Paul Scherrer Institut PSI Mit Röntgenstrahlen GaN-HEMTs besser verstehen

Vladimir Strocov at the ADRESS-Beamline of the Swiss Light Source SLS, where the experiments took place. This ist the world's most intense source for soft X-ray radiation.
Vladimir Strokov an der ADRESS-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul Scherrer Institut, wo die Messungen durchgeführt wurden. Dies ist die weltweit intensivste Quelle für weiche Röntgenstrahlung.

GaN-HEMTs bieten erhebliche Vorteile gegenüber heutigen HF-Transistoren. Dennoch bleiben viele grundlegende Eigenschaften des Materials ungeklärt. Mithilfe von Röntgenstrahlen konnten Forscher am Paul Scherrer Institut beobachten, wie Elektronen durch einen solchen Transistor fließen.

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 GHz), höhere Datenraten (bis zu 20 Gb/s), höhere Netzdichte und einen effizienteren Energieeinsatz bieten.

Allerdings sind die hierfür erforderlichen leistungsstärkeren HF-Transmitter nicht mit traditionellen Transistoren und konventioneller Halbleitertechnologie realisierbar. Forschende weltweit arbeiten daher an einer Alternative: auf Galliumnitrid (GaN) basierende HEMT (High Electron Mobility Transistor). In einem solchen Transistor können sich Elektronen frei in einer millionstel Millimeter dünnen Schicht zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern bewegen, zweidimensionales Elektronengas (2DEG) genannt .

In ihrem Experiment gingen Vladimir Strokov vom Paul Scherrer Institut 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 GaN-Transistor im Hochspannungsbetrieb untersucht bewegen sich die Elektronen in bestimmte Richtungen effizienter.

Freiheit für die Elektronen

In klassische Transistoren werden dotiert, d.h. es werden gezielt einzelne Atome eines ergänzenden chemischen Elements eingebaut. Das Problem ist dann jedoch, dass die Fremdatome die Bewegung er Elektronen verlangsamen. HEMTs lösen dieses Problem durch das zweidimensionale Elektronengas elegant. Dadurch kann man auf die fremden Atome verzichten. Diese Idee, die zuerst in den frühen 1980er Jahren von Takashi Mimura vorgeschlagen wurde, kommt bereits heute in den HF-Schaltkreisen 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 Strokov 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 Forschenden 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). Bisher wurde sie mit Lichtquellen im UV-Bereich durchgeführt. Strokov und sein Team nutzten nun das energiereichere Röntgenlicht der SLS dafür. Damit konnten die Forschenden 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«, bemerkt Vladimir Strokov.

Leistungsschub für Mobilfunknetze

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 technisch nutzen, erklärt Strokov: »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 10 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.

Originalveröffentlichung

L. L. Lev, et al., k-space imaging of anisotropic 2D electron gas in GaN/GaAlN high-electron-mobility transistor heterostructures, Nature Communications, 11 July 2018 (online), DOI: 10.1038/s41467-018-04354-x