Elektronikindustrin förväntar sig att en ny högpresterande transistor gjord av galliumnitrid kommer att erbjuda avsevärda fördelar jämfört med dagens högfrekventa transistorer. Ändå förblir många grundläggande egenskaper hos materialet okända. Nu, för första gången, forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har observerat elektroner medan de flödade i denna lovande transistor. För det använde de världens bästa källa för mjuk röntgenstrålning vid PSI:s schweiziska ljuskälla SLS. Detta unika experiment utfördes av PSI-forskare tillsammans med kollegor från Ryssland och Rumänien. Deras upptäckt:När man går in i högeffektsregimen för galliumnitridtransistorn, i specifika riktningar rör sig elektronerna mer effektivt. Denna insikt kommer att bidra till att utveckla snabbare och kraftfullare transistorer – en förutsättning för att konvertera vårt kommunikationsnät till den kommande 5G-standarden. Forskarna har nu publicerat sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

För smartphones och mer allmänt för den närmaste framtidens mobilkommunikationsteknik, en ny generation av halvledarkomponenter behövs omgående:Dagens förhärskande 3G/4G-standard för mobil kommunikation håller på att nå sina prestandagränser. Dess efterträdare, 5G, är tänkt att vara kommersiellt tillgänglig 2020. Denna standard kommer att erbjuda högre frekvenser (upp till 100 gigahertz), högre datahastigheter (upp till 20 Gb/s), högre nätverkstätheter, och effektivare energianvändning. Dock, de mer kraftfulla högfrekventa sändarna som krävs för detta kan inte realiseras med traditionella transistorer och konventionell halvledarteknik.

Därför, forskare runt om i världen arbetar på ett alternativ:HEMT-enheter – transistorer med hög elektronrörlighet – baserade på galliumnitrid. I en HEMT kan elektroner röra sig fritt i ett lager en miljondels millimeter tjockt mellan två halvledare. I deras experiment, PSI-forskaren Vladimir Strocov och hans kollegor undersökte frågan om hur man kan, genom smart konstruktion av en HEMT, bidra till ett optimalt flöde av elektroner. Deras upptäckt:När man går in i högeffektsregimen för galliumnitridtransistorn, i specifika riktningar rör sig elektronerna mer effektivt.

Frihet för elektroner

Halvledare är de grundläggande byggstenarna i alla miniatyriserade kretsar och datorchips. De leder elektricitet endast när de är skickligt förberedda. I klassiska halvledarkomponenter som transistorer, som uppnås genom selektiv inkorporering av atomer av ett komplementärt kemiskt element. Problemet är att dessa främmande atomer saktar ner elektronernas rörelse. I HEMT, detta problem löses på ett elegant sätt. Här, i något som en smörgås, en lämplig kombination av rena halvledarmaterial bringas i kontakt så att, vid gränsen, ett ledande skikt en miljondels millimeter tjockt bildas. Det gör det möjligt att klara sig utan de främmande atomerna. Denna idé, först föreslogs i början av 1980-talet av den japanska vetenskapsmannen Takashi Mimura, används redan idag i högfrekvenskretsarna i alla smartphones.

I praktiken, dock, det är också relevant att atomerna i en halvledare alltid är ordnade i en specifik periodisk kristallstruktur. Till exempel, HEMT som Strocov och hans team studerade, tillverkad av aluminiumnitrid och galliumnitrid, har en sexfaldig symmetri i sitt gränsskikt:Det finns sex ekvivalenta orienteringar längs atomkedjorna. För att undersöka flödet av elektroner inom gränsskiktet, forskarna placerade sin HEMT under ett mycket speciellt mikroskop – ett som inte undersöker positionerna, utan snarare elektronernas utbredningshastigheter:ADRESS-strållinjen för den schweiziska ljuskällan SLS, världens mest intensiva källa för mjuk röntgenstrålning.

Experimentera med en levande transistor

Det tekniska konceptet för denna undersökningsmetod kallas vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi, eller ARPES. Hittills har det utförts med ljuskällor i det ultravioletta området. Nu har Strocov och hans team använt SLS högenergiröntgenljus för att göra det. Med det, forskarna kunde lyfta ut elektroner från djupt inuti det ledande lagret av HEMT och sedan leda dem in i ett mätinstrument som bestämde deras energi, fart, och riktning:ett experiment på en levande transistor, så att säga. "Det är första gången det har varit möjligt att synliggöra de grundläggande egenskaperna hos elektroner i en halvledarheterostruktur, säger Vladimir Strocov.

Prestandahöjning för mobila kommunikationsnätverk

Röntgenstrålningens höga intensitet vid SLS – som vida överträffar jämförbara anläggningar – var avgörande för detta, erkänner Leonid Lev och Ivan Maiboroda från Kurchatov-institutet i Ryssland, där HEMT-enheterna tillverkades:Den unika instrumenteringen av SLS gav oss extremt viktiga vetenskapliga resultat. Den visade oss hur HEMT-strukturer med högre driftfrekvenser och prestanda kunde utvecklas. Det faktum att elektronerna föredrar en viss flödesriktning kan utnyttjas tekniskt, Strocov förklarar:Om vi ​​orienterar atomerna i galliumnitriden HEMT så att de matchar elektronernas flödesriktning, vi får en betydligt snabbare och kraftfullare transistor.

Konsekvensen är en prestandahöjning för 5G-tekniken. De galliumnitrid-HEMTs som forskarna nu har undersökt förutspås redan ha en stor framtid i utvecklingen av nya sändare. Med nuvarande insikter från deras experiment, forskarna uppskattar, radiosändarnas prestanda kan återigen ökas med cirka 10 procent. För mobila kommunikationsnät, detta innebär att färre sändarstationer skulle behövas för att tillhandahålla samma nätverkstäckning och effekt – och med det, minskningar värda miljoner i underhålls- och energikostnader.