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Transistortechnik für 5G-Handystandard

Richtungsweisend: Wie Elektronen im Transistor fließen

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Experiment am „lebenden Transistor“

Der technische Begriff der verwendeten Untersuchungsmethode ist ARPES (angle-resolved photoelectron spectroscopy – winkelaufgelöste Photoelektronspektroskopie). Bisher wurde sie mit Lichtquellen im Ultraviolettbereich durchgeführt. Strocov und sein Team nutzten nun das energiereichere Röntgenlicht der Schweizer Synchrotron Lichtquelle 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 Synchrotron Lichtquelle Schweiz war dabei von entscheidender Bedeutung, wie Leonid Lev und Ivan Maiboroda vom kooperierenden Kurchatov-Institut in Russland bestätigen: „Die einzigartige Instrumentierung der SLS hat uns Wege aufgezeigt, wie sich HEMT-Strukturen mit höherer Arbeitsfrequenz und Leistung entwickeln lassen.“

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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.

Den Transistoren aus Galliumnitrid, die 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.

Originalpublikation: L. L. Lev, I. O. Maiboroda, M.-A. Husanu, E. S. Grichuk, N. K. Chumakov, I. S. Ezubchenko, I. A. Chernych, X. Wang, B. Tobler, T. Schmitt, M. L. Zanaveskin, V. G. Valeyev & V. N. Strocov: k-space imaging of anisotropic 2D electron gas in GaN/GaAlN high-electron-mobility transistor heterostructures. Nature Communications, 11 July 2018; DOI: 10.1038/s41467-018-04354-x

* J. Hattenbach, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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