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Elektronenbeweglichkeit in einem modernen Transistor besser verstehen: Ausgabe 15/2019, 25.09.2019

5G benötigt neue Leistungstransistoren

Von einem neuartigen Leistungstransistor aus Galliumnitrid verspricht sich die Elektronikindustrie grosse Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Hochfrequenztransistoren. Doch noch sind viele grundlegende Eigenschaften des Materials unbekannt. Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben nun erstmals den Elektronen im angesagten Transistor beim Fliessen zugeschaut.

Bilder: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Die Forscher nutzten dafür die weltweit leistungsfähigste Quelle für weiches Röntgenlicht – diese befindet sich in der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Das einzigartige Experiment führten die PSI-Forschenden zusammen mit Kollegen aus Russland und Rumänien durch.

5G benötigt neue Halbleiter Ihr Ergebnis: Wenn man den GalliumnitridTransistor im Hochspannungsbetrieb untersucht bewegen sich die Elektronen in bestimmte Richtungen effizienter. Diese Erkenntnis wird helfen, schnellere und leistungsfähigere Transistoren zu entwickeln – eine Grundvoraussetzung für die Umstellung unserer Kommunikationsnetze auf den kommenden 5G-Standard. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden nun im Fachblatt Nature Communications.
Für Smartphones und allgemein für die mobile Kommunikationstechnologie der nahen Zukunft wird eine neue Generation von Halbleiterbauelementen zwingend nötig sein: Der heute gängige 3G/4G-Standard unserer mobilen Kommunikation stösst an seine Leistungsgrenze. Ab 2020 soll der Nachfolger, 5G, kommerziell verfügbar sein. Dieser wird höhere Frequenzen (bis zu 100 GHz), höhere Datenraten (bis zu 20 GBit/s), höhere Netzdichte und einen effizienteren Energieeinsatz bieten. Allerdings sind die hierfür erforderlichen leistungsstärkeren Hochfrequenz-Transmitter nicht mit traditionellen Transistoren und konventioneller Halbleitertechnologie realisierbar.

Weltweite Forschungsaktivitäten
Forschende weltweit arbeiten daher an einer Alternative: auf Galliumnitrid basierende HEMT (high electron mobility transistors – Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit). In einem HEMT können sich Elektronen frei in einer millionstel Millimeter dünnen Schicht zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern bewegen. In ihrem Experiment gingen Vladimir Strocov vom PSI und seine Kollegen der Frage nach, wie man durch geschickte Konstruktion eines HEMT dazu beitragen kann, dass die Elektronen optimal fliessen können. Ihr Ergebnis: Wenn man den Galliumnitrid-Transistor im Hochspannungsbetrieb untersucht bewegen sich die Elektronen in bestimmte Richtungen effizienter.

Freiheit für die Elektronen
Halbleiter sind die Grundbausteine aller miniaturisierten Schaltkreise und Computerchips. Sie leiten Strom nur dann, wenn man sie geschickt «präpariert». In klassischen Halbleiterbauteilen, etwa in Transistoren, geschieht das durch den gezielten Einbau einzelner Atome eines ergänzenden chemischen Elements. Das Problem ist dann jedoch, dass die fremden Atome die Elektronenbewegung verlangsamen. In den HEMT wird dieses Problem elegant gelöst. Hier bringt man geeignete Kombinationen von reinen Halbleitermaterialien in einer Art Sandwich so miteinander in Kontakt, dass sich an der Grenze eine millionstel Millimeter dünne leitende Schicht bildet. So kann auf die fremden Atome verzichtet werden.
Diese Idee, die zuerst in den frühen 1980er Jahren von dem Japaner Takashi Mimura vorgeschlagen wurde, kommt bereits heute in den Hochfrequenzschaltkreisen aller Smartphones zum Einsatz. In der Praxis spielt jedoch auch eine Rolle, dass die Atome in einem Halbleiter stets in einer bestimmten, wiederkehrenden Kristallstruktur angeordnet sind. So hat zum Beispiel der von Strocov und seinem Team untersuchte HEMT aus Aluminiumnitrid und Galliumnitrid in seiner Grenzschicht eine sechsfache Symmetrie: Es gibt sechs gleichwertige Richtungen entlang der Atomketten. Um den Elektronenfluss innerhalb der Grenzschicht zu untersuchen, legten die Forschenden ihren HEMT unter ein besonderes «Mikroskop» – eines, das nicht die Positionen, sondern die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Elektronen untersucht: Die ADRESS-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, die weltweit intensivste Quelle für weiche Röntgenstrahlung.

Experiment am «lebenden» Transistor
Der technische Begriff dieser Untersuchungsmethode ist ARPES (angle-resolved photoelectron spectroscopy – winkelaufgelöste Photoelektron-Spektroskopie). Bisher wurde sie mit Lichtquellen im Ultraviolettbereich durchgeführt. Strocov und sein Team nutzten nun das energiereichere Röntgenlicht der SLS dafür. Damit konnten die Forschenden die Elektronen tief aus der leitenden Schicht des HEMT herausheben und sie dann in ein Messinstrument leiten, das ihre Energie, Geschwindigkeit und Richtung bestimmte: Ein Experiment am «lebenden Transistor» sozusagen. «Das ist das erste Mal, dass sich die fundamentalen Eigenschaften von Elektronen in einer Halbleiter-Heterostruktur direkt sichtbar machen liessen», sagt Vladimir Strocov.

Leistungsschub für Mobilfunknetze
Die hohe Intensität der Strahlung an der SLS – die vergleichbare Anlagen bei Weitem übertrifft – war dabei von entscheidender Bedeutung, wie Leonid Lev und Ivan Maiboroda vom Kurchatov-Institut in Russland, wo die HEMT hergestellt wurden, bestätigen: «Die einzigartige Instrumentierung der SLS hat uns extrem wichtige wissenschaftliche Ergebnisse geliefert. Sie hat uns Wege aufgezeigt, wie sich HEMT-Strukturen mit höherer Arbeitsfrequenz und Leistung entwickeln lassen.»
Dass die Elektronen eine bestimmte Fliessrichtung bevorzugen, lässt sich nämlich technisch nutzen, erklärt Strocov: «Wenn wir die Atome im Galliumnitrid-HEMT so ausrichten, dass sie mit der Fliessrichtung der Elektronen übereinstimmen, erhalten wir einen wesentlich schnelleren und leistungsfähigeren Transistor.» Die Konsequenz ist ein Leistungsschub für die 5G-Technologie. Dem HEMT aus Galliumnitrid, den die Wissenschaftler nun untersucht haben, wird für die Entwicklung neuer Transmitter bereits jetzt eine grosse Zukunft vorausgesagt. Mit den jetzigen Erkenntnissen aus ihrem Experiment werde man die Leistung von Funktransmittern nochmals um rund zehn Prozent erhöhen können, schätzen die Forscher. Für Mobilfunknetzwerke bedeutet dies weniger Transmitterstationen bei gleicher Netzabdeckung und Leistung – und damit millionenschwere Einsparungen bei Wartungs- und Energiekosten.

Infoservice Paul Scherrer Institut PSI
Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen
Tel. 056 310 21 11, Fax 056 310 21 99
info@psi.ch, www.psi.ch

 



Vladimir Strocov an der ADRESS-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, wo die Messungen durchgeführt wurden


Vladimir Strocov bei der Begutachtung seiner Messergebnisse