Uma nova técnica de corte a laser para semicondutores de diamante

Os materiais à base de silício são atualmente os líderes indiscutíveis na área de semicondutores. Mesmo assim, cientistas de todo o mundo estão ativamente a tentar encontrar alternativas superiores para a eletrónica da próxima geração e sistemas de alta potência. Curiosamente, os diamantes estão entre os materiais mais promissores para aplicações como telecomunicações rápidas e conversão de energia em veículos eléctricos e centrais eléctricas.

Apesar de suas propriedades atrativas para a indústria de semicondutores, as aplicações dos diamantes são limitadas devido à falta de técnicas para cortá-los eficientemente em wafers finos. Como resultado, os wafers de diamante devem ser sintetizados um por um, tornando os custos de fabricação proibitivos para a maioria das indústrias.

Agora, uma equipa de investigação do Japão, liderada pelo professor Hirofumi Hidai, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, encontrou uma solução para este problema.Em um estudo recente , disponibilizado online em 18 de maio de 2023 e publicado na Diamond & Related Materials em junho de 2023, eles relatam uma nova técnica de corte baseada em laser que pode ser usada para fatiar de forma limpa um diamante ao longo do plano cristalográfico ideal, produzindo assim wafers suaves. O estudo é de coautoria do aluno de mestrado Kosuke Sakamoto da Escola de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia da Universidade de Chiba e do ex-aluno de doutorado Daijiro Tokunaga, atualmente professor assistente no Instituto de Tecnologia de Tóquio.

As propriedades da maioria dos cristais, incluindo os diamantes, variam ao longo de diferentes planos cristalográficos – superfícies imaginárias contendo os átomos que compõem o cristal. Por exemplo, um diamante pode ser facilmente cortado ao longo da superfície {111}. No entanto, o fatiamento {100} é desafiador porque também produz rachaduras ao longo do plano de clivagem {111}, aumentando a perda de corte.

Para evitar a propagação dessas fissuras indesejáveis, os pesquisadores desenvolveram uma técnica de processamento de diamante que concentra pulsos curtos de laser em um volume estreito em forma de cone dentro do material. “A iluminação concentrada do laser transforma o diamante em carbono amorfo, cuja densidade é inferior à do diamante. Assim, regiões modificadas por pulsos de laser sofrem redução de densidade e formação de fissuras”, explica Hidai.

Ao direcionar esses pulsos de laser para a amostra de diamante transparente em um padrão de grade quadrada, os pesquisadores criaram uma grade de pequenas regiões propensas a rachaduras dentro do material. Se o espaço entre as regiões modificadas na grade e o número de pulsos de laser usados ​​por região forem ótimos, todas as regiões modificadas se conectam entre si através de pequenas fissuras que se propagam preferencialmente ao longo do plano {100}. Conseqüentemente, um wafer liso com superfície {100} pode ser facilmente separado do resto do bloco simplesmente empurrando uma agulha afiada de tungstênio contra a lateral da amostra.

No geral, a técnica proposta é um passo fundamental para tornar os diamantes um material semicondutor adequado para tecnologias futuras. A este respeito, Hidai comenta: “O fatiamento de diamante permite a produção de wafers de alta qualidade a baixo custo e é indispensável para fabricar dispositivos semicondutores de diamante. Portanto, esta pesquisa nos aproxima da realização de semicondutores de diamante para diversas aplicações em nossa sociedade, como melhorar a taxa de conversão de energia em veículos elétricos e trens.”

Esperemos que este cobiçado cristal nos dê uma vantagem na nossa busca por desenvolvimento tecnológico avançado, incluindo aqueles que possam garantir um futuro mais sustentável!

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site da Universidade de Chiba