På vej til nye højtydende transistorer

Elektronikindustrien forventer, at en ny højtydende transistor fremstillet af galliumnitrid vil tilbyde betydelige fordele i forhold til nutidens højfrekvente transistorer. Alligevel er mange grundlæggende egenskaber ved materialet ukendte. Nu, for første gang, forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har observeret elektroner, mens de flyder i denne lovende transistor. Til det brugte de verdens mest effektive kilde til bløde røntgenstråler på PSI's Swiss Light Source SLS. Dette unikke eksperiment blev udført af PSI -forskere sammen med kolleger fra Rusland og Rumænien. Deres fund:Når man går ind i højeffektregimet for galliumnitridtransistoren, i bestemte retninger bevæger elektronerne sig mere effektivt. Denne indsigt vil hjælpe med at udvikle hurtigere og mere kraftfulde transistorer - en forudsætning for at konvertere vores kommunikationsnetværk til den kommende 5G -standard. Forskerne har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

Til smartphones og mere bredt til den nærmeste fremtids mobilkommunikationsteknologi, en ny generation af halvlederkomponenter er påtrængende nødvendig:Dagens udbredte 3G/4G -standard for mobilkommunikation løber op mod dens ydelsesgrænser. Dens efterfølger, 5G, formodes at være kommercielt tilgængelig inden 2020. Denne standard vil tilbyde højere frekvenser (op til 100 gigahertz), højere datahastigheder (op til 20 Gb/s), højere netværkstætheder, og mere effektiv energiforbrug. Imidlertid, de mere kraftfulde højfrekvente sendere, der kræves til dette, kan ikke realiseres ved hjælp af traditionelle transistorer og konventionel halvlederteknologi.

Derfor, forskere rundt om i verden arbejder på et alternativ:HEMT-enheder-transistorer med høj elektronmobilitet-baseret på galliumnitrid. I en HEMT kan elektroner bevæge sig frit i et lag på en milliontedel af en millimeter tyk mellem to halvledere. I deres eksperiment, PSI -forsker Vladimir Strocov og hans kolleger undersøgte spørgsmålet om, hvordan man kunne, gennem smart konstruktion af en HEMT, bidrage til en optimal strøm af elektroner. Deres fund:Når man går ind i højeffektregimet for galliumnitridtransistoren, i bestemte retninger bevæger elektronerne sig mere effektivt.

Frihed for elektroner

Halvledere er de grundlæggende byggesten i alle miniaturiserede kredsløb og computerchips. De leder kun elektricitet, når de er dygtigt forberedt. I klassiske halvlederkomponenter såsom transistorer, der opnås ved selektiv inkorporering af atomer af et komplementært kemisk element. Problemet er, at disse fremmede atomer bremser elektronbevægelsen. I HEMT, dette problem løses på en elegant måde. Her, i noget som en sandwich, en passende kombination af rene halvledermaterialer bringes i kontakt, så, ved grænsen, dannes et ledende lag på en milliontedel af en millimeter tykt. Det gør det muligt at undvære de fremmede atomer. Denne idé, først foreslået i begyndelsen af ​​1980'erne af den japanske videnskabsmand Takashi Mimura, bruges allerede i dag i højfrekvente kredsløb på alle smartphones.

I praksis, imidlertid, det er også relevant, at atomerne i en halvleder altid er arrangeret i en bestemt periodisk krystalstruktur. For eksempel, den HEMT, som Strocov og hans team studerede, fremstillet af aluminiumnitrid og galliumnitrid, har en seksfoldig symmetri i dets grænsefladelag:Der er seks ækvivalente orienteringer langs atomkæderne. For at undersøge strømmen af ​​elektroner i grænsefladelaget, forskerne placerede deres HEMT under et helt specielt mikroskop - et, der ikke undersøger positionerne, men snarere elektronernes formeringshastigheder:ADRESS -strålelinjen i den schweiziske lyskilde SLS, verdens mest intense kilde til blød røntgenstråling.

Eksperimenter med en levende transistor

Det tekniske koncept for denne undersøgelsesmetode kaldes vinkelopløst fotoelektronspektroskopi, eller ARPES. Indtil nu er det blevet udført med lyskilder i det ultraviolette område. Nu har Strocov og hans team brugt SLS's højenergirøntgenlys til at gøre det. Med det, forskerne var i stand til at løfte elektroner ud fra dybt inde i det ledende lag af HEMT og derefter lede dem ind i et måleinstrument, der bestemte deres energi, hastighed, og retning:et eksperiment på en levende transistor, så at sige. "Det er første gang, det har været muligt at synliggøre elektronernes grundlæggende egenskaber i en halvleder heterostruktur, "siger Vladimir Strocov.

Ydelsesforøgelse til mobile kommunikationsnetværk

Den høje intensitet af røntgenstrålerne ved SLS-som langt overgår sammenlignelige faciliteter-var afgørende for dette, anerkender Leonid Lev og Ivan Maiboroda fra Kurchatov -instituttet i Rusland, hvor HEMT -enhederne blev fremstillet:Den unikke instrumentering af SLS gav os ekstremt vigtige videnskabelige resultater. Det viste os måder, hvorpå HEMT -strukturer med højere driftsfrekvenser og ydelse kunne udvikles. Det faktum, at elektronerne foretrækker en bestemt strømningsretning, kan udnyttes teknisk, Strocov forklarer:Hvis vi orienterer atomerne i galliumnitrid HEMT, så de matcher elektronernes strømningsretning, vi får en markant hurtigere og mere kraftfuld transistor.

Konsekvensen er et præstationsforøgelse for 5G -teknologi. Gallium-nitrid-HEMT'erne, forskerne nu har undersøgt, forventes allerede at have en stor fremtid i udviklingen af ​​nye sendere. Med den nuværende indsigt fra deres eksperiment, forskerne vurderer, radiosendernes ydelse kan endnu en gang øges med omkring 10 procent. For mobilkommunikationsnetværk, dette betyder, at færre senderstationer ville være påkrævet for at levere den samme netværksdækning og strøm - og dermed reduktioner til en værdi af millioner af vedligeholdelses- og energiomkostninger.