A indústria eletrônica espera que um novo transistor de alto desempenho feito de nitreto de gálio ofereça vantagens consideráveis ​​sobre os atuais transistores de alta frequência. No entanto, muitas propriedades fundamentais do material permanecem desconhecidas. Agora, pela primeira vez, pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI observaram elétrons enquanto eles estavam fluindo neste transistor promissor. Para isso, eles usaram a fonte de raios X suaves de melhor desempenho do mundo na Swiss Light Source SLS da PSI. Este experimento único foi conduzido por pesquisadores do PSI junto com colegas da Rússia e da Romênia. Sua descoberta:ao entrar no regime de alta potência do transistor de nitreto de gálio, em direções específicas, os elétrons se movem com mais eficiência. Essa percepção ajudará a desenvolver transistores mais rápidos e poderosos - um pré-requisito para converter nossa rede de comunicação para o próximo padrão 5G. Os pesquisadores já publicaram seus resultados na revista Nature Communications .

Para smartphones e mais amplamente para a tecnologia de comunicação móvel do futuro próximo, uma nova geração de componentes semicondutores é necessária com urgência:o padrão 3G / 4G predominante de hoje para comunicação móvel está atingindo seus limites de desempenho. Seu sucessor, 5G, deve estar disponível comercialmente em 2020. Este padrão oferecerá frequências mais altas (até 100 gigahertz), taxas de dados mais altas (até 20 Gb / s), densidades de rede mais altas, e uso mais eficiente da energia. Contudo, os transmissores de alta frequência mais potentes necessários para isso não podem ser realizados usando transistores tradicionais e tecnologia de semicondutor convencional.

Portanto, pesquisadores em todo o mundo estão trabalhando em uma alternativa:dispositivos HEMT - transistores de alta mobilidade de elétrons - baseados em nitreto de gálio. Em um HEMT, os elétrons podem se mover livremente em uma camada de um milionésimo de milímetro de espessura entre dois semicondutores. Em seu experimento, O pesquisador de PSI Vladimir Strocov e seus colegas investigaram a questão de como alguém poderia, através da construção inteligente de um HEMT, contribuir para um fluxo ideal de elétrons. Sua descoberta:ao entrar no regime de alta potência do transistor de nitreto de gálio, em direções específicas, os elétrons se movem com mais eficiência.

Liberdade para elétrons

Semicondutores são os blocos básicos de construção de todos os circuitos miniaturizados e chips de computador. Eles conduzem eletricidade apenas quando são habilmente preparados. Em componentes semicondutores clássicos, como transistores, isso é realizado por meio da incorporação seletiva de átomos de um elemento químico complementar. O problema é que esses átomos estranhos diminuem o movimento do elétron. No HEMT, este problema é resolvido de forma elegante. Aqui, em algo como um sanduíche, uma combinação adequada de materiais semicondutores puros é colocada em contato para que, na fronteira, forma-se uma camada condutora com um milionésimo de milímetro de espessura. Isso torna possível prescindir dos átomos estranhos. Esta ideia, proposto pela primeira vez no início dos anos 1980 pelo cientista japonês Takashi Mimura, já é usado hoje nos circuitos de alta frequência de todos os smartphones.

Na prática, Contudo, também é relevante que os átomos em um semicondutor estejam sempre dispostos em uma estrutura de cristal periódica específica. Por exemplo, o HEMT que Strocov e sua equipe estudaram, feito de nitreto de alumínio e nitreto de gálio, tem uma simetria seis vezes em sua camada de interface:Existem seis orientações equivalentes ao longo das cadeias atômicas. Para investigar o fluxo de elétrons dentro da camada de interface, os pesquisadores colocaram seu HEMT sob um microscópio muito especial - um que não examina as posições, mas sim as velocidades de propagação dos elétrons:a linha de luz ADRESS da Swiss Light Source SLS, a fonte mais intensa do mundo para radiação de raios-X suave.

Experiência em um transistor vivo

O conceito técnico deste método de exame é chamado de espectroscopia de fotoelétrons de ângulo resolvido, ou ARPES. Até agora tem sido realizado com fontes de luz na faixa ultravioleta. Agora Strocov e sua equipe usaram a luz de raios-X de alta energia do SLS para fazer isso. Com isso, os pesquisadores foram capazes de retirar elétrons de dentro da camada condutora do HEMT e, em seguida, guiá-los para um instrumento de medição que determinou sua energia, Rapidez, e direção:um experimento em um transistor vivo, por assim dizer. "Essa é a primeira vez que foi possível tornar visíveis as propriedades fundamentais dos elétrons em uma heteroestrutura semicondutora, "diz Vladimir Strocov.

Aumento de desempenho para redes de comunicação móvel

A alta intensidade dos raios-X no SLS - que supera em muito as instalações comparáveis ​​- foi crucialmente importante para isso, reconhecem Leonid Lev e Ivan Maiboroda do Instituto Kurchatov na Rússia, onde os dispositivos HEMT foram fabricados:A instrumentação exclusiva do SLS nos forneceu resultados científicos extremamente importantes. Ele nos mostrou maneiras em que estruturas HEMT com maior frequência de operação e desempenho poderiam ser desenvolvidas. O fato de que os elétrons preferem uma determinada direção de fluxo pode ser explorado tecnicamente, Strocov explica:Se orientarmos os átomos no nitreto de gálio HEMT de modo que eles correspondam à direção de fluxo dos elétrons, obtemos um transistor significativamente mais rápido e poderoso.

A consequência é um aumento de desempenho para a tecnologia 5G. Os HEMTs de nitreto de gálio que os cientistas agora investigaram já estão previstos para ter um grande futuro no desenvolvimento de novos transmissores. Com os insights atuais de seu experimento, a estimativa dos pesquisadores, o desempenho dos transmissores de rádio poderia ser aumentado novamente em cerca de 10 por cento. Para redes de comunicação móvel, isso significa que menos estações transmissoras seriam necessárias para fornecer a mesma cobertura de rede e energia - e com isso, reduções no valor de milhões em custos de manutenção e energia.