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MOSHEMT – neuartige Transistor-Technologie erreicht Rekordfrequenzen

08.01.2020

Forschern am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, eine neue Art von Transistoren mit extrem hohen Grenzfrequenzen zu entwickeln: Metalloxidhalbleiter-HEMTs, kurz MOSHEMTs. Dafür haben sie die Schottky-Barriere des klassischen HEMTs durch ein Oxid ersetzt. Entstanden ist ein Transistor, der noch kleinere und leistungsfähigere Bauteile ermöglicht und bereits eine Rekordfrequenz von 640 GHz erreicht hat. Diese Technologie soll die Elektronik der nächsten Generation voranbringen.

In den letzten Jahren wurden die Hochfrequenzeigenschaften von High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) kontinuierlich verbessert. Die Transistoren wurden immer schneller, indem die Gatelänge auf bis zu 20 nm herunterskaliert wurde.


94 GHz-Modul mit MOSHEMT-Transistoren für die E-Band-Satellitenkommunikation.

Fraunhofer IAF


Verstärkerschaltung mit MOSHEMT-Transistoren bei 243 GHz.

Fraunhofer IAF

Allerdings stößt der HEMT bei diesen kleinen Strukturgrößen auf ein Problem: Je dünner das Barrierenmaterial aus InAlAs (Indium-Aluminiumarsenid) wird, desto mehr Elektronen fließen vom ladungsführenden Kanal durch das Gate ab.

Diese unerwünschten Gate-Leckströme wirken sich negativ auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Transistors aus – weitere Transistorskalierungen werden dadurch unmöglich. Der klassische HEMT ist bei dieser Transistorgeometrie an seinem Skalierungslimit angelangt.

Auch Silizium-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) kennen dieses Problem. Allerdings verfügen sie über eine Oxidschicht, die die ungewollten Leckströme länger unterbinden kann als dies beim HEMT der Fall ist.

Vorteile beider Transistor-Technologien kombinieren

Die Forscher am Fraunhofer IAF haben die Vorteile von III/V-Halbleitern und Si-MOSFETs kombiniert und die Schottky-Barriere des HEMTs durch eine isolierende Oxidschicht ersetzt. Entstanden ist eine neue Art von Transistor: der Metalloxidhalbleiter-HEMT, kurz MOSHEMT.

»Wir haben ein neues Bauelement entwickelt, dass das Potenzial besitzt, weit über das hinaus zu gehen, was bisherige HEMTs leisten können. Der MOSHEMT ermöglicht es uns, ihn noch weiter zu skalieren und damit noch schneller und leistungsfähiger zu machen«, erklärt Dr. Arnulf Leuther, Forscher im Bereich der Hochfrequenzelektronik am Fraunhofer IAF.

Mit der neuen Transistor-Technologie ist es Leuther und seinem Team gelungen, einen Rekord in der maximalen Oszillationsfrequenz von 640 GHz zu erreichen. »Das übertrifft den weltweiten Stand der Technik für jegliche MOSFET-Technologie, einschließlich Silizium-MOSFETs«, fügt er hinzu.

Hohe Barriere gegen Leckströme

Um die zunehmenden Gate-Leckströme zu überwinden, mussten die Forscher ein Material mit deutlich höheren Barrieren als die klassische Schottky-Barriere einsetzen. So haben sie das Halbleiter-Barrierenmaterial durch eine Kombination isolierender Schichten bestehend aus Aluminiumoxid (Al2O3) und Hafniumoxid (HfO2) ersetzt.

»Dadurch konnten wir den Gate-Leckstrom um mehr als den Faktor 1000 reduzieren. Die ersten hergestellten MOSHEMTs demonstrieren ein sehr hohes Entwicklungspotential, während die bestehenden Feldeffekttransistor-Technologien bereits ihr Limit erreicht haben«, berichtet Dr. Axel Tessmann, ebenfalls Forscher am Fraunhofer IAF.

Weltweit erste integrierte Schaltung mit MOSHEMTs

Der ultra-schnelle MOSHEMT ist für den Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz ausgelegt und damit für neuartige Kommunikations-, Radar- sowie Sensoranwendungen von besonderem Interesse. Hochleistungsfähige Bauelemente sollen in Zukunft für eine schnellere Datenübertragung zwischen Funkmasten sorgen, abbildende Radarsysteme für das autonome Fahren sowie eine höhere Auflösung und Genauigkeit von Sensoren ermöglichen.

Doch bis der MOSHEMT den Weg in die Anwendung findet, wird es noch einige Jahre dauern. Die Forscher am Fraunhofer IAF sind jedoch bereits einen Schritt weiter: Es ist ihnen gelungen, den weltweit ersten Verstärker-MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) auf Basis von InGaAs-MOSHEMTs für den Frequenzbereich zwischen 200 und 300 GHz zu realisieren.

Dr. Anne-Julie Maurer | Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Weitere Informationen:
http://www.iaf.fraunhofer.de

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