De elektronica-industrie verwacht dat een nieuwe high-performance transistor gemaakt van galliumnitride aanzienlijke voordelen zal bieden ten opzichte van de huidige hoogfrequente transistors. Toch blijven veel fundamentele eigenschappen van het materiaal onbekend. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben elektronen waargenomen terwijl ze in deze veelbelovende transistor stroomden. Daarvoor gebruikten ze 's werelds best presterende bron van zachte röntgenstralen bij PSI's Swiss Light Source SLS. Dit unieke experiment is uitgevoerd door PSI-onderzoekers samen met collega's uit Rusland en Roemenië. Hun bevinding:wanneer we ingaan op het hoge vermogensregime van de galliumnitride-transistor, in specifieke richtingen bewegen de elektronen efficiënter. Dit inzicht zal helpen om snellere en krachtigere transistors te ontwikkelen – een voorwaarde om ons communicatienetwerk om te zetten naar de komende 5G-standaard. De onderzoekers hebben hun resultaten nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Voor smartphones en meer in het algemeen voor de mobiele communicatietechnologie van de nabije toekomst, een nieuwe generatie halfgeleidercomponenten is dringend nodig:de huidige 3G/4G-standaard voor mobiele communicatie loopt tegen zijn prestatielimieten aan. Zijn opvolger, 5G, zou in 2020 commercieel beschikbaar moeten zijn. Deze standaard zal hogere frequenties bieden (tot 100 gigahertz), hogere datasnelheden (tot 20 Gb/s), hogere netwerkdichtheden, en efficiënter gebruik van energie. Echter, de hiervoor benodigde krachtigere hoogfrequente zenders zijn met traditionele transistors en conventionele halfgeleidertechnologie niet te realiseren.

Daarom, onderzoekers over de hele wereld werken aan een alternatief:HEMT-apparaten - transistors met hoge elektronenmobiliteit - op basis van galliumnitride. In een HEMT kunnen elektronen vrij bewegen in een laag van een miljoenste millimeter dik tussen twee halfgeleiders. In hun experiment hebben PSI-onderzoeker Vladimir Strocov en zijn collega's onderzochten de vraag hoe men, door slimme constructie van een HEMT, bijdragen aan een optimale doorstroming van elektronen. Hun bevinding:wanneer we ingaan op het hoge vermogensregime van de galliumnitride-transistor, in specifieke richtingen bewegen de elektronen efficiënter.

Vrijheid voor elektronen

Halfgeleiders zijn de basisbouwstenen van alle geminiaturiseerde circuits en computerchips. Ze geleiden alleen elektriciteit als ze vakkundig zijn voorbereid. In klassieke halfgeleidercomponenten zoals transistors, dat wordt bereikt door selectieve opname van atomen van een complementair chemisch element. Het probleem is dat deze vreemde atomen de elektronenbeweging vertragen. In de HEMT, dit probleem wordt op een elegante manier opgelost. Hier, in zoiets als een boterham, een geschikte combinatie van zuivere halfgeleidermaterialen in contact wordt gebracht zodat, bij de grens, er ontstaat een geleidende laag van een miljoenste millimeter dik. Dat maakt het mogelijk om zonder de vreemde atomen te doen. Dit idee, voor het eerst voorgesteld in de vroege jaren tachtig door de Japanse wetenschapper Takashi Mimura, wordt tegenwoordig al gebruikt in de hoogfrequente circuits van alle smartphones.

In praktijk, echter, relevant is ook dat de atomen in een halfgeleider altijd in een bepaalde periodieke kristalstructuur zijn gerangschikt. Bijvoorbeeld, de HEMT die Strocov en zijn team hebben bestudeerd, gemaakt van aluminiumnitride en galliumnitride, heeft een zesvoudige symmetrie in zijn interfacelaag:er zijn zes equivalente oriëntaties langs de atoomketens. Om de stroom van elektronen binnen de grenslaag te onderzoeken, de onderzoekers plaatsten hun HEMT onder een heel speciale microscoop - een die de posities niet onderzoekt, maar eerder de voortplantingssnelheden van de elektronen:de ADRESS-bundellijn van de Zwitserse lichtbron SLS, 's werelds meest intense bron voor zachte röntgenstraling.

Experimenteer op een levende transistor

Het technische concept van deze onderzoeksmethode heet hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie, of ARPES. Tot nu toe is dit uitgevoerd met lichtbronnen in het ultraviolette bereik. Nu hebben Strocov en zijn team het hoogenergetische röntgenlicht van SLS gebruikt om dit te doen. ermee, de onderzoekers waren in staat om elektronen uit de diep in de geleidende laag van de HEMT te tillen en ze vervolgens naar een meetinstrument te leiden dat hun energie bepaalde, snelheid, en richting:een experiment op een levende transistor, bij wijze van spreken. "Dat is de eerste keer dat het mogelijk is geweest om de fundamentele eigenschappen van elektronen in een halfgeleider heterostructuur zichtbaar te maken, ", zegt Vladimir Strocov.

Prestatieverbetering voor mobiele communicatienetwerken

De hoge intensiteit van de röntgenstraling bij SLS – die veel beter presteert dan vergelijkbare faciliteiten – was hiervoor van cruciaal belang, erkennen Leonid Lev en Ivan Maiboroda van het Kurchatov Instituut in Rusland, waar de HEMT-apparaten werden vervaardigd:de unieke instrumentatie van SLS leverde ons uiterst belangrijke wetenschappelijke resultaten op. Het toonde ons manieren waarop HEMT-structuren met hogere werkfrequenties en prestaties kunnen worden ontwikkeld. Het feit dat de elektronen de voorkeur geven aan een bepaalde stroomrichting kan technisch worden benut, Strocov legt uit:Als we de atomen in de galliumnitride HEMT oriënteren zodat ze overeenkomen met de stroomrichting van de elektronen, we krijgen een aanzienlijk snellere en krachtigere transistor.

Het gevolg is een prestatieverbetering voor 5G-technologie. Voor de galliumnitride HEMT's die de wetenschappers nu hebben onderzocht, wordt al voorspeld dat ze een grote toekomst zullen hebben in de ontwikkeling van nieuwe zenders. Met de huidige inzichten uit hun experiment, de onderzoekers schatten, de prestatie van radiozenders zou nog eens met ongeveer 10 procent kunnen worden verhoogd. Voor mobiele communicatienetwerken, dit betekent dat er minder zenderstations nodig zijn om dezelfde netwerkdekking en hetzelfde vermogen te leveren - en daarmee besparingen ter waarde van miljoenen aan onderhouds- en energiekosten.