La industria electrónica espera que un nuevo transistor de alto rendimiento hecho de nitruro de galio ofrezca ventajas considerables sobre los transistores de alta frecuencia actuales. Sin embargo, se desconocen muchas propiedades fundamentales del material. Ahora, por primera vez, Los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han observado electrones mientras fluían en este prometedor transistor. Para eso, utilizaron la fuente de rayos X suaves de mayor rendimiento del mundo en Swiss Light Source SLS de PSI. Este experimento único fue realizado por investigadores de PSI junto con colegas de Rusia y Rumania. Su hallazgo:al entrar en el régimen de alta potencia del transistor de nitruro de galio, en direcciones específicas, los electrones se mueven de manera más eficiente. Esta información ayudará a desarrollar transistores más rápidos y potentes, un requisito previo para convertir nuestra red de comunicaciones al próximo estándar 5G. Los investigadores han publicado ahora sus resultados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

Para teléfonos inteligentes y, en general, para la tecnología de comunicaciones móviles del futuro cercano, Se necesita con urgencia una nueva generación de componentes semiconductores:el estándar 3G / 4G predominante en la actualidad para las comunicaciones móviles está superando sus límites de rendimiento. Su sucesor, 5G, se supone que estará disponible comercialmente en 2020. Este estándar ofrecerá frecuencias más altas (hasta 100 gigahercios), velocidades de datos más altas (hasta 20 Gb / s), densidades de red más altas, y uso más eficiente de la energía. Sin embargo, los transmisores de alta frecuencia más potentes necesarios para esto no se pueden realizar utilizando transistores tradicionales y tecnología de semiconductores convencional.

Por lo tanto, Investigadores de todo el mundo están trabajando en una alternativa:los dispositivos HEMT (transistores de alta movilidad de electrones) basados ​​en nitruro de galio. En un HEMT, los electrones pueden moverse libremente en una capa de una millonésima de milímetro de espesor entre dos semiconductores. En su experimento, El investigador de la ISP Vladimir Strocov y sus colegas analizaron la cuestión de cómo se podría, a través de la construcción inteligente de un HEMT, contribuir a un flujo óptimo de electrones. Su hallazgo:al entrar en el régimen de alta potencia del transistor de nitruro de galio, en direcciones específicas, los electrones se mueven de manera más eficiente.

Libertad para los electrones

Los semiconductores son los componentes básicos de todos los circuitos y chips de computadora miniaturizados. Conducen electricidad solo cuando están hábilmente preparados. En componentes semiconductores clásicos como transistores, eso se logra mediante la incorporación selectiva de átomos de un elemento químico complementario. El problema es que estos átomos extraños ralentizan el movimiento de los electrones. En el HEMT, este problema se resuelve de manera elegante. Aquí, en algo como un sándwich, se pone en contacto una combinación adecuada de materiales semiconductores puros para que, en el límite, Se forma una capa conductora de una millonésima de milímetro de espesor. Eso hace posible prescindir de los átomos extraños. Esta idea, propuesto por primera vez a principios de la década de 1980 por el científico japonés Takashi Mimura, ya se utiliza hoy en los circuitos de alta frecuencia de todos los teléfonos inteligentes.

En la práctica, sin embargo, También es importante que los átomos de un semiconductor estén siempre dispuestos en una estructura cristalina periódica específica. Por ejemplo, el HEMT que estudiaron Strocov y su equipo, hecho de nitruro de aluminio y nitruro de galio, tiene una simetría de seis veces en su capa de interfaz:Hay seis orientaciones equivalentes a lo largo de las cadenas atómicas. Para investigar el flujo de electrones dentro de la capa de interfaz, los investigadores colocaron su HEMT bajo un microscopio muy especial, uno que no examina las posiciones, sino más bien las velocidades de propagación de los electrones:la línea de luz ADRESS del Swiss Light Source SLS, la fuente más intensa del mundo para la radiación de rayos X suaves.

Experimente con un transistor vivo

El concepto técnico de este método de examen se denomina espectroscopia de fotoelectrones de resolución angular, o ARPES. Hasta ahora se ha realizado con fuentes de luz en el rango ultravioleta. Ahora Strocov y su equipo han utilizado la luz de rayos X de alta energía de SLS para hacerlo. Con eso, Los investigadores pudieron extraer electrones de las profundidades de la capa conductora del HEMT y luego guiarlos hacia un instrumento de medición que determinaba su energía. velocidad, y dirección:un experimento en un transistor vivo, por así decirlo. "Esa es la primera vez que ha sido posible hacer visibles las propiedades fundamentales de los electrones en una heteroestructura de semiconductores, "dice Vladimir Strocov.

Aumento del rendimiento de las redes de comunicaciones móviles

La alta intensidad de los rayos X en SLS, que supera con creces las instalaciones comparables, fue de crucial importancia para esto, reconocer a Leonid Lev e Ivan Maiboroda del Instituto Kurchatov en Rusia, donde se fabricaron los dispositivos HEMT:La instrumentación única de SLS nos proporcionó resultados científicos extremadamente importantes. Nos mostró formas en las que se podrían desarrollar estructuras HEMT con frecuencias de operación y rendimiento más altos. El hecho de que los electrones prefieran una dirección particular de flujo se puede explotar técnicamente, Strocov explica:Si orientamos los átomos en el HEMT de nitruro de galio para que coincidan con la dirección de flujo de los electrones, obtenemos un transistor significativamente más rápido y más potente.

La consecuencia es un aumento del rendimiento de la tecnología 5G. Se prevé que los HEMT de nitruro de galio que los científicos han investigado ahora tendrán un gran futuro en el desarrollo de nuevos transmisores. Con los conocimientos actuales de su experimento, estiman los investigadores, el rendimiento de los transmisores de radio podría incrementarse una vez más en alrededor de un 10 por ciento. Para redes de comunicaciones móviles, esto significa que se necesitarían menos estaciones transmisoras para proporcionar la misma cobertura y potencia de red, y con eso, reducciones por valor de millones en costos de mantenimiento y energía.