Mobile Elektronen

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.

Forscher arbeiten daher weltweit 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 Nano­meter 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.

Halbleiter leiten Strom nur dann, wenn man sie geschickt „präpariert". In klassischen Halbleiter­bauteilen, etwa in Transistoren, geschieht das durch Dotierung. 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 Nanometer 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 sechs­fache Symmetrie: Es gibt sechs gleich­wertige Richtungen entlang der Atom­ketten. Um den Elektronen­fluss innerhalb der Grenz­schicht zu untersuchen, legten die Forscher 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.

Der technische Begriff dieser Untersuchungs­methode ist „ARPES" („angle-resolved photo­electron spectroscopy" – winkel­aufgelöste Photo­elektronen­spektroskopie). Bisher wurde sie mit Licht­quellen im Ultraviolett­bereich durchgeführt. Strocov und sein Team nutzten nun das energie­reichere Röntgen­licht der SLS dafür. Damit konnten sie 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.

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 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.

PSI / DE