendo portadores, ocorre o encurvamento da banda de valência e de
condução do lado do isolante.
Figura 4 – Alinhamento de bandas entre isolante e semicondutor, em a) antes e em b) após o equilíbrio ser
estabelecido.
Para a confecção de heterojunções, os isolantes que são investigados mais
intensamente incluem óxidos e nitretos como SiO
2
, Si
3
N
4
, Al
2
O
3
, Ga
2
O
3
, entre outros (Hong-
Liang et.al. 2006). Dentre estes, o Al
2
O
3
é considerado um dos melhores isolantes com esta
finalidade, por causa de sua alta constante dielétrica e seu largo gap (~9eV) (Hong-Liang
et.al. 2006; Lin et.al. 2006).
Como parte dos objetivos do trabalho, duas heterojunções simples foram
confeccionadas, sendo uma delas constituída pela heterojunção Al/GaAs, tendo tanto a
camada de GaAs quanto a de alumínio depositadas por meio da técnica de evaporação
resistiva. A outra heterojunção, é Al
2
O
3
/GaAs, confeccionada de forma idêntica à anterior,
31
porém passando por tratamentos que resultaram na oxidação do filme de alumínio. A figura 5
traz uma ilustração do dispositivo alcançado.
Figura 5 – Diagrama esquemático do dispositivo Al
2
O
3
/GaAs .
32
3 – Materiais e Métodos.
Apresentamos nesta seção os tipos de materiais investigados, bem como os métodos
utilizados para a confecção das amostras utilizadas no trabalho.
3.1 – Arseneto de Gálio (GaAs).
Monocristais de GaAs adotam a estrutura Zinc Blende (figura 6). Esta estrutura
consiste na interpenetração de duas redes do tipo cúbica de face centrada, com um átomo da
segunda rede posicionado a um quarto de distância ao longo da diagonal principal do cubo da
primeira rede. Além de GaAs, os semicondutores do tipo III-V possuem o mesmo tipo de
estrutura, com a exceção dos semicondutores III-V que tenham em sua composição
nitrogênio, como o GaN por exemplo, que possuem estrutura do tipo Wurtzite. Quando todos
os átomos da estrutura Zinc Blende são iguais, como é o caso de Si e de Ge, a estrutura passa
a ser chamada de diamante. Na estrutura de GaAs, cada átomo de Ga é ligado a quatro
vizinhos mais próximos de As e vice-versa.
A constante de rede de GaAs é de 0,56nm. Esta constante fica reduzida em
aproximadamente 0,01% para uma amostra não estequiométrica rica em As e sofre um
incremento da mesma proporção quando é rica em Ga. Os limites de estequiometria estão
entre 49,998% e 50,000% de proporção atômica de As (Ghandhi, 1994)).
Figura 6 – Cela unitária da estrutura Diamante e Zinc Blende. Para GaAs o parâmetro de rede é 0,56nm (Singh, 2003).
A estrutura de banda do GaAs, mostrada na figura 2(a) (seção 2.2), tem sido estudada
teoricamente em detalhes por um certo número de grupos, devido as diversas vantagens que
GaAs apresenta, como por exemplo, sua alta velocidade em dispositivos eletrônicos como em
33
transistores de efeito de campo (Field Effect Transistor - FET). Isso acontece devido à alta
mobilidade eletrônica relacionada ao preenchimento preferencial do vale na banda de
condução e também à transição de gap direto, tornando-o atraente para aplicações ópticas.
(Adashi, 1994; Jun et.al, 2000; Singh, 2003; Ye et.al. 2005), conforme já mencionado. GaAs é
muito empregado na fabricação de lasers de semicondutores (emitem luz coerente) e diodos
emissores de luz, sendo também utilizado em células solares e fotodetectoras e em circuitos
integrados. Assim sendo, a pesquisa deste material contribui em muito para o
desenvolvimento cientifico (Adashi,1994).
3.2 – Alumínio e Óxido de Alumínio.
O alumínio é encontrado na natureza sob a forma de óxido. O óxido de alumínio ou
alumina é o principal componente da bauxita. Industrialmente, a bauxita é purificada em
óxido de alumínio, e o óxido é depois convertido em alumínio metálico (Newton, 1999).
O alumínio puro é maleável e frágil, porém suas ligas com pequenas quantidades de
cobre, manganês, silício, magnésio e outros elementos, apresentam uma grande quantidade de
características adequadas às mais diversas aplicações. Como exemplo, podemos citar sua
utilização na construção civil para fabricação de esquadrias, na fabricação de peças de
veículos automotores, em embalagens descartáveis e também vem sendo usado na indústria
elétrica na fabricação de fios e cabos. Alumínio possui coloração prateada, seu ponto de fusão
é de 660
O
C e ponto de ebulição entre 2.327-3.450
O
C. É um excelente condutor de eletricidade
(Newton, 1999).
Óxido de alumínio pode ser obtido através da oxidação térmica do alumínio. O
diagrama de fases do sistema alumínio-oxigênio (Al - O) (figura 7) mostra em quais
condições o alumínio pode ser oxidado (Massalski, 1990).
34
Figura 7 – Diagrama de fases do sistema alumínio-oxigênio, onde L
1
é o alumínio em sua fase liquida e L
2
é
óxido de alumínio na sua fase liquida (adaptado de Massalski, 1990).
Quando oxidado, o alumínio passa a ter fórmula Al
2
O
3
também chamado de alumina.
Podendo existir em várias fases cristalinas, entretanto a mais estável é a fase hexagonal alfa
(Paglia, 2004).
3.3 – Pulverização Catódica (Sputtering).
O método de deposição de filmes finos por Sputtering é uma técnica versátil por
possibilitar a deposição de uma quantidade variada de filmes sobre diferentes tipos de
substratos. Atualmente vem ampliando sua utilização em relação a outras técnicas, entre
outras razões por gerar menos resíduos que algumas técnicas tradicionais de síntese de filmes
finos (Pereira, 2003). Essa técnica consiste na retirada de átomos da superfície de um sólido
pelo bombardeamento com íons de alta energia, os quais são gerados por uma descarga
elétrica em um gás inerte confinado em uma câmara à baixa pressão. Esse processo de ejeção
dos átomos do material ocorre como resultado da transferência de momento dos íons
35
incidentes para os átomos do material bombardeado (alvo). Os átomos ejetados do alvo
percorrem um determinado espaço até a condensação pelo choque com o substrato, dando
origem ao filme (Wasa,2004; Lima, 2006).
A produção de uma descarga gasosa luminescente de corrente contínua é obtida
aplicando-se uma tensão entre dois eletrodos imersos em um gás a baixa pressão. A diferença
de potencial aplicada entre os eletrodos produz uma pequena corrente elétrica de baixa
intensidade, devido à pequena quantidade de íons gerados por uma variedade de processos.
Aumentando a diferença de potencial, uma fração adicional de energia é fornecida às
partículas carregadas do gás. Fornecendo-se energia suficiente para essas partículas,
desencadeia-se um processo de produção de elétrons por colisão no catodo (alvo), dando
origem aos chamados elétrons secundários. Estas partículas também ionizam átomos do gás
produzindo pares elétron-íon que se dirigem aos seus eletrodos correspondentes. Devido ao
aumento de elétrons livres, a corrente elétrica no sistema aumenta rapidamente.
Aumentando ainda mais a tensão, desencadeiam-se processos de colisões de íons
positivos do gás com o catodo e em conseqüência disso, ocorre a produção de elétrons
secundários adicionais, gerando assim uma reação em cadeia que auto-sustenta a descarga.
Nesta etapa, denominada normal, há uma queda de tensão com um aumento abrupto de
corrente e da luminescência devido à descarga no gás. A densidade de corrente não é
constante em todos os pontos do catodo pela região normal. Quando todo o catodo é coberto
pela luminescência, um aumento na tensão aplicada produz um aumento de corrente. Assim,
alcança-se a região denominada de descarga anormal e é essa região que se utiliza para o
processo de deposição. Devido ao catodo receber uma corrente elétrica por toda sua área,
proporciona-se uma deposição uniforme do filme desejado.
A aplicação de uma tensão excessiva aos eletrodos provocará o rompimento da rigidez
dielétrica do gás, ocasionando uma descarga com conseqüente redução da tensão e aumento
36
de corrente elétrica. A região luminescente, próxima ao catodo, é denominada de
luminosidade do catodo e a radiação emitida é conseqüência do decaimento eletrônico orbital
de átomos superficiais do catodo e também dos próprios íons quando da ocorrência de
colisões destes com o catodo. Nas vizinhanças, existe uma região de pouca luminosidade
denominada espaço escuro do catodo. Nesta região, os elétrons secundários emitidos pelo
catodo irão percorrer uma distância correspondente ao seu livre caminho médio, adquirindo
energia suficiente para ionizar através de colisões com os átomos do gás. Uma maneira de se
conseguir aumentar a taxa de deposição é justamente aumentar o livre caminho médio das
partículas carregadas (Wasa,2004; Lima, 2006).
3.4 – Evaporação Resistiva.
A evaporação resistiva foi escolhida como método de deposição de filmes neste
trabalho por ser um método relativamente mais simples que outros métodos e também porque
é uma continuidade aos estudos realizados anteriormente em nosso laboratório (Castro, 2004).
Além disso, representa uma proposta de continuidade à investigação da evaporação de
semicondutores em vácuo (Davey, 1968), sendo então uma contribuição para trabalhos da
mesma natureza.
Neste método, os materiais a serem evaporados são colocados em cadinhos ou
filamentos metálicos, que são geralmente feitos de tungstênio (W), tântalo (Ta) ou molibdênio
(Mo), e são aquecidos por efeito Joule. A corrente que deve passar pelo cadinho ou filamento
varia conforme o material a ser evaporado. A evaporadora usada para a confecção das
amostras foi uma evaporadora da marca Boc Edwards, modelo Auto 500 Evaporation System
(figura 8). Este sistema está equipado com os seguintes acessórios: Unidade Oscilatória,
Cristal de Quartzo, Medidor de Espessura (FTM7 – Film Thickness Monitor), Controle de
37
Alta e Baixa tensão, Porta Substrato, quatro posições independentes para colocação de
diferentes tipos de materiais e sistema de cobertura manual (Shutter).
Figura 8 – Evaporadora BOC EDWARDS AUTO 500.
O transporte do material é feito em vácuo, com uma pressão inicial da ordem de 1x10
-5
mbar, e quando terminada a evaporação do material fonte, a pressão residual no interior da
cúpula não ultrapassa 3x10
-5
mbar. Para garantir uma melhor homogeneidade na espessura
dos filmes, o porta substratos possui um eixo de rotação. Dentro da cúpula de vidro, existe um
cristal de quartzo piezelétrico ligado ao medidor de espessura. Este sistema fica encarregado
de fornecer a taxa de deposição e a espessura dos filmes depositados.
3.5 – Preparação das Amostras.
Para que bons filmes sejam formados é necessária a limpeza do substrato para que não
ocorram contaminações na estrutura do filme. Os substratos utilizados foram lâminas de vidro
borossilicato da marca Objektträger com área superficial de 76x26 mm. Estas lâminas são
limpas em uma solução detergente 10% (Extram MA 02 neutro, marca Merck). As lâminas
foram mantidas nesta solução por 24 horas. Após este procedimento, as lâminas são secadas
38
utilizando um soprador de ar quente, evitando-se que se tenha qualquer contato com a
superfície da lâmina.
Terminado o processo de limpeza dos substratos, estes agora são fixados ao porta
substrato da evaporadora, não sofrendo nenhum tipo de aquecimento ou resfriamento durante
a evaporação. O GaAs usado para a confecção das amostras foi da marca Sigma – Aldrich
Corporation, com pureza de 99,99%. O alumínio usado foi da marca Aldrich Chemical
Company, Inc, possuindo uma pureza de 99,99%, o material está na forma de fio e possui um
diâmetro de 0,25 mm. Os cadinhos e filamentos usados para a evaporação destes materiais são
feitos de Tungstênio (W).
Após a evaporação dos materiais, o filme está pronto para as primeiras medidas de
caracterização. A seguir as amostras retornam a evaporadora para a deposição dos contatos.
Índio (In), da marca Balzers, também de alta pureza, foi escolhido como o material para servir
de contato nas amostras de GaAs. Uma máscara de sombra é feita para delimitar a área que os
contatos serão depositados. Após a deposição dos contatos de In, as amostras são levadas para
um tratamento térmico, para que ocorra a difusão do metal no filme e então diminuir a
resistividade elétrica dos contatos (visto com mais detalhes na seção 3.5). Depois do
tratamento térmico, são então fixados na amostra, utilizando tinta de prata, pequenos fios
elétricos que servirão para fazer as conexões elétricas nos equipamentos de medidas. Com
isso, a amostra de GaAs está pronta para as caracterizações elétricas.
O processo de confecção da heterojunção com Al ou Al
2
O
3
é muito similar, entretanto
temos uma etapa antes da colocação dos contatos de In. Esta etapa inclui a deposição de
alumínio sobre o filme de GaAs, para isso deve ser feita uma máscara para a proteção da
região onde os contatos de In deverão ser depositados. Com a camada de Al depositada, esta
heterojunção é levada para o tratamento que oxidará o alumínio. Após a oxidação do
39
alumínio, outra máscara deve ser feita agora para proteger a região onde está a camada
oxidada, mas uma pequena região sobre esta camada deve ser deixada descoberta para a
deposição de In (esta região será o gate do dispositivo ou da heterojunção Al/GaAs). Também
deve ser deixada descoberta a região para a deposição de In sobre o GaAs. O Esquema da
figura 9 ilustra os processos de deposição de contatos tanto nos filme de GaAs quanto nas
heterojunções.
Figura 9 – Etapas da deposição dos contatos, em a) sobre filmes de GaAs e em b) sobre a heterojunção Al
2
O
3
/GaAs.
3.6 – Dimensões das amostras investigadas.
Na figura 10 está representado um esquema geral para as amostras obtidas e na tabela
2 são apresentados os valores das dimensões de cada uma das amostras estudadas.
Figura 10 – Diagrama esquemático geral das amostras. As dimensões mostradas são diferentes para cada tipo de
amostra e estão sumarizadas na tabela 2.
40
Tabela 2 – Valores das dimensões das amostras.
Dimensões do Filme
de GaAs.
Dimensões do
Filme de In
(contatos).
Dimensões do
Filme depositado
sobre GaAs.
Dimensões do
Gate.
Amostra
a(cm)
b(cm)
c(nm)
a´(cm)
c´(nm)
a´´(cm)
c´´(nm)
a´´´(cm)
b´´´(cm)
SP92
268
-
-
-
-
SP93
1,4
1,2
2.400
0,4
459
-
-
-
-
SP94
1,5
1,2
700
0,4
420
-
-
-
-
ER1
2,5
1,0
316
0,6
304
-
-
-
-
ER2
2,5
0,9
316
0,6
304
-
-
-
-
Al/GaAs
2,0
1,2
316
0,4
398
0,7
257
0,4
0,5
Al
2
O
3
/GaAs
2,5
1,1
316
0,4
398
1,0
<257
0,5
0,5
3.7 – Tratamento Térmico (TT).
Neste trabalho empregamos dois tipos de TT: um deles mais simples, com a finalidade
de melhorar o contato elétrico entre o filme de GaAs e o filme de In (o contato elétrico da
amostra) através do processo da difusão. Este tipo é também utilizado nas heterojunções com
a mesma função. O outro TT utilizado foi um tratamento em um forno com atmosfera
controlada de O
2
, com o objetivo de oxidar o Al formando assim o Al
2
O
3
.
O TT para difusão dos contatos é necessário, pois quando é feita a junção física entre
um metal (In) e um semicondutor (GaAs) ocorre a formação do que chamamos de barreira
Schottky. A barreira pode na maioria dos casos interferir de modo inconveniente na condução
elétrica. Um modo para eliminar este problema é promover a difusão do metal na rede do
semicondutor. Com isso ocorre a formação de uma camada altamente dopada próximo da
interface e então, o estreitamento da barreira de potencial, ficando a condução elétrica
favorecida pelo tunelamento de elétrons através da barreira (Scalvi, 1993). Assim, a condução
elétrica na interface metal-semicondutor fica mais bem estabelecida. O TT feito nos filmes de
GaAs e nas heterojunções (Al/GaAs e Al
2
O
3
/GaAs) foram realizados a uma temperatura de
100
o
C por uma hora com rampa de aquecimento de 5
o
C/min e o resfriamento foi feito de
41
forma natural até que se atingisse a temperatura ambiente. Este valor de temperatura foi
escolhido como uma adaptação a trabalhos anteriores (Ghita, 2005), onde foi utilizado um TT
em temperaturas em torno de 400 ºC por um minuto. Diminuímos este valor para 100ºC,
porém aumentamos significativamente o tempo (1 hora) para tentar minimizar o efeito
retificador da barreira Schottky sem provocar nenhum dano térmico ao filme de GaAs, pois
este não suporta temperaturas muito elevadas na atmosfera ambiente, o que foi verificado
experimentalmente. No entanto, não temos garantia de que este tratamento seja efetivo para
promover uma boa difusão dos contatos de In na amostra, de modo que ele foi feito para
apenas tentar minimizar o efeito retificador, mencionado acima.
O outro TT foi realizado em atmosfera controlada de O
2
nas amostras de Al para sua
oxidação. Com a análise do diagrama de fases do sistema alumínio-oxigênio (figura 7), foi
possível notar que o alumínio sofre a oxidação em temperaturas próximas de 600
o
C. Assim,
esse tratamento foi realizado a temperatura de 620
o
C por uma hora com rampa de
aquecimento e resfriamento de 5
O
C por minuto.
Inicialmente seria feito o mesmo tratamento térmico em atmosfera de O
2
na
heterojunção Al/GaAs, para que fosse oxidada a camada de Al. Porém, como foi verificado
experimentalmente, o filme de GaAs não suporta uma temperatura tão elevada. Outro fator
que impossibilita a oxidação da camada de Al nesta heterojunção é que um tratamento
térmico em atmosfera de oxigênio causaria a oxidação do filme de GaAs. Este processo de
oxidação ocorre pela quebra da ligação Ga-As, onde o oxigênio é quimissorvido pela
superfície, e subseqüente nucleação dos óxidos de Gálio e Arsênio (Ghandhi, 1994). O
processo de crescimento destes óxidos de Gálio e de Arsênio ocorre provavelmente por: a)
difusão do oxigênio e b) da difusão de ambos, Gálio e Arsênio, “para fora” através da camada
de óxido para a superfície onde eles são convertidos nos seus respectivos óxidos (Murarka,
42
1975; Ghandhi, 1994). Para constatação dessas hipóteses, uma amostra da heterojunção
Al/GaAs foi levada ao TT a 400
o
C por duas horas com taxa de aquecimento e resfriamento de
5
o
C/min com atmosfera de O
2
de 1atm. Após esse tratamento, foi verificado que o filme de
GaAs que antes do TT tinha coloração escura (visto através da lâmina de vidro), após o TT
teve sua coloração alterada, ficando amarelada, conforme mostrado na figura 11. Essa
mudança é uma boa indicação de que o GaAs deve sofrer as reações químicas descritas acima,
durante o TT. Portanto a oxidação da camada de Al sobre o filme de GaAs, pelo processo
descrito nesta seção, não seria viável.
Figura11 – Fotos de heterojunções de Al/GaAs vistas através do substrato de vidro. Do lado esquerdo está uma
heterojunção sem TT, e a direita outra heterojunção com o TT em atmosfera de O
2
.
3.8 – Anodização do Alumínio (Oxidação Anódica).
Em virtude da impossibilidade da oxidação da camada de alumínio sobre o filme de
GaAs, um outro método para a oxidação da camada de alumínio se fez necessário. A
anodização é um processo eletroquímico que transforma a superfície do alumínio em óxido de
alumínio (Martins,2009). Na superfície de contato entre o alumínio (ânodo) e a solução
aquosa e ácida de eletrólitos, ocorre a reação eletroquímica de oxidação, que gera uma
43
camada de óxido de alumínio. As reações de oxidação e redução que ocorrem no processo são
(Timoteo et.al.,2006):
Reação de Oxidação:
Reação de Redução:
Como cátodo foi utilizado uma folha de cobre. No ânodo é colocado o filme de
alumínio ou a heterojunção com a camada a ser oxidada. É utilizada uma solução ácida a
20%, o ácido recomendado para este tipo de experiência é o sulfúrico (H
2
SO
4
), com uma
diferença de potencial de 15V (Martins, 2009; de Melo, 2007). Entretanto quando este
procedimento foi realizado várias amostras foram perdidas, provavelmente devido à força
acida da solução e a alta diferença de potencial aplicada. Assim utilizamos uma solução 5%
de H
2
SO
4
e também a diferença de potencial foi diminuída para 5V. O esquema da figura 12
como as ligações feitas para realizar o processo de anodização.
Figura 12 – Esquema da anodização.
44
4 – Técnicas de Caracterização.
Nesta seção descrevemos as principais técnicas que foram utilizadas no
desenvolvimento do trabalho para a caracterização tanto estrutural, como óptica e também
elétrica das amostras obtidas.
4.1 - Difração de Raios – X.
A difração de raios-X (DRX) de filmes finos foi importante para verificação das fases
cristalinas presentes nos filmes obtidos. Além disso, o DRX foi útil para confirmar a oxidação
dos filmes de Al.
4.1.1 - As Direções difratadas dos raios-X .
Os raios-X ao atingirem um material podem ser espalhados, sem perda de energia
pelos elétrons de um átomo (dispersão). O feixe de raios-X após a colisão com os elétrons da
estrutura eletrônica do material, muda a sua trajetória, mantendo, porém a mesma fase e
energia do feixe incidente (figura 13). Se os átomos que geram este espalhamento estiverem
arranjados de maneira sistemática, como em uma estrutura cristalina, apresentando entre eles
distâncias próximas ao do comprimento de onda incidente, pode-se verificar que as relações
de fase entre os espalhamentos tornam-se periódicas, devido à interferência construtiva entre
os feixes difratados entre os planos atômicos. Esses efeitos podem ser observados em vários
ângulos incidentes.
Cristais consistem em planos de átomos que são separados por uma distância d
(Figuras 13 e 14), e que pode envolver muitos planos atômicos, cada um com diferentes
espaçamentos. Para distinguir entre estes planos, são introduzidos os índices de Miller. Para a
família dos cristais cúbicos, estes formam um sistema ortogonal (Callister, 2002; Askeland,
2003).
45
Figura 13 - Características básicas de um experimento típico DRX (adaptado de Brundle et.al., 1992).
Figura 14 – Vários planos atômicos e seus d-espaçamentos no sistema cúbico simples em a); e índices de Miller
dos planos atômicos para uma cristal cúbico simples em b) (adaptado de Askeland,2003).
Quando há interferência construtiva de raios-X, espalhados pelos planos atômicos de
um cristal, um pico de difração é observado no difratograma. A condição para inferência
construtivas dos planos com espaçamento d
hkl
é dada pela lei de Bragg (Stout et.al., 1989;
Brundle et.al., 1992):
(1)
onde é o ângulo formado entre os planos atômicos e o feixe de raios-X incidente (ângulo de
Bragg) (Figura 13). Para a difração ser observada, o detector deve ser posicionado com um
ângulo igual a 
hkl
. Para amostras monocristalinas, só existe um tipo de orientação para cada
plano (hkl), e assim quando as condições de difração são satisfeitas, ocorre o aparecimento de
um máximo de difração no difratograma experimental (Brundle et.al., 1992).
46
Filmes finos podem ser compostos de cristalitos (pequenas regiões cristalinas), com
uma distribuição de orientações. Se essa distribuição é totalmente aleatória, então a difração
ocorre a partir de qualquer um dos cristalitos, que com a orientação adequada satisfaz as
condições difração. Os raios-X difratados emergem como pequenos feixes em relação ao feixe
incidente com um ângulo de abertura 
hkl
, criando um padrão de difração.
A distribuição de orientações que os cristalitos assumem em filmes finos pode variar
conforme o método de deposição, podendo ser monocristalino, ou ter uma textura de fibras
completa. Entre esses dois possíveis extremos, os filmes podem assumir uma orientação
preferencial (textura de fibra incompleta), ou ainda uma distribuição aleatória (sem orientação
preferencial). A intensidade dos feixes difratados depende da quantidade de cristalitos
orientados em uma mesma direção (Stout et.al., 1989; Brundle et.al., 1992).
O grau de orientação influencia nas propriedades dos filmes que em geral estão
ligados a anisotropia de algumas propriedades físicas. Também, a dificuldade de identificar as
fases cristalinas presentes nos filmes com múltiplas fases está ligada a orientação que os
filmes podem ter.
4.1.2 - Tamanho dos Cristalitos.
O tamanho médio dos cristalitos pode ser estimado pela equação de Scherer (Stout
et.al., 1989; Wypych, 1998; Brundle et.al., 1992).
(2)
Onde é o tamanho médio dos cristalitos, é o ângulo formado entre os planos atômicos e o
feixe de raios-X incidente, é o comprimento de onda dos raios-X utilizado, B é o
alargamento da linha de difração medida a meia altura de sua intensidade máxima para o
difratograma da amostra e b é o alargamento da linha de difração medida a meia altura de sua
47
intensidade máxima de uma amostra padrão. Essa correção tem a finalidade de subtrair
qualquer alargamento que o próprio difratômetro pode acrescer nas medidas.
4.1.3 - Determinação da Orientação preferencial (Textura).
Em filmes policristalinos, o valor da orientação preferencial pode ser estimado por
comparação das intensidades. O coeficiente de textura pode ser utilizado para a determinação
da orientação preferencial e é definido pela equação (3) (Ramgir et.al., 2006; Martel
et.al.,2007).
(3)
Onde I
hkl
é a intensidade medida, i
hkl
é intensidade de um padrão, N é o número de picos que a
amostra apresenta.
CT deve ser calculado para todas as orientações que a amostra apresenta. Devido a
forma como CT é definido, este pode assumir valores entre . Portanto, o máximo
valor que CT pode apresentar é igual a N. Assim podemos ter três situações possíveis: 1) o
CT é muito próximo de N, indicando uma orientação altamente texturizada. 2) O CT é
próximo de zero, indicando orientações muito pouco texturizadas. 3) O valor total que CT
pode assumir fica distribuído para todas as orientações presentes no difratograma, indicando
que a amostra deve possuir uma orientação aleatória de crescimento (Ramgir et.al., 2006;
Martel et.al.,2007).
O difratômetro de raios-X utilizado foi um difratômetro Rigaku modelo D/MAX –
2100/PC equipado com uma fonte de radiação de Cu (K = 1,5405 Å) e um filtro de Ni para
remover a radiação referente a linha K

docobre. Este aparelho está instalado na Central de
Laboratórios da Faculdade de Ciências na Unesp campus de Bauru.
48
4.2 – Caracterização Óptica.
A caracterização óptica tem por finalidade determinar as características ópticas,
incluindo a absorção óptica, que o material pode apresentar. Definimos como absorção óptica
a perda de intensidade que uma determinada radiação eletromagnética tem quando esta
atravessa algum meio material. Alguns materiais começam a apresentar transições eletrônicas,
devido a absorção óptica, já na região do infravermelho. Porém, estas transições são mais
comuns na região do espectro visível e do ultravioleta. GaAs possui um gap de 1,43eV, o que
representa uma absorção na região do infravermelho próximo (Ghandhi, 1994). A absorção
está relacionada com a espessura da amostra, o que pode ser verificado através da equação
(Askeland, 2003):
(4)
onde I
T
é a intensidade do feixe transmitida, I
0
é a intensidade do feixe incidente, d é a
espessura da amostra e é o coeficiente de absorção óptica.
O coeficiente de absorção óptica pode ser estimado através da equação
(Pankove,1971; Terrier, 1997, Babu 2009):
(5)
onde T
é a transmitância da amostra na freqüência .
Existe uma relação (equação (6)) na qual é possível estimar o gap de materiais
semicondutores a partir do coeficiente de absorção óptica, deste que este material apresente
transições eletrônicas referentes à borda fundamental de absorção (Pankove, 1971; Terrier,
1997; Babu, 2009).
49
(6)
onde h é a constante de Planck, é a freqüência da radiação incidente na amostra, D é uma
constante de proporcionalidade (Pankove, 1971) e y assume valores diferentes para transições
diretas (y=1) e para transições indiretas (y=4). Quando os filmes são predominantemente
amorfos pode-se utilizar y=4(gap de Tauc) para um melhor ajuste na estimativa do gap das
amostras. (Kim, 1999).
4.2.1 – Espectroscopia na Região do Infravermelho.
Um gráfico da razão entre intensidade transmitida e incidente em função do número de
ondas ou comprimento de onda que corresponde à região do infravermelho é o que
denominamos espectro de infravermelho.
O espectro de infravermelho é comumente graficado em um dos três formatos: como
transmitância, refletância, ou absorbância. Se uma medida é feita medindo a fração de luz
transmitida através da amostra, esta relação é definida como (Wilson et.al., 1995; Brundle
et.al., 1992).
(7)
onde T
é a transmitância da amostra na freqüência , e I
t
é a intensidade de luz transmitida.
Do mesmo modo, se é uma medição da luz refletida a partir da superfície da amostra,
então, a razão R
é feita da seguinte forma: substituindo I
t
pela intensidade de luz refletida I
r
na equação (7). O terceiro formato, absorbância, está relacionado com a transmissão pela Lei
Beer-Lambert (Brundle et.al., 1992):
(8)
No espectro de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) todas as freqüências
são emitidas pelo interferômetro que seguiram o mesmo caminho óptico, mas diferem no
tempo em que são emitidas. Assim, estes sistemas são referidos como dispersão temporal. Os
50
dados de saída intensidade-tempo do interferômetro são submetidos a uma transformada de
Fourier para que possam ser convertidos em unidades mais familiares do espectro de
infravermelho (intensidade, número de ondas) (Bueno, 1989; Brundle et.al., 1992).
4.2.2 – Cálculo da Espessura de Filmes Finos.
Para que se possa fazer este tipo de calculo é necessário que o espectro de
transmitância dos filmes apresente franjas de interferência. Este tipo de fenômeno ocorre
devido à interferência óptica da luz entre as interfaces ar-filme e filme-substrato (Maia, 2006),
que traduz na forma de franjas de interferência. Estas franjas são um indicativo de que o filme
possui um bom grau de homogeneidade na sua espessura (Maia, 2006).
Quando existe regularidade na periodicidade dos máximos e mínimos das franjas de
interferência podemos através das equações 9, 10 e 11 estimar a espessura do filme
(Manifacier et.al., 1976; Maia, 2006).
(9)
e
(10)
onde n
f
é o índice de refração do filme, n
0
é o índice de refração do meio do qual a radiação
infravermelha provém ao penetra no filme, em nosso caso é o ar, portanto n
0
= 1. A variável
n
s
é o índice de refração do substrato.
O valor da espessura é dado pela equação (11).
(11)
onde S é o número de oscilações entre dois máximos ou dois mínimos não adjacentes. Para
dois máximos ou dois mínimos adjacentes S = 1, assim os valores de n
f
(
1
) e n
f
(
2
) são os
índices de refração para os dois máximos ou mínimos escolhidos (adjacentes ou não) em
1
e
2
. O espectrofotômetro utilizado para as analises infravermelho é um espectrofotômetro
Nicolet, modelo Magna-IR 760 Spectrometer E.S.P., que está atualmente instalado no
51
Laboratório de Catálise e Eletrocatálise na Unesp, campus de Bauru, sob responsabilidade do
Prof. Dr. Antonio Carlos Dias Ângelo. As medias de absorção óptica na região do Uv-visível
foram realizadas em um espectrofotômetro Cary 1G, marca Varian, o qual está sob
responsabilidade da profª. Drª.Lígia de Oliveira Ruggiero.
4.3 - Medidas de Resistência em função da Temperatura (R x T).
Nesta medida originalmente são obtidos valores de resistência para várias
temperaturas. A medida é feita resfriando a amostra até uma temperatura de 20K. A seguir a
taxa de aquecimento é fixada em 3K/min e a amostra fica submetida a uma tensão de 1V.
Com os dados e resistência é possível obter a resistividade do material depositado, que é uma
forma mais apropriada de estudar o mesmo. A resistividade pode ser obtida através da
equação:
(12)
onde é a resistividade do material que compõe a amostra, R é a resistência da amostra em
uma determinada temperatura, A é a área da seção transversal de condução (formada entre a
espessura e a largura da amostra), l é a distância entre os contatos elétricos da amostra. Essas
dimensões para cada filme investigado estão descritas na tabela e da seção 3.6.
Com o aumento da temperatura os elétrons absorvem energia térmica suficiente para
quebrar a ligação covalente, contribuindo para o aumento de portadores livres (elétrons e
buracos) na rede do semicondutor. Ou seja, estes elétrons são levados da banda de valência
para a banda de condução, logo a resistividade do material diminui conforme a temperatura se
eleva. Este é o comportamento esperado para as amostras de GaAs e as heterojunções na
ligação c-d (fonte-dreno). Ainda nas heterojunções, para o Al/GaAs, na ligação b-c (fonte-
gate) é esperada uma resistência muito inferior a encontrada na outra ligação, devido a
52
estrutura da heterojunção. Já para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs, na ligação b-c (fonte-gate) é
esperado uma resistência superior, em função da camada de alumina.
Através desta medida é possível determinar a Energia de Ativação de níveis de energia
de estados localizados (defeitos) presentes na amostra. Esta energia corresponde a níveis de
energia permitidos no interior do gap do material, decorrente do surgimento de defeitos na
constituição da amostra. Podemos obter o valor da energia de ativação a partir da equação
abaixo (Scalvi,1991):
(13)
onde q é carga do elétron, R é a resistência da amostra, K
c
é uma constante que depende de
fatores geométricos, é a mobilidade (que é considerada constante para pequenas variações
de temperatura), N
c
é a densidade de estados, E
a
é a energia de ativação, k
b
é a constante de
Boltzmann e T é a temperatura.
Quando fazemos o gráfico de ln(1/qR) em função 1/T é esperado que este gráfico seja
uma reta. O coeficiente angular desta curva fornece a energia de ativação para ionização do
defeito para uma determinada região de temperatura, o que pode ser verificado na equação
(13). Quanto menor o número de defeitos, mais linear é o gráfico, com regiões bem definidas
da ionização destes defeitos. Já para amostras com maior quantidade de defeitos, a curva
tornasse claramente não linear como conseqüência das diversas energias de ionização dos
defeitos presentes (gráfico se aproxima ao de uma hipérbole).
Os equipamentos usados nesta medida e nas demais medidas de caracterização elétrica
são mostrados na figura 15, sendo listados na tabela 3.
53
Figura 15 – Equipamentos usados nas medidas elétricas. A identificação dos números está na tabela 3.
54
Tabela 3 – Especificação de Equipamentos usados na caracterização elétrica.
Equipamento
Especificações
Equipamento
Especificações
1
Eletrômetro
Marca: KEITHLEY.
Modelo: 6517a.
6
Bomba
de
Vácuo
Marca: EDWARDS.
Modelo: RV3.
Tipo: Mecânica
Volumétrica.
2
Multímetro
Marca: Agilent.
Modelo: 34401A.
7
Medidor
de
Pressão
Marca: BOC EDWARDS
Modelo: D39560000
3
Criostato
Marca: CTI -
CRYOGENICS
Modelo: 22C/350C
8
Fonte de
Luz
Marca: ORIEL
Instruments
Modelo: 66182
4
Compressor
de He
Marca: CTI -
CRYOGENICS
Modelo: 8200
9
Fonte de
Potência
(Luz)
Marca: ORIEL
Instruments
Modelo: 68831
Máxima Potência
Fornecida: 300W
5
Controlador
de
Temperatur
a
Marca: Lake Shore
Modelo: 331
-
-
-
Para as medidas de caracterização elétrica nos filmes de GaAs e nas heterojunções, no
interior do criostato foram realizadas as ligações mostradas no esquema da figura 16.
55
Figura 16 – Esquema das ligações no interior do Criostato. Em a) ligações para os filmes de GaAs e em b)
esquema de ligações para as heterojunções.
4.4 - Medidas de caracterização elétrica Foto-Induzidas.
Como visto anteriormente, semicondutores de gap direto apresentam propriedades
ópticas. Assim verificar se o filmes de GaAs e as heterojunções depositados por evaporação
resistiva apresentam tais propriedades, pode ser útil para aplicações futuras dos mesmos.
Neste experimento, a luz proveniente de uma fonte de luminosa é incidida
diretamente na amostra e avalia-se a corrente em função do tempo de exposição da amostra na
luz na temperatura ambiente. A medida é realizada com a amostra sob uma tensão fixa de 1V
durante todo o tempo de medida. Durante os cinco primeiros minutos a amostra fica no
escuro, nos cinco minutos seguintes ela fica exposta a luz e nos cinco minutos finais ela volta
a ficar no escuro. Se a amostra tiver uma absorção óptica um aumento na corrente deverá ser
observado nos minutos em que ela ficará exposta à luz.
Semicondutores têm um aumento de sua condutividade com o aumento da temperatura
(visto na seção anterior 4.5), por isso é fundamental monitorar a temperatura, para sabermos
se um possível aumento na corrente é devido a uma absorção óptica ou se isso é devido a um
aumento na temperatura da amostra.
Também foi realizado um experimento no qual luz monocromática era incidida na
amostra. A mesma luz branca utilizada na medida descrita acima passa por um
56
monocromador, onde os comprimentos de onda são selecionados. Porém, neste experimento
não foram obtidos sinais mensuráveis. Atribuímos este fato a baixa intensidade de luz que o
monocromador deixava passar e incidia na amostra. Neste experimento a fonte de luz foi
posicionada a 50cm da amostra no interior do criostato e uma lente convergente é posicionada
a de tal forma a se obter uma melhor convergência dos feixes luminosos sobre a amostra.
4.5 - Medidas de Corrente-Voltagem em várias temperaturas (I x V).
Medidas de I x V em várias temperaturas são usadas para a verificação do
comportamento das amostras quando elas são submetidas a uma variação da tensão aplicada.
Quando corrente varia linearmente com a variação da tensão, dizemos que o comportamento
do contato é ôhmico. Conhecer como é o comportamento das amostras produzidas é
importante para aplicações futuras em dispositivos eletrônicos.
Para esta medida, um arranjo similar ao feito na medida de resistência em função da
temperatura é feito, porém neste caso um dos terminais é ligado ao pólo positivo da fonte de
tensão do eletrômetro e o outro terminal é aterrado. Assim como no caso da medida de R x T,
para as heterojunções são avaliados os dois tipos de ligação, b-c (fonte-gate) e c-d (fonte-
dreno).
57
5 – Resultados.
Nesta seção, trazemos os resultados das medidas realizadas nas amostras obtidas
durante a execução deste projeto, discutidas dentro dos parâmetros abordados nas seções
anteriores.
5.1 – Caracterização Estrutural.
A caracterização estrutural envolveu medidas de difração de raios-X e medidas de
microscopia que permitiram a obtenção de informações sobre a estrutura do material,
depositado na forma de filme fino por dois métodos diferentes (evaporação resistiva e
sputtering). A difração de raios-X foi útil para a confirmação que o material evaporado não
sofreu nenhum tipo de contaminação indesejável (no caso de GaAs e de Al). Além disso, esta
caracterização é um dos pontos mais importantes para o trabalho, para confirmar se as
amostras de alumínio foram oxidadas com sucesso. Nos difratogramas apresentados nesta
seção o intervalo de varredura 2 foi de 20º a 80º, com passo de 0,02º e velocidade de 1º/min.
A microscopia foi de grande utilidade para se ter informações sobre a morfologia dos
filmes obtidos. As imagens foram obtidas com aumento de 500x e 1000x da superfície da
heterojunção Al
2
O
3
/GaAs. Duas regiões foram analisadas, sendo uma região aonde apenas é
visível o filme de alumina e uma outra região em que é visível a interface dos filmes.
5.1.1 – Difração de Raios-X.
Filmes Finos de GaAs.
Os difratogramas das amostras produzidas por Sputtering (série SP) são apresentados
na figura 17. As amostras da série SP foram depositadas com diferentes valores de potência
do sistema de ionização (que está correlacionado com a taxa de deposição dos filmes, quanto
maior a potência aplicada maior a taxa de deposição): SP92 com 180W, SP93 com 90W e
SP94 com 30W. Podemos notar que as amostras SP92 e SP93 que tiveram sua deposição com
valores mais altos de potência, o que levou a um melhor ordenamento estrutural do que a
58
amostra SP94 que foi depositada a uma potencia de 30W, como podemos verificar em seus
respectivos difratogramas.
20 40 60 80
0
750
1500
2250
3000
(311)
(220)
(111)
(111)
Intensidade
2(Graus)
(111)
(220)
(311)
SP92
SP93
SP94
SP92 (3,4m)
SP93 (2,4m)
SP94 (0,7m)
Figura 17 - Difratograma para as amostras produzidas por Sputtering.
A orientação preferencial pode ser avaliada efetuando-se o cálculo do coeficiente de
textura (Martel et.al., 2007) para cada direção encontrada nos difratogramas. Os valores dos
coeficientes de textura são apresentados na tabela 4. O tamanho dos cristalitos (Stout et.al.,
1989) também é apresentado na tabela 4, para todas as direções observadas nos difratogramas
da série SP. Os tamanhos dos cristalitos são muito próximos uns dos outros para todas as
direções em que foram estimados, apresentando um valor médio de 15,2nm. Na tabela 4
também é apresentada a espessura das amostras da série SP. A posição das amostras onde o
feixe de raios-X incide, pode influenciar no resultado final, porém novas medidas não foram
reproduzidas aqui pelo fato das amostras cujos difratogramas são mostrados na figura 17,
possuírem agora contatos de In, o que ocasionaria o aparecimento de picos In. No entanto, os
difratogramas feitos antes da colocação dos contatos mostrados na figura 17, são bastante
representativos do comportamento geral desses filmes.
59
Tabela 4 – Tamanho do Cristalito, Coeficiente de Textura e espessura para as amostra de GaAs
depositadas por Sputtering.
Amostra
Tamanho do Cristalito (nm)
(Direção)
Coeficiente de Textura
(Direção)
Espessura da Amostra
(m)
SP92
14,6 (111)
2,7 (111)
3,4
16,6 (220)
0,1 (220)
14,8 (311)
0,1 (311)
SP93
15,7 (111)
2,9 (111)
2,4
14,8 (220)
0,1 (220)
15,4 (311)
0,1 (311)
SP94
14,6 (111)
1,0 (111)
0,7
As amostras SP92 e SP93 apresentam uma textura na forma de fibras (Brundle et.al.,
1992), pois o seu coeficiente de textura está muito próximo do valor N (número de picos de
difração) na direção (111), ou seja, estes planos cristalinos estão orientados nesta direção com
grande uniformidade (Brundle et.al., 1992; Pereira et.al., 2003). Já para a amostra SP94, que
apresenta um único pico de difração, isto implica que o valor do coeficiente de textura seja 1
(um) (Brundle et.al., 1992; Ramgir et.al., 2006).
Na figura 18 são apresentados os difratogramas de duas amostras produzidas por
Evaporação Resistiva.
20 40 60 80
0
30
60
90
120
150
180
210
(220)
(220)
(111)
(111)
ER3
ER2
Intensidade
2(Graus)
ER1 (316nm)
ER2 (316nm)
ER3 (604nm)
ER1
(111)
(220)
Figura 18 - Difratograma para as amostras de GaAs produzidas por Evaporação Resistiva. No quadro
superior estão mostradas as respectivas espessuras.
60
Para as amostras da série ER (figura 18), nota-se que as intensidades dos picos no
difratograma (principalmente o pico referente à direção (111)) são bem menos intensos e
menos definidos do que os picos obtidos das amostras obtidas por Sputtering. A tabela 5 traz
resultados de tamanho do cristalito, que tiveram um valor médio de 10,8nm. O coeficiente de
textura e a espessura das amostras da série ER também são mostrados na tabela 5. A
orientação preferencial de crescimento (analisada pelo coeficiente de textura (Ramgir et.al.,
2006; Martel et.al., 2007)) para estas amostras não revelou nenhuma orientação preferencial
bem definida uma vez que os resultados ficaram muito próximos da unidade (Ramgir et.al.,
2006), indicando que os filmes não possuem uma textura de fibras completa (Brundle et.al.,
1992).
Tabela 5 - Tamanho do cristalito, coeficiente de textura e espessura para as amostras de GaAs
depositadas por Evaporação Resistiva.
Amostra
Tamanho do Cristalito
(nm) (Direção)
Coeficiente de Textura
(Direção)
Espessura da Amostra
(nm)
ER1
9,3 (111)
1,6 (111)
316
6,4 (220)
0,4 (220)
ER2
8,9 (111)
1,7 (111)
316
8,9 (220)
0,3 (220)
ER3
10,2 (111)
1,8 (111)
604
7,9 (220)
0,2 (200)
É possível notar a partir das tabelas 4 e 5 que o tamanho do cristalito é menor para as
amostras depositadas por evaporação resistiva do que para as amostras feitas por sputtering. O
coeficiente de textura mostrou que as amostras SP92 e SP93 são amostras com uma
orientação preferencial melhor definida (Brundle et.al., 1992.; Ramgir et.al., 2006) em relação
às demais amostras, apesar das amostras da série ER não terem um coeficiente de textura bem
definido. O valor deste coeficiente é ligeiramente maior para a direção (111), porém não
podemos afirmar que esta direção é a orientação preferencial de crescimento do filmes, pois o
coeficiente de textura da direção (311) está muito próximo do coeficiente da direção (111).
61
Outro aspecto digno de nota é que intensidade dos raios-X difratados é muito diferente
em ambos os casos, sendo os picos nos difratogramas das amostras da série SP muito mais
intensos e bem definidos do que os picos da série ER. Esta diferença entre intensidade dos
picos está provavelmente associada com a melhor orientação dos planos cristalográficos das
amostras da série SP. Ainda sobre as intensidades das amostras da série ER, podemos notar
que a espessura do filme não influenciou nas intensidades dos picos de difração. Todas as
amostras foram comparadas com o padrão JCPDF para GaAs (ficha número 89-2706) para a
comprovação da presença deste composto nos filmes, não sendo observada a presença de
possíveis contaminantes ou de possíveis regiões cristalinas que correspondam a compostos de
Ga ou As separadamente.
Com os resultados de difração de raios-X percebemos que os filmes crescidos por
evaporação resistiva crescem de forma aleatória, não se notando o crescimento de nenhuma
orientação preferencial bem definida. Este aspecto já era esperado devido ao modo com o
filme cresce no substrato no método de Evaporação Resistiva. O vapor de GaAs chega ao
substrato onde o filme é formado de modo aleatório, e assim em regiões diferentes do
substrato, o filme cresce com orientações diferentes. Logo não há uma orientação preferencial
de crescimento do filme. Como o filme não possui nenhuma orientação preferencial, não deve
possuir também um bom ordenamento estrutural, levando a muitos defeitos em sua rede.
Filmes Finos de Al.
Os difratogramas para filmes finos de alumínio (série Al) depositados por evaporação
resistiva estão apresentados na figura 19.
62
20 30 40 50 60 70 80
0
150
300
450
600
750
900
(311)
(311)
(311)
(311)
(311)
(220)
(220)
(220)
(220)
(220)
(200)
(200)
(200)
(200)
(200)
(111)
(111)
(111)
(111)
(111)
Intensidade
2(Graus)
Al1
Al2
Al3
Al4
Al5
Figura 19 - Difratogramas de filmes finos de Alumínio produzidos por Evaporação resistiva.
A tabela 6 traz o cálculo do tamanho do cristalito e o coeficiente de textura, bem como
a espessura dos filmes de alumínio.
A ficha do padrão JCPDF número 89-2769 corresponde ao padrão do alumínio e
através desta ficha foi verificada a presença de alumínio nos filmes da serie Al.
63
Tabela 6 - Cálculo do tamanho do cristalito, coeficiente de textura e espessura dos filmes de Alumínio.
Amostra
Tamanho do Cristalito
(nm)(Direção)
Coeficiente de Textura
(Direção)
Espessura da
Amostra (nm)
Al1
16,2 (111)
1,2 (111)
124,6
13,9 (200)
0,8 (200)
19,6 (220)
1,1 (220)
24,4 (311)
0,9 (311)
Al2
19,1 (111)
1,3 (111)
83,9
18,7 (200)
0,7 (200)
26,2 (220)
0,9 (220)
20,5 (311)
1,1 (311)
Al3
20,0 (111)
1,1 (111)
83,9
17,9 (200)
1,0 (200)
33,7 (220)
1,1 (220)
19,7 (311)
0,9 (311)
Al4
16,2 (111)
1,2 (111)
257,3
19,5 (200)
1,0 (200)
26,2 (220)
1,0 (220)
10,4 (311)
0,7 (311)
Al5
19,1 (111)
1,1 (111)
257,3
23,8 (200)
1,3 (200)
21,4 (220)
0,8 (220)
17,6 (311)
0,7 (311)
Valores
médios
18,1 (111)
1,2 (111)
-
18,8 (200)
0,9 (200)
25,4 (220)
1,0 (220)
17,5 (311)
0,9 (331)
Pelos resultados apresentados na tabela 6, notamos que apesar de termos filmes com
espessuras diferentes, o tamanho do cristalito não foi afetado, mantendo a mesma distribuição
de intensidades para todas as amostras e um tamanho médio geral de 23,5nm. No cálculo do
coeficiente de textura, similar aos resultados das amostras da série ER (GaAs, depositado pelo
mesmo método) esses valores ficaram próximos do valor 1 (um) (Ramgir et.al., 2006). Assim
podemos afirmar que as amostras da série Al também não apresentam uma textura de fibras
bem definida (Brundle et.al., 1992). De modo geral, a orientação preferencial, adotando como
aquela direção que possui o maior coeficiente de textura, foi a direção (111). Somente a
64
amostra Al5 teve como direção preferencial a direção (200), mas não podemos ignorar o fato
que os coeficientes de textura destas amostras estão muito próximos uns dos outros e com isso
não é possível precisar qual é a real orientação preferencial.
Para a investigação que se segue, os filmes foram utilizados da seguinte forma: Al3 foi
escolhido de forma aleatória e foi então separado para a realização de tratamento térmico. As
demais amostras foram utilizadas para realizar e aperfeiçoar o processo de anodização, sendo
que esses filmes foram divididos em vários pedaços.
Amostras Tratadas Termicamente.
Após o tratamento térmico em atmosfera de O
2
(descrito na seção 3.5), a amostra Al3
foi levada novamente para o difratômetro de raios-X para uma nova análise estrutural e
verificação da possível oxidação. O difratograma obtido é mostrado na figura 20.
20 40 60 80
0
300
600
900
(012) Al
2
O
3
Intensidade
2(Graus)
Filme de Al com TT de 620ºC por 1h
Figura 20 - Difratograma da amostra Al3 após TT 620
o
C por uma hora em atmosfera de O
2
com pressão
1atm.
A direção mostrada no difratograma (012) corresponde ao ângulo 2de 25,64
o
o qual
confere com o padrão JCPDF (ficha nº 89-3072), indicando que o filme foi oxidado formando
Al
2
O
3
. Também quando comparamos este difratograma com o seu difratograma antes do
65
tratamento térmico notamos que todos os picos acima de 30
o
não estão mais presentes. O
tamanho do cristalito avaliado para a direção (012), com o auxílio da figura 20 foi de 8,3nm.
Na tabela 7, que será apresentada mais a frente, é mostrado um comparativo dos resultados
obtidos desta amostra com as demais, onde é possível notar que o tamanho do cristalito
apresenta valores próximos aos das demais amostras oxidadas.
Amostras Anodizadas.
Os testes realizados preliminarmente com solução de H
2
SO
4
20% e uma tensão de
15V (Martins, 2009) mostraram-se muito fortes e como resultado disso alguns filmes foram
arrancados dos substratos, como já foi mencionado na seção 3.6. A figura 21 traz uma foto
dos filmes que passaram por este experimento inicial. Entretanto duas amostras (a direita da
figura 21) foram observadas no microscópio óptico por apresentarem uma forma diferente das
outras. Na região do filme que ficou localizado na interface ar-solução havia aparecido uma
faixa após a anodização. Quando observado no microscópio óptico, foi possível notar que
havia um filme depositado nesta faixa. Então, foi realizada a anodização com uma solução de
H
2
SO
4
5% e uma tensão de 5V. Neste experimento foram obtidas amostras com um aspecto
muito melhor do que as amostras do experimento anterior. As amostras Al1 e Al2 tiveram um
tempo de anodização de 15 segundos. A Al4 teve um tempo de anodização um pouco maior
(20 segundos), o que resultou no desprendimento de uma parte do filme do substrato. E por
fim a amostra Al5 teve um tempo de anodização menor, 10s. A figura 22 traz uma foto destas
amostras. O difratograma de raios-X, figura 23, mostra que os filmes foram oxidados com
sucesso.
66
Figura 21 – Primeiras amostras anodizadas com a solução de H
2
SO
4
20% e tensão de 15V. A direita da
foto pode ser notada duas amostras que tiveram uma divisão na interface solução-ar.
Figura 22 – Amostras da série Al anodizadas e tratadas termicamente. Da esquerda para a direita,
amostra Al1 (15 segundos de anodização), Al2 (15 segundos de anodização), Al4 (20 segundos de anodização),
Al5 (20 segundos de anodização) e Al3 (tratamento térmico).
20 30 40 50 60 70 80
0
500
1000
1500
2000
2500
Intensidade
2(Graus)
Al1(<125nm)
Al2(<84nm)
Al5(<257nm)
Al4(<257nm)
(012)
Al5
Al4
Al2
Al1
Figura 23 – Difratograma das amostras da série Al tratadas por anodização. O sinal ”<” indica que os
filmes possuem espessura menor que o valor indicado.
67
Assim como no difratograma da amostra Al3, a direção mais evidente é a (012), que
também está de acordo com o padrão JCPDF (ficha nº 89-3072). A tabela 7 traz o cálculo do
tamanho do cristalito e do coeficiente de textura das amostras da série Al após a sua oxidação.
Tabela 7 - Tamanho do Cristalito e Coeficiente de Textura das amostras da série Al após a sua
oxidação.
As amostras Al1 e Al2 eram mais finas (124,6nm e 83,9nm respectivamente) que as
amostras Al4 e Al5 (ambas com 257,3nm) antes da anodização. Com a anodização,
esperamos que a espessura dos filmes seja menor do que a espessura antes da anodização.
Assim o fato dos picos de difração das amostras Al1 e Al2 após a anodização, serem menos
intensos do que as amostras Al4 e Al5, pode estar ligado com as suas respectivas espessuras,
uma vez que quando os filmes são muito finos a difração de raios-X pode ficar comprometida
pelo próprio método de medição utilizado. O método utilizado foi o de ângulo rasante, neste
método há pouca penetração dos raios-X na amostra. A interação dos raios-X ocorre somente
nas camadas superficiais do filme. Entretanto quando o filme é muito fino mesmo com este
método, próprio para filmes finos, uma parte do feixe de raios-X pode alcançar o substrato e
comprometer a medida.
O tamanho dos cristalitos não teve muitas oscilações tendo um valor médio de 8,4nm e
como somente obtivemos um pico de difração de raios-X o coeficiente de textura mostra que
o filme aparentemente apresenta texturização e que a orientação preferencial é a direção
(012).
Amostra
Espessura antes dos
tratamentos (nm)
Tamanho do Cristalito (nm)
(Direção)
Coeficiente de Textura
(Direção)
Al1
125
8,7 (012)
1 (012)
Al2
84
7,8 (012)
1 (012)
Al3
84
8,3 (012)
1 (012)
Al4
257
8,7 (012)
1 (012)
Al5
257
8,7 (012)
1 (012)
68
Dispositivo Al
2
O
3
/GaAs.
Com o resultado positivo no processo de anodização, foi feita a heterojunção Al/GaAs
com oxidação da camada de Al por meio da anodização, com tempo de 15 segundos. Para
verificar a presença de Al
2
O
3
sobre GaAs foi feita a difração de raio-x da heterojunção, cujo
difratograma está na figura 24(a). Na figura 24 (b) está representado do difratograma da
heterojunção Al/GaAs após o TT a 400ºC por duas horas em atmosfera de O
2
, para
comparação
20 40 60 80
0
500
1000
1500
2000
2500
(012)
Intensidade
2 (Graus)
Dispositivo 1-Al
2
O
3
(<257nm)/GaAs (316nm)
Dispositivo 2-Al
2
O
3
(~200nm)/GaAs (604nm)
Dispositivo 1 - Caracterização Elétrica.
Dispositivo 2 - Utilizada na Microscopia
Óptica.
(012)
a)
20 40 60 80
0
250
500
2(Graus)
Intensidade
Ga
2
O
3
Ga
2
O
3
Al
Al
Al
Al
2
O
3
As
2
O
3
Al
b)
Figura 24 – Em a) Difratograma de raios-X das heterojunções Al
2
O
3
/GaAs com tempo de anodização de 15
segundos e em b) difratograma da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs após TT a 400ºC (em O
2
) por duas horas..
Pela figura 24(a) é possível notar novamente que o pico da direção (012) que
corresponde a Al
2
O
3
é evidente em ambas as amostras. A camada de alumínio do dispositivo
1, depositada antes da anodização, foi feita na mesma evaporação que foram feitas as
amostras Al4 e Al5. Portanto a camada de alumínio sobre o dispositivo 1 possuía 257nm e
podemos esperar que a camada anodizada possua uma espessura menor, como já discutido. Já
o dispositivo 2 foi feito em outra deposição. Entretanto nestes difratogramas não se notam a
presença de picos correspondentes a GaAs em nenhum dos casos. Este fato pode estar
relacionado também com o método do ângulo rasante, em que só há interação dos raios-X nas
69
camadas superficiais da amostra. Porém, para a confecção do dispositivo 1 foi usado uma
parte da amostra ER2 e o dispositivo 2 foi usado uma parte da amostro ER3. Logo está
assegurado que abaixo do Al
2
O
3
está uma camada de GaAs, garantido pelo difratograma das
respectivas amostras, conforme apresentado na figura 18.
Com relação à figura 24(b) é possível notar que ainda existe a presença de alumínio na
amostra pelos picos em 38,9º; 45,2º; 65,5º; 78,6º; que são os mais intensos deste difratograma.
Também deve ser observado que temos a presença do pico em 25,9º que corresponde a
alumina, indicando que uma parte do alumínio sofreu oxidação. É observada ainda a presença
de picos menos intensos que acreditamos que sejam correspondentes ao óxido de arsênio
(27,8º) e oxido de gálio (40,1º; 40,6º e 54,2º), muito embora os picos em 27,8º e 54,2º sejam
próximos aos picos que GaAs apresenta. Ainda assim, as fichas cristalográficas nº 06-0509
(Ga
2
O
3
) e nº 72-1333 (As
2
O
3
) do padrão JCPDF mostram que esses picos são mais próximos
dos picos dos óxidos citados do que de GaAs. Outro fator que nos leva a acreditar na presença
destes óxidos é a mudança no aspecto do filme como foi apresentado na figura 11.
5.1.2 – Microscopia.
Nesta seção são apresentados resultados de microscopia eletrônica de varredura
(MEV) tanto da secção transversal quanto da superfície dos filmes de GaAs. Deve-se ressaltar
que tanto a amostra quanto as medidas representadas nas figuras 25 e 26 foram feitas pela
mestra Tatiane de Fátima Pineiz (Pineiz, 2009), na UNESP campus de Botucatu. No entanto,
trata-se de amostra produzida exatamente pelo mesmo método usado aqui e, assim, esses
resultados foram aqui reproduzidas para que tenhamos uma melhor visualização do tipo de
amostra de GaAs depositada pela técnica de evaporação resistiva.
70
Figura 25 – Micrografia da seção transversal de um filme de GaAs depositado por evaporação resistiva com
aproximadamente 1,4m. (Pineiz, 2009)
Figura 26 – Micrografia da superfície de um filme de GaAs depositado por evaporação resistiva (Pineiz, 2009).
Na figura 25 podemos notar que, aparentemente, existe um limite para o crescimento
do filme de GaAs e que após esse limite as partículas de GaAs começam a se acomodar sobre
o filme sem uma continuação na formação do mesmo. Essa descontinuidade na formação do
filme pode ajudar a explicar porque as intensidades dos picos de difração de raios-X não
sofrem alterações significativas quando aumentamos a espessura dos filmes da série ER.
Como aparentemente existe um limite para a formação do filme, mesmo que mais material
71
seja evaporado, as regiões cristalinas do filme não se desenvolveram além desse limite.
Ainda pela figura 25 podemos estimar a espessura do filme, que neste caso é de
aproximadamente 1,4m. Como este filme foi depositado nas mesmas condições das amostras
ER3, ER4 e ER5, também é esperado que nessas amostras ocorra um efeito semelhante ao
visto neste filme, pois, ainda que a espessura desses filmes seja aproximadamente metade da
espessura do filme apresentado na figura 25, a espessura dessas amostras (604nm) ainda é
bem superior àquela onde se nota claramente a formação de um filme uniforme (com
espessura de em torno de 420nm). A figura 26 traz uma imagem da superfície do filme onde
pode-se notar a formação de uma superfície granular do filme de GaAs depositado por
evaporação resistiva.
A figura 27 traz imagens feitas por microscopia óptica da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs.
Figura 27 – Imagens da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs vistas com o microscópio óptico. Em a) superfície do filme de
Al
2
O
3
sobre GaAs com aumento de 500x, em b) superfície do filme de Al
2
O
3
sobre GaAs com aumento de
1000x, em c) interface da heteroestrutura Al
2
O
3
/GaAs com aumento de 500x e em d) interface da heteroestrutura
Al
2
O
3
/GaAs com aumento de 1000x.
72
Através das micrografias apresentadas na figura 27 temos a constatação da porosidade
do filme de alumina, que será alvo de discussões mais adiante no trabalho.
5.2 – Caracterização Óptica.
Na caracterização óptica foram realizadas medidas de transmitância desde região do
ultravioleta-visível (UV-Vis) até o infravermelho próximo. Como vimos na seção 4.2,
medidas no infravermelho, quando realizada em filmes finos trazem informações sobre o grau
de homogeneidade dos filmes. Estas informações são complementares à difração de raios-X
com relação à estrutura do filme, ou seja, se o modo como o filme está depositado ser mais ou
menos homogêneo. Além disso, é possível estimar a espessura dos filmes. Por outro lado,
com o espectro de UV-Vis é possível estimar o gap das amostras.
5.2.1 - Espectroscopia no Infravermelho (FTIR).
Como foi visto na seção 4.2.2 os filmes finos podem apresentar o efeito de
interferência óptica (Maia, 2006) no seu interior devido a que no caminho óptico que a
radiação percorre, existem interfaces que promovem diferentes reflexões, levando a esta
interferência. Quando isso ocorre temos um espectro que apresenta oscilações (franjas de
interferência). A figura 28 traz os espectros das amostras SP92, SP93, SP94, ER1, ER2 e de
GaAs cristalino, este último sendo graficado como parâmetro de comparação.
73
2000 3000 4000 5000 6000
0
20
40
60
80
Transmitância(%)
Comprimento de Onda (nm)
c-GaAs
SP92
SP93
SP94
ER1
ER2
Figura 28 – Espectro de FTIR das amostras das séries SP e ER.
Como é possível notar na figura 28 as amostras da série SP apresentam franjas de
interferência e com isso é possível estimar a espessura dos filmes com as equações (7), (8) e
(9) da seção 4.2.2. A tabela 8 traz a comparação entre a espessura calculada (Manifacier et.al.,
1976) e a espessura medida.
Tabela 8 - Comparação entre a espessura calculada e a espessura medida experimentalmente das amostras da
série SP.
Amostra
Espessura Calculada (m)
Espessura Medida
(m)
SP92
3,5
3,5
SP93
2,7
2,5
SP94
0,5
0,7
As espessuras calculadas para as amostras SP92 e SP93 tiveram seus valores muito
próximos dos valores medidos pelo sensor. Isso deve ter ocorrido devido ao número de
franjas de interferência no espectro dessas amostras permitir um cálculo mais preciso, ao
contrário das outras amostras que apresentam poucas ou nenhuma oscilação no espectro
(figura 28). A existência de uma razoável periodicidade nas franjas de interferência também
pode indicar uma melhor qualidade para estas amostras (um grau maior de homogeneidade)
(Maia, 2006). Para a amostra SP94, a qualidade dos dados permitiu o cálculo, entretanto a
74
diferença entre a espessura medida e a calculada é muito discrepante, isto porque o número de
franjas de interferências não é suficiente para um cálculo preciso (Manifacier et.al., 1976).
Já para as amostras da série ER não foi possível efetuar o cálculo, pois não possuem
franjas de interferência com simetria regular para a estimativa da espessura. Mas podemos
notar que há um principio de oscilações, e com isso podemos afirmar que os filmes da série
ER possuem certo grau de homogeneidade, porém inferior ao apresentado pelos filmes da
série SP.
5.2.2 – Espectroscopia na Região do Ultravioleta e Visível (UV-Vis).
Na figura 29 está representado o espectro de absorção óptica na região do Uv-Vis das
amostras ER3, ER4 e ER5, todas depositadas por evaporação resistiva com espessura de 604nm,
na faixa 600-900nm. O espectro experimental foi realizado na faixa de 190 – 900 nm, entretanto
neste resultado foi observado que este é muito ruidoso, o que pode ser atribuído às partículas que
constituem a superfície do filme depositado, que leva a uma superfície com características não
homogêneas, como visto na figura 25. Essas partículas levam a uma absorção óptica irregular do
filme, que se traduz na forma de um ruído. Além disso, abaixo de aproximadamente 300nm
passa–se a ter alta absorção do substrato de vidro, que passa a mascarar a absorção do filme de
GaAs. Assim apenas a faixa representada na figura 29 foi utilizada no cálculo da estimativa do
gap das amostras ER3, ER 4 e ER5 representada na figura 30.
600 700 800 900
2
3
4
5
Absorbância
Comprimento de onda (nm)
ER3
ER4
ER5
Figura 29 – Espectro de absorção óptica na região do Uv-Vis para as amostras ER3, ER4 e ER5.
75
0 1 2
0,0
1,0x10
-5
2,0x10
-5
3,0x10
-5
h (eV)
ER3 (604nm)
ER4 (604nm)
ER5 (604nm)
h)
2
h (eV)
E
g
= 1,32 eV
a)
b)
0 1 2
0,0
1,0x10
-3
2,0x10
-3
E
g
= 0,97 eV
ER3 (604nm)
ER4 (604nm)
ER5 (604nm)
(h)
1/2
Figura 30 – Estimativa do gap das amostras ER3, ER4 e ER5 (espessura:604nm). Em a) estimativa feita com
y=1 (semicondutores de transição direta) e em b) estimativa feita com y=4 (gap de Tauc).
O gap estimado para estas amostras na figura 30 (a) foi 1,32eV, para as três amostras
apresentadas, assumindo-se comportamento de gap direto, como ocorre no GaAs
monocristalino. Podemos notar que o gap destas amostras são ligeiramente inferiores ao gap
de GaAs monocristalino (1,43eV) (Singh, 2003), com um desvio de 7% deste valor. Porém
como se trata de um filme composto por regiões cristalinas e amorfas este valor está dentro da
faixa de valores entre 1,20eV e 1,53eV que são aceitos para GaAs com essas características
(Reuter,1995). Já a estimativa por gap de Tauc que foi feita aqui (figura 30(b)) não está
dentro desta faixa de valores (Reuter, 1995). Como a estimativa por gap direto apresenta um
valor mais próximo do material cristalino, e também a presença de picos de GaAs nos
difratogramas raios-X das amostras da série ER (figura 18) nos leva a crer que os filmes
depositados por evaporação resistiva são policristalinos.
76
5.3 - Caracterização Elétrica.
A caracterização envolveu medidas de resistência em função da temperatura (R x T),
com a qual é possível a estimativa da dependência da resistividade com a temperatura e o
cálculo da energia de ativação do defeito com nível de energia mais profundo da amostra.
Medidas de corrente elétrica foto-induzida são apresentadas na seqüência, onde a excitação é
obtida através da irradiação da amostra com luz branca. As medidas de corrente-voltagem (I x
V), realizadas em diversas temperaturas e apresentadas ao final desta seção, são úteis para
verificar o comportamento elétrico da amostra para vários valores de tensão e também para
calcular valores de resistência para comparação com as medidas de R x T.
5.3.1 - Resistividade e Energia de Ativação do Defeito com Nível de Energia mais
Profundo.
Amostras Depositadas por Sputtering.
A resistividade () obtida das medidas de R x T para as amostras da série SP é
mostrado na figura 31. Na figura 31(a) o “*” nas medidas 2 e 3 significa que estas medidas
tiveram a sua coleta de dados de forma automática através do uso de uma placa GPIB, que é
uma placa específica para essa finalidade, na qual foram conectados o controlador de
temperatura e o eletrômetro, e o software fica encarregado de associar os dados obtidos.
77
0 100 200 300
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
Espessura: 3,4m
Medida1
Medida 2*
Medida 3*
Resistividade
(m)
Temperatura(K)
a)
b)
Espessura: 0,7m
0 100 200 300
10
3
10
4
Medida 1
- - - - Medida 2
Resistividade
(m)
Temperatura(K)
0 20 40 60
39
42
45
Log (1)(m
-1
)
1000/T(1/K)
E
a
=85 meV
0 10 20 30 40
41,6
42,4
43,2
Log (1)(m
-1
)
1000/T(1/K)
E
a
=54 meV
Figura 31 – Resultados de x T para as amostras depositadas por sputtering em a) amostra SP92 e em b)
amostra SP94. Nos detalhes, são mostradas as energias de ativação para ionização próxima da temperatura
ambiente, para as respectivas amostras.
Como podemos notar na figura 31(a), a amostra SP92 tem o comportamento esperado
de um semicondutor, ou seja, quando aumentamos a temperatura, a sua resistividade diminui.
Um aspecto que devemos mencionar é que a amostra SP92 possui uma alta resistividade
mesmo para temperaturas mais altas. Esta amostra é a que apresentou a maior resistividade
dentre todas as amostras de GaAs investigadas. No detalhe da figura 31(a), está mostrado o
gráfico da energia de ativação do defeito com nível mais profundo, que é ionizado nas
proximidades da temperatura ambiente, e o valor encontrado é de 85 meV, este resultado é
uma média do resultado das três medidas e representa a maior energia de ativação das
amostras apresentadas no trabalho. Ainda pela análise do gráfico podemos notar duas regiões
bem definidas, entre 1 a 10 K
-1
e entre 20 a 50 K
-1
, assim esta amostra possui dois defeitos
com níveis de ionização bem definidos (Blakemore, 1987).
A amostra SP94 é uma amostra com resistividade menor do que a amostra SP92,
porém ainda bastante elevada, mesmo para temperaturas mais altas, como é verificado na
78
figura 31(b). Esta amostra também apresenta o comportamento característico dos
semicondutores. Esta amostra apresenta um comportamento diferenciado das demais
amostras, pois sua resistividade permanece praticamente constante quando a temperatura varia
entre valores de 20K até aproximadamente 200K. Para temperaturas acima de 200K, a queda
no valor da resistividade é brusca, como é possível verificar na figura 31(b). A energia de
ativação do defeito com nível mais profundo desta amostra é 54 meV, este valor também é
uma média dos valores obtidos no cálculo da energia de ativação. O detalhe da figura 31(b)
traz o gráfico da média das medidas para esta amostra. A energia de ativação é menor do que
para a amostra SP92, mas ainda assim é um valor relativamente maior quando comparado
com as energias encontradas para as amostras da série ER (apresentado mais adiante). Esta
amostra quando comparada com a amostra SP92, apresenta uma facilidade maior na ionização
térmica do defeito com nível mais profundo de energia. Esta amostra também apresenta duas
regiões bem definidas (entre 1 a 5 K
-1
e de 10 a 35 K
-1
), ou seja, similar a amostra SP92, essa
amostra possui dois defeitos com níveis de ionização bem definidos.
Amostras depositadas por Evaporação Resistiva
As amostras da série ER são amostras mais condutivas do que são as amostras da série
SP, sendo a sua resistividade muito inferior à resistividade das amostras da serie SP. A figura
32 traz os gráficos de x T.
79
0 100 200 300
10
-3
10
-2
Espessura:316nm
Medida 1
Medida 2
Medida 3
Resistividade
(.m)
Temperatura(K)
0 100 200 300
10
-3
10
-2
Medida 1
Medida 2
Medida 3
Resistividade
(.m)
Temperatura(K)
a)
b)
Espessura:316nm
0 20 40 60
40
41
42
43
E
a
=19 meV
E
a
=23 meV
Log (1)(m
-1
)
1000/T(1/K)
0 20 40 60
40,0
40,8
41,6
42,4
Log (1)(m
-1
)
1000/T(1/K)
Figura 32 – Resistividade (ρ) x T para as amostras depositadas por evaporação resistiva em a) amostra ER1 e em
b) amostra ER2. No detalhe energia de ativação para as respectivas amostras.
Nota-se também que estas amostras apresentam uma reprodutividade nos dados do
mesmo modo que as amostras da séria SP. E também a curva de ρxT para ambas as amostras
é quase linear.
A energia de ativação do nível mais profundo na amostra ER1 está apresentada no
detalhe da figura 32(a). Diferentemente das amostras da série SP esta amostra apresenta uma
variação da resistividade com a temperatura muito mais suave do que as curvas referentes às
amostras da série SP. Esta suavidade na curva de x T é traduzida como uma variação
praticamente continua da tangente da curva de ln(1/qR) em função de 1/T , o que pode ser
interpretado como a existência de vários níveis de energia de defeitos no interior do gap do
filme depositado. A amostra ER1 apresentou um valor mais baixo para a energia de ativação
80
do nível mais profundo, 23meV, quando comparada com as amostras da série SP. Com esse
valor mais baixo, este defeito é mais suscetível à ionização térmica.
Assim como no caso da amostra ER1, a amostra ER2 apresentou um valor mais baixo
de energia de ativação do nível mais profundo do que as amostras da série SP, e também foi o
valor mais baixo de energia de ativação obtido dentre as amostras apresentadas, possuindo um
valor médio de 19meV. Esta amostra é a que apresenta maior sensibilidade de ionização
térmica, em relação ao defeito de nível de energia mais profundo, dentre as amostras do
estudo. Assim, como notamos no detalhe da figura 32(a), a curva desta amostra também é
suave o que revela que esta amostra possui vários níveis de ionização no interior do gap.
GaAs em sua forma pura (sem dopantes) é considerado semi-isolante (Ghandhi,1994).
Os filmes da série SP possuem uma resistividade muito elevada, portanto o material GaAs
está depositado está em sua forma semi-isolante. Os filmes da série ER apresentam uma
resistividade muito inferior do que a série SP. Uma explicação para as resistividades das
amostras da série ER serem da ordem de 10
-
m a 20K, pode estar ligado a evaporação
excessiva de As. Uma vez que o ponto de fusão do Ga é 29,7
o
C e o seu ponto de ebulição é
2.400
o
C (Newton, 1999) e o ponto de fusão do As é 814
o
C em altas pressões e sublima na
pressão atmosférica (Newton, 1999). Quando GaAs é aquecido até temperaturas acima de
600ºC em vácuo (como é o caso da evaporação resistiva), ocorre uma evaporação em excesso
de arsênio, restando apenas Ga no material fonte (Tersoff, 2009). Esse Ga remanescente pode
então ser evaporado pela manutenção da corrente circulando no cadinho. Foi verificado em
algumas deposições que após a evaporação, havia ficado no cadinho restos de um material de
coloração acinzentada. Acreditamos que seja Ga remanescente da evaporação excessiva de
As, podendo o Ga ter sido evaporado posteriormente e formado regiões (clusters) de Ga no
filme, melhorando a condução elétrica do filme. Também já foi constatado através de medidas
de espectroscopia de raios-X (EDX) (medida utilizada para medir a proporção de elementos
81
químicos em uma determinada amostra) (Castro, 2004) que filmes finos de GaAs depositados
por meio de evaporação resistiva são ricos em arsênio. Logo, como é possível a evaporação de
As em excesso, nossa hipótese para explicar a menor resistividade das amostras da série ER é
que uma parte do excesso de As seja incorporada inicialmente ao filme. Após a total
evaporação de As, restará apenas Ga no cadinho, que pode então ser evaporado e formar
regiões concentradas na superfície do filme.
Heterojunções Al/GaAs e Al
2
O
3
/GaAs
Os resultados da medida de R x T, ligação b-c (fonte-gate) e a ligação c-d (fonte-
dreno), estão na figura 33 para as duas heterojunções. As linhas contínuas são as curvas para a
heterojunção Al/GaAs e as curvas tracejadas são para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs. O esquema
das ligações das heterojunções é apresentado na seção 4.4, na figura 16 e é reproduzido no
detalhe da figura 33 para auxiliar na interpretação desses resultados.
0 50 100 150 200 250 300
10
-1
10
0
10
1
Resistêcia
(K)
Temperatura (K)
c-d Al
b-c Al
c-d Al
2
O
3
b-c Al
2
O
3
b (Gate)
c (fonte)
d (dreno)
Figura 33 – Medida R x T para as heterojunções: Al/GaAs (GaAs: 316nm e Al: 257nm) e Al
2
O
3
/GaAs (GaAs:
316nm e tempo de anodização 10 segundos). No detalhe, mostramos novamente o esquema de ligações feitas na
amostra.
Como seria de se esperar, a resistência da ligação b-c (fonte-gate) da heterojunção
Al/GaAs é menor do que a resistência da ligação c-d (fonte-dreno) da mesma heterojunção.
82
Além disso, como podemos verificar, há a diminuição da resistência com o aumento da
temperatura nas duas medidas, um efeito natural, pois no semicondutor há aumento no
número de portadores de carga com o aumento da temperatura, e a condução melhora. Aqui é
notada também a influência da camada de Al sobre o GaAs. Pois quando comparamos a esta
medida das amostras da série ER, a 20K resistência destas amostras é da ordem de 18Kao
passo que a resistência desta heterojunção entre os contatos a 20K é de aproximadamente
12K ou seja,uma diminuição de aproximadamente 33,3% na resistência da amostra. Uma
possibilidade para esta diminuição da resistência da heterojunção está ligada a uma difusão de
Al. Este agora passaria a agir como um dopante na rede do GaAs, o que melhoraria a
condutividade do filme, criando um canal altamente condutivo nas proximidades da interface
GaAs/Al.
Para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs (curvas tracejadas) é possível notar um aumento na
resistência da amostra quando a medida é feita na ligação b-c e comparada com o dispositivo
Al/GaAs. Pela comparação das medidas podemos notar que a curva b-c do dispositivo com
alumina ainda apresenta resistência menor do que a curva c-d do mesmo dispositivo, quando o
que esperaríamos seria o oposto, pois a alumina é um isolante. Conforme podemos verificar
na figura 27, a superfície da camada de alumina depositada traz indicações de que a mesma é
porosa, como é relatado em vários trabalhos (Kuang-Hsuan et.al. 2009; de Melo, 2007) e
assim quando In é evaporado para ser o gate do dispositivo, o In pode entrar em contato com
o filme de GaAs diretamente, através dos poros. A medida de microscopia óptica apresentada
na figura 27 é uma boa indicação desta hipótese. Quando a comparação é feita entre a mesma
ligação b-c do dispositivo Al
2
O
3
/GaAs com as ligações b-c e c-d do dispositivo Al/GaAs
verificamos que a resistência da ligação b-c do dispositivo com alumina é maior do que a
resistência destas duas ligações do dispositivo com alumínio. Isto indica a camada de alumina
está influenciando a condução elétrica na ligação b-c. Ainda podemos verificar que a queda da
83
resistência com o aumento da temperatura mais abrupta para a heterojunção com alumínio do
que para o dispositivo com alumina.
5.3.2 - Medidas Elétricas Foto-Induzidas.
Através das medidas de caracterização elétrica foto-induzidas, obtivemos resultados
que mostraram que as amostras de GaAs depositadas por sputtering e evaporação resistiva são
excitáveis opticamente, podendo ser utilizados para aplicações eletro-ópticas em trabalhos
futuros. As heterojunções também são excitáveis opticamente, porém para a heterojunção
Al
2
O
3
/GaAs é notado um perfil diferenciado dos demais casos como será visto nesta seção.
Nas amostras da série SP observamos que a amostra SP94 não apresenta resposta na
temperatura ambiente, entretanto a uma temperatura mais baixa, passamos a observar um
sinal para esta medida. Diferente da amostra SP94, a SP92 apresentou sinal quando excitada à
temperatura ambiente. Os resultados são apresentados na figura 34.
0 300 600 900
0.0
0.5
1.0
0.0
0.5
1.0
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 300 600 900
c)
b)
Tempo (s)
SP94
100K
a)
SP92
100K
Com Luz
Com Luz
Com Luz
Sem Luz
Sem Luz
Sem Luz
Sem Luz
Sem LuzSem Luz
SP92
300K
Variação relativa da corrente
Figura 34 - Medida de Excitação com Luz Branca para a amostra em a) SP92 (300K), em b) SP92 (100K) e em
c) SP94 (100K). Tensão aplicada na amostra: 1V. Potência da fonte luminosa utilizada 126W Medida realizada à
temperatura ambiente.
84
A amostra SP92 apresenta uma resposta imediata ao estimulo óptico da luz a 300K,
porém quando a temperatura é abaixada para 100K a sua resposta se torna mais lenta, por
outro lado a nesta temperatura a amostra SP92 apresenta uma variação na corrente maior do
que a 300K. O mesmo perfil de resposta é observado para a amostra SP94 a 100K. Quando a
luz é removida, o decaimento da corrente é rápido, como se nota na figura 34. Também
observamos uma grande variação na corrente desta amostra.
Os resultados das medidas elétricas foto-induzidas para as amostras da série ER são
mostrados na figura 35.
0 300 600 900
0,997
0,998
0,999
1,000
ER2
Tempo (s)
a)
b)
Com Luz
Com Luz
Sem Luz
Sem Luz
Sem Luz
Sem Luz
Tempo (s)
0 300 600 900
0,990
0,996
1,002
ER1
Variação relativa da corrente
Figura 35 - Medida de Excitação com Luz Branca para a amostra em a) ER1 e em b) ER2. Tensão aplicada na
amostra: 1V. Potência da fonte luminosa utilizada 126W Medida realizada à temperatura ambiente.
A excitação mostrada na figura 35 ocorre imediatamente quando a luz incide sobre a
amostra. No entanto a variação na corrente é muito baixa, da ordem de 6A (1%). A potência
da luz utilizada foi de 126 W, o que significa uma alta intensidade e mesmo assim a variação
de corrente foi muito baixa.
Comparando os resultados das amostras da série ER com o resultado da amostra SP92,
que teve sinal de resposta a 300K, percebemos que as amostras da série ER apresentam uma
85
variação da corrente muito menor do que a variação apresentada pela amostra SP92. Porém,
devemos lembrar que esses filmes são bem resistivos, de modo que uns poucos pares elétron-
buraco oticamente excitados, já geram grande variação na corrente. Pensando na aplicação
eletro-óptica desses filmes quando fosse necessário um material que tenha uma variação
relativa de corrente maior quando nele fosse irradiada luz branca, um filme produzido por
sputtering seria mais indicado. Porém se fosse necessário um filme que apresente variações
relativas pequenas de corrente, aquele obtido por evaporação resistiva seria mais indicado.
O mesmo tipo de medida foi realizada para as heterojunções Al/GaAs e Al
2
O
3
/GaAs.
As figuras 36 e 37 mostram os resultados destas medidas.
0 300 600 900
1,20
1,24
1,28
5,30
5,35
5,40
5,45
5,50
Sem Luz
Sem Luz
Sem Luz
Com Luz
Corrente (mA)
Tempo (s)
b-c
c-d
Com Luz
Sem Luz
Figura 36 – Medida de Excitação com Luz Branca para a heterojunção Al/GaAs. Tensão aplicada na amostra em
ambas ligações: 1V. Potência da fonte luminosa utilizadas 126W Medida realizada a temperatura ambiente.
86
0 300 600 900
0,30
0,32
0,34
0,36
0,50
0,52
0,54
Com Luz
Sem Luz
Sem Luz
Sem Luz
Corrente (mA)
Tempo (s)
b-c
c-d
Sem Luz
Com Luz
Figura 37 – Medida de Excitação com Luz Branca para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs. Tensão aplicada na amostra
em ambas ligações: 1V. Potência da fonte luminosa utilizadas 126W Medida realizada a temperatura ambiente.
Também nas heterojunções, o efeito da excitação com luz branca é visível. No caso da
heterojunção Al/GaAs o perfil da excitação se assemelha ao perfil das amostras da série ER,
onde temos um salto na corrente assim que a luz é incidida sobre ela e um abaixamento na
corrente quando a luz é interrompida. Já no dispositivo Al
2
O
3
/GaAs o comportamento fica
alterado, ou seja, pode-se verificar que o tempo de reação ao estimulo da luz branca foi bem
mais lento do que nos demais casos. Quando interrompemos a luz branca, o decaimento da
corrente induzida também é mais lento. Com isso podemos afirmar que a camada de alumina
interferiu na resposta óptica do dispositivo, tornando a resposta aos estímulos ópticos mais
lentos, enquanto que nas amostras de GaAs (amostras ER1 e ER2) e na heterojunção de
Al/GaAs a resposta foi imediata.
É possível notar também que quando comparamos os gráficos das figuras 36 e 37,
nesta última a curva que corresponde à medida entre a fonte e o dreno (c-d), conforme a
geometria mostrada na figura 16 da seção 4.4, observamos que 1) na figura 35(a), antes da
excitação pela luz, a corrente era de aproximadamente 0,495mA. 2) na figura 35(b) antes da
excitação causada pela luz, a corrente teve uma variação de 0,52885 a 0,52850mA. Em ambos
os casos as amostras são de GaAs (ER1 e ER2) e os valores estão bem próximos um do outro.
87
Entretanto, quando comparamos com o valor da corrente antes da excitação pela luz, na figura
36, é evidente que o valor da corrente é aproximadamente três vezes maior para esta medida
(~1,24mA) do que nos casos das amostras ER1 e ER2. O fato de se obter um aumento na
condutividade da heterojunção de Al/GaAs entre a fonte e o dreno também é verificado nas
demais medidas elétricas (R x T e I x V), como mostrado nas seções 5.3.1 e 5.3.3. Porém
quando comparamos as figuras 35 e 37, e também nesta última a ligação entre a fonte e o
dreno (c-d), nota-se que na figura 37 o valor da corrente volta para valores mais próximos dos
valores obtidos na figura 36.
A medida mostrada aqui, de efeitos de foto-indução na condutividade dos materiais
estudados, apenas mostra que as amostras são excitáveis opticamente, sem especificar os
comprimentos de onda onde ocorrem maiores absorções de energia pelos elétrons, incluindo-
se a borda fundamental (da banda de valência para a banda de condução), ou excitação de
defeitos com energia intra-bandgap. Isso influenciaria a condutividade do material de modo
mais específico, não observado aqui. Na medida na qual a luz monocromática era incidida nas
amostras, não houve variação observável, ou seja, nenhuma absorção óptica foi observada na
região do espectro que corresponde ao gap de GaAs ou nas proximidades.Atribuímos à baixa
intensidade de luz que chegava na amostra o fato de não ter havido nenhum tipo de resposta.
5.3.3 – Medidas de Corrente-Voltagem I x V.
As figuras 31 a 35 trazem os resultados de medidas de I x V, realizadas a diversas
temperaturas, para as amostras da série SP, da série ER e das heterojunções. Esse tipo de
gráfico pode nos fornecer a resistência do material estudado, através do coeficiente angular
dessas curvas, o qual é igual ao inverso da resistência, além de fornecer informações sobre a
linearidade e simetria das curvas.
A temperatura máxima que efetuamos este tipo de medida nas amostras da série SP foi
200K e a faixa de varredura da tensão foi de -10V a 10V. Estas faixas de tensão e de
88
temperatura foram escolhidas para não provocar danos nas amostras. Já para as amostras da
série ER as medidas foram realizadas até a temperatura máxima de 300K e a faixa de
varredura da tensão foi de -20V a 20V. As faixas de tensão e de temperatura foram ampliados
em relação às medidas feitas para as amostras da série SP para que se pudesse obter mais
informações sobre o comportamento elétrico das amostras da série ER, por se tratar de
amostras depositadas por um método ainda pouco utilizado. Nas heterojunções, a faixa de
tensão foi significativamente menor, -2V a 2V, devido a heterojunção com alumínio
apresentar resistência muito baixa, da ordem de ohms, o que, conseqüentemente leva a valores
muito altos de corrente, para se medir com o eletrômetro. Quando a temperatura aumenta, o
valor desta corrente também aumenta e, pensando na conservação e preservação dos
instrumentos de medida, esta faixa de tensão foi escolhida para garantir que a corrente medida
durante o experimento não fosse maior que o valor máximo de corrente que o equipamento
suporta (fundo de escala) e assim não provocando nenhum dano aos equipamentos utilizados.
Para fins de comparação, as mesmas condições foram adotadas para as duas heterojunções.
Amostra SP92
Na figura 38 são apresentados os resultados das medidas de corrente-voltagem para
esta amostra, com comportamento ôhmico para todas as temperaturas avaliadas.
-12 -8 -4 0 4 8 12
-13,5
-9,0
-4,5
0,0
4,5
9,0
13,5
20K
50K
80K
120K
150K
180K
Corrente (nA)
Tensão (V)
Figura 38 - Medida de I x V para a amostra SP92
89
A tabela 9 traz os valores de resistividade calculados a partir das curvas da figura 38.
A estimativa da resistividade foi feita do mesmo modo que foi feito nas medidas de R x T,
com ajuda da equação (2). Nesta tabela podemos verificar os altos valores da resistividade
desta amostra O gráfico de x T (figura 31(a)) mostra valores de resistividade próximos aos
valores encontrados por meio das medidas de I x V, mostrados na tabela 9.
Tabela 9 - valores de resistividade obtidos pelo inverso do coeficiente angular da amostra SP92.
Temperatura (K)
Resistividade (.m)
20
1,6.10
5
50
1,4.10
5
80
0,9.10
5
120
0,9.10
5
150
0,8.10
5
180
0,7.10
5
Amostra SP94
Como vimos anteriormente, esta amostra não é muito sensível a variações de
temperatura até aproximadamente 200K. Isso pode ser notado na figura 39. Entretanto a partir
de 200K, a amostra apresenta uma queda significativa no valor da sua resistividade. O detalhe
da figura 39 traz a curva de I x V para esta amostra a 300K, onde podemos verificar um
grande aumento nos valores de corrente em comparação aos mostrados na figura 39
(principal).
-12 -8 -4 0 4 8 12
-1,2
-0,6
0,0
0,6
1,2
20K
50K
100K
200K
Corrente (nA)
Tensão (V)
-8 0 8
-10
0
10
Corrente (nA)
Tensão (V)
300K
Figura 39 – Medidas de IxV para a amostra SP94 para várias temperaturas. No detalhe medida realizada
para a temperatura de 300K.
90
A tabela 10 traz os valores de resistividade para a amostra SP94. Podemos notar que
os valores de resistividade obtidos a 100K e 200K são muito próximos. Mas, quando
observamos os valores para as temperaturas de 200K e 300K verificamos que ocorre uma
variação muito grande nos valores de resistividade, em acordo com os resultados das medidas
de R x T (figura 31(b)).
Tabela 10 - valores de resistividade obtidos pelo inverso do coeficiente angular da amostra SP94.
Temperatura (K)
Resistividade (.m)
20
2,5.10
4
50
1,7.10
4
100
1,1.10
4
200
1,0.10
4
300
0,1.10
4
Amostras ER1 e ER2
Conforme abordamos na seção 5.3.1, essas amostras apresentam uma resistividade
bem menor do que aquelas apresentadas pelas amostras da serie SP. Nestas amostras nenhum
tipo de efeito ou comportamento anômalo foi notado como no caso da amostra da série SP94,
que não sofre grandes variações de resistência em temperaturas mais baixas. A figura 40 traz
os resultados de I x V para as amostras ER1 e ER2, medidos em diversas temperaturas.
-20 -10 0 10 20
-12
-8
-4
0
4
8
12
Corrente(mA)
Tensão (V)
ER1
-20 -10 0 10 20
-12
-8
-4
0
4
8
12
20K
50K
100K
150K
200K
250K
300K
ER2
20K
50K
100K
150K
200K
250K
300K
Corrente(mA)
Tensão (V)
a)
b)
Figura 40 – Medidas de I x V para várias temperaturas. Em a) medida para a amostra ER1 e em b) para a amostra ER2.
91
A tabela 11 que traz o valor da resistividade para cada curva de I x V das amostras
ER1 e ER2, obtido das figuras 33(a) e (b) respectivamente.
Tabela 11 - Valores de resistência obtidos pelo inverso do coeficiente angular das amostras ER1 e ER2.
Temperatura (K)
Resistividade (m) –
ER1
Resistividade (m) –
ER2
20
7,1.10
-3
5,7.10
-3
50
5,2.10
-3
4,7.10
-3
100
3,1.10
-3
3,0.10
-3
150
2,0.10
-3
1,9.10
-3
200
1,4.10
-3
1,4.10
-3
250
1,0.10
-3
1,1.10
-3
300
0,8.10
-3
0,5.10
-3
Com base nestes dados, que conduzem a um melhor conhecimento sobre as amostras
de GaAs estudadas, podemos avaliar melhor as influências que as camadas de alumínio e
alumina, poderão ter nas propriedades elétricas das heterojunções, quando são submetidas a
uma variação de tensão.
Heterojunção Al/GaAs
A figura 41 traz as curvas de I x V para a heterojunção feita com uma camada de Al
sobre GaAs. Esta heterojunção apresenta uma condutividade significativa. Na ligação b-c
(fonte-gate), como era de se esperar, a resistência elétrica é menor do que a da ligação c-d
(fonte-dreno), pois trata-se de um caminho mais curto. A ligação c-d também possui uma
baixa resistência, em acordo com resultados apresentados nas seções 5.3.1 e 5.3.2, pois nesta
ligação pode ocorrer a formação de um canal de condução, associado com a difusão de Al
atuando como um doador na rede do filme de GaAs o que garante uma menor resistência.
92
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
Corrente (mA)
Tensão (V)
c-d
-3 -2 -1 0 1 2 3
-5,0
-2,5
0,0
2,5
5,0
b-c
20K
50K
100K
150K
20K
50K
100K
150K
Corrente (mA)
Tensão (V)
a)
b)
Figura 41 – Medidas de I x V para várias temperaturas para a heterojunção Al/GaAs. Em a) medida para a
ligação c-d e em b) para a ligação b-c.
Na tabela 12 podemos verificar com mais clareza esta diminuição da resistência na
ligação c-d (fonte-dreno) quando comparadas aos filmes da série ER.
Tabela 12 - Valores de resistência obtidos pelo inverso do coeficiente angular para a heterojunção Al/GaAs.
Temperatura (K)
Resistência (K) – b-
c
Resistência (K) – c-
d
20
0,9
4,2
50
0,8
4,1
100
0,7
3,6
150
0,5
2,3
Dispositivo Al
2
O
3
/GaAs
Neste dispositivo, podemos verificar através das medidas de I x V, que apesar deste
inicialmente ter sido como a heterojunção, discutida na seção anterior, antes da anodização,
após este processo, o alumínio é oxidado e, portanto agora não temos mais a hipótese de
formação de um canal de condução, o que aumenta a resistência. A figura 42 traz os
resultados de I x V e a tabela 13 traz o valor das resistências calculadas. Por esta tabela
podemos verificar que os valores de resistência da ligação c-d (fonte-dreno) volta para valores
mais próximos dos valores encontrados na amostras da série ER. Isto mostra que o alumínio
que sofre o processo de anodização foi, senão totalmente, pelo menos na maior parte oxidado,
o que explica a inexistência do canal condutivo que ocorre para o outro dispositivo. Para as
93
medidas da ligação b-c (fonte-gate), a condutividade é maior que para a ligação c-d, em
acordo com as medidas de R x T. No entanto, o que esperávamos é que a ligação b-c fosse
menos condutiva do que a ligação c-d, porque temos agora um isolante entre o filme e o gate.
Porém os valores de resistência encontrados aqui são superiores ao da ligação b-c do
dispositivo com alumínio como o visto na figura 41 (b), onde isto também é verificado.
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
20K
50K
100K
150K
200K
250K
300K
Corrente (mA)
Tensão (V)
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
b)
a)
b-c
c-d
20K
50K
100K
150K
200K
250K
300K
Corrente (mA)
Tensão (V)
Figura 42 – Medidas de I x V para várias temperaturas para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs. Em a) medida para a
ligação c-d e em b) para a ligação b-c.
Tabela 13 - Valores de resistência obtidos pelo inverso do coeficiente angular para o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs.
Temperatura (K)
Resistência (K) – b-
c
Resistência (K) – c-
d
20
16,5
23,2
50
11,8
16,4
100
6,4
9,5
150
4,0
6,0
200
2,7
4,1
250
1,9
3,1
300
1,6
2,5
Em todos os casos, os filmes apresentaram um comportamento ôhmico, ou seja, linear
e, quando a temperatura é aumentada ocorre o afastamento das curvas, o que está ligado com
a diminuição da resistividade do material com o aumento da temperatura, em acordo com os
dados de resistividade em função da temperatura mostrados na seção 5.3.1. As amostras
possuem um comportamento ôhmico em toda a faixa de tensão estudada, podendo ser útil em
94
trabalhos futuros. Para as heterojunções, não foi possível uma varredura muito vasta, similar
ao caso da série ER, devido à baixa resistência que a heterojunção Al/GaAs possui, mas em
toda a faixa de tensão estudada ambas heterojunções tiveram um comportamento ôhmico.
Convém mencionar que o dispositivo Al
2
O
3
/GaAs na ligação b-c (fonte-gate), assim como
nas demais medidas elétricas, apresentou uma resistência menor do que a ligação c-d (fonte-
dreno). Medidas de corrente de fuga foram realizadas para verificar a quantidade de corrente
que passa pelo gate quando estamos efetuando o mesmo tipo de medida na ligação fonte-
dreno. Neste tipo de medida era esperado que a corrente medida pela ligação fonte-gate fosse
muito menor do que a corrente medida na ligação fonte-dreno, devido ao caráter isolante da
alumina, porém não é o que foi verificado para a amostra investigada neste trabalho. No
apêndice A descrevemos o método utilizado para se medir a corrente de fuga e o resultado
que foi obtido com a amostra deste trabalho, ficando este método como uma proposta para
trabalhos futuros.
95
6 – Conclusões.
A deposição de filmes finos semicondutores pela técnica da evaporação resistiva é
uma contribuição ao estudo de técnicas de evaporação de semicondutores em vácuo. Através
deste trabalho verificamos que este método de evaporação para o material GaAs requer ainda
mais estudos para que o processo seja aperfeiçoado. Por outro lado é uma técnica muito eficaz
na deposição de filmes metálicos, como por exemplo, filmes de alumínio e índio. Os filmes
metálicos são facilmente obtidos, necessitando apenas de uma avaliação do tipo do material
do cadinho (ou do filamento) para que este seja apropriado para a evaporação. Caso esta
avaliação não seja feita, poderão ocorrer contaminações por uma possível evaporação do
próprio cadinho ou ainda podendo haver reações entre o cadinho e o material a ser evaporado,
trazendo assim resultados indesejáveis para o trabalho.
Assim sendo, a aplicação desta técnica para a evaporação do semicondutor GaAs é um
processo não tão simples quanto a evaporação de metais. GaAs não apresenta fusão na
pressão usada dentro da câmara (cúpula de vidro), sendo sublimado durante o processo.
Observamos que diversas vezes o material “pulava” para fora do cadinho, quando este era
composto de Molibdênio. Apesar das dificuldades técnicas da evaporação, filmes de GaAs
foram obtidos, conforme mostram os difratogramas de raios-X. Nas condições que os filmes
da série ER são depositados, acreditamos que ocorre uma evaporação excessiva de As e a
formação de regiões ricas em Ga, o que aumentaria a condutividade elétrica dos filmes,
explicando porque os filmes da série ER são mais condutivos que os filmes de GaAs
produzidos por sputtering (série SP). No entanto, quando analisamos os difratogramas da
amostras da série ER não se nota a formação de regiões apenas de compostos de As nem de
Ga, pois todos os picos dos difratogramas destes filmes foram identificados como sendo de
GaAs. Já para os filmes produzidos por sputtering, estes possuem um ordenamento estrutural
melhor do que os filmes depositados por evaporação resistiva. Com relação a isso, devemos
lembrar que as amostras da série SP possuem uma espessura muito maior do que as amostras
96
da série ER, o que pode influenciar no difratograma de raios-X, pois o feixe incidente de
raios-X pode ter atingido o substrato das amostras da série ER e isso pode comprometer a
medida.
Filmes finos de alumínio, diferentemente dos filmes de GaAs, não apresentaram
grandes problemas na evaporação. Um estudo do diagrama de fases do sistema alumínio-
oxigênio nos conduziu a um resultado positivo na oxidação do filme pelo tratamento térmico
em atmosfera de oxigênio. No entanto, a revisão bibliográfica e a nossa experiência no
desenvolvimento do trabalho, mostrou que GaAs é oxidado na atmosfera de O
2
. Além disso,
quando o foi realizado o TT na heterojunção a temperatura de 400ºC verificamos que o filme
de GaAs não suportou este tratamento, ficando evidente que a confecção do dispositivo
Al
2
O
3
/GaAs não seria conveniente por esta rota.
A heterojunção Al/GaAs apresentou uma resistência inferior às demais amostras. Isto
se deve ao tratamento térmico para a difusão dos contatos de In na amostra. Assim como o In
pode ter se difundido no filme de GaAs para que ocorresse o estreitamento da barreira
Schottky, a camada de Al também pode ter tido uma difusão no filme possivelmente atuando
como um dopante no filme de GaAs, o que criaria um canal de condução e, portanto,
diminuiria a resistência elétrica.
O sistema de anodização apesar de simples foi eficiente, dentro de suas limitações para
a oxidação dos filmes. Conforme foi visto, este sistema também foi bem sucedido na oxidação
da camada de Al depositada sobre o filme de GaAs, formando assim uma das heterojunções
investigadas (Al
2
O
3
/GaAs). Apesar do resultado da caracterização elétrica não ter sido como o
esperado, é possível notar que a camada oxidada influencia na resposta elétrica do dispositivo,
e assim, mais estudos devem ser feitos para que este método de oxidação seja mais eficiente e
tenha melhor desempenho com relação às características elétricas, dentro do que é esperado
para filmes isolantes.
97
De modo geral, o trabalho realizado, mostrou a possibilidade de deposição filmes de
GaAs e de Al pela técnica de evaporação resistiva. Também apontou as dificuldades de se
encontrar um método eficaz de fazer a oxidação de uma camada de Al sobre um filme de
GaAs, sem causar danos profundos ao filme do semicondutor. Assim com uma proposta de
pesquisa para a oxidação desta camada de Al, a anodização foi um método no qual este
processo se tornou mais viável. Portanto, este é um método que podemos utilizar para a
oxidação de filmes, não só para filmes de Al, mas para qualquer filme metálico. O trabalho
mostrou um meio de obtenção da heterojunção Al
2
O
3
/GaAs a partir da heterojunção Al/GaAs.
Para trabalhos futuros, deixamos a proposta de realizar novamente as medidas elétricas
fotoinduzidas com a colocação de um fotômetro junto à amostra para a verificação da
quantidade de luz que está efetivamente chegando na amostra. Sugerimos também que seja
feito um estudo para verificar se ocorre o fechamento dos poros da camada de alumina através
da hidratação da camada de alumina e assim obter uma camada com propriedades isolantes
melhores do as obtidas aqui. Em longo prazo, espera-se que os métodos de deposição e
oxidação apresentados aqui, sejam úteis para a continuação do trabalho e para outros
trabalhos futuros, alcançando amostras mais otimizadas, aperfeiçoando as mesmas técnicas
vistas aqui e por fim utilizar estes conhecimentos para a aplicação em transistores.
98
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105
Apêndice A
Medida de Corrente de Fuga.
Para uma melhor caracterização do dispositivo obtido propomos aqui um método para
medir a corrente de fuga do sistema, este tipo de medida é comum para verificar se a camada
isolante do sistema está atuando de forma satisfatória.
O objetivo deste texto é apresentar um método para este tipo de medida e também os
resultados obtidos em nosso dispositivo. Como ficou caracterizado ao longo do texto, nossa
camada não é exatamente isolante, mas o método aqui descrito pode ser sempre utilizado.
Assim, verifica-se a quantidade de corrente que passa pelo gate, quando uma tensão é
aplicada na ligação c-d (fonte-dreno), ou seja, pode-se verificar quantitativamente o efetivo
isolamento da camada óxida, através da medida de corrente de fuga.
Assim para se avaliar a corrente fuga do sistema propomos o arranjo experimental da
figura A1.
Figura A1 – Esquema de ligações feitas no dispositivo para medir a corrente de fuga.
A figura A2 traz o resultado desta caracterização quando aplicada a nossa amostra,
realizada com o aumento da temperatura do sistema.
106
0 50 100 150 200 250 300 350
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Corrente (fonte-dreno)
Corrente de fuga (gate)
Corrente (mA)
Temperatura (K)
Figura A2 – Medida da corrente de fuga com o aumento da temperatura.
A partir deste resultado podemos concluir que a camada de alumina não está tendo um
efeito isolante, pois a corrente que passa pelo gate é bastante alta, sendo inclusive sempre
superior a corrente que percorre a ligação c-d (fonte-dreno). Porém podemos notar na figura
44 que a corrente de fuga tem um comportamento linear ditado por duas retas (uma reta entre
20K a 250K e outra reta com um coeficiente angular menor entre 250K a 300K) e a corrente
que passa pela ligação c-d tem um comportamento aparentemente quadrático. Utilizando o
software OringLab 8 para calcular os parâmetros das equações que melhor se ajustam aos
pontos obtidos experimentalmente podemos utilizar o software Maple 11 para fazer o gráfico
destas curvas, tendo como objetivo fazer uma extrapolação destes dados. Isto está
representado na figura A3.
107
Figura A3 – Extrapolação dos dados obtidos da medida de corrente de fuga.
Na figura A3 as curvas em preto e vermelho correspondem a corrente de fuga. A curva
em preto tem validade entre 20K a 250K e a curva em vermelho tem validade acima de 250K.
A curva em azul corresponde a corrente da ligação c-d.
Através desta extrapolação podemos ver que existe um ponto no qual a corrente fica
abaixo da corrente da ligação fonte-dreno, começando a partir de aproximadamente 450K a
ligação fonte-gate ser menos condutora do que a ligação fonte-dreno. Uma hipótese para este
resultado está relacionada com a própria camada porosa de alumina. Quando aumentamos a
temperatura também aumentamos a resistência dos canais metálicos de In através dos poros.
Como é conhecido, a resistividade de um metal aumenta com o aumento da temperatura e
assim a condução elétrica pela ligação fonte-dreno seria mais privilegiada.
Como isso, esperamos que, em trabalhos futuros, este método possa ser utilizado para
complementar as caracterizações elétricas de amostras com características de transistor mais
evidentes.
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