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MICROELETRÔNICA

Sanduíche reformulado

Engenheiros refazem as camadas dos chips de arseneto de gálio

Pode estar surgindo na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) uma nova geração de circuitos integrados, os conhecidos chips, placas semelhantes a aranhas metálicas que revolucionaram a eletrônica deste século. Sem eles, a vida hoje seria no mínimo diferente. Não haveria computadores e Internet, seriam mais demorados os cálculos para a previsão do tempo e as televisões ainda teriam válvulas – as imagens custariam a aparecer e poderiam apagar-se a qualquer momento.

Após sete anos de trabalho, um grupo interdisciplinar coordenado pelo engenheiro eletrônico Jacobus Swart e pelo físico Marcio Pudenzi, respectivamente da Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp e do Instituto de Física da Unicamp, concluiu o desenvolvimento de um método alternativo de fabricação de circuitos integrados, que substitui a tradicional matéria-prima desses dispositivos, o silício, por arseneto de gálio, e integra duas tecnologias atualmente em uso. Chips são conjuntos de transistores, pastilhas do tamanho da unha de um polegar ou menor, que geram, controlam ou amplificam sinais elétricos (um circuito pode ter dezenas de transistores, num telefone celular, a centenas de milhões, num computador Pentium comum).

Os transistores feitos – agora às centenas – nos laboratórios da Unicamp tornam as aplicações finais mais flexíveis e interessantes que as gerações anteriores, baseadas apenas no silício. Podem ser utilizados sobretudo em telecomunicações, especialmente para aplicações via satélite e em telefonia celular. Nessas aplicações de alto desempenho, as mais promissoras, os circuitos de silício têm se mostrado limitados para alguns nichos de aplicações, segundo Swart.

Quase todos os chips ainda são construídos com silício por ser um material abundante e fácil de ser manipulado. Já o arseneto de gálio, explica o pesquisador, é mais quebradiço, pelo menos 10 vezes mais caro e mais difícil de se obter do que o silício, devido, em parte, à raridade de seus componentes, o arsênio e o gálio, cuja produção o Brasil dominou recentemente (ver Notícias FAPESP nº 40).

A preferência
“Circuitos com o arseneto de gálio apresentam performances eletrônicas incomparáveis para algumas aplicações, como circuitos de comunicações em altas freqüências e circuitos integrados optoeletrônicos”, justifica Swart. Se fosse possível acompanhar o que ocorre no interior desses materiais, veríamos elétrons, partículas subatômicas de cargas negativa, que conduzem a eletricidade, fluindo com velocidade muito maior no arseneto de gálio do que no silício. O pesquisador da Unicamp explica que é justamente essa propriedade que permite, no caso do arseneto de gálio, operações a freqüências elevadas. Os comprimentos de ondas mais curtos e energéticos tornam os circuitos de arseneto de gálio essenciais para uso na faixa de microondas, uma das bandas dos sistemas de comunicação.

Descendente de holandeses que vieram para o Brasil há 40 anos, em busca de terras agrícolas, o professor Swart adverte: os circuitos integrados da Unicamp não são inéditos no mercado internacional. Existem produtos comerciais fabricados nos Estados Unidos, Japão e Europa, já utilizando essas tecnologias, com arseneto de gálio. O que sua equipe fez, ele reconhece, “foi um desenvolvimento nacional com algumas inovações em relação aos sistemas do mercado”. Encerrada em junho a primeira etapa do projeto, os pesquisadores preparam-se para o passo seguinte, o desenvolvimento de aplicações com base na tecnologia desenvolvida.

Agora é o momento de detalhar um pouco mais o objeto da pesquisa intitulada Tecnologia HBiFET: Processo e Caracterização, que contou com um financiamento de US$ 593,9 mil da FAPESP. Os pesquisadores criaram os mecanismos de produção sintetizados nessa sigla, HBiFet (transistor bipolar de heterojunção integrado com transitor de efeito de campo). Trata-se de uma tecnologia híbrida, que integra num mesmo material os transistores chamados de HBT (Heterojunction Bipolar Transistor , ou transistor bipolar de heterojunção) e os conhecidos como Mesfet (Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor, ou transistor de efeito de campo metal-semicondutor). Feito o resumo, vamos às explicações.

Como nos sanduíches
Um transistor é um arranjo de normalmente três camadas de material semicondutor, como o silício ou o arseneto de gálio, que conduzem eletricidade e fazem funcionar os aparelhos eletrônicos. Para facilitar, imaginemos um sanduíche, com camadas de queijo. Trocando um tipo de queijo por outro, temos os transistores chamados de homojunção. Foram os primeiros tipos de transistores, feitos apenas com o mesmo material hospedeiro nos dois lados da junção, como é chamado o contato das camadas empilhadas. Pondo uma fatia de presunto no lugar de uma de queijo, temos os transistores do tipo heterojunção, os mais recentes. É o caso do trabalho da Unicamp: uma das camadas de arseneto de gálio é substituída por um material diferente, uma liga de índio, gálio e fósforo ou simplesmente InGaP.

Os HBTs, com uma fatia de material diferente da base, têm outra característica: são bipolares, por terem dois tipos de elementos portadores de carga elétrica – os elétrons (carga negativa) e as lacunas (carga positiva). As camadas de material semicondutor podem ser alteradas para conter um ou outro desses portadores – essa é a dopagem, como se as camadas do sanduíche recebessem pitadas de sal ou de orégano. O processo de dopagem é necessário em quase todos os dispositivos semicondutores.

Já os FET ou MESFET sãochamados de efeito de campo porque são transistores unipolares, ou seja, portadores apenas de cargas positivas ou negativas e a condutividade pode ser alterada por aplicação de um campo elétrico. Podem também ser de heterojunção – uma fatia de presunto no lugar de uma de queijo. Como resultado dessa composição, nos transistores HBT a corrente elétrica flui perpendicularmente às junções, como se estivesse furando o sanduíche de alto a baixo, enquanto nos FET a corrente é lateral, paralela às junções, de modo a acompanhar as camadas.

O engenheiro Luiz Eugênio de Barros Jr., carioca de 32 anos que há dois se instalou em Campinas, após o doutoramento (em HBT) feito na Universidade de Drexel, na Filadélfia, Estados Unidos, explica que a escolha por uma ou por outra tecnologia depende das aplicações. Nenhuma delas pode ser considera obsoleta. Ele próprio, por sinal, como pesquisador do Instituto de Física da Unicamp, participa da equipe do professor Swart buscando melhorias nos HBT.

A síntese
Acontece, lembra ele, que as limitações de uma ou outra tecnologia tornam-se evidentes, sobretudo, na construção de circuitos de alta performance – a exemplo dos amplificadores de telefone celular ou de comunicação por satélite, para os quais se deseja um baixo ruído (som mais puro) e uma potência alta (a onda vai mais longe da antena). Integrando as duas numa só pastilha, os resultados podem ser otimizados. “O HBT dá a alta potência e o FET, o baixo ruído”, observa Barros Jr.

A tecnologia de fabricação dos circuitos do tipo MESFET, lembra o professor Swart, tem sido desenvolvida em outros centros de pesquisa no Brasil, entre eles a Universidade de São Paulo, desde os anos 80. A novidade é o HBT, o transistor bipolar de heterojunção, inédito no Brasil até o desenvolvimento dos protótipos na Unicamp. Foi em 1991, durante o pós-doutoramento no Research Triangle Institute, nos Estados Unidos, que Swart ganhou prática no projeto e na fabricação de dispositivos e circuitos integrados baseados na tecnologia HBT e sua co-integração com outros dispositivos, como lasers e fotodetectores. Nesse mesmo ano ele fez os primeiros experimentos que levariam ao HBiFET.

Inédita no mundo, ao que se sabe, a integração de tecnologias exige cuidados imensos na preparação das camadas e na compatibilidade entre os materiais. Nos fornos do laboratório do Instituto de Física, crescem uma sobre as outras as camadas que vão compor as pastilhas dos transistores. Forma-se primeiro o HBT e depois o FET. Se fosse o sanduíche, haveria duas camadas de queijo, uma de presunto, outra de pão, funcionando como isolante, e mais duas de queijo. A primeira camada é constituída por arseneto de gálio com silício como dopante. A segunda, do mesmo material hospedeiro, contém carbono ou berílio como dopante.

E a terceira é feita com a liga de índio, gálio e fósforo, com silício como dopante. A camada isolante, que impede que os materiais entrem em curto-circuito, também é de arseneto de gálio puro, sem material dopante. Sobre o isolante formam-se duas camadas de arseneto de gálio, uma com silício e outra com silício reforçado, mais condutiva (com mais elétrons). A alquimia agrupou especialistas em ciências de materiais, químicos, físicos, engenheiros e técnicos da Faculdade de Engenharia Elétrica, do Instituto de Física e do Centro de Componentes Semicondutores (CCS) da Unicamp e do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).

Houve também inovações no processo, a exemplo da etapa chamada passivaçãode superfície, o isolamento elétrico da superfície das pastilhas que melhora do desempenho, neste caso decorrente de tratamento químico mais eficiente para os novos circuitos. Esse tratamento químico é realizado em ambiente de plasma (gás rarefeito com partículas carregadas eletricamente) de nitrogênio seguido por deposição química de uma camada de nitreto de silício, também por processo de plasma. Não se perdem de vista os desafios. Os pesquisadores sabem que é preciso ainda controlar, por exemplo, os mecanismos de dissipação de calor, para evitar falhas no circuito, e assegurar o consumo de uma potência baixa, para que a bateria do celular, digamos, não acabe logo.

Mercado amplo
O mercado de eletrônica, para o qual se destinam os novos transistores, é a fatia mais relevante do comércio internacional. Já estimado em mais de US$ 1 trilhão, supera segmentos que já estiveram nessa posição, caso do petróleo e a indústria automobilística. A microeletrônica avança rapidamente porque está embutida em todo lugar: nos sistemas de posicionamento global por satélite (GPS), nos satélites militares e no cotidiano de milhões de pessoas, fazendo funcionar os aparelhos de televisão e de som, fornos microondas, geladeiras, máquinas de lavar, relógios, telefones, fax e portões eletrônicos. Está presente também nos carros, caminhões e aviões, em hospitais e laboratórios de análise clínicas. “Estamos no início de uma nova revolução, a automatização total”, afirma Swart. Segundo ele, a eletrônica vai se incorporar ainda mais em tudo – no trabalho, no carro e na casas.

Das válvulas aos computadores

Os físicos norte-americanos John Bareen, Walter H. Brattain e William B. Sockley, que trabalhavam para a companhia Bell Telephone, depositaram seus nomes na história da tecnologia deste século ao criarem o transistor, em 1947. A idéia que desenvolveram seria fundamental para a revolução cibernética dos anos seguintes. Já nos anos 50 os transistores substituíram os tubos de vácuo, conhecidos como válvulas, em muitas aplicações, como os rádios, televisores e radares. Os equipamentos modificados tornaram-se menores: os rádios portáteis, uma das primeiras aplicações da nova tecnologia, seduziram multidões em todo o mundo. Sem a miniaturização permitida pelos transistores, a maioria dos equipamentos modernos seria inviável.

O tamanho reduzido dos transistores, o baixo nível de calor que dissipam, a alta confiabilidade, o reduzido consumo de energia e sobretudo o baixo custo de produção por unidade permitiram o desenvolvimento de complexos circuitos integrados como os exigidos para a produção dos computadores pessoais, a partir dos anos 80. A década de 60 marca o início da montagem em série dos transistores numa mesma pastilha (chip), formando circuitos integrados.

Jacobus Willibrordus Swart, 49 anos, graduado e doutorado em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP), com pós-doutoramento na Universidade Católica de Leuven, na Bélgica, e no Research Triangle Institute, nos Estados Unidos, é professor da Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) desde 1988.

Projeto
Tecnologia HBiFET: Processo e Caracterização
Investimento
RS 593,9 mil

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