Leistungsschub für 5G Schnellere GaN-HEMTs

Elektronen in GaN-HEMTs bevorzugen eine bestimmte Fließrichtung. Diese Erkenntnis von Forschern des Paul-Scherrer-Institus lässt sich technisch nutzen – zum Beispiel für 5G-Anwendungen.

Für die mobile Kommunikationstechnik der Zukunft ist eine neue Generation von Halbleiterbauelementen zwingend nötig: 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 dafür erforderlichen leistungsstärkeren Hochfrequenz-Transmitter nicht mit traditionellen Transistoren und konventioneller Halbleitertechnik realisierbar.

Leistungsfähige GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors) stellen eine Möglichkeit für Transistoren in 5G-Anwendungen dar. In einem HEMT können sich Elektronen frei in einer millionstel Millimeter dünnen Schicht zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern bewegen.

Am Paul-Scherrer-Institut (PSI) ging eine Forschergruppe um Vladimir Strocov der Frage nach, wie man durch geschickte Konstruktion eines HEMT dazu beitragen kann, dass die Elektronen optimal fließen können. Das Ergebnis: Bei der Untersuchung des Galliumnitrid-Transistors im Hochspannungsbetrieb bewegen sich die Elektronen in bestimmte Richtungen effizienter.

Freiheit für die Elektronen

Halbleiter leiten Strom nur dann, wenn man sie geschickt »präpariert«. In klassischen Halbleiterbauteilen, etwa in Transistoren, geschieht das durch den gezielten Einbau einzelner Atome eines ergänzenden chemischen Elements. Das Problem ist dann jedoch, dass die fremden Atome die Elektronenbewegung verlangsamen.

In HEMTs wird dieses Problem elegant gelöst. Hier werden geeignete Kombinationen reiner Halbleitermaterialien in einer Art Sandwich so miteinander in Kontakt gebracht, dass sich an der Grenze eine millionstel Millimeter dünne leitende Schicht bildet. So kann auf fremde 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 besitzt 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.

Experiment am »lebenden« Transistor

Die verwendete Untersuchungsmethode nennt sich ARPES (Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy, winkelaufgelöste Photoelektronspektroskopie). Bislang wurde diese Methode mit Lichtquellen im Ultraviolettbereich durchgeführt. Strocov und sein Team nutzten nun das energiereichere Röntgenlicht der SLS dafür.

Damit konnten die Forscher die Elektronen tief aus der leitenden Schicht des HEMT herausheben und sie dann in ein Messinstrument leiten, das ihre Energie, Geschwindigkeit und Richtung bestimmte: Es handelt sich sozusagen um ein Experiment am »lebenden« Transistor. Laut Strocov ist es damit zum ersten Mal gelungen, die fundamentalen Eigenschaften von Elektronen in einer Halbleiter-Heterostruktur direkt sichtbar zu machen.

Leistungsschub für Mobilfunknetze

Dass die Elektronen eine bestimmte Fliessrichtung bevorzugen, lässt sich technisch nutzen. Wenn die Atome im GaN-HEMT so ausgerichtet werden, dass sie mit der Fließrichtung der Elektronen übereinstimmen, wird der Transistor wesentlich schneller und leistungsfähiger.

Die Konsequenz ist ein Leistungsschub für 5G. Mit den jetzigen Erkenntnissen lässt sich die Leistung von Funktransmittern um rund 10 % erhöhen, schätzt die Forschergruppe. Für Mobilfunknetzwerke würde das weniger Transmitterstationen bei gleicher Netzabdeckung und Leistung bedeuten.