Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zu neuen Leistungstransistoren

11.07.2018

Von einem neuartigen Leistungstransistor aus Galliumnitrid verspricht sich die Elektronikindustrie erhebliche Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Hochfrequenztransistoren. Forschende am Paul Scherrer Institut haben nun erstmals an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI den Elektronen im angesagten Transistor beim Fliessen zugeschaut. Das Experiment führten die PSI-Forschenden zusammen mit Kollegen aus Russland und Rumänien durch. Ihr Ergebnis: Wenn man den Galliumnitrid-Transistor im Hochspannungsbetrieb untersucht bewegen sich die Elektronen in bestimmte Richtungen effizienter. Ihre 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 Gigahertz), höhere Datenraten (bis zu 20 Gigabit pro Sekunde), höhere Netzdichte und einen effizienteren Energieeinsatz bieten.


Vladimir Strocov an der ADRESS-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul Scherrer Institut, wo die Messungen durchgeführt wurden.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer


Vladimir Strocov vor den Ergebnissen seiner Messungen.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

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".

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 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 dieser 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 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. Den HEMT 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 10 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.

Text: Jan Hattenbach

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 390 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Vladimir Strocov
Forschungsgruppe Spektroskopie neuartiger Materialien
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 53 11
E-Mail: vladimir.strocov@psi.ch

Originalpublikation:

k-space imaging of anisotropic 2D electron gas in GaN/GaAlN high-electron-mobility transistor heterostructures
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
Nature Communications, 11 July 2018 (online)
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-04354-x

Weitere Informationen:

http://psi.ch/DieD – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI

Jan Hattenbach | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck
18.07.2018 | Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

nachricht Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie
17.07.2018 | Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics