L'industrie électronique s'attend à ce qu'un nouveau transistor hautes performances en nitrure de gallium offre des avantages considérables par rapport aux transistors haute fréquence actuels. Pourtant, de nombreuses propriétés fondamentales du matériau restent inconnues. Maintenant, pour la première fois, des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont observé des électrons alors qu'ils circulaient dans ce transistor prometteur. Pour cela, ils ont utilisé la source de rayons X mous la plus performante au monde à la Swiss Light Source SLS du PSI. Cette expérience unique a été menée par des chercheurs du PSI avec des collègues de Russie et de Roumanie. Leur découverte :en entrant dans le régime de haute puissance du transistor au nitrure de gallium, dans des directions spécifiques, les électrons se déplacent plus efficacement. Cette idée aidera à développer des transistors plus rapides et plus puissants, une condition préalable à la conversion de notre réseau de communication à la prochaine norme 5G. Les chercheurs ont maintenant publié leurs résultats dans la revue Communication Nature .

Pour les smartphones et plus largement pour la technologie de communication mobile du futur proche, une nouvelle génération de composants semi-conducteurs est nécessaire de toute urgence :la norme 3G/4G actuelle pour la communication mobile se heurte à ses limites de performances. Son successeur, 5G, est censé être disponible dans le commerce d'ici 2020. Cette norme offrira des fréquences plus élevées (jusqu'à 100 gigahertz), des débits de données plus élevés (jusqu'à 20 Gb/s), des densités de réseau plus élevées, et une utilisation plus efficace de l'énergie. Cependant, les émetteurs haute fréquence plus puissants requis pour cela ne peuvent pas être réalisés en utilisant des transistors traditionnels et la technologie conventionnelle des semi-conducteurs.

Par conséquent, des chercheurs du monde entier travaillent sur une alternative :les dispositifs HEMT – transistors à haute mobilité électronique – à base de nitrure de gallium. Dans un HEMT, les électrons peuvent se déplacer librement dans une couche d'un millionième de millimètre d'épaisseur entre deux semi-conducteurs. Dans leur expérience, Le chercheur du PSI Vladimir Strocov et ses collègues se sont penchés sur la question de savoir comment on pourrait, grâce à la construction astucieuse d'un HEMT, contribuer à un flux optimal d'électrons. Leur découverte :en entrant dans le régime de haute puissance du transistor au nitrure de gallium, dans des directions spécifiques, les électrons se déplacent plus efficacement.

Liberté pour les électrons

Les semi-conducteurs sont les éléments de base de tous les circuits et puces informatiques miniaturisés. Ils ne conduisent l'électricité que lorsqu'ils sont habilement préparés. Dans les composants semi-conducteurs classiques tels que les transistors, qui est accompli par l'incorporation sélective d'atomes d'un élément chimique complémentaire. Le problème est que ces atomes étrangers ralentissent le mouvement des électrons. Dans l'HEMT, ce problème est résolu d'une manière élégante. Ici, dans quelque chose comme un sandwich, une combinaison appropriée de matériaux semi-conducteurs purs est mise en contact de sorte que, à la frontière, une couche conductrice d'un millionième de millimètre d'épaisseur est formée. Cela permet de se passer des atomes étrangers. Cette idée, proposé pour la première fois au début des années 1980 par le scientifique japonais Takashi Mimura, est déjà utilisé aujourd'hui dans les circuits haute fréquence de tous les smartphones.

En pratique, cependant, il est également important que les atomes d'un semi-conducteur soient toujours disposés dans une structure cristalline périodique spécifique. Par exemple, l'HEMT que Strocov et son équipe ont étudié, en nitrure d'aluminium et nitrure de gallium, a une symétrie d'ordre six dans sa couche d'interface :Il y a six orientations équivalentes le long des chaînes atomiques. Pour étudier le flux d'électrons dans la couche d'interface, les chercheurs ont placé leur HEMT sous un microscope très spécial - un qui n'examine pas les positions, mais plutôt les vitesses de propagation des électrons :la ligne ADRESS de la Swiss Light Source SLS, la source la plus intense au monde pour les rayons X mous.

Expérience sur un transistor vivant

Le concept technique de cette méthode d'examen est appelé spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire, ou ARPES. Jusqu'à présent, elle a été réalisée avec des sources lumineuses dans le domaine ultraviolet. Maintenant, Strocov et son équipe ont utilisé la lumière à rayons X à haute énergie de SLS pour le faire. Avec ça, les chercheurs ont pu extraire des électrons du plus profond de la couche conductrice du HEMT, puis les guider dans un instrument de mesure qui a déterminé leur énergie, la vitesse, et direction :une expérience sur un transistor vivant, pour ainsi dire. "C'est la première fois qu'il est possible de rendre visibles les propriétés fondamentales des électrons dans une hétérostructure semi-conductrice, ", dit Vladimir Strocov.

Amélioration des performances des réseaux de communication mobile

La haute intensité des rayons X à SLS - qui surpasse de loin des installations comparables - était d'une importance cruciale pour cela, saluer Leonid Lev et Ivan Maiboroda de l'Institut Kurchatov en Russie, où les appareils HEMT ont été fabriqués :L'instrumentation unique de SLS nous a fourni des résultats scientifiques extrêmement importants. Il nous a montré comment développer des structures HEMT avec des fréquences de fonctionnement et des performances plus élevées. Le fait que les électrons préfèrent une direction particulière de flux peut être exploité techniquement, Strocov explique :Si nous orientons les atomes dans le nitrure de gallium HEMT de sorte qu'ils correspondent à la direction du flux des électrons, nous obtenons un transistor nettement plus rapide et plus puissant.

La conséquence est une amélioration des performances de la technologie 5G. Les HEMT au nitrure de gallium que les scientifiques ont maintenant étudiés devraient déjà avoir un grand avenir dans le développement de nouveaux émetteurs. Avec les connaissances actuelles de leur expérience, les chercheurs estiment, les performances des émetteurs radio pourraient encore être augmentées d'environ 10 pour cent. Pour les réseaux de communication mobile, cela signifie que moins de stations émettrices seraient nécessaires pour fournir la même couverture de réseau et la même puissance - et avec cela, des réductions de plusieurs millions de coûts d'entretien et d'énergie.