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Transistortechnik für 5G-Handystandard Richtungsweisend: Wie Elektronen im Transistor fließen

Autor / Redakteur: Jan Hattenbach* / Christian Lüttmann

Unsere Kommunikationsnetze sollen besser werden – mit dem neuen 5G-Standard. Um den zu realisieren, bedarf es einer leistungsstärkeren Transistor-Generation. Den Weg dazu haben nun Forscher vom Schweizer Paul Scherrer Institut geebnet: Sie sahen Elektronen beim Fließen zu und wissen jetzt, wie man deren Geschwindigkeit – und damit die Transistor-Effizienz – steigern kann.

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Dr. Vladimir Strocov an der Adress-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am Paul Scherrer Institut – dies ist die weltweit intensivste Quelle für weiche Röntgenstrahlung.
Dr. Vladimir Strocov an der Adress-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am Paul Scherrer Institut – dies ist die weltweit intensivste Quelle für weiche Röntgenstrahlung.
(Bild: Paul Scherrer Institut)

Villigen/Schweiz – 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 Gigahertz), höhere Datenraten (bis zu 20 Gigabit pro Sekunde), höhere Netzdichte und einen effizienteren Energieeinsatz bieten.

Allerdings sind die hierfür erforderlichen leistungsstärkeren Hochfrequenz-Transmitter nicht mit traditionellen Transistoren und konventioneller Halbleitertechnologie realisierbar. Forschende weltweit arbeiten daher an einer Alternative: auf Galliumnitrid basierende HEMT – kurz für High Electron Mobility Transistors, oder auf Deutsch: Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit.

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Optimal fließen – die Richtung ist wichtig

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 Paul Scherrer Institut 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.

Ein Sandwich aus reinen Zutaten

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.

Standard in jedem Smartphone

Die Idee mit dem Sandwich aus reinen Halbleitermaterialien, 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 6-fache 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 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.“

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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