L'industria elettronica si aspetta che un nuovo transistor ad alte prestazioni in nitruro di gallio offra notevoli vantaggi rispetto ai transistor ad alta frequenza attuali. Eppure molte proprietà fondamentali del materiale rimangono sconosciute. Ora, per la prima volta, i ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno osservato gli elettroni mentre scorrevano in questo promettente transistor. Per questo hanno utilizzato la sorgente di raggi X molli più performante al mondo presso la Swiss Light Source SLS di PSI. Questo esperimento unico è stato condotto dai ricercatori del PSI insieme a colleghi russi e rumeni. La loro scoperta:quando si entra nel regime di alta potenza del transistor al nitruro di gallio, in direzioni specifiche gli elettroni si muovono in modo più efficiente. Questa intuizione aiuterà a sviluppare transistor più veloci e potenti, un prerequisito per convertire la nostra rete di comunicazione al prossimo standard 5G. I ricercatori hanno ora pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Per gli smartphone e più in generale per la tecnologia di comunicazione mobile del prossimo futuro, è urgentemente necessaria una nuova generazione di componenti a semiconduttore:lo standard 3G/4G prevalente di oggi per la comunicazione mobile sta correndo contro i suoi limiti di prestazioni. Il suo successore, 5G, dovrebbe essere disponibile in commercio entro il 2020. Questo standard offrirà frequenze più elevate (fino a 100 gigahertz), velocità di trasmissione dati più elevate (fino a 20 Gb/s), densità di rete più elevate, e un uso più efficiente dell'energia. Però, i trasmettitori ad alta frequenza più potenti richiesti per questo non possono essere realizzati utilizzando i transistor tradizionali e la tecnologia dei semiconduttori convenzionale.

Perciò, ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando a un'alternativa:dispositivi HEMT – transistor ad alta mobilità elettronica – basati sul nitruro di gallio. In un HEMT gli elettroni possono muoversi liberamente in uno strato spesso un milionesimo di millimetro tra due semiconduttori. Nel loro esperimento, Il ricercatore del PSI Vladimir Strocov e i suoi colleghi hanno esaminato la questione di come si potrebbe, attraverso la costruzione intelligente di un HEMT, contribuiscono a un flusso ottimale di elettroni. La loro scoperta:quando si entra nel regime di alta potenza del transistor al nitruro di gallio, in direzioni specifiche gli elettroni si muovono in modo più efficiente.

Libertà per gli elettroni

I semiconduttori sono gli elementi costitutivi di base di tutti i circuiti miniaturizzati e dei chip per computer. Conducono l'elettricità solo quando sono abilmente preparati. Nei classici componenti a semiconduttore come i transistor, che si realizza attraverso l'incorporazione selettiva di atomi di un elemento chimico complementare. Il problema è che questi atomi estranei rallentano il movimento degli elettroni. Nell'HEMT, questo problema è risolto in modo elegante. Qui, in qualcosa come un panino, un'opportuna combinazione di materiali semiconduttori puri viene messa in contatto in modo che, al confine, si forma uno strato conduttore spesso un milionesimo di millimetro. Ciò rende possibile fare a meno degli atomi estranei. Questa idea, proposto per la prima volta nei primi anni '80 dallo scienziato giapponese Takashi Mimura, è già utilizzato oggi nei circuiti ad alta frequenza di tutti gli smartphone.

In pratica, però, è anche rilevante che gli atomi in un semiconduttore siano sempre disposti in una specifica struttura cristallina periodica. Per esempio, l'HEMT che Strocov e il suo team hanno studiato, in nitruro di alluminio e nitruro di gallio, ha una simmetria di sei volte nel suo strato di interfaccia:ci sono sei orientamenti equivalenti lungo le catene atomiche. Per studiare il flusso di elettroni all'interno dello strato di interfaccia, i ricercatori hanno posto il loro HEMT sotto un microscopio molto speciale, uno che non esamina le posizioni, ma piuttosto le velocità di propagazione degli elettroni:la linea di luce ADRESS della Swiss Light Source SLS, la sorgente più intensa al mondo di radiazioni a raggi X molli.

Esperimento su un transistor vivente

Il concetto tecnico di questo metodo di esame è chiamato spettroscopia fotoelettronica ad angolo risolta, o ARPE. Finora è stato effettuato con sorgenti luminose nel campo dell'ultravioletto. Ora Strocov e il suo team hanno usato la luce a raggi X ad alta energia di SLS per farlo. Con esso, i ricercatori sono stati in grado di estrarre elettroni dal profondo dello strato conduttore dell'HEMT e quindi guidarli in uno strumento di misurazione che ne determinava l'energia, velocità, e direzione:un esperimento su un transistor vivente, per così dire. "Questa è la prima volta che è stato possibile rendere visibili le proprietà fondamentali degli elettroni in un'eterostruttura di semiconduttori, "dice Vladimir Strocov.

Aumento delle prestazioni per le reti di comunicazione mobile

L'elevata intensità dei raggi X a SLS, che supera di gran lunga le prestazioni di strutture comparabili, è stata di fondamentale importanza per questo, riconoscere Leonid Lev e Ivan Maiboroda dell'Istituto Kurchatov in Russia, dove sono stati fabbricati i dispositivi HEMT:la strumentazione unica di SLS ci ha fornito risultati scientifici estremamente importanti. Ci ha mostrato i modi in cui è possibile sviluppare strutture HEMT con frequenze operative e prestazioni più elevate. Il fatto che gli elettroni preferiscano una particolare direzione di flusso può essere sfruttato tecnicamente, Strocov spiega:Se orientiamo gli atomi nel nitruro di gallio HEMT in modo che corrispondano alla direzione di flusso degli elettroni, otteniamo un transistor significativamente più veloce e più potente.

La conseguenza è un aumento delle prestazioni per la tecnologia 5G. Si prevede che gli HEMT al nitruro di gallio che gli scienziati hanno ora studiato avranno già un grande futuro nello sviluppo di nuovi trasmettitori. Con le presenti intuizioni dal loro esperimento, stimano i ricercatori, le prestazioni dei trasmettitori radio potrebbero essere ulteriormente aumentate di circa il 10 percento. Per le reti di comunicazione mobile, ciò significa che sarebbero necessarie meno stazioni trasmittenti per fornire la stessa copertura di rete e potenza - e con ciò, riduzioni milionarie nei costi di manutenzione ed energia.