HEMT: Freiheit für Elektronen

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Zukünftige Mobilfunkinfrastrukturen brauchen neue Halbleiter. Hochgehandelte Kandidaten sind dabei auf Galliumnitrid basierende „Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit“.

Schon in zwei Jahren soll der neue Mobilfunkstandard 5G mit Frequenzen bis zu 100 Gigahertz und Datenraten bis zu 20 Gigabit/s verfügbar sein. Die hierfür nötigen Hochfrequenz-Transmitter sind jedoch nicht mit traditionellen Transistoren in konventioneller Halbleitertechnologie realisierbar. Deshalb entwickeln Forscher weltweit an einer Alternative: dem auf Galliumnitrid (GaN)-basierendem „HEMT“ (high electron mobility transistor)“. Er löst ein grundsätzliches Problem aktueller Halbleiter. Sie leiten Strom nur dann, wenn man sie „verunreinigt“. Klassisch geschieht das etwa durch den gezielten Einbau einzelner Atome eines ergänzenden chemischen Elements. Leider stören diese „Eindringlinge“ auch die Elektronenbewegung.

HEMTs verzichten auf die fremden Atome. Statt dessen werden geeignete Kombinationen von reinen Halbleitermaterialien in einer Art Sandwich so miteinander in Kontakt gebracht, dass sich an der Grenze eine Millionstel Millimeter dünne leitende Schicht bildet. Diese Idee des Japaners Takashi Mimura aus den frühen 1980er Jahren kommt bereits heute in den Hochfrequenzschaltkreisen aller Smartphones zum Einsatz.

Experiment am „lebenden“ Transistor

Um den Elektronenfluss innerhalb der Grenzschicht zu untersuchen, legten nun Forscher vom Paul Scherrer Institut (PSI) die Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit unter ein besonderes „Mikroskop“. Es untersucht nicht die Positionen, sondern die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Elektronen.

Die Methode „ARPES“ (angle-resolved photoelectron spectroscopy – winkelaufgelöste Photoelektronspektroskopie) bedient sich normalerweise Lichtquellen im Ultraviolettbereich. Die Forscher vom PSI nutzten im Gegensatz dazu energiereicheres weiches Röntgenlicht.

Damit konnten die Elektronen tief aus der leitenden Schicht des HEMT herausgehoben und in ein Messinstrument geleitet werden, das ihre Energie, Geschwindigkeit und Richtung bestimmte. Die fundamentalen Eigenschaften von Elektronen in einer Halbleiter-Heterostruktur wurden so erstmals direkt sichtbar.

Leistungsschub für Mobilfunknetze

Die Ergebnisse zeigen Wege auf, HEMT-Strukturen mit höherer Arbeitsfrequenz und Leistung zu entwickeln. Dass die Elektronen eine bestimmte Fliessrichtung bevorzugen, lässt sich nämlich technisch nutzen. Wenn man die Atome im Galliumnitrid-HEMT so ausrichtet, dass sie mit der Fliessrichtung der Elektronen übereinstimmen, erhält man einen wesentlich schnelleren und leistungsfähigeren Transistor.

Die Konsequenz ist ein Leistungsschub für die 5G-Technologie. Denn mit den Erkenntnissen aus dem Experiment könnte man die Leistung von Funktransmittern schätzungsweise nochmals um rund 10 Prozent erhöhen. Für Mobilfunknetzwerke bedeutet dies weniger Transmitterstationen bei gleicher Netzabdeckung und Leistung – und damit millionenschwere Einsparungen bei Wartungs- und Energiekosten.

 


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GaN (Bild: Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik).

Galliumnitrid-Transistoren (GaN) für künftige Mobilfunkanwendungen. (Bild: Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik).