BRPI0721193B1 - dispositivo semicondutor eletrônico baseado em óxidos de cobre e níquel e gálio-stanho-zinco-cobre-titânio tipos p e n, e respectivo processo de fabricação - Google Patents

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BRPI0721193B1 BRPI0721193-7A BRPI0721193A BRPI0721193B1 BR PI0721193 B1 BRPI0721193 B1 BR PI0721193B1 BR PI0721193 A BRPI0721193 A BR PI0721193A BR PI0721193 B1 BRPI0721193 B1 BR PI0721193B1
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Elvira Maria Correia Fortunato
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Abstract

dispositivo semicondutor eletrônico baseado em óxidos de cobre e níquel e gálio-estanho-zinco-cobre-titânio tipos p e n, e respectivo processo de fabricação a presente invenção relaciona- se ao uso de semicondutores de óxidos tipos p e n de cobre e níquel (ocuxniy com 0 < x < 3; 0 < y < 3) ou óxido multicomponente de gálio-estanho-zinco-cobre-ti, designado aqui após por gszcto, em diferentes composições molares, possuindo uma estrutura amorfa ou cristalina e com características elétricas de um semicondutor doador ou receptor de elétrons, dopado ou não dopado com impurezas, tais como, zircônio ou níquel ou nitrogênio, como forma de controlar o comportamento eletrônico do semicondutor (valência); incluindo o processo de fabricação à temperatura ambiente ou temperaturas inferiores a 100ºc e suas aplicações nos campos da optoeletrônica e eletrônica para produção de dispositivos, tais como, complementar-metal-óxidosemicondutor, transistores de filmes finos, heterojunções pn, portas lógicas, osciladores em anel, usando-se substratos de vidro, metálicos, poliméricos ou de material celulósico, nos quais uma camada de proteção à base de fluoreto de magnésio é usada, junto com uma camada de adaptação de óxido de tântalo dos semicondutores ativos ao dielétrico, tal como o dióxido de silício.

Description

DISPOSITIVO SEMICONDUTOR ELETRÔNICO BASEADO EM ÓXIDOS DE COBRE E NÍQUEL E GÁLIO-ESTANHO-ZINCO-COBRE-TITÂNIO TIPOS P E N, E RESPECTIVO PROCESSO DE FABRICAÇÃO
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção relaciona-se ao uso de semicondutores de óxidos tipos p e n de cobre e níquel (OCUxNiy com 0 < x < 3; 0 < y < 3) ou óxido multicomponente de Gálio-Estanho-Zinco-Cobre-Titânio, aqui após designado por GSZCTO em diferentes composições de componente, possuindo uma estrutura amorfa ou cristalina e com as características elétricas de um semicondutor doador de elétrons (designado de tipo-n) ou receptor de elétrons (designado tipo-p), dopado ou não dopado com impurezas, tais como, zircônio ou níquel ou nitrogênio, como uma forma de controlar o comportamento eletrônico do semicondutor (valência), incluindo o processo de fabricação à temperatura ambiente ou temperaturas inferiores a 100°C e a suas aplicações nos campos da optoeletrônica e eletrônica, para fabricação ou produção de dispositivos, tais como, complementar-metal-óxido-semicondutor, C-MOS (Figuras 1-2), transistores de filmes finos, TFT (Figuras 3-5), heterojunções p-n (Figura 5), portas lógicas (Figura 6), osciladores em anel (Figura 7), usando-se substratos de vidro, metálicos, poliméricos ou de materiais celulósicos e onde uma camada de proteção à base de fluoreto de magnésio é usada, junto com uma camada de adaptação de óxido de tântalo dos semicondutores ativos a um dielétrico, tal como o dióxido de silício e podem ser usados na indústria eletrônica, na indústria de semicondutores, na indústria de mostradores planos, na indústria de circuitos lógicos, na
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2/71 indústria de instrumentação e de sensores, na indústria médica e de biotecnologia, na indústria optoeletrônica e de células solares, na indústria da micro e nano-eletrônica.
ANTECEDENTES
DA INVENÇÃO
O uso de óxidos na eletrônica e optoeletrônica é conhecida, especialmente para suas aplicações como semicondutor passivo, tal como eletrodo condutor transparente [1], usada em vários [2]incluindo sua bem um ou simplesmente como camada antirefletora dispositivos deposição à
Contudo, sua aplicação como optoeletrônicos ou ópticos temperatura ambiente material semicondutor deve-se principalmente ao trabalho inicial executado
Hosono [5], que foi recentemente confirmado por seu produção de dispositivos, especialmente [3,4] .
ativo por uso transistores
H.
na de filmes finos, a baixa ou altas temperaturas [6,7,8] e as suas propriedades de transporte foram exploradas, especialmente as relacionadas ao comportamento dos óxidos amorfos [9].
Além disso, tem-se testemunhado o uso de semicondutores de óxido ativo na produção de heterojunções, especialmente diodos emissores de luz [10], e outras aplicações luminescentes [11], que não se conhecia até este dia, a utilização total dos óxidos na produção de dispositivos do tipo C-MOS.
No que diz respeito ao uso de OCuxNiy e de GSZCTO em diferentes aplicações eletrônicas, isto é desconhecido. Até agora, foi relatado o uso de óxidos condutores de diferentes composições, normalmente na forma binária e do tipo-n, como é referido na patente
US2006152138, onde se refere o uso dos óxidos como um eletrodo condutor, especialmente o uso de óxidos de índio e estanho e de óxido
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3/71 de zinco e gálio na cobertura de aplicações que nada têm a ver mesmas composições dos materiais nanopartículas de com ou como pela presente patente, por exemplo, de GSZTCO como semicondutor ativo acontecendo para os óxidos de nesta patente.
A patente US2006073092, preparação pirogênica de pó como um elemento dopante seguintes: alumínio, gálio, percentagens que variem partículas de óxido de diâmetros entre 300 relacionada à volume, não estando
A patente pois relacionaatravés da sistemas de múltiplas de gálio, germânio, tungstênio, nada exceto a eventual concepção de filmes dos alvos originais.
A patente GB1293408 de um dos índio, germânio, entre 0,005 a 15 at%, zinco podem também ser agregados e 400 nm. Isto é, esta sinterização de materiais relacionada à presente
JP2006002202 está se com a produção sinterização de pós a pulverização catódica, óxidos que contêm silício, fósforo, são baseadas nas àquelas contempladas considerando-se o uso ou passivo, o mesmo cobre e estanho incluídos refere-se, por exemplo, à zinco contendo pelo menos elementos/materiais estanho, em onde as com patente é mais cerâmicos, em invenção.
relacionada à anterior, de alvos cerâmicos, serem utilizados em usando misturas titânio, zinco, estanho e invenção, alvos na distintos epitaxial nióbio, molibdênio, rutênio, tendo a ver com a presente utilização de alguns destes finos estequiometricamente refere-se ao crescimento de óxido de índio tipo-n dopado com gálio e alumínio para produzir uma junção tipo-p-n em um substrato de arsenito de gálio de modo a formar uma heterojunções do tipo-p-n para
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serem usadas em aplicações tais como diodos emissores de
luz ou lasers, cujos objetivos nada têm a ver com a
presente evento ou sequer se referem às novas ligas de
óxido semicondutor propostas neste evento.
A patente WO2005081055, refere-se à produção de filmes duplos transparentes e condutoros para aplicações em mostradores de cristal líquido ou de diodos emissores de luz orgânicos, respectivamente chamados de LCD e OLED, além de mostradores de plasma e ELD, incluindo células solares e outros dispositivos optoeletrônicos em que uma das camadas é feita à base de óxido de zinco dopado com alumina (AZO) ou óxido de zinco dopado com gálio (GZO) ou óxido de zinco dopado com alumina e gálio (AGZO) e a camada baseada em óxido altamente seletiva por erosão, tal como óxido de índio dopado com estanho (ITO), objetivando ser usada como um semicondutor de óxido passivo, isto é, como um eletrodo, uma aplicação secundária dos materiais apresentados nesta patente, incluindo os óxidos do tipo-p. Isto é, esta patente não inclui quaisquer semicondutores de óxido reivindicados nesta patente mas tem como meta uma das aplicações possíveis desta invenção, substituindo de forma positiva os atuais materiais de óxido à base do altamente custoso índio. Portanto, esta patente nada tem a ver com as reivindicações da patente, agora, apresentada.
A patente US2004178725 refere-se à utilização de estruturas de filme fino baseado em óxido em tandem a serem usadas como refletores ópticos, especialmente estruturas em tandem de até quatro camadas umas sobre as outras, constituídas por óxido de titânio, nitro titânio ou óxidos à base de ligas de titânio e tungstênio adicionadas de
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5/71 ligas de óxido de índio e estanho, ou óxido de zinco e gálio, não incluindo nem os materiais nem as aplicações reivindicados na presente patente.
A patente JP2003324206 refere-se à produção de junções p-n para aplicações fotovoltaicas em que a camada semicondutora tipo-p é constituída por óxido de cobrealumínio, óxido de cobre-gálio, óxido de índio-cobre e óxido de estrôncio-cobre enquanto a camada semicondutora tipo-n é selecionada a partir de um dos seguintes óxidos:
óxidos de estanho, óxido de índio, óxido de titânio, óxido de zinco ou a partir de nitreto de gálio, composições de materiais diferentes daqueles que são reivindicados na presente invenção, que inclui a produção de dispositivos CMOS, TFT além de dispositivos de homojunções e 15 heterojunções p-n.
A patente US2002028571 refere-se a uma nova liga de óxido de zinco, incorporando gálio e hidrogênio, obtida pela codeposição e processada a baixas temperaturas, para ser usada como eletrodos transparentes, não inclusos nas 20 reivindicações da presente invenção.
A patente US6391462 refere-se a filmes finos que podem ser usados como filtros ópticos e/ou barreiras à difusão de impureza e são constituídos por óxido de zinco, óxido de titânio, óxido de índio, óxido de estanho, óxido de cádmio, 25 dopados ou não dopados com gálio, alumínio, estanho, antimônio e prata, materiais e aplicações não inclusos nas reivindicações da presente invenção.
A patente JP2000045063 refere-se à formação de óxidos condutores e transparentes à bade se índio e contendo 30 estanho, zinco ou gálio com espessuras entre 50 nm e 500
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6/71 nm, a serem depositados em substratos poliméricos como eletrodos, em estruturas simples ou em tandem. Embora se considere também o processo de deposição à baixa temperatura, esta patente não inclui o objetivo principal que a presente invenção pede.
A patente JP6338223 objetiva desenvolver eletrodos transparentes para serem usados em células solares que possam ser resistentes à corrosão, especialmente à base de óxido de zinco dopado com gálio, como eletrodo ôhmico em estruturas simples ou em camadas laminadas, não incluindo os objetivos e reivindicações da presente invenção.
A patente JP4367540 refere-se à produção de filmes finos transparentes e fotocondutores, por laminação de duas espécies de óxidos metálicos, selecionados entre óxido de zinco, óxido de gálio, óxido de índio e óxido de estanho, depositados em substratos cerâmicos ou vítreos a serem usados como sensores ópticos, células solares e outros dispositivos optoeletrônicos, não envolvendo qualquer dos objetivos principais da presente invenção.
A patente US2002135324 refere-se à utilização de compósitos de MgF em sistemas de isolamento de lâmpadas de descarga por arco, não envolvendo, por conseguinte, a utilização de MgFx, onde x varia entre 1 e 2, como material encapsulante ou passivador para dispositivos eletrônicos.
A patente US2006204766 refere-se também à utilização do MgF2 como material anti-umidade e antirrepelente, especialmente na funcionalização de materiais poliméricos para diferentes aplicações, incluindo as oftálmicas, aplicações não inclusas nas reivindicações da presente invenção.
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A patente
US20060202610 A1 refere-se ao uso de estruturas de multicamada (até
4) como eletrodos transparentes antirrefletores para serem usados especialmente em mostradores planos, usando materiais tais como o nitreto de titânio ou ligas de titânio e tungstênio, e/ou óxido óxidos de incluindo àquelas da de índio, e/ou óxido de índio índio e zinco, ou também aplicações presente invenção, óxidos de eletrônicas e estanho, e/ou zinco e gálio, similares como mas não incluindo quaisquer dos materiais ou invenção pedida.
A patente US materiais materiais tais como tântalo, estruturas reivindicados na presente
1999/5.910.218 refere-se de alta constante dielétrica a serem dielétricos ou materiais isolantes na capacitores, onde não incluindo o material de adaptação entre semicondutor reivindicado
O mesmo pentóxido de de óxido ao uso de usados como eletrônica, se inclui o uso de pentóxido uso destes materiais dois semicondutores ou e um dielétrico, de como entre um um conforme nos objetivos do pedido da presente invenção.
acontece tântalo é (Ta2O5) como uma camada com a patente JP3041643, em que utilizado na forma estequiométrica dielétrica em processos de gravação de informação por um outro material eletrônico.
patente também se refere ao seu processo
Na de presente produção através de pulverização catódica por rádio frequência (RF) .
Além do conjunto de patentes supracitado, as aplicações dos semicondutores ativos, especialmente em transistores de filmes finos, são conhecidas as aplicações relacionadas ao óxido de zinco [7], índio dopado com zinco [8], zinco dopado com estanho [12], às ligas de gálioPetição 870180032334, de 20/04/2018, pág. 16/97
8/71 zinco-índio-oxigênio [5,13], para as quais já são conhecidas patentes, especialmente ligadas às empresas Dupont e Hewllett Packard, nos Estados Unidos e Canon no Japão. Não se conhece qualquer patente ligada à utilização e produção de OCuxNiy ou GSZCTO amorfo ou cristalino, e/ou seu possível conjunto de dopagem de filmes, incluindo o processo à baixa temperatura. Neste campo as seguintes patentes são conhecidas:
A patente WO2004/038757 (J. Wager/ Oregon State University), relaciona-se à utilização de materiais tais como o óxido de zinco (ZnO), óxido de estanho (SnO2) ou óxido de índio (In2O3) como um semicondutor ativo (produção da região de canal de transistores de filmes finos), envolvendo como material dielétrico qualquer material isolante, não envolvendo qualquer camada de proteção ou camada de adaptação ao dielétrico, não cobrindo, portanto, nenhuma das reivindicações relevantes da presente invenção.
Por outro lado, é enfatizado nesta de fabricação ocorre a temperaturas patente que o processo altas.
A patente US2003/0218221A1, corresponde à patente
WO2004/038757, e portanto, como já declarado, distinta da presente patente.
No entanto, deve-se notar que é dado ênfase apenas ao
ZnO e SnO2 e à possibilidade de se utilizar outros aditivos estes óxidos da tabela periódica, tais como, Al, In,
Ga, Bi, B, La, Sc,
Y,
Lu, Er, assim como à temperatura do processo que ocorre a temperaturas na faixa de 500 a 1000 graus centígrados.
A patente US2005/0017244 A1 (Hewllet Packard) trata da utilização como semicondutor ativo, especialmente para aplicações como transistores de filme fino de óxidos de
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9/71 zinco e estanho, onde se não enfatiza a temperatura do processo nem se indicam outros elementos relevantes da patente que poderiam or contra o objetivo do pedido da presente invenção.
A patente US2005/0199959 A1 (J. Wager e Oregon State
University, OSU) refere-se à utilização como semicondutor ativo de ligas de óxido de zinco e Índio, para diferentes aplicações eletrônicas, incluindo transistores de filme fino, não indo contra, portanto, os objetivos do pedido da presente invenção.
A patente US2006/0079034 A1 (J. Wager e OSU) relaciona-se à aplicação como camada de passivação em circuitos eletrônicos, especialmente transistores de filme fino de uma camada à base de SiOx, SiNx, SiOxNy, GeOxTaOx SiOxCy, YOx, Mgx e outros materiais, não coincidindo com as principais reivindicações da presente invenção.
A patente WO2005/088726 A1, (H. Osono) refere-se à produção de transistores de filme fino à base de óxidos amorfos, onde os materiais usados para fabricar o canal possuem uma concentração de elétrons inferior a 1018/cm3, cujo controle das performances dos materiais é efetuado controlando-se a pressão parcial de oxigênio durante o processo de deposição. Os materiais nos quais os óxidos são baseados consistem de ligas de Ga-In-Zn; In-Ga-Zn1-x-Mgx, ou Ga-Zn-Sn que constituem a base dos alvos cerâmicos usados e o processo de fabricação pode ser executado a temperaturas tão altas quanto 1000°C, fornecendo-se como exemplo da técnica de fabricação, a técnica de laser pulsado (PLDPulsed Laser Deposition); e em suas reivindicações são consideradas as seguintes composições: InxGa1-x (0 < x <1),
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ΙηχΖηι-χ(0,2 < x < 1), InxSn1-x(0,8 < x < 1), Inx( Zn,Sn)1-x (0,15 < x < 1) ou multicompósitos do tipo [(Sn1-xM4x)O2]a.[(In1-yM3y)2°3]b.[(Zn1-zM2z)O]c.[0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < a < 1, 0 < b < 1, 0 < c < 1], onde se menciona também como impurezas do tipo M4, o Si, Ge, Zr, impurezas do tipo M3 como o B, Al, Ga, Y, impurezas do tipo M2 como o Mg e o Ca, impurezas do tipo M5 como o V, Nb, Ta. Esta patente, embora objetive aplicações eletrônicas similares baseadas em materiais de óxido, especialmente os do tipo-n, não inclui as composições ou os materiais reivindicados na presente patente e não inclui os dispositivos do tipo-p ou os dispositivos C-MOS inclusos nos objetivos da presente invenção.
A patente JP2006165527A é dos mesmos inventores da patente acima e ela corresponde a uma atualização da mesma, onde se incluem os processos à baixa temperatura como são indicados na presente invenção. Todavia, não estão inclusos os principais objetivos da presente invenção.
Em termos de utilização de óxidos na produção de junções, além dos trabalhos publicados, por exemplo por Hosono e outros, assim como pelo conjunto de referência já mencionado, nada sabe-se sobre a produção de heterojunções ou junções p-n de OCuxNiy ou GSZCTO.
Em termos de utilização do pentóxido de tântalo como camada de adaptação entre dois semicondutores de óxido ou entre um semicondutor e um óxido, a pesquisa efetuada levou-nos ao uso deste material principalmente como dielétrico. Como apresentado por JP3041643, onde o material é aplicado em sua composição estequiométrica (Ta2O5) como camada dielétrica em aplicações de registro de informação
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11/71 através de um material eletrônico. Esta patente também se refere ao método de fabricação por pulverização catódica de rádio frequência (RF) . Todavia, nada se conhece sobre a utilização deste material como uma camada de adaptação.
Com relação à utilização de filmes de fluoreto de magnésio, existe uma reivindicação de patente e seu uso como camada passivante, mas nada é mencionado relacionado a seu uso como material encapsulante em dispositivos eletrônicos completamente baseados em semicondutores de 10 óxido.
Com relação à utilização de heterojunções de silício cristalino/semicondutores de óxido, são especialmente conhecidos os trabalhos relacionados à produção de heterojunções à base de silício cristalino tipo-n e óxido 15 de estanho e índio depositado por atomização pirolítica ou por evaporação térmica [14] (veja também a Figura 8) ou por pulverização catódica [15,16], (ver Figura 9) ou de heterojunções constituídas de silício cristalino adicionado de um filme de silício amorfo intrínseco, seguida da 2 0 deposição de duas camadas de óxido, uma para dar origem à junção e outra para fazer o contacto ôhmico frontal e transparente. Este é o caso do processo de fabricação desenvolvido pela Sanyo [17]. Todavia, este processo difere daquele reivindicado na presente invenção uma vez que não é 25 considerado o uso dos óxidos multicomponestes de diferentes tipos, o qual é um dos principais objetivos reivindicados na presente invenção.
APLICAÇÕES
As principais indústrias que podem vir a utilizar o 30 GSZTCO e o OCuxNiy são todas indústrias eletrônicas, a
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12/71 indústria de semicondutores, a indústria de mostradores, a indústria de circuitos lógicos, a indústria de instrumentação e de sensores, a indústria médica e de biotecnologia, a indústria optoeletrônica e de células solares, a indústria da micro e nanoeletrônica, especialmente onde o OCuxNiy e o GSZTCO podem ser utilizados na concepção de dispositivos CMOS, onde OCuxNiy constitui o componente do transistor tipo-p e o GSZTCO constitui o o componente do transistor tipo-n, para 10 aplicação direta em toda a eletrônica como um susbtituto de semicondutores convencionais ou podem ser usados para produzir TFT para aplicações de comutação, incluindo ou não seu uso na produção de condutores para matrizes ativas para address a Mostradores de Cristal Líquido (LCD) ou diodos 15 emissores de luz orgânica (OLEDs); concepção de circuitos lógicos, especialmente inversores, portas lógicas AND/OR, portas lógicas NAND e NOR; osciladores em anel, para fabricação de heterojunções, especialmente diodos retificadores, LED, dispositivos fotovoltaicos e outros; na 20 indústria de instrumentação, especialmente como sensores de
UV ou de gases; na indústria médica e/ou alimentar, como chave de comutação de circuitos de controle e sinalização; indústria de defesa militar para produção de mostradores invisíveis.
A presente invenção possui como objectivo desenvolver um produto ou produtos usando técnicas de processamento fáceis e baratas, que permitam substituir os materiais convencionais usados na fabricação de TFT, especialmente os semicondutores covalentes tais como o silício amorfo devido 30 a baixa mobilidade de transporte ou mesmo silício
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13/71 cristalino uma vez que este material não pode ser processado a baixas temperaturas, e de uma forma global, por se tratar de materiais propostos que não são agressivo ou poluente do ambiente, não incluindo em seus processos as etapas potencialmente perigosas e nocivas, tipicamente trantando-se de microeletrônica de silício, especialmente o manuseio com gases venenosos e altamente explosivos tais como fosfino, diborano e silano, o que não acontece com materiais e processos envolvidos na presente invenção.
Além disso, as etapas de fabricação usadas na presente invenção são compatíveis com as etapas de fabricação existentes nas indústrias eletrônica ou optoeletrônica ou de semicondutores, especialmente as técnicas de pulverização catódica para processos em grande escala, ou de evaporação térmica ou de sol-gel, não necessitando, por conseguinte, de investimentos elevados relacionados à pesquisa e desenvolvimento relacionados à adaptação dos processos de tecnologia de laboratório à indústria, uma vez que as indústrias já são capazes de produzir, em grande escala, filmes à base de semicondudores de óxido passivo para produção de contactos elétricos transparentes e condutores.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
Figura 1 - Vista de seção transversal de um dispositivo CMOS assimétrico mostrando as regiões de canal, fonte, dreno, dielétrico, a camada de adaptação do dielétrico ao semicondutor de óxido usado na região de canal, os contactos metálicos, a camada de encapsulamento, resultante da combinação de um TFT tipo-n funcionando no modo de enriquecimento como um condutor e um TFT tipo-p
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14/71 funcionando no modo de enriquecimento, e comportando-se como uma carga dinâmica, de acordo com a legenda:
- Substrato
- Eletrodo porta (metal ou óxido altamente condutor)
3 - Dielétrico (por exemplo, dióxido de silício ou
nitreto de silício)
4 - Camada de adaptação do dielétrico-canal, à base de
T axOy.
5 - Canal ( (GSZTCO tipo-n)
6 - Fonte (Metal ou IZO ou ZGO ou GSZO ou GSZTCO de
elevada condutividade)
- Dreno/fonte
- Contato metálico externo
- Camada de encapsulamento de MgFx
- Canais do transistor do tipo-p à base de OCuxNiy ou GSZTCO dopado.
Figura 2 - Representação do mesmo dispositivo descrito na Figura 1, mostrando os dois transistores, de acordo com a legenda:
- Transistor TFT tipo-p
- Transistor TFT tipo-n
- Ponto da tensão de entrada
- Ponto da tensão de saída
- Tensão de referência ou de base
- Tensão de polarização aplicada
Figura 3 - Vista de seção transversal de uma representação esquemática mostrando um transistor de filme fino (TFT), de estrutura invertida simétrica mostrando as regiões de canal, fonte, dreno, dielétrico, a camada de adaptação do dielétrico ao semicondutor de óxido usada na
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15/71 região de canal, os contactos metálicos, a camada de encapsulamento de acordo com a numeração da legenda.
Figura 4 - Vista da seção transversal de uma representação esquemática mostrando um transistor de filme 5 fino (TFT), de estrutura não invertida simétrica mostrando as regiões de canal, fonte, dreno, dielétrico, a camada de adaptação do dielétrico ao semicondutor de óxido usada região de canal, os contactos metálicos, a camada de encapsulamento de acordo com a numeração da legenda.
Figura 5 - Vista da seção transversal de uma representação esquemática mostrando o TFT, de estrutura não invertida assimétrica, mostrando as regiões de canal, fonte, dreno, dielétrico, a camada de adaptação do dielétrico ao semicondutor de óxido usada região de canal, os contactos metálicos, a camada de encapsulamento de acordo com a a numeração da legenda.
Figura 6 - Vista em perspectiva de uma porta lógica NAND, baseada em estruturas CMOS como descrito na Figura 1 de acordo com a numeração da legenda:
17 - Segunda entrada de tensão da porta lógica
Figura 7 - Representação esquemática do circuito eletrônico de um oscilador em anel baseado em três circuitos inversores CMOS, conforme referenciado na Figura 1, de acordo com a numeração da legenda:
18 - Símbolo eletrônico do circuito inversor mostrado nas Figuras 1 e 2
Figura 8 - Representação esquemática de um sistema de produção de filme fino por evaporação térmica resistiva, mostrando características da câmara de processo de acordo 30 com os números de legenda:
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16/71
- Detentor de substrato
20- Substrato sobre o qual os dispositivos serão
depostitados
21 - Vista interna da câmara sob uma pressão de vácuo
na faixa de 10-3 a 10-7 Pa, com ou sem a presença de um gás
inerte como o argônio, de acordo com os números de legenda:
- Fluxo do material de evaporação
- Câmara de processo
- elemento de resistência a aquecimento/cadinho que contém o material a ser evaporado
- Entrada de gases (oxigênio, argônio, hidrogênio, nitrogênio, ...) à câmara de processo
- Saída do sistema de descarte da câmara
- Fonte de alimentação (energia, W) do cadinho que contém o material a ser evaporarado
- Fonte de luz ultravioleta para auxiliar o processo de deposição
Figura 9 - Representação esquemática de um sistema de evaporação térmica por canhão de elétrons mostrando os detalhes do sistema de acordo com os números de legenda:
- Cadinho que contém o material a ser evaporado
- Foco do feixe de elétrons
31- Feixe de elétrons (fonte de elétrons)
- Sistema de arrefecimento por água do sistema que contém o cadinho
- Fluxo de feixe de evaporação
Figura 10 - Esquema de um sistema de pulverização catódica usado para processar os presentes filmes finos de acordo com a os números de legenda:
- Eletrodo onde se aplica o sinal de força elétrica
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17/71 do ácido ou RF, que contém o alvo (cátodo) e que pode ser circundado ou conter abaixo um campo magnético de confinamento
- Injetor de gases reativos ou puverizado de forma catódica, tal como, argônio, localizado próximo da região objetivada e constituído de um material não condutor
- Espécies gasosas ionizadas tal como argônio
- Malha/rede de polarização
- Polarização do substrato
Figura 11 - Sistema de deposição de filme fino por impressão a jato de tinta de acordo com a legenda:
- Entrada do gás inerte, de forma a pressionar a solução química em direcção ao atomizador
- Atomizador
- Nanogotas das soluções atomizadas
- Recipiente do sistema a jacto de tinta que contém o atomizador, a solução química a ser atomizada de forma controlada sobre um substrato e o sistema de aquecimento
- Resistência ao aquecimento/polarização
Figura 12 - Representação da curva característica de saída (corrente do dreno em função da tensão de drenofonte, usando como parâmetro a tensão da porta) de um TFT de GSZTCO tipo-n de acordo com a numeração da legenda:
- Curvas parametrizadas como uma função da tensão da porta usada, em intervalos de 2 V por curva, iniciandose em 5 Volts
- Escala da corrente de dreno onde cada principal divisão corresponde a 0,5 x 10-3 A, sendo que a origem é 0 A
- Escala de tensão dreno-fonte cuja principal
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18/71 divisão corresponde a 2 Volts e a origem é 0 Volt
Figura 13 - Curva de transferência da corrente drenofonte como uma função da tensão de porta-fonte para uma tensão fixa de dreno de 10 Volts do mesmo dispositivo representado na figura 12, de acordo com a legenda:
- Escala da corrente de dreno onde cada divisão principal corresponde a um múltiplo de 10, com a origem em 10-12 A
- Escala da tensão porta-fonte onde cada divisão principal corresponde a 2 Volts, com a origem em -12 Volts
- Representação da curva de transferência em que a razão entre as duas regiões planas corresponde à maior corrente e a menor corrente é 2,3x107, a tensão corresponde à transição entre o estado desligado e o estado ligado é de 0 Volt e a mobilidade de saturação é de 48,5 cm2V-1s-1
Figura 14 - Esquema da seção transversal de uma junção pn baseada em GSZTCO tipo-n e OCuxNiy tipo-p de acordo com a numeração da legenda
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção relaciona-se à utilização de óxidos multicomponentes possuindo na sua composição cobre e níquel ou gálio, estanho, zinco, titânio e cobre designados por OCuxNiy e GSZTCO, na forma não-estequiométrica ou estequiométrica, onde a quantidade de cada elemento que compõe o óxido multicomponente pode variar entre 0,005 a 0,995, o que determina as funcionalidades eletrônicas e óticas do material produzido ou adicionando-se outras impurezas, tais como, zircônio ou nitrogênio em quantidades que podem ser de até 0,20 da composição total e podem até mesmo substituir um ou dois elementos das composições
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19/71 definidas de forma a permitir um melhor controle da condutividade elétrica e do número de transportadores livres e sua natureza (elétrons ou vazios, designados respectivamente por tipo-n ou tipo-p), para serem usados em aplicações optoeletrônicas como material eletrônico passivo, por exemplo, em contactos ôhmicos tipo-n e tipo-p ou como material eletrônico ativo tipo-n ou tipo-p, como por exemplo, para ser um lado de um junção semicondutora on (ver Figura 14), em heterojunções ou dispositivos C-MOS ou como um material de canal em dispositivos, tal como, transistores de filme fino, designados por TFT. Em todos os casos, os dispositivos são processados a temperatura abaixo de 100°C, usando-se a espessura do dispositivo na faixa de 10 a 10.000 nm, quando o material é usado na forma passiva ou como elemento de uma junção p-n ou a espessura na faixa de 1 a 1.000 nm, quando ele é usado como um semicondutor ativo como no canal de um TFT e onde é usado material baseado em fluoreto de magnésio para encapsular o dispositivo final e um filme fino de pentóxido de tântalo para match o semicondutor ativo ao dielétrico.
Os novos materiais eletrônicos designados por OCuxNiy e GSZTCO, com diferentes composições, contendo ou não outras impurezas como o zircônio ou nitrogênio, podem ser depositados em qualquer tipo de substrato, tal como, vidro, polímero ou papel celulósico, a temperaturas inferiores a 100°C. Sendo altamente compacto/denso, com condutividade elétrica controlada entre 10-14 S.cm-1 a 105 S.cm-1, apresentando um comportamento normal de um material tipo-p, no caso de OCuxNiy processado a temperaturas de 100°C na presença de uma fonte luminosa UV e de tipo-n, no caso do
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GSZTCO, pode também ser convertido em tipo-p, pelo aumento da quantidade de cobre presente na composição ou pela adição de impurezas como o nitrogênio que pode substituir um dos elementos presentes na composição de GSZTCO, tal 5 como, estanho ou gálio, cuja substituição não leva a um aumento de vazios ou interstícios no material, permitindo um melhor controle em relação à origem dos transportadores livres, por impurezas e não por lacunas de oxigênio.
Os novos materiais eletrônicos designados por OCuxNiy e GSZTCO, em diferentes composições, contendo ou não outras impurezas como o zircônio ou nitrogênio, podem ser depositados em qualquer tipo de substrato, tal como, vidro, polímero ou papel celulósico, usando uma técnica física, físico-químico ou química, como evaporação térmica 15 resistiva (ver Figura 8) ou por canhão de elétrons (ver
Figura 9), a pulverização catódica (ver Figura 10) ou por jato de tinta (ver Figura 11), com ou sem a presença de luz ultra violeta, de forma a produzir filmes com uma composição controlada, amorfos ou cristalinos, de elevada 20 densidade, usando-se taxas de crescimento entre 0,01 nms-1 e 20 nms-1, função da energia usada no processo, tal como 0,1 Wcm-2 a 20 Wcm-2 e da distância da fonte entre a que contém o material a ser depositado e o substrato, por exemplo, 2 cm a 50 cm, da atmosfera usada, por exemplo, 25 argônio misturado em diferentes proporções com oxigênio, ou nitrogênio e/ou hidrogênio, usando pressões de processo entre 105 Pa e 10-6 Pa, usando pressões parciais de oxigênio entre 10 Pa e os 10-5 Pa, com ou sem hidrogênio ou nitrogênio, ou flúor, em proporções que podem ir de 0,00 a 30 0,99 da quantidade de oxigênio e que após o dispositivo ser
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21/71 processado, estes são aquecidos e tratados a temperaturas que podem variar de 50 °C a 250°C, função do tipo de substrato utilizado, durante períodos de tempo que podem variar entre 50 minutos e 6 horas.
Os novos materiais eletrônicos designados por OCuxNiy quando do tipo-p e o GSZTCO quando do tipo-n, podem ser utilizados na forma passiva como eletrodo de alta condutividade e quando a forma ativa, podem ser utilizados na produção de heterojunções p-n, como por exemplo OCuxNiy 10 e GSZTCO ou em dispositivos CMOS (ver Figura 1) ou outra, ou em TFT tipo-p e tipo-n com uma simétria convencional geométrica (ver Figuras 3 e 4) ou assimétrica (ver Figura 5) funcionando no aprimoramento (estado desligado, sem tensão de entrada aplicada, como no caso dos dispositivos 15 descritos nas Figuras 12 e 13) ou nos modos de depleção (com fluxo de corrente mesmo quando desconectado).
Os novos materiais eletrônicos designados por OCuxNiy, tipo-p e por GSZTCO, quando tipo-n, podem ser utilizados, na produção de heterojunções p-n, nas quais, os contactos 20 externos são feitos pela deposição, por exemplo, em um semicondutor covalente, como silício e sobre contactos metálicos de semidondutor de óxido ativo, tal como, alumínio, prata/alumínio, titânio-paládio-prata, estanhoprata, ouro/cromo, ou outros, através dos quais um circuito 25 externo é conectado e onde o modo de funcionamento da junção está relacionado à capacidade que esta tem de retificar um sinal elétrico aplicado ou de funcionar como um fotocélula.
Os novos materiais eletrônicos designados como OCuxNiy 30 e como GSZTCO, respectivamente tipo-p e tipo-n, podem ser
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22/71 combinados para a produção de um dispositivo C-MOS (ver Figuras 1 e 2) ou na produção de portas lógicas (ver Figuras 6 e 7), ou em instrumentos sensores ou em instrumentos biodetetores onde a camada de encapsulamento é baseada em fluoreto de magnésio.
Os novos materiais eletrônicos designados por OCuxNiy e GSZTCO, quando tipo-p ou tipo-n, podem ser utilizados como materiais ativos, respectivamente em canais de TFT tipo-p ou tipo-n, onde as regiões de dreno e fonte que se comportam simultaneamente como contactos externos são feitas pela deposição de alumínio, prata/alumínio, titâniopaládio-prata, estanho-prata, ouro/cromo ou outro, por exemplo, um óxido altamente condutor, tal como, óxido de índio dopado com zinco ou óxido de zinco dopado com gálio (ver Figuras 3 a 5), onde o modo de funcionamento do dispositivo consiste em ter um dreno abaixo de 10-9 A quando o dispositivo está desconectado; quando o dispositivo está conectado, pela aplicação de uma tensão de entrada adequada, a corrente de dreno aumenta pelo menos seis ordens de grandeza, e é altamente estável independente da tensão dreno-fonte usada (sempre inferior à tensão de ruptura do material, ver Figuras 12 e 13).
Os novos materiais eletrônicos designados por OCuxNiy e GSZTCO, quando tipo-p ou tipo-n, podem ser utilizados como materiais ativos, respectivamente em canais de TFT tipo-p e tipo-n, onde as regiões de dreno e fonte que se comportam simultaneamente como contactos externos são feitos pela deposição de alumínio, prata/alumínio; titâniopaládio-prata, estanho-prata, ouro/cromo ou outro, por exemplo, um óxido altamente condutivo como óxido de índio
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23/71 dopado com zinco ou óxido de zinco dopado com gálio, onde a tensão necessária para produzir os dispositivos tipo-n no modo de enriquecimento para mudar o estado varia de 0 a 5 Volts; e 0-(-)5V para dispositivos tipo-p funcionando no modo de enriquecimento. Quando os dispositivos trabalham no modo de depleção, os valores acima são, portanto, respectivamente negativos para os dispositivos tipo-n e positivos para os dispositivos tipo-p.
O novo material eletrônico designado por GSZTCO, quando tipo-p ou tipo-n, pode ser usado como material ativo para produção de canais de TFT tipo-n ou tipo-p, ou na fabricação de heterojunções p-n ou dispositivos C-MOS ou portas lógicas, ou de instrumentos sensores ou biodetetores, onde a camada de pentóxido de tântalo estequiométrica ou não estequiométrica é usada para match GSZTCO a um dielétrico como dióxido de silício; com ou sem tratamento a quente a temperaturas de até 350°C em uma atmosfera controlada, em função do tipo de substrato usado.
DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO
A presente invenção está relacionada à utilização de OCuxNiy e GSZTCO como materiais semicondutores ativos tipop e tipo-n dopados ou não dopado com outras impurezas como zircônio ou nitrogênio; ao processo de fabricação a baixas temperaturas com ou sem a presença de luz UV e todos os periféricos inerentes a sua produção, a fim de aplic=a-los em dispositivos ativos, incluindo o uso de uma camada de encapsulamento à base de fluoreto de magnésio; à utilização de uma camada pentóxido de tântalo para adaptar a interface semicondutora a uma camada dielétrica, especialmente em aplicações onde o semicondutor de óxido ativo é usado no
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24/71 canal de TFT ou para produção de C-MOS ou heterojunções pn, usando-se apenas óxidos ou combinando-os com outros semicondutores, tais como, semicondutores covalentes como silício tipo-p e tipo-n.
Os dispositivos eletrônicos baseados nestes materiais, tais como, C-MOS, TFT ou heterojunções p-n apresentados nas seguintes vantagens em comparação às convencionais:
• O processo de fabricação dos dispositivos transistorizados ou das junções p-n ocorre à temperatura ambiente ou a temperaturas inferiores a 100°C;
• Os dispositivos uma vez produzidos podem ser recozidos a uma atmosfera controlada, temperaturas normais e inferiores a 150°C, um valor levemente menor que aquele valor usado para melhorar a ohmicidade de contato do metal nos semicondutores;
• No caso das heterojunções, semicondutor de óxido transparente pode ser usado simultaneamente como contacto de eletrodo ôhmico e o elemento ativo da junção, evitando a necessidade de utilização de uma outra etapa nos seus procedimentos de fabricação, tal como, uma camada extra a ser usada como o contacto transparente;
• Uso de OCuxNiy tipo-n ou tipo-p ou GSZTCO tipo-n como camada ativa (canal) quando da produção de TFT;
• Uso, por exemplo, no caso de TFT, de pentóxido de tântalo como camada de adaptação do material de canal, de forma a estabilizar o dispositivo;
• Uso de um filme fino para encapsular os dispositivos baseados em fluoreto de magnésio, a fim de melhorar a estabilidade do dispositivo, especialmente em TFT;
• Os equipamentos necessários ao processo de
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25/71 fabricação são os mesmos usados hoje na indústria eletrônicos e optoeletrônica, a fim de produzir óxidos, como é feito na técnica de puverização catódica, que foi usada para produzir dispositivos em grande escala, mas agora serão usados para produzir os materiais da presente invenção a baixas temperaturas de substrato;
• Assegurar uma performance idêntica ou superior dos dispositivos usados hoje em dia na produção de TFT, isto é, em termos de comparação ao produzido com TFT ou junções pn.
• Produzir dispositivos altamente estáveis;
• Produzir dispositivos completamente transparentes e portas lógicas, incluindo dispositivos C-MOS.
Assim, com a utilização de filmes de OCuxNiy ou GSZTCO nas suas diferentes composições, incluindo ou não impurezas como já mencionadas, assim como o uso de um revestimento de encapsulamento de fluoreto de magnésio e uma camada de adaptação como pentóxido de tântalo, o número de etapas de fabricação para produzir dispositivos eletrônicos são reduzidos e dispositivos com altas performances podem ser produzidos, isto é, para TFT apresentando relações on/off superiores a 106; tensões de ligação (para comutação de TFT ao estado ligado) inferiores a 5 V para os transistores tipo-n, funcionando no modo de enriquecimento, com correntes de fuga inferiores a 10-9A, altamente estáveis (acima de 90%) nas correntes de dreno (são mantidas constantes independente da tensão dreno-fonte aplicada, apenas para valores acima da tensão para conectar a TFT; mobilidades de saturação (canal aberto) superiores a 5 Vcm-2s-1, estabilidade superior a 10%, isto é: histerese
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26/71 nas curvas de transferência de tensão relacionando a tensão de entrada e a corrente de saída (corrente dreno-fonte), usando como parâmetro a tensão dreno-fonte; primeiramente a instabilidade devida à conexão e desconexão do dispositivo, em segundo lugar o comportamento do dispositivo de alimentação após ser mantido conectado por mais de 1.000 horas, é desprezível. Além disso, estes materiais permitem a fabricação de circuitos lógicos totalmente baseados em óxidos com as funcionalidades requeridas pela indústria, 10 especialmente frequências de funcionamento acima de 300 kHz, como é o caso dos circuitos osciladores em anel.
O processo de produção dos materiais acima mencionados, especialmente OCuxNiy, o GSZTCO, o fluoreto de magnésio e o pentóxido de tântalo, nas suas estruturas 15 amorfas ou cristalinas, estequiométricas ou não, baseiam-se em técnicas químicas, físicas ou físico-químicas, tais como, a evaporação térmica resistiva ou por canhão de elétrons (ver Figuras 8 e 9), pulverização catódica em DC ou RF, assistida ou não por um campo magnético (ver Figura 20 10); ou por jato de tinta (ver Figura 11), com ou sem a presença de uma luz UV para auxiliar todo o processo de deposição.
As técnicas acima mencionadas são também usadas na produção de outros materiais e estruturas, tal como, para 25 fabricação de contactos metálicos e o dielétrico em transistores unipolares; estas ferramentas são necessárias para a produção dos materiais e dispositivos reivindicados nesta invenção, tal como, TFT, ou heterojunções ou portas lógicas ou circuitos C-MOS.
As temperaturas do processo de fabricação usadas para
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27/71 produzir os materiais e dispositivos reivindicados nesta invenção, variam entre 20°C e 100°C, a estrutura da função do dispositivo desejado e do tipo de substrato usado.
Em conformidade com o supracitado, o OCuxNiy e o GSZTCO podem ser produzidos em qualquer tipo de substrato, especialmente vidro, polímero, metal ou papel celulósico.
Para extrair o sinal elétrico dos dispositivos fabricados, usando-se OCuxNiy e/ou GSZTCO, faz-se usando-se contatos de eletrodo metálico que apresentam condutividade muito alta, tal como, Cr ou Ag, associados ou não a filmes de óxidos condutivos, muito transparentes (coletoras de carga), cristalinos ou amorfos, tais como, o óxido de zinco dopado com gálio, ZGO, ou óxido de índio dopado com zinco, IZO.
Em conformidade com o supracitado, os dispositivos baseados em OCuxNiy e/ou GSZTCO nas suas diferentes composições, incluindo ou não outras impurezas, assim como, uma camada de encapsulamento à base de fluoreto de magnésio e em uma camada de adaptação à base de pentóxido de tântalo; pode ou não ser recozido em um atmosfera controlada ou não a temperaturas de até 250°C, usando-se períodos que variam entre 50 minutos a 6 horas, tipo de função do substrato usado e o tipo de dispositivo produzido.
Em conformidade com o supracitado, os dispositivos baseados em OCuxNiy e/ou GSZTCO, nas suas diferentes composições, incluindo ou não outras impurezas como já anteriormente mencionadas, tipo-p ou tipo-n, quando usados na concepção dos canais de TFT, em micro ou nanodispositivos, apresentando espessuras que variam entre
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28/71 nm e 1.000 nm.
Em conformidade com o supracitado, os dispositivos baseados em OCuxNiy e/ou GSZTCO, nas suas diferentes composições, incluindo ou não outras impurezas como já anteriormente mencionadas, tipo-n ou tipo-p, quando usados na concepção de TFT como camada de canal apresentando os valores de espessuras acima mencionados e usando-se como camada de adaptação do filme de óxido ativo ao dielétrico, por exemplo, dióxido de silício ou nitreto de silício, um filme de pentóxido de tântalo com espessuras que variam de 1 nm a 1.000 nm.
Em conformidade com o supracitado, os dispositivos baseados no uso de OCuxNiy e/ou GSZTCO, nas suas diferentes composições, incluindo ou não outras impurezas como já anteriormente mencionadas, tipo-n ou tipo-p, quando usados na concepção de TFT como camada de canal apresentando os valores de espessuras acima mencionados e são usados como camada de adaptação do condutor de filme de óxido dielétrico ativo, um filme de pentóxido de tântalo e um filme de encapsulamento à base de fluoreto de magnésio com espessuras que variam de 10 nm a 1.000 nm.
Em conformidade com o supracitado, os dispositivos baseados em OCuxNiy e/ou GSZTCO, nas suas diferentes composições, incluindo ou não outras impurezas como já anteriormente mencionado, tipo-n ou tipo-p, quando usados na concepção de heterojunções p-n ou dispositivos C-MOS, a camada tipo-n e/ou tipo-p possuem espessuras que variam entre 5 nm e 10.000 nm, função característica do semicondutor ao o semicondutor de óxido será conectado, em casos onde há uso simultâneo de ambos os óxidos para tornar
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29/71 uma junção o óxido mais espesso, corresponde ao material com menos transportadores livres, por exemplo, com as mesmas performances do material usado na produção da camada de canal em TFT; o óxido mais fino possui uma espessura de cerca de uma ordem de grandeza, mais fino que o óxido mais espesso, mas possuindo transportadores livres com mais de uma a duas ordens de grandeza que o óxido prévio, tal como, os óxidos usados na fabricação de contatos elétricos e designados como semicondutores passivos.
Em conformidade com o supracitado, os dispositivos baseados em OCuxNiy e/ou GSZTCO nas suas diferentes composições, incluindo ou não outras impurezas já mencionadas, tipo-n ou tipo-p, assim como quando se utiliza uma camada de adaptação de pentóxido de tântalo do óxido ativo ao semicondutor dielétrico, assim como quando uma camada de encapsulamento de fluoreto de magnésio é usada; o dispositivo final onde estes materiais são incluídos, assim como, outros como os eletrodos metálicos e os dielétricos podem ou não podem ser sujeitados a um tratamento térmico em uma atmosfera controlada usando-se temperaturas e tempos que dependem do tipo de dispositivo produzido; e do substrato utilizado onde as temperaturas podem variar entre 50°C e 350°C, com tempos que variam entre 50 minutos e 6 horas.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Como referido anteriormente os componentes principais da invenção são o OCuxNiy, ver Figuras 1 e 14, com a referência (10), e o GSZTCO, ver Figuras 3, 4 e 14 com a referência (4), nas suas diferentes composições, incluindo ou não impurezas, tais como, zircônio ou nitrogênio ou
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30/71 molibdênio, de acordo com as percentagens já mencionadas, tipo-p e/ou tipo-n, incluindo a utilização de uma camada de adaptação de pentóxido de tântalo do semicondutor de óxido ativo ao dielétrico, ver por exemplo as Figuras 3 e 14 com 5 a referência (4) e o material de encapsulamento, o fluoreto de magnésio, ver Figura 1, com a referência (9).
A presente invenção relaciona-se à utilização de novos semicondutores baseado numa liga de óxidos de cobre e níquel e de gálio-estanho-zinco-titânio-cobre multicomponente, que é designada por OCuxNiy e GSZTCO, onde seus componentes, os elementos do óxido, têm diferentes composições como, x que representa o conteúdo molar de cobre, y representa o conteúdo molar de níquel, m representa o conteúdo molar de gálio, n o conteúdo molar de 15 estanho, w o conteúdo molar de zinco, z o conteúdo molar de titânio, p representa o conteúdo de cobre e onde a relação x:y ou m:n:w:z:p podem ser, respectivamente, de: 1:1, 1:2,
1:3, 3:1, 100:1 ou 1:1:1:1:1, 1:10:10:10:10; 10:1:1:1:1;
1:1:1:5:10; 1:5:10:0,5:0,1; 5:5:10:0,1:0,5; ou outras composições onde a percentagem mínima de cada um dos componentes na mistura é de 0,005 e a máxima de 0,995, processados a temperaturas inferiores a 100°C, com ou sem a presença de luz UV, ver Figura 8, com a referência (28), e podem ser recozidos após a produção do dispositivo.
A presente invenção relaciona-se à utilização de óxidos multicomponentes designados por OCuxNiy e GSZTCO, em diferentes composições percentuais de seus componentes traduzidas por x:y e m:n:w:z:p, que podem também conter uma outra impureza para controlar os tipos no semicondutor, tais como, zircônio ou nitrogênio em quantidades que podem
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31/71 ir até 0,20 da composição molar e podem mesmo substituir um ou dois elementos da composição do óxido da presente invenção, e processados à temperatura ambiente ou a temperaturas abaixo de 100°C, usando técnicas de deposição física, físico-química ou química, tais como, a evaporação térmica usando múltiplas fontes de evaporação distribuídas ao longo do plano oposto àquele que está na forma de substrato estático ou em movimento (roll on”), onde os filmes serão depositados, função da taxa de crescimento 10 considerada, ver Figuras 8 e 9, com as referências (24) e (29); a pulverização catódica em DC ou RF, assistida ou não por magnetron assistido com injeção de gás próxima à região do catodo, ver Figura 10, com as referências (27) e (35), o processo a jacto de tinta onde nanogotas de uma solução 15 química são atomizadas e aquecidas, ver Figura 11, com as referências (40) e (43); usando-se um sistema de travamento de carga para introduzir os substratos na câmara de processamento/deposição com uma pressão base de referência tão baixa quando 10-7 Pa; e distâncias entre fonte de 20 evaporação e substrato que são as dimensões finais do substrato a ser utilizado, onde todos os processos podem ser determinados em reativo ou não reativo, isto é, em um ambiente que contém ou não contém um elemento oxidante como oxigênio com pressões parciais que variam entre 10 Pa a 25 10-4 Pa ou não oxidante, como o argônio, hélio ou xenônio ou reativo como o hidrogênio ou flúor ou nitrogênio; em suas formas simples, básicas ou ácidas em proporções que podem variar entre 10-2 Pa a 10-5 Pa e taxas de crescimento que podem variar entre 0,1 nms-1 a 10 nms-1, pela variação 30 da corrente aplicada ao elemento resistivo (evaporação
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32/71 térmica) ou a densidade de potência aplicada entre 0,01 Wcm-2 a 20 Wcm-2, (pulverização catódica) e com distâncias entre alvo e substrato diferentes, onde o processo de deposição pode ocorrer usando-se ou uma liga alvo ou um alvo cerâmico que contenha todos os elementos pré-definidos ou por co-evaporação ou co-pulverização catódica de ligas que contêm todos os elementos exigidos para a composição final do filme. Por exemplo, para substratos com dimensões de 10 cm χ 10 cm, as distâncias entre fonte e substrato podem variar de 2 a 30 cm, e podem ser tão altas quanto
150 cm, para substratos de 1 m χ 1 m de tamanho.
A presente invenção relaciona-se ao uso de ligas de óxidos multicomponentes, designados por OCuxNiy e GSZTCO, onde seus componentes possuem composições de diferentes proporções, traduzidas pelas composições de proporção: x:y e m:n:w:z:p, que podem também conter uma outra impureza para controlar os tipos de transportadores principais usando-se compósitos metálicos de: Cu e Ni e de Ga, Sn, Zn,
Ti e Cu, em uma atmosfera reativa na presença de luz UV ou materiais cerâmicos contendo os elementos desejados para alcançar os resultados desejados da composição dos filmes, tais como, [CuaO, com 1 < a < 2] + [NibO, com 1 < b < 3] ou [Ga2O3]m + [SnOa(1-2)]n + [ZnO]w + [TiOa(=1-2)] + [CuaO, 1 < a < 2], mais a impureza, previamente estabelecida, em uma atmosfera reativa ou não reativa, como definido anteriormente e onde os elementos dopantes podem estar na forma sólida metálica, tal como, Zr ou cerâmica, por exemplo, ZrOx ou na forma gasosa, tal como, o nitrogênio.
A presente invenção relaciona-se à utilização de óxidos multicomponentes designados por OCuxNiy e GSZTCO,
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33/71 onde suas proporções de constituintes têm diferentes composições, traduzidas pelas proporções de composições x:y e m:n:w:z:p, fabricados nas condições já referidas anteriormente e as condições de deposição, especialmente a 5 presença de gases reativos como o oxigênio ou o hidrogênio, usando-se pressões parciais em uma faixa de valores já mencionados: permite controlar as performances elétricas e ópticas dos materiais produzidos, com relação os transportadores livres (elétrons ou vazios, respectivamente 10 para materiais tipo-n ou tipo-p), condutividade elétrica (de 10-14 Scm-1 a 105 S.cm-1), mobilidade dos transportadores, grau de compactação dois filmes (deve ser alto), rugosidade do file (deve ser tão baixa quanto possível), constante dielétrica, absorção ótica e sua 15 refletividade, para filmes com espessuras na faixa de 1 nm e os 10.000 nm, depositados em substratos metálicos, de vidro, de polímero ou papel, com uma estrutura amorfa ou cristalina, para aplicações em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos como um material eletrônico passivo, por 2 0 exemplo, como um contato de eletrodo, transparente ou não transparente, ôhmico, ou como um material dielétrico de alta resistividade ou para cormar camadas de bloqueio ou adaptação em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos baseados, especialmente, em heterojunções, isto é, a união 25 de dois materiais com afinidades eletrônicas diferentes.
A presente invenção relaciona-se ao uso de óxidos multicomponentes designados por OCuxNiy e GSZTCO, em proporções de diferentes composições de seus componentes traduzidas como x:y e m:n:w:z:p, que podem também conter 30 uma outra impureza para controlar a maioria dos tipos de
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34/71 transportadores no semicondutor, fabricados usando-se as condições de processo já descritas para aplicações na eletrônica e optoeletrônica; como um material eletrônico passivo ou ativo, como é o caso, quando se fabrica 5 heterojunções, ver as referências (4) e (10) da Figura 14, e em dispositivos transistorizados, especialmente o CMOS (ver Figura 1), o TFT, ver a referência (5) da Figura 3, portas lógicas, ver as referências (5), (10) da Figura 6, com espessuras de 5 nm ou tão espessas quanto 1.000 nm, 10 depositados em qualquer tipo de substrato, especialmente, vítreos, metálicos, poliméricos ou celulósicos (papel), a temperaturas inferiores a 100°C, podendo ser encapsulados pela utilização de compostos estáveis ou ligas, tais como, fluoreto de magnésio, ver referência (9) nas Figuras 1, 3,
4 e 5, onde as regiões de dreno e fonte podem ser baseadas em contatos metálicos, tais como, titânio, cromo ou ouro, ver Figuras 1, 3, 4, 5, 6 e 14, as referências (6), (7), ou óxidos altamente condutores, especialmente, GSZTCO dopado ou outro semicondutor de óxido, tal como, óxido de índio 20 dopado com zinco ou óxido de zinco dopado com gálio.
A presente invenção relaciona-se à utilização de óxidos multicomponentes designados por OCuxNiy e GSZTCO, onde os seus constituintes têm proporções de diferentes composições, traduzidas como x:y e m:n:w:z:p, e que podem 25 também conter uma outra impureza para controle da maioria dos tipos de transportadores no semicondutor, fabricados e usados nas condições já mencionadas; onde o material dielétrico a ser usado na concepção dos dispositivos pode ser um material orgânico, por exemplo, em TFT pode ser um 30 material inorgânico, como o dióxido de silício ou um
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35/71 material de alta constante dielétrica, tal como, óxido de tântalo, a hafnia, a zircônia, o óxido de ítrio, alumina ou compósitos como hafnia/óxido de tântalo, alumina/óxido de tântalo, zircônia/óxido de tântalo, dióxido de silício/pentóxido de tântalo, alumina/titânia, ou um material orgânico tal como polímeros de baixo peso molecular com resistividade elétrica acima de 1015 Q.cm, tal como, PMMA, POMA ou Mylar, mas onde a adaptação entre semicondutor ativo e o dielétrico é feita por um filme de pentóxido de tântalo com espessura entre 1 nm a 1.000 nm, ver a referência (4) das Figuras 1, 3, 4, 5 e 6.
A presente invenção relaciona-se à utilização de ligas de óxidos multicomponentes designadas por OCuxNiy e GSZTCO, onde os constituintes têm proporções de diferentes composições, traduzidas por x:y e m:n:w:z:p, e que podem também conter uma outra impureza para controlar a maior parte dos tipos de transportadores no semicondutor fabricado e aplicado nas condições já descritas, onde, após a fabricação do dispositivo ou entre as etapas de fabricação do dispositivo, especialmente, a região do canal e as regiões de dreno e fonte, as estrutura do dispositivo como ele é, pode ser ou não recozida em atmosfera controlada (contendo um gás como uma mistura de 95% de nitrogênio e 5% de hidrogênio, ou usando-se uma atmosfera de argônio), a temperaturas tão altas quanto 250°C, por períodos que podem variar entre 50 minutos e 6 horas, função do tipo de substrato utilizado.
1. Preparação de OCuxNiy
A fim de processar os filmes de OCuxNiy, deve-se, primeiramente, selecionar a composição y:x desejada, como
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36/71 já mencionado, a fim de se obter um material tipo-p, onde a percentagem mínima de cada elemento na mistura é de 0,005 e a máxima é de 0,995, processado a temperaturas inferiores a 100°C, com ou sem tratamento a quente executado após o processo de fabricação do material, em uma atmosfera controlada ou não.
Uma vez selecionada a composição do OCuxNiy, a etapa seguinte será a de se saber se se quer introduzir impurezas para controlar a maior parte dos tipos de transportadores no semicondutor, tais como, zircônio ou nitrogênio, onde a proporção máxima de uma delas ou ambas as impurezas é de 0,20 da composição molar de OCuxNiy e podem até mesmo substituir um dos elementos da composição inicial.
Após selecionada a composição exigida e as impurezas a serem adicionadas, é selecionada a forma como os materiais serão depositados: como um compósito ou conjunto de compósitos metálicos ou cerâmicos ou uma solução química ou soluções químicas; dependendo da técnica de deposição a ser selecionada e se é desejado desenvolver filmes usando-se apenas uma única fonte de evaporação/alvo ou de várias, usando-se sistemas a vácuo e uma atmosfera inerte ou reativa, ionizado ou não, para transferir as espécies decompostas em direção ao substrato, tal como, argônio e/ou oxigênio ou outro gás ou se é utilizada uma solução básica, neutra ou ácida aquosa, mas independente da técnica selecionada, com ou sem a presença de luz UV para auxiliar no processo de desenvolvimento no substrato selecionado a propósito.
Com relação ao processo de deposição, contendo ou não contendo impurezas, pode-se selecionar uma técnica física,
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37/71 físico-química ou química, usando-se uma câmara de travamento de carga para introduzir os substratos na câmara de deposição com uma pressão de referência tão baixa quanto 10-7 Pa e uma distância entre substrato e fonte de evaporação em função do tamanho do substrato. Por exemplo, para substratos com tamanhos de 10 cm χ 10 cm, as distâncias podem variar de 2 a 30 cm, e podem ser tão altas quanto 150 cm, para substratos de 1 m χ 1 m de tamanho.
Por exemplo, se a técnica de deposição selecionada é a evaporação térmica resistiva ou por canhão de elétrons (ver Figuras 8 e 9) com uma pressão de base de referência tão baixa quanto 10-7 Pa, pode-se utilizar múltiplas fontes de evaporação distribuídas ao longo do plano oposto àquele que contém a face do substrato onde a deposição irá ocorrer, sob uma forma estática, ver a referência (23) das Figuras 8 e 9, ou de uma forma rolo a rolo, como uma função da taxa de crescimento desejada. Se as fontes de deposição são metálicas, como já mencionado, os elementos podem estar em uma ou mais composição(ões) de liga, por exemplo, Cu-Ni, uma fonte de evaporação e distribuída alternadamente com uma outra contendo as impurezas desejadas e onde a atmosfera do processo deve ser oxidante, isto é, deve-se introduzir oxigênio à câmara de processo, ver a referência (25) da Figura 8, de modo que se possua uma pressão parcial de oxigênio entre 10-2 Pa e 10-5 Pa, ver a referência (22) da Figura 8: onde o controle da pressão de deposição é executado controlando-se a corrente do filamento usada, ver a referência (27) das Figuras 8 e 9, onde no caso de evaporação térmica resistiva envolve o uso de uma fonte de baixa tensão (abaixo de 50 V) e alta corrente (até 500 A) ,
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38/71 para uma dada taxa de desenvolvimento (0,01 nms 1 a 20 nms-1) , em função do tamanho do substrato usado e da distância entre o substrato e a fontes de evaporação usados.
No caso dos materiais iniciais usados na evaporação estarem na forma cerâmica, isto é, na forma de óxido, os elementos constituintes podem estar na forma de um ou mais compostos cerâmicos, contendo a composição Cu-Ni desej ada, funcionando como uma fonte de evaporação que será distribuída alternadamente com uma outra fonte compósita cerâmica contendo as impurezas desejadas a serem usadas nas camadas de filme/final, usando-se ou não uma atmosfera oxidante possuindo uma pressão parcial de oxigênio que varia de
10-2 Pa a 10-7 Pa, e onde o controle da pressão de deposição é executado pelo controle da corrente de filamento usada, onde no caso de evaporação térmica resistiva, uma fonte de baixa tensão (abaixo de 50 V) e alta corrente (até 500
A) e, no caso de um canhão de elétrons (ver Figura 9), a corrente de filamento pode ser tão alta quanto 7A, função do tamanho do substrato usado e, da distância entre a fonte de evaporação e o substrato e do número de fontes de evaporação usadas, assim como a taxa de crescimento esperada que pode ser tão baixa quanto 0,01 nms-1 a 2 0 nms-1.
No caso dos materiais iniciais usados para a evaporação estarem na forma cerâmica, isto é, na forma de óxido, os elementos constituintes de base podem estar na forma de um ou mais compostos cerâmicos, contendo a composição Cu-Ni desejada, funcionando como uma fonte de evaporação que será distribuída alternadamente com uma
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39/71 outra fonte compósita cerâmica contendo as impurezas desejadas que serão usadas, usando-se ou não uma atmosfera oxidante possuindo uma pressão parcial de oxigênio que varia de 10-2 Pa a 10-7 Pa, para pressões de deposição que podem variar entre 10-1 Pa e os 10-4 Pa.
Seja qual for a condição de fabricação selecionada para produzir OCuxNiy por evaporação térmica a partir daqueles supracitados, pode-se usar impurezas de zircônio na forma metálica ou cerâmica, incluídas ou não nas 10 composições das ligas que contêm a composição Cu-Ni principal a ser depositada diretamente ou por co-deposição, isto é, usando-se mais de uma fonte de evaporação contendo OCuxNiy onde a percentagem da impureza a ser incorporada nos filmes finos a serem produzidos (entre 0,005 e 0,20), é 15 feito através da energia usada (corrente elétrica); que também controla a taxa de crescimento e o estado final dos filmes a temperaturas de deposição que podem variar entre a temperatura ambiente (20°C) e 100°C, em função do tipo de substrato usado (vidro, polímero, metal ou papel 20 celulósico).
Além da evaporação térmica, pode-se usar a técnica de pulverização catódica em DC ou RF, com ou sem a presença de um magnetron para confinar o processo de deposição, onde os alvos a serem usados podem ser metálicos contendo a 25 composição de Cu-Ni exigida, ver as referências (34), (35), (37) e (38) da Figura 10, sob uma atmosfera oxidante ou o processo de recozimento ocorre sob uma atmosfera oxidante ou pelo uso de fontes de evaporação cerâmicas com a composição de OCuxNiy selecionada inicial, [CuaO, com 1 < a 30 < 2]+ [NibO, com 1 < b < 3], que pode conter podendo conter
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40/71 uma ou mais impurezas metálicas ou cerâmicas ou gasosas, tal como, Zr, ZrOx ou N2 e onde a composição final do filme depende da energia utilizada em cada alvo (agora fonte de evaporação) ou por co-pulverização catódica simultânea de alvos contendo os componentes exigidos a serem incorporados no filme fino final, pelo controle adequado da energia e tempos de pulverização catódica de cada um.
No caso onde o processo de deposição é executado por pulverização catódica, o gás de entrada pode ser comum ou diferente para o conjunto de gases usados, onde os gases reativos (oxigênio e/ou hidrogênio, e/ou flúor) são introduzidos tão próximo quanto possível da região de superfície que contém o substrato; no qual, o filme será depositado e onde o gás inerte (argônio, hélio ou xenônio) é introduzido próximo a uma cavidade contendo os alvos (catodo hollow”), e onde as pressões parciais podem variar entre 5 x 10-2 Pa e 10 5 Pa, para uma pressão total de deposição que pode variar entre 5 x 10 Pa e 10 4 Pa, usandose taxas de crescimento que podem variar entre 0,01 nms 1 a nms-1, em função da densidade de potência usada que pode variar entre 0,01 Wcm-2 e 20
Wcm-2, dependendo do tamanho do substrato, número de alvos e distância entre substrato alvo e se a estrutura do filme produzido é amorfa ou cristalina, usando-se temperaturas de processo abaixo de
100°C, ver as referências (25 e 35), (27), (37 e
38), (33 e
36) da Figura 10, e onde o percentual de impurezas incorporado no filme é feito pelo controle da densidade de potência (entre 0,01
Wcm-2 a 1 Wcm-2), aplicada ao alvo que contém as impurezas (co-pulverização catódica), isto é, a taxa de crescimento das impurezas, quando comparada àquela
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41/71 do alvo principal, pode variar para match o resultado exigido, composição de filme fino, em relação às impurezas introduzidas, entre 0,005 e 0,20 e usando-se temperaturas que podem variar entre a temperatura ambiente (20°C) e 100°C, dependente do tipo de substrato usados (vidro, polímero, metal ou papel celulósico), ver Figura 10, referência (20) .
Além das duas técnicas descritas acima, os filmes finos de OCuxNiy podem ser crescidos por outros métodos físicos, físico-químicos ou químicos, tais como, evaporação térmica por laser pulsado, camada atômica epitaxial, ou epitaxial molecular ou por sol-gel ou eletrodeposição ou pirólise atomizada por pulverização, ou por jato de tinta, ver Figura 11, spin coating”, todas estas técnicas devem ser usadas com ou sem a presença de luz UV e uma atmosfera oxidante como oxigênio ou uma atmosfera não reativa como argônio, hélio ou xenônio ou uma atmosfera reativa como hidrogênio ou flúor ou nitrogênio, nas suas formas gasosas, ácidas ou básicas.
Se o método de deposição selecionado é por jato de tinta, os elementos a serem depositados estão na forma de um composto químico básico, neutro ou ácido que é diluído em uma solução aquosa contendo um álcool (etílico, metílico ou propanol); um outro elementos estabilizante da solução, sendo a deposição executada pela pulverização da solução atomizada aquecida ou não aquecida sobre o substrato que pode ser aquecido a temperaturas de até 400°C (em função do solvente e substrato selecionados), ver Figura 11, referências (19), (20), (40), (41) e (43).
Qualquer que seja o método de deposição química
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42/71 selecionado, os filmes a serem depositados são baseados em soluções exclusivas contendo os elementos a serem depositados; incluindo as impurezas a taxas de crescimento que podem variar entre
0,01 nms-1 e 10 nms-1, por exemplo, é uma das função da nanogotas,
Qualquer selecionado,
1.000 nm, semicondutor substratos celulósico molibdênio cristalino taxa de dissociação das espécies, dimensões do injetor ou do atomizador usado.
que seja os em em filmes função o método de deposição química possuem espessuras entre 1 nm e da nanoeletrônica, isolantes, tal como, ou ou ou aplicação desejada, como microeletrônica, usando-se vidro ou polímero ou papel substrato condutor, como aço inoxidável ou substratos semicondutores, como o silício policristalino ou usando-se outros óxidos como substratos, tipo-p ou tipo-n, em função da aplicação desej ada.
Qualquer que seja o os filmes podem ser (substrato fixo durante método de deposição selecionado, processados de forma estática o processo de deposição) ou de forma dinâmica, (substrato em movimento durante o processo de deposição), a fim homogênea e uniforme quer os filmes sejam cristalina.
Uma vez que os processados sobre os como camadas únicas de permitir uma deposição do filme sobre a área de estrutura filmes com a inteira do substrato, amorfa ou espessura substratos previamente de estrutura desejada são selecionados, ou como camadas de um dispositivo desejado, eles são recozidos a temperaturas variando
60°C a 300°C, usando-se tempos que podem variar entre minutos a 6 horas, usando-se uma atmosfera controlada de que
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43/71 pode conter oxigênio ou nitrogênio ou uma mistura de hidrogênio e nitrogênio, ou nitrogênio e flúor ou nitrogênio e oxigênio, em proporções que podem variar de 0,1:99,9 a 0,1:0,1:9,8 da composição gasosa previamente mencionada e executado à pressão atmosférica ou sob vácuo (10-2 Pa a 1.000 Pa) .
Dependendo da composição e das condições de deposição selecionadas, incluindo o processo de recozimento, haverá propriedades elétricas, eletrônicas e óticas dos filmes fabricados, considerando-se a natureza dos transportadores livres (elétrons ou vazios, isto é, o material do tipo-n ou tipo-p), condutividade elétrica, mobilidades dos transportadores, grau de compactação dos filmes, constante dielétrica, absorção ótica e refletividade dos materiais. Estas propriedades podem ser variadas mudando-se a composição dos filmes ou o conteúdo de oxigênio, isto é, a condutividade pode ser variada entre 10-14 S.cm-1 a 105 S.cm1, para filmes com espessuras que podem variar entre 1 nm a 10.000 nm, apresentando estrutura amorfa ou cristalina, altamente compacta e de baixa aspereza de superfície, a serem aplicados em eletrônica e optoeletrônica como um material passivo, como, para contatos ôhmicos altamente condutores, com ou sem transparência associada, ou como um material dielétrico com alta resistividade elétrica, ou para fazer camadas de bloqueio ou camadas de adaptação em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, especialmente, em heterojunções, isto é, a união de dois materiais com diferentes afinidades eletrônicas e que necessitam de uma camada fina extra para fazer a adaptação entre elas ou como um material eletrônico ativo, a ser usado para produzir
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44/71 heterojunções p-n, transistores unipolares como TFT ou CMOS e outros dispositivos, usando-se qualquer tipo de substrato, tal como, vidro, polímero, metal ou papel celulósico.
2. Preparação de GSZTCO
A fim de processar os filmes de GSZTCO, as composições de filme m:n:w:z:p devem ser primeiro selecionadas, como já mencionado, a fim de se obter um material tipo-n, onde a percentagem mínima de cada elemento na mistura seja de 0,005 e a máxima seja de 0,995, processado a temperaturas abaixo de 100°C, com ou sem tratamento a quente executado após o processo de fabricação do material, em uma atmosfera controlada ou não.
Uma vez que composição de GSZTCO está selecionada, a próxima etapa é saber se é desejado introduzir impurezas para controlar o tipo de maioria de transportadores no semicondutor, tal como, zircônio ou nitrogênio, onde a proporção máxima de impurezas é de até 0,20 da composição molar de GSZTCO, havendo a substituição de um ou dois elementos da composição inicial possível.
Após selecionada a composição exigida e as impurezas a serem adicionadas, deve-se selecionar a forma como os materiais serão depositados: ou por meio de um compósito, conjunto de compósitos metálicos ou cerâmicos, ou uma solução química ou soluções químicas, dependendo da técnica de deposição a ser selecionada e se é desejado desenvolver filmes a partir apenas de uma única fonte de evaporação/alvo ou de várias, usando-se sistemas a vácuo e uma atmosfera inerte ou reativa, ionizado ou não, para transferir as espécies decompostas em direção ao substrato,
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45/71 tal como, argônio, oxigênio ou outro gás ou se é utilizada uma solução básica, neutra ou ácida aquosa, mas independente da técnica selecionada, com ou sem a presença de luz UV para auxiliar no processo de desenvolvimento no substrato selecionado.
No que concerne o processo de deposição, contendo ou não contendo impurezas, pode-se selecionar uma técnica física, físico-química ou química, usando-se uma câmara de travamento de carga para introduzir os substratos na câmara 10 de deposição com uma pressão de referência que pode ser tão baixa quanto 10-7 Pa e uma distância entre substrato e fonte de evaporação em função do tamanho do substrato. Por exemplo, para substratos medindo 10 cm χ 10 cm, as distâncias podem variar de 2 a 30 cm, e podem ser tão altas 15 quanto 150 cm, para substratos medindo 1 m χ 1 m.
Por exemplo, se a técnica de deposição selecionada é a evaporação térmica resistiva ou por canhão de elétrons (ver Figuras 8 e 9) com uma pressão de base de referência tão baixa quanto 10-7 Pa, pode-se utilizar uma ou múltiplas 20 fontes de evaporação multidistribuídas ao longo do plano oposto àquele que contém a face do substrato onde a deposição irá ocorrer, sob uma forma estática, ver a referência (23) das Figuras 8 e 9, ou de uma forma rolo a rolo, como uma função da taxa de crescimento desejada.
Conforme previamente referido, se as fontes de deposição são metálicas, os elementos podem já estar em uma ou mais composição(ões) de liga, tal como, uma fonte de evaporação contendo Ga-Sn-Zn-Ti-Cu, operando como uma fonte de evaporação que será alternadamente distribuída com uma 30 fonte contendo as impurezas a serem introduzidas no filme
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46/71 final, onde a atmosfera do processo deve ser oxidante, isto é, oxigênio deve ser introduzido na câmara de processo, ver Figura 8, referência (25), a fim de se obter uma pressão parcial de oxigênio variando entre 10-2 Pa e os 10-5 Pa, ver a referência (22) da Figura 8, onde a pressão de deposição é executada através do controle da corrente de filamento usada, ver a referência (27) das Figuras 8 e 9, que no caso de evaporação térmica resistiva inclui uma fonte de baixa tensão (até 50 V) e alta corrente (até 500 A) , para uma dada taxa de crescimento (de 0,01 nms-1 a 20 nms-1), em função do tamanho de substrato usado e portanto, da distância entre o substrato e a fonte de evaporação e do número de fontes de evaporação usado.
Quando os materiais iniciais usados para a evaporação estão na forma cerâmica, isto é, na forma de óxido, os elementos constituintes de base podem estar na forma de um ou mais material cerâmico contendo a composição de Ga-SnZn-Ti-Cu desejada, funcionando como uma fonte de evaporação que será distribuída alternadamente com uma outra fonte de compósito cerâmico contendo as impurezas desejadas para serem usadas, usando-se ou não uma atmosfera oxidante possuindo uma pressão parcial de oxigênio que variar entre 10-2 Pa e 10-7 Pa, para pressão de deposição que podem variar entre 10-1 Pa e os 10-4 Pa e onde o controle da pressão de deposição é executado controlando-se a corrente de filamento usada, ver a referência (27) das Figuras 8 e 9, onde para o caso de evaporação térmica resistiva uma fonte de baixa tensão (abaixo de 50V) e alta corrente (até 500A) é usada, para uma dada taxa de crescimento (de 0,01 nms-1 a 20 nms-1), em função do tamanho de substrato usado e
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47/71 portanto, da distância entre o substrato e a fonte de evaporação e do número de fontes de evaporação usado.
Os materiais cerâmicos devem ser selecionados para evaporação térmica, significando que eles já estão na forma de óxido, os elementos constituintes de base podem já estar em uma ou mais formas cerâmicas, contendo, por exemplo, a composição de Ga-Sn-Zn-Ti-Cu desejado, funcionando como uma fonte de evaporação que será alternadamente distribuída com uma fonte contendo a(s) impureza(s) a ser(em) introduzida(s) no filme, em uma outra composição cerâmica, em uma atmosfera oxidante ou não oxidante, pela introdução de oxigênio na câmara, a fim de se obter uma pressão parcial de oxigênio, além do gás inerte, tal como argônio, que pode variar entre 10-2 Pa e 10-7 Pa, para uma pressão de deposição
Seja total que pode variar entre 10-1 Pa e 10-4 Pa.
qual for a condição de produção selecionada para produzir
GSZTCO por evaporação térmica, pode-se usar impurezas de zircônio na forma metálica ou cerâmica, incluídas ou não nas composições da liga que contém a composição
Ga-Sn-Zn-Ti-Cu principal a ser depositada por co-deposição, isto é, usando-se mais de uma fonte de evaporação contendo os percentagem da impureza elementos Ga-Sn-Zn-Ti-Cu e onde a a ser incorporada nos filmes finos a serem produzidos (entre 0,005 e 0,20), é feito através da energia usada (corrente elétrica); que também controla a taxa de crescimento e o estado final dos filmes a temperaturas de deposição que podem variar entre a temperatura ambiente (20°C) e 100°C, em função do tipo de substrato usado (vidro, polímero, metal ou papel celulósico).
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Além da evaporação térmica, pode-se usar a técnica de deposição por pulverização catódica em DC ou RF, com ou sem a presença de um magnetron para confinar o processo de deposição, onde os alvos a serem usados podem ser metálicos contendo a composição de Ga-Sn-Zn-Ti-Cu exigida, ver as referências (34), (35), (37) e (38) da Figura 10, sob uma atmosfera oxidante ou o processo de recozimento ocorre sob uma atmosfera oxidante ou pelo uso de fontes de evaporação cerâmicas com a composição de GSZTCO selecionada inicial, [Ga2O3]m + [SnOa(1-2)]n + [ZnO]w + [TiOa(=1-2)] + [CuaO, 1 < a < 2], que pode conter uma ou mais impurezas metálicas ou cerâmicas ou gasosas, tal como, Zr, ZrOx ou N2 e onde a composição final do filme depende da energia utilizada em cada alvo (agora fonte de evaporação) ou por co15 pulverização catódica simultâneo de alvos contendo os componentes exigidos a serem incorporados no filme fino final, pelo controle adequado da energia e tempos de pulverização catódica de cada um.
No caso onde o processo de deposição é executado por pulverização catódica, o gás de entrada de uma forma comum ou diferente, em que os gases reativos (oxigênio e/ou hidrogênio, e/ou flúor) são introduzidos tão próximo quanto possível da região de superfície que contém o substrato no qual o filme será depositado e onde o gás inerte (argônio, hélio ou xenônio) é introduzido próximo a uma cavidade contendo os alvos (catodo oco), e onde as pressões parciais podem variar entre 5 χ 10-2 Pa e 10-5 Pa, para uma pressão total de deposição que pode variar entre 5 χ 10 Pa e 10-4 Pa, usando-se taxas de crescimento que podem variar entre 0,01 nms-1 a 20 nms-1, em função da densidade de
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49/71 potência usada que pode variar entre 0,01 Wcm-2 e 20 Wcm-2, dependendo do tamanho do substrato, número de alvos e distância entre substrato e alvo e se a estrutura do filme produzido é amorfa ou cristalina, usando-se temperaturas de processo abaixo de 100°C, ver as referências (25 e 35) , (27), (37 e 38), (33 e 36) da Figura 10, e onde o percentual de impurezas incorporado no filme é feito pelo controle da densidade de potência (entre 0,01 Wcm-2 a 1 Wcm-2), aplicada ao alvo que contém as impurezas (copulverização catódica), isto é, a taxa de crescimento das impurezas, quando comparada àquela do alvo principal, pode variar para adaptar a composição final do filme fino exigida, em relação às impurezas introduzidas, entre 0,005 e 0,20 e usando-se temperaturas que podem variar entre a
temperatura ambiente (20°C) e 100°C, dependente do tipo de
substrato usado ( vidro, polímero, metal ou papel
celulósico) , ver Figura 10, referência (20).
Além das duas técnicas descritas acima, os filmes
finos de GSZTCO podem ser crescidos por outros métodos físicos, físico-químicos ou químicos, tais como, evaporação térmica por laser pulsado, camada atômica epitaxial, ou epitaxial molecular ou por sol-gel ou eletrodeposição ou pirolise atomizada por pulverização, ou por jato de tinta (ver Figura 11), spin coating”, todas estas técnicas podem ser usadas com ou sem a presença de luz UV e uma atmosfera oxidante, tal como, oxigênio ou uma atmosfera não reativa, tal como, argônio, hélio ou xenônio ou uma atmosfera reativa, tal como, hidrogênio ou flúor ou nitrogênio, nas suas formas gasosas, ácidas ou básicas.
Se o método de deposição selecionado é por jato de
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50/71 tinta, os elementos a serem depositados estão na forma de um composto químico básico, neutro ou ácido que é diluído em uma solução aquosa contendo um álcool (etílico, metílico ou propanol); um estabilizador da solução, sendo a deposição executada pela pulverização da solução atomizada aquecida ou não aquecida sobre o substrato que pode ser aquecido a temperaturas de até 400°C (em função do solvente e substrato selecionados), ver Figura 11, referências (19), (20) , (40), (41) e (43) .
Qualquer que seja o método de deposição química selecionado, os filmes a serem depositados são baseados em soluções exclusivas contendo os elementos a serem depositados, incluindo as impurezas a taxas de crescimento que podem variar entre 0,01 nms-1 e 10 nms-1, por exemplo, em função da taxa de dissociação das espécies, dimensões das nanogotas, do injetor ou do atomizador usado.
Qualquer que seja o método de deposição química selecionado, os filmes compreendem espessuras entre 1 nm e 1.000 nm, em função da aplicação desejada, como semicondutor em nanoeletrônica, microeletrônica, usando-se substratos isolantes, tal como, vidro ou polímero ou papel celulósico ou substrato condutor, tal como, aço inoxidável ou molibdênio ou substratos semicondutores, tal como, o silício cristalino ou policristalino ou usando-se outros óxidos como substratos, tipo-p ou tipo-n, em função da aplicação desejada.
Qualquer que seja o método de deposição selecionado, os filmes podem ser processados sob procedimento estático (substrato fixo durante o processo de deposição) ou dinâmico (substrato em movimento durante o processo de
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51/71 deposição), a fim de permitir um revestimento homogêneo e uniforme sobre a área inteira do substrato, quer os filmes sejam de estrutura amorfa ou de estrutura cristalina.
Uma vez que os filmes são processados com a espessura desejada, sobre a igualdade de substratos previamente selecionados, os filmes, como camadas únicas ou como camadas de um dispositivo desejado, são recozidos a temperaturas variando de 60°C a 300°C, usando-se tempos que podem variar entre 50 minutos e 6 horas, sob uma atmosfera controlada que pode conter oxigênio, nitrogênio ou uma mistura de hidrogênio e nitrogênio, ou nitrogênio e flúor ou nitrogênio e oxigênio, em proporções que podem variar de 0,1:99,9 a 0,1:0,1:9,8 da composição gasosa previamente mencionada e executado à pressão atmosférica ou sob vácuo (10-2 Pa a 1.000 Pa) .
Dependendo da composição e das condições de deposição selecionadas, incluindo o processo de recozimento, haverá propriedades elétricas, eletrônicas e óticas dos filmes produzidos, considerando-se a natureza dos transportadores livres (elétrons ou vazios, isto é, o material do tipo-n ou tipo-p), condutividade elétrica, mobilidade dos transportadores, grau de compactação dos filmes, constante dielétrica, absorção ótica e refletividade dos materiais. Estas propriedades podem ser alteradas mudando-se as composições dos filmes ou o conteúdo de oxigênio entre 10-14 S.cm-1 e 105 S.cm-1, para filmes incluindo uma espessura entre 1 nm a 10.000 nm, apresentando estrutura amorfa ou cristalina, altamente compacta e de baixa aspereza de superfície, a serem aplicados em eletrônica e optoeletrônica como um material passivo, tal como, para
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52/71 contatos ôhmicos altamente condutores, com ou sem transparência associada, ou como um material dielétrico com alta resistividade elétrica, ou para se obter camadas de bloqueio ou camadas de adaptação em dispositivos eletrônicos optoeletrônicos, especialmente, em heterojunções, isto é, a união de dois materiais com diferentes afinidades eletrônicas e que exigem de uma camada fina extra para se adaptarem entre si ou como um material eletrônico ativo, a ser usado para produzir heterojunções p-n, transistores unipolares, tal como, TFT ou C-MOS e outros dispositivos, usando-se qualquer tipo de substrato, especialmente, vidro, polímero, metal ou papel celulósico.
3. Preparação de Fluoreto de Magnésio (camada de encapsulamento)
Para processar o fluoreto de magnésio exigido como camada de encapsulamento em dispositivos, ver Figuras 1, 3, 4, 5 e 6, referência (9), especialmente aquele em contado com o ambiente do dispositivo em que será aplicado, pode ser usado na forma estequiométrica ou não estequiométrica e é processado a temperaturas abaixo de 100°C, com ou sem tratamento térmico em uma atmosfera controlada ou não.
Para processar o fluoreto de magnésio estequiométrico ou não, aqui após designado como MgFx, em uma superfície de qualquer dispositivo eletrônico ativo, como camada de encapsulamento de dispositivos eletrônicos ou optoeletrônicos, a fim de se evitar a degradação do dispositivo quando exposto ao ambiente, que induz estados defeituosos de superfície e superficiais, permite a difusão de espécies gasosas, tal como, o oxigênio, através de
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53/71 defeitos estruturais ou interstícios do filme amorfo ou cristalino, tal como, GSZTCO, que conduzirá a mudanças profundas nas propriedades físicas dos materiais que constituem o dispositivo, especialmente, as propriedades elétricas e eletrônicas, este material pode ser processado usando-se qualquer técnica física, fisico-química ou química (ver Figuras 8, 9, 10 e 11), usando-se ou não uma câmara de travamento de carga para introduzir os substratos na câmara de processamento com uma pressão base de referência que pode diminuir a 10-7 Pa e distâncias entre a fonte de evaporação e o substrato que são funções do tamanho do substrato a ser usado, que estão entre 2 cm e 30 cm para substratos medindo 10 cm x 10 cm, ou acima de 150 cm para substratos medindo 1 m x 1 m, e podem ser depositados de modo estático ou dinâmico (rotação ou rolo a rolo) seguido pelo tratamento térmico em uma atmosfera controlada ou não a temperaturas inferiores a 350°C, em função da aplicação e substrato selecionados.
Uma vez selecionada a composição de MgFx, a próxima etapa compreenderá saber a técnica de deposição a ser usada, se os materiais a serem usados estão na forma de uma liga a ser evaporada a partir de um cadinho, ou na forma de um alvo sinterizado com as proporções exigidas, seguido pela seleção de temperatura para o tratamento térmico e ambiente/atmosfera de recozimento relacionada, quando exigido.
Por exemplo, se a técnica de deposição selecionada é a evaporação térmica, resistiva ou por canhão de elétrons (ver Figuras 8 e 9) com uma pressão de base de referência tão baixa quanto 10-7 Pa, pode-se utilizar uma ou múltiplas
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54/71 fontes de evaporação distribuídas ao longo do plano oposto à face do substrato onde a deposição irá ocorrer, de uma forma estática, ver a referência (23) das Figuras 8 e 9, ou de uma forma rolo a rolo, como uma função da taxa de crescimento desejada. Se as fontes de deposição estão na forma de pó simples ou sinterizado ou na forma de pelotas ou folhas, onde, além disso, a atmosfera do processo deve ser hidrogenada e/ou fluoretada, isto é, hidrogênio e/ou flúor deve ser introduzido na câmara de processamento, onde a pressão parcial do gás destes gases reativos deve estar entre 10-2 Pa e os 10-5 Pa controlando-se a corrente de filamento usada, enquanto que no caso de evaporação térmica resistiva, uma fonte de baixa tensão (abaixo de 50 V) e alta corrente (até 500 A) é usada, enquanto para o caso de canhão de elétrons, a corrente no filamento do canhão pode ser tão alta quanto 7 A, dependendo do tamanho do substrato usado, e portanto, da distância entre a fonte e o substrato e do número de fontes de evaporação a ser usado, usando-se taxas de crescimento que podem variar de 0,01 nms-1 a 20 nms-1.
Além da evaporação térmica, pode-se usar a técnica de deposição por pulverização catódica em DC ou RF, com ou sem a presença de um magnetron para confinar o processo de deposição (ver Figura 10) e onde os alvos a serem usados contêm o MgFx selecionado e onde o processo de deposição ocorre sob a possível presença de um gás reativo, tal como, hidrogênio e/ou flúor e/ou nitrogênio e/ou oxigênio, além do gás de veículo inerte, tal como, argônio usando-se pressões de gás parciais que variam de 5 χ 10-2 Pa a 10-5
Pa, para uma pressão total de deposição entre 5 χ 10 Pa e
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10-4 Pa, usando-se taxas de crescimento na faixa de 0,01 nms-1 a 20 nms-1, em função da densidade de potência usada que pode variar entre 0,01 Wcm-2 e 20 Wcm-2, dependendo dos tamanhos do substrato ou dispositivo a ser revestido, o
número de alvos usados e da natureza do substrato do filme
crescido amorfo ou cristalino) a temperaturas de processo
que podem variar entre 20°C e 350°C.
Além das duas técnicas descritas acima, os filmes
finos de MgFx podem ser crescidos por outros métodos
físicos, físico-químicos ou químicos, tais como, evaporação térmica por laser pulsado, camada atômica epitaxial, ou
epitaxial molecular ou por sol-gel ou eletrodeposição ou
pirólise atomizada por pulverização, ou por jato de tinta (ver Figura 11), ou spin coating”, adotando-se que todas estas técnicas devem ser usadas com ou sem a presença de luz UV e sob uma atmosfera oxidante, tal como, oxigênio ou uma atmosfera não reativa, tal como, argônio, hélio ou xenônio ou uma atmosfera reativa, tal como, hidrogênio ou
flúor ou nitrogênio, nas suas formas gasosas, ácidas ou
básicas.
Se o método de deposição selecionado é químico, os
elementos a serem depositados estão na forma de uma solução
química básica, neutra ou ácida que é colocada em uma solução aquosa contendo um álcool (etílico, metílico ou
propanol) e um estabilizador da solução, sendo a deposição
executada pela pulverização da solução aquecida ou não
aquecida, se por eletrólise ou não, sobre o substrato que
pode ser aquecido a temperaturas de até 400°C (em função do solvente selecionado), ou por atomização da solução sobre o substrato aquecido ou através de atmosfera aquecida ou jato
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56/71 de tinta, contendo a solução, por aquecimento local do substrato ou ambiente através do qual o substrato terá que atravessar.
Qualquer que seja o método de deposição química selecionado, os filmes a serem depositados são baseados em soluções exclusivas contendo os elementos/composições a serem depositados, as taxas de crescimento podem variar entre 0,01 nms-1 e 10 nms-1, em função de uma corrente elétrica que passa através da solução (eletrólise), ou a taxa de dissociação das espécies e sua deposição sem qualquer tipo de passagem através da corrente ou da forma na qual a atomização ocorre (para dimensões das nanogotas, do injetor, do atomizador, ou outra informação, ver referência (40) da Figura 11).
Qualquer que seja o método de deposição química selecionado, os filmes podem possuir entre 0,5 nm e 1.000 nm de espessura, em função da aplicação desejada e condições de superfície onde o filme será depositado para executar o encapsulamento.
Qualquer que seja o método de deposição selecionado, os filmes podem ser processados com procedimento estático (substrato fixo durante o processo de deposição) ou dinâmico (substrato em movimento durante o processo de deposição), a fim de permitir uma deposição homogênea e uniforme dos filmes sobre a área inteira do substrato, quer os filmes sejam de estrutura amorfa ou de estrutura cristalina.
Uma vez que os filmes são processados com a(s) espessura(s) desejada(s) sobre os substratos previamente selecionados, os filmes, ou de uma forma singular ou de
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57/71 acordo com a estrutura do dispositivo desejado, são recozidos a temperaturas variando de 60°C a 300°C, usandose tempos que podem variar entre 50 minutos e 6 horas, em função do substrato e da aplicação desejada, uma atmosfera que pode conter oxigênio, nitrogênio ou uma mistura de hidrogênio e nitrogênio, ou oxigênio e nitrogênio, ou nitrogênio e flúor ou uma mistura de oxigênio, hidrogênio e nitrogênio em proporções que podem variar de 0,1:99,9 a 0,1:0,1:9,8 da composição gasosa previamente mencionada e 10 executado à pressão atmosférica ou sob vácuo (10-2 Pa a
1.000 Pa) .
4. Preparação de Pentóxido de Tântalo (camada de adaptação)
Para processar o pentóxido de tântalo estequiométrico ou não estequiométrico, daqui em diante designado por
TaxOy, como uma camada de adaptação de um semicondutor de óxido a um outro óxido ou dielétrico, tal como, dióxido de silício ou nitreto de silício ou outro, ver as referências (4) e (3) das Figuras 1, 3, 4 e 5, a fim de garantir a estabilidade eletrônica da interface, evitando assim as instabilidades promovidas pela absorção ou difusão de impurezas ou contaminantes, na forma gasosa ou não, processado a temperaturas inferiores a 100°C, usando-se uma técnica de deposição física, físico-química ou química, com ou sem um sistema de travamento de carga para introduzir os substratos na câmara de deposição, a uma pressão de referência tão baixa quanto 10-7 Pa e distância substratofonte em função do tamanho do substrato e pode variar entre cm e 30 cm, para substratos com 10 cm x 10 cm de tamanho, 30 ou até 150 cm, para substratos de 1 m x 1 m de tamanho, que
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58/71 podem ser depositados de forma estática ou dinâmica (rotativo ou rolo a rolo), seguido por um tratamento térmico em uma atmosfera controlada de até 350°C, em função da aplicação e natureza do substrato selecionado.
A fim de produzir o TaxOy como uma camada de adaptação entre dois outros semicondutores ou entre um semicondutor e um dielétrico, ou um semicondutor e uma camada de encapsulamento, o material a ser depositado deve ser selecionado ou a partir de um alvo cerâmico contendo a composição de TaxOy desejada, seguido pela seleção do processo adequado e temperaturas de recozimento e ambiente/atmosfera relacionado, quando exigido.
Por exemplo, se a técnica de deposição selecionada é a evaporação térmica, resistiva ou por canhão de elétrons com uma pressão de base de referência tão baixa quanto 10-7 Pa (ver Figuras 8 e 9), pode-se utilizar uma ou múltiplas fontes de evaporação distribuídas ao longo do plano oposto à face do substrato, onde a deposição irá ocorrer, de uma forma estática, ver a referência (23) das Figuras 8 e 9, ou de uma forma rolo a rolo, como uma função da taxa de crescimento desejada. Em tais casos onde as fontes de evaporação estão na forma de um pó simples ou sinterizado, ou agregados, ou na forma de pelotas ou folhas, onde a atmosfera do processo deve, apesar de tudo, ser hidrogenante, contendo ou não outro elementos gasosos, tal como, hidrogênio, flúor ou nitrogênio, obtendo-se assim uma pressão parcial destes gases reativos entre 10-2 Pa e 10-5 Pa, controlando-se a corrente do filamento usada, onde para o caso da evaporação térmica resistiva, uma fonte de baixa tensão (abaixo de 50 V) e alta corrente (até 500 A) é
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59/71 usada, enquanto para o caso do canhão de elétrons, a corrente no filamento do canhão pode ser de até 7 A, além de usar uma tensão de aceleração frequentemente superior a 1.500-2.000V, (ver as referências 27, 28, 29, 30 e 31 na
Figura 9) , em função da dimensão do substrato e, portanto, da distância entre fonte de substrato e do número de fontes de evaporação a ser usado, compreendendo taxas de crescimento que podem variar de 0,01 nms-1 a 20 nms-1.
Além da evaporação térmica, pode-se usar a técnica de deposição por pulverização catódica em DC ou RF (ver Figura 10), com ou sem a presença de um magnetron para confinar o processo de deposição e onde os alvos a serem usados contêm a composição de TaxOy selecionada, na forma metálica (Ta) ou cerâmica (TaxOy) e onde o processo de deposição ocorre sob a presença ou ausência de um gás reativo, tal como, hidrogênio e/ou flúor e/ou nitrogênio e/ou oxigênio, além do gás de veículo inerte, tal como, argônio, usando-se pressões de gás parciais que variam de 5 χ 10-2 Pa a 10-5 Pa, para uma pressão total de deposição entre 5 χ 10 Pa e 10-4Pa, usando-se taxas de crescimento na faixa de 0,01 nms-1 a 20 nms-1, em função da densidade de potência usada que pode variar entre 0,01 Wcm-2 e 20 Wcm-2, dependendo dos tamanhos do substrato ou dispositivos a serem revestidos, o número de alvos usados e da natureza da estrutura do filme crescido (amorfa ou cristalina) a temperaturas de processo que podem variar entre 20°C e 350°C.
Além das técnicas descritas acima, os filmes finos de
TaxOy podem ser crescidos por outros métodos físicos, físico-químicos ou químicos, tais como, evaporação térmica por laser pulsado, camada atômica epitaxial, ou epitaxial
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60/71 molecular ou por sol-gel ou eletrodeposição ou pirólise atomizada por pulverização, ou por jato de tinta, ou spin coating”, adotando-se que todas estas técnicas podem ser usadas com ou sem a presença de luz UV e uma atmosfera oxidante, tal como, oxigênio ou uma atmosfera não reativa, tal como, argônio, hélio ou xenônio ou uma atmosfera reativa, tal como, hidrogênio ou flúor ou nitrogênio, nas suas formas gasosas, ácidas ou básicas.
Se o método de deposição selecionado é químico, tal como o método a jato de tinta, os elementos a serem depositados estão na forma de uma solução química básica, neutra ou ácida que é diluída em uma solução aquosa contendo um álcool (etílico, metílico ou propanol) e um estabilizador da solução, sendo a deposição executada pela imersão ou pulverização da solução atomizada aquecida ou não aquecida sobre o substrato, se por eletrólise ou não, a temperaturas de até 400°C (em função do solvente selecionado), ou por atomização da solução sobre o substrato aquecido ou através de atmosfera aquecida ou jato de tinta, contendo a solução, por aquecimento local do substrato ou ambiente através do qual o substrato terá que atravessar (ver Figura 11).
Qualquer que seja o método de deposição química selecionado, os filmes a serem depositados são baseados em soluções exclusivas contendo os elementos/composições a serem depositados, as taxas de crescimento podem variar entre 0,01 nms-1 e nms-1, em função de uma corrente elétrica que passa através da solução (eletrólise), ou a taxa de qualquer dissociação das espécies e sua deposição sem tipo de passagem através da corrente ou da forma
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61/71 na qual a atomização ocorre (para dimensões das nanogotas, do injetor, do atomizador, ou outra informação, ver referência (40) da Figura 11).
Qualquer que seja o método de deposição selecionado, os filmes podem possuir uma espessura de 0,5 nm e 1000 nm, em função da aplicação e do material onde o filme será depositado para executar a adaptação das camadas e a estabilização da interface correspondente.
Qualquer que seja o método de deposição selecionado, os filmes podem ser processados sob procedimento estático (substrato fixo durante o processo de deposição) ou dinâmico (substrato em movimento durante o processo de deposição), a fim de permitir um revestimento homogêneo e uniforme sobre a área inteira do substrato, quer os filmes 15 sejam de estrutura amorfa ou de estrutura cristalina.
Uma vez que os filmes são processados com a(s) espessura(s) desejada(s), as camadas de adaptação e as estruturas do dispositivo desejado, estes podem ser recozidos a temperaturas variando de 60°C a 300°C, usando20 se tempos que podem variar entre 50 minutos e 6 horas, em função do substrato e da aplicação desejada, uma atmosfera que pode conter oxigênio, nitrogênio ou uma mistura de hidrogênio e nitrogênio, ou oxigênio e nitrogênio, ou nitrogênio e flúor ou uma mistura de oxigênio, hidrogênio e 25 nitrogênio em proporções que podem variar entre 0,1:99,9 e 0,1:0,1:9,8 da composição gasosa previamente mencionada e executado à pressão atmosférica ou sob vácuo (10-2 Pa a 1.000 Pa) .
DESCRIÇÃO DA REPRESENTAÇÃO PREFERIDA DA INVENÇÃO
Exemplo da preparação de um dispositivo eletrônico que
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62/71 contém os elementos/componentes reivindicados nesta patente, especialmente o OCUxNiy, o GSZTCO, o TaxOy e a camada de encapsulamento baseada em MgFx.
A presente patente objetiva fornecer um exemplo da produção de um dispositivo ativo, tal como, um transistor unipolar, heterojunções p-n ou uma porta lógica, utilizando os componentes reivindicados nesta patente, especialmente o OCuxNiy a ser usado preferencialmente como um semicondutor tipo-p, o GSZTCO como um semicondutor tipo-n; o MgFx como um material encapsulante, e o TaxOy como camada de adaptação entre dois semicondutores ou um semicondutor e um dielétrico ou semicondutor e camada encapsulante, utilizando uma ou quaisquer combinações dos processos de fabricação já descritos para a produção dos materiais em que os dispositivo estão baseados, além de outros materiais e substratos exigidos para o dispositivo final, ou na forma amorfa ou cristalina ou a combinação de ambas a serem usadas em aplicações eletrônicas e optoeletrônicas, apresentando espessuras variando de 0,1 nm a 1.000 nm, processadas a temperaturas inferiores a 100°C, usando-se no seu processo, a padronização litográfica direta ou a técnicas de lift-off.
a) Produção de TFT
Para fabricação de TFT tipo-n funcionando na depleção (corrente ligada sem tensão aplicada) ou em modos de enriquecimento (corrente desligada sem tensão aplicada), a primeira operação consiste em selecionada o tipo de substrato a ser usado, o qual pode ser ou um vidro, ou um polímero, ou um metal ou um papel celulósico, seguido pela seleção do tipo de configuração e geometria dos componentes
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63/71 do dispositivo, que estão nas locações do eletrodo porta que deve ser um bom condutor; o dielétrico que deve ser um material que exibe uma alta resistividade (maior que 1015 O.cm) e com o espaço de banda (frequência) exigido para levar à tensão exigida com a camada de canal ativo; a camada de adaptação entre o dielétrico e a camada de canal baseada em GSZTCO, contendo ou não outras impurezas, para um TFT tipo-n ou OCuxNiy, contendo ou não outras impurezas, para um TFT tipo-p, funcionando como um semicondutor ativo (resistividade maior que 10 O.cm e menores que 108 Q.cm); as regiões simétricas de fonte e dreno, isto é, com composição e performances iguais, constituídas de OCuxNiy ou GSZTCO de baixa resistividade (inferior a 10-2 Q.cm), respectivamente, a serem usadas sob os semicondutores do tipo-p e tipo-n, a fim de garantir um bom contato ôhmico ou um material metálico, tal como, titânio, ouro ou um outro óxido altamente condutivo, tal como, o ZGO ou IZO nas formas amorfas ou cristalinas, seguido pela conexão física aos eletrodos externos ou a outros dispositivos (forma de matriz onde cada TFT constitui um pixel onde o número de TFT exigido é maior ou da ordem de 107), usando-se processos convencionais, tal como, soldagem ou cola condutora e envolvendo etapas de litografia adequados, seguido ou não por uma etapa de recozimento em uma atmosfera controlada ou não.
O processo de seleção da geometria e configuração do dispositivo final (ver figuras 3, 4 e 5), consiste em saber se o eletrodo porta é depositado sobre o substrato, constituindo a primeira etapa de fabricação do dispositivo ou se seu depósito ocorre como a última etapa, sendo a
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64/71 primeira configuração designada como porta de fundo e a segunda como porta superior ou se as regiões de dreno e fonte são depositadas antes ou após a camada de canal, designada respectivamente como invertida ou em camadas e finalmente se é necessário usar uma estrutura conforme mostrado na Figura 5, referências (4), para garantir um campo elétrico intenso efetivo assimétrica (6) e (7), associado à região de fonte, melhorando assim, ou não, a estabilidade elétrica dos dispositivos.
Qualquer
Figuras 3 suj eitados litográfica que seja a configuração selecionada (ver
5) , os componentes de TFT serem encapsulados por meio de remoção ou de lift-off, diferentes são de uma técnica significando a deposição de uma resina altamente resistente e compacta, mas solúvel, com um solvente adequado, adequadamente curada a temperaturas abaixo de 80°C, para eliminar os elementos voláteis na resina, com o desenho e dimensões desejados do eletrodo porta (designado como solução química sob o qual o eletrodo será depositado máscara) e que é então solúvel em uma reveladora, permitindo a remoção da resina assim como do material depositado, exceto para as áreas em que a resina não está presente.
No caso específico em que um substrato vítreo é selecionado, e depositado, ver óxido condutivo sendo subsequentemente o eletrodo porta
Figura 3, referência (2), usando-se um tal como ITO ou IZO ou um metal, tal como, ouro, usando-se, por exemplo, a técnica de lift-off (máscara #1), com a geometria desejada e uma separação bem definida entre os eletrodos, assim como as tolerâncias permitidas, processado a temperaturas abaixo de 100°C.
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Após depositar o eletrodo porta, segue-se a deposição do material dielétrico com a espessura desejada, na faixa de 10 nm a 2.000 nm, ver Figura 3, referência (3), usandose um material inorgânico, tal como, dióxido de silício ou nitreto de silício ou um material orgânico, tal como, Mylar ou um outro material de estrutura simples ou de multicamadas, como, por exemplo, óxido de tântalo, hafnia, zircônia, ítria, alumina ou compósitos de hafnia/óxido de tântalo, alumina/óxido de tântalo, hafnia/alumina,; dióxido de silício/pentóxido de tântalo, óxido de tântalo/ítria; zircônia/pentóxido de tântalo/dióxido de silício, alumina/óxido de tântalo ou PMMA, ou POMA, ou Mylar, a temperaturas abaixo de 100°C, onde a camada depositada deve ser também altamente compacta para reduzir a fuga de corrente tanto quanto possível, com a função de trabalho desejada para se conseguir a tensão desligada exigida, quando conectado por deposição direta à camada de canal, que pode ser amorfo ou cristalino, mas apresentando uma superfície tão lisa quanto possível, seguida pela definição de sua geometria e configuração, usando-se um processo litográfico padrão, como já descrito, ou uma técnica de lift-off”. No presente exemplo, a deposição sobre o dielétrico de uma resina fotorresistente positiva irá agora proteger as regiões que não serão removidas e as outras a serem removidas de forma seletiva e expostas pelo desenvolvedor ao agente de erosão úmida ou a seco, isto é, o material dielétrico é removido das regiões não protegidas, sem remover o eletrodo condutivo que normalmente possui dimensões maiores que aquela do dielétrico de porta (máscara #2).
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Uma vez que o dielétrico foi depositado, a deposição da camada de adaptação de TaxOy, ver a referência (4) da Figura 3, com espessuras de 0,5 nm e 1.000 nm, dependendo sua geometria de superfície daquela selecionada para o dielétrico, com uma tolerância de tamanho abaixo de 0,15% das dimensões selecionadas prévias, em função do dielétrico usado, usando-se a mesma máscara de antes.
Depois, segue-se a deposição da camada de canal, compreendendo OCuxNiy ou GSZTCO, respectivamente para TFT tipo-p ou tipo-n, ver a referência (5) da Figura 3, com ou sem as impurezas incorporadas, cujo tamanho da máscara é
ligeiramente menor que a do dielétrico, possuindo
comprimentos de canal que podem variar entre 10 nm e 105 nm
e larguras que variam entre os 10 nm e 106 nm, com
espessuras de canal que variam na faixa de 1 nm e 10.000
nm, em função da aplicação desejada, respectivamente nos campos da nanoeletrônica ou microeletrônica ou outros, processado a temperaturas inferiores a 100°C, e onde a geometria final é obtida usando-se a técnica de lift-off” ou a técnica de escrita eletrônica direta sobre o substrato ou processo de litografia convencional (máscara #3) seguido pelo processo de erosão conforme descrito acima para a camada dielétrica, mas agora usando-se diferentes agentes de erosão químicos e tempos de processo que permitem a seletividade objetivada, isto é, para erodir o material do canal em regiões não protegidas definidas sem afetar o dielétrico ou as camadas de adaptação, seguido ou não por um tratamento de recozimento a temperaturas entre 60°C e 350°C, em função da aplicação desejada e do material do substrato selecionado, em uma atmosfera controlada ou não.
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Uma vez que o dielétrico foi depositado e a geometria do canal foi definida, a deposição das regiões de dreno e fonte ocorrem, usando-se as tolerâncias de fabricação mais adequadas, compatíveis com os sistemas de desenvolvimento usados, que podem ser respectivamente OCuxNiy e GSZTCO altamente condutores (condutividades acima de 102 S.cm-1), respectivamente, para o TFT tipo-p e tipo-n ou um óxido gerado, tal como, IZO, ZGO ou um metal, tal como, titânio ou ouro ou cromo, ver Figura 3, referências (6) e (7).
A geometria das regiões de dreno e fonte, ver Figuras 3 a 5, referências (6) e (7) e correspondentes contatos de blocos metálicos às conexões externas, cuja largura é uma função daquela estabelecida para a camada do canal e pode ter dimensões que podem variar entre 3 x 10 nm a 3 x 106 nm de tamanho e cujo desenho final (máscara #4) é obtido usando-se técnica de lift-off” ou de escrita eletrônica direta sobre o substrato ou por processo litográfico convencional, seguido pelo processo de erosão, conforme descrito para a camada de canal, mas agora usando-se agentes de erosão diferentes e tempos de processo que permitam a seletividade objetivada, isto é, para erodir os materiais de dreno e fonte nas regiões não protegidas definidas, sem afetar o canal e o dielétrico ou as camadas de adaptação, seguido ou não por um tratamento de recozimento a temperaturas entre 60°C e 350°C, em função da aplicação desejada e do material do substrato selecionado, em uma atmosfera controlada ou não controlada.
Uma vez que o TFT foi depositado com as estruturas pré-definidas, seu encapsulamento ocorre, com ou sem o uso, novamente, de uma camada de adaptação, que consiste em
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68/71 depositar MgFx, camada com uma espessura entre 1 nm e 1.000 nm, ver Figura 3, referência (9), usando-se uma das técnicas já descritas para depositar este material, onde em situações normais, os filmes depositados possuem espessuras na faixa de 100-300 nm, deixando as aberturas necessárias, permitindo-se assim executar as conexões necessárias aos contatos de blocos metálicos, (máscara #5), por meio de uma técnica litográfica, tal como, lift-off, seguido ou não por um tratamento de recozimento em uma atmosfera 10 controlada, a temperaturas de até 350°C, por tempos que podem variar entre 50 minutos e seis horas, em função do substrato usado.
No caso onde o tratamento de recozimento é executado às camadas, ou ao estruturado ou ao dispositivo final, a 15 atmosfera controlada deve conter um gás inerte, tal como, nitrogênio 95% com hidrogênio 5% ou uma atmosfera de argônio, ou um gás reativo como oxigênio, hidrogênio ou flúor.
Além das configurações já descritas, onde a primeira etapa consiste na deposição do eletrodo porta, a outra configuração começa com a deposição das regiões de dreno e fonte usando-se um processo litográfico convencional ou de lift-off, seguida pela deposição da região de canal que irá sobrepor às anteriores nas bordas, ver Figura 4, seguido pela deposição da camada de adaptação e do dielétrico, separadamente ou individualmente configurado por litografia, sendo seguida pela deposição do eletrodo porta e finalmente a etapa de encapsulamento, com a abertura exigida para permitir as conexões aos contatos de 30 blocos metálicos das regiões de porta, dreno e fonte.
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Conforme previamente descrito, a etapa acima mencionada é seguida pelos procedimentos de recozimento.
As Figuras 12 e 13 representam, respectivamente, as características de saída e transferência registradas em um 5 TFT tipo-n típico baseado em GSZTCO, com as proporções 1:2:2:0,02:0,01, funcionando no modo de enriquecimento.
b) Processamento de uma heterojunção p-n
Quando se processa heterojunções, estas podem ser produzidas com dois tipos de material diferentes, tal como, 10 GSTZO tipo-n de baixa resistividade, ver a referência (5) da Figura 14, com uma espessura de 300-500 nm, seguido da deposição de uma camada de adaptação mais fina de TaxOy com espessura inferior a 1 nm, ver a referência (4) da Figura 14, seguido da deposição da camada de OCuxNiy tipo-p, ver a 15 referência (10) da Figura 14, com uma espessura de 10-20 nm, de forma a se obter efeito retificante de diodo exigido, seguido, ou não, por um tratamento de recozimento, como já descrito antes, e cujo desenho do dispositivo final está em conformidade com a aplicação esperada, usando-se o 20 mesmo tipo de etapas litográficas de fabricação como já descrito.
c) Processamento de uma porta lógica inversora
O exemplo fornecido consiste em usar dois TFT, um tipo-n funcionando no modo de enriquecimento conforme 25 mostrado nas Figuras 1 e 2, referência (12), e um tipo-p, funcionando no modo de enriquecimento ou de depleção e comportando-se como uma carga dinâmica do primeiro TFT (condutor), cujo processo de fabricação corresponde àquele já descrito em relação ao dispositivo C-MOS.
Deve-se enfatizar o fato de que os exemplos fornecidos
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70/71 não correspondem a todas as aplicações de dispositivo possíveis, apenas ilustrando exemplos práticos das aplicações da patente para uma compreensão clara dos conteúdos da invenção. Variações e alterações podem ser aplicadas sem se desviar os conteúdos descritos na presente patente. Tais modificações e variações devem ser incluídas no presente documento e protegidas pelas reivindicações a seguir.
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Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Dispositivo semicondutor eletrônico, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma camada de um material representado por CuxNiyO ou óxido multicomponente
    5 Gálio-Estanho-Zinco-Titânio-Cobre, de condutividade do tipo p e do tipo n, respectivamente, designados como p-CuxNiyO e n-GSZTCO, respectivamente, em que a quantidade de cada elemento nos materiais é de pelo menos 0,005 da composição molar total, e os materiais compreendem ainda pelo menos um 10 dos elementos zircônio e nitrogênio em quantidades de até 0,20 da composição molar total.
  2. 2. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o disposito é um dispositivo CMOS, um transistor de filme
    15 fino (10, 11, 12) ou um dispositivo de porta lógica de heterojunção (19), compreendendo ainda uma camada de encapsulamento feita de fluoreto de magnésio e uma camada de adaptação feita de pentóxido de tântalo entre um semicondutor ativo e/ou o semicondutor de óxido do 20 dispositivo e uma camada dielétrica do dispositivo.
  3. 3. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende os referidos óxidos multicomponentes como material eletrônico passivo, como contatos ôhmicos, como
    25 material semicondutor tipo-p e tipo-n ativo; como material constituindo cada lado da junção do semicondutor p-n, em heterojunções; ou homojunções p-n de óxido, para diodos que emitem luz ou sensores óticos; como semicondutores p(OCuxNiy) e n-(GSZTCO) a serem aplicados em dispositivos C30 MOS; como camadas de canal ativas (5) de transistores de
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    2/5 filmes finos (10, 11, 12), incluindo aplicações nas regiões de fonte (6) e dreno (7).
  4. 4. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo
  5. 5 fato de que os referidos materiais de óxido multicomponente, respectivamente, o p-CuxNiyO e o n-GSZTCO, são usados na forma passiva como contato ôhmico, e na forma ativa na produção de heterojunções p-n, ou em TFT tipo-n configurado em modo de aprimoramento, em modo desconectado 10 sem tensão (13, 14), ou em modo de depleção.
    5. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os referidos materiais de óxido multicomponente são usados como camadas de elétrons ou vazios de bloqueio
    15 quando suas condutividades estão abaixo de 10-6 S.cm-1.
  6. 6. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma camada de adaptação (4) entre a camada do óxido ativo do semicondutor e uma camada
    20 dielétrica de dióxido de silício ou nitreto de silício, a camada de adaptação sendo feita de pentóxido de tântalo e possuindo uma espessura variando de 1 nm a 1.000 nm.
  7. 7. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo
    25 fato de que compreende ainda uma camada de encapsulamento de fluoreto de magnésio com uma espessura variando de 10 nm a 1.000 nm.
  8. 8. Dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo
    30 fato de que o dispositivo é um dispositivo de junção p-n,
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    3/5 um dispositivo CMOS, dispositivo de porta lógica (19), um sensor ou biodetector.
  9. 9. Método para fabricação de um dispositivo semicondutor eletrônico como definido em qualquer uma das 5 reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o material designado por CuxNiyO é obtido pelo processamento a temperaturas abaixo de 100°C, sob radiação de luz UV (28) e ozônio, o material com uma espessura na faixa de
  10. 10 a 10.000 nm, quando usado como contato ôhmico ou como 10 elemento de junção do semicondutor p-n; ou com espessura na faixa de 0,5-1.000 nm quando usado como um elemento semicondutor ativo, ou como camada de canal (5) nos transistores de filme fino (10, 11, 12) para aplicações de nanoeletrônica e microeletrônica.
    15 10. Método para fabricação de um dispositivo semicondutor eletrônico, como definido na reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o material designado por GSZTCO é obtido por processamento a temperaturas abaixo de 100°C, o material com uma espessura na faixa de 10 a 20 10.000 nm quando é usado como contato ôhmico ou como um elemento de junção do semicondutor p-n; ou com uma espessura na faixa de 1-1.000 nm quando usado como elemento semicondutor ativo, como camada de canal (5) nos transistores de filme fino (10, 11, 12) para aplicações de
    25 nanoeletrônica e microeletrônica.
  11. 11. Método para fabricação de um dispositivo semicondutor eletrônico como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os referidos materiais de óxido multicomponente são obtidos em 30 um substrato (1) por processamento a temperaturas abaixo de
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    4/5
    100°C, o CUxNiyO apresentando um comportamento elétrico tipo-p normal; o GSZTCO apresentando um comportamento elétrico tipo-n normal; o tipo de condutividade sendo reversível pelo aumento da quantidade de impurezas adequadas para não aumentar o número de vacâncias, interstícios ou lacunas, adequadas para controlar a origem dos transportadores livres independentemente dos vacâncias de oxigênio.
  12. 12. Método para fabricar um dispositivo semicondutor eletrônico como definido em qualquer uma das reivindicações
    1 a 8, caracterizado pelo fato de que os referidos materiais de óxido multicomponente são obtidos por uma técnica física, fisico-química ou química, a composição sendo controlada a taxas de crescimento entre 0,01 nms-1 a 20 nms-1, a pressões de processo entre 105 Pa a 10-6 Pa de atmosferas contendo argônio, opcionalmente contendo oxigênio a uma pressão parcial entre 10 Pa a 10-5 Pa, e hidrogênio, nitrogênio ou flúor em uma proporção de 0,00 a 0,99 da quantidade de oxigênio, a uma densidade de energia entre 0,1 Wcm-2 a 20 Wcm-2, e a distância da fonte que contém o material a ser evaporado ao substrato (1) é entre
    2 cm a 50 cm.
  13. 13. Método para fabricação de um dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é obtido por recozimento adicional após a fabricação a temperaturas entre 50°C a 250°C, por períodos entre 50 minutos a 6 horas.
  14. 14. Método para fabricação de um dispositivo semicondutor eletrônico, de acordo com qualquer uma das
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    5/5 reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é obtido por processamento a temperaturas abaixo de 100°C sob irradiação de luz UV (28) para auxiliar no processo de deposição.
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