Technologie

Oxid statt Schottky-Barriere

09.01.2020 - Neuartige Transistor-Technologie erreicht Rekordfrequenzen.

Forschern am Fraunhofer-Institut für angewandte Fest­körper­physik ist es gelungen, eine neue Art von Transis­toren mit extrem hohen Grenz­frequenzen zu entwickeln: Metall­oxid­halb­leiter-HEMTs, kurz MOSHEMTs. Dafür haben sie die Schottky-Barriere des klassischen HEMTs durch ein Oxid ersetzt. Entstanden ist ein Transistor, der noch kleinere und leistungs­fähigere Bauteile ermöglicht und bereits eine Rekord­frequenz von 640 GHz erreicht hat. Diese Technologie soll die Elektronik der nächsten Generation voran­bringen.

In den letzten Jahren wurden die Hoch­frequenz­eigen­schaften von HEMTs, also High-Electron-Mobility-Transis­toren, kontinu­ier­lich verbessert. Die Transis­toren wurden immer schneller, indem die Gate­länge auf bis zu zwanzig Nano­meter herunter­skaliert wurde. Aller­dings stößt der HEMT bei diesen kleinen Struktur­größen auf ein Problem: Je dünner das Barrieren­material aus Indium-Aluminium­arsenid wird, desto mehr Elektronen fließen vom ladungs­führenden Kanal durch das Gate ab. Diese uner­wünschten Gate-Leck­ströme wirken sich negativ auf die Leistungs­fähig­keit und die Lebens­dauer des Transistors aus – weitere Transistor­skalie­rungen werden dadurch unmöglich. Der klassische HEMT ist bei dieser Transistor­geometrie an seinem Skalierungs­limit angelangt. Auch Silizium-MOSFETs kennen dieses Problem. Aller­dings verfügen sie über eine Oxid­schicht, die die unge­wollten Leck­ströme länger unter­binden kann als dies beim HEMT der Fall ist.

Die Forscher am Fraunhofer-IAF haben die Vorteile von III/V-Halb­leitern und Si-MOSFETs kombiniert. „Wir haben ein neues Bauelement entwickelt, dass das Potenzial besitzt, weit über das hinaus zu gehen, was bisherige HEMTs leisten können. Der MOSHEMT ermöglicht es uns, ihn noch weiter zu skalieren und damit noch schneller und leistungs­fähiger zu machen“, erklärt Arnulf Leuther vom Fraun­hofer-IAF. Mit der neuen Transistor-Technologie ist es Leuther und seinem Team gelungen, einen Rekord in der maximalen Oszillationsfrequenz von 640 GHz zu erreichen. „Das über­trifft den welt­weiten Stand der Technik für jegliche MOSFET-Techno­logie, ein­schließ­lich Silizium-MOSFETs“, fügt er hinzu.

Um die zunehmenden Gate-Leck­ströme zu über­winden, mussten die Forscher ein Material mit deutlich höheren Barrieren als die klassische Schottky-Barriere einsetzen. So haben sie das Halb­leiter-Barrieren­material durch eine Kombi­nation isolie­render Schichten bestehend aus Aluminium­oxid und Hafnium­oxid ersetzt. „Dadurch konnten wir den Gate-Leck­strom um mehr als den Faktor 1000 reduzieren. Die ersten hergestellten MOSHEMTs demon­strieren ein sehr hohes Entwick­lungs­potential, während die bestehenden Feld­effekt­transistor-Techno­logien bereits ihr Limit erreicht haben“, berichtet Axel Tess­mann vom Fraun­hofer-IAF.

Der ultra-schnelle MOSHEMT ist für den Frequenz­bereich ober­halb von hundert Giga­hertz ausgelegt und damit für neu­artige Kommuni­ka­tions-, Radar- sowie Sensor­anwen­dungen von besonderem Interesse. Hoch­leistungs­fähige Bau­elemente sollen in Zukunft für eine schnellere Daten­über­tragung zwischen Funk­masten sorgen, abbildende Radar­systeme für das autonome Fahren sowie eine höhere Auflösung und Genauig­keit von Sensoren ermög­lichen. Doch bis der MOSHEMT den Weg in die Anwendung findet, wird es noch einige Jahre dauern. Die Forscher am Fraun­hofer-IAF sind jedoch bereits einen Schritt weiter: Es ist ihnen gelungen, den weltweit ersten Verstärker-MMIC auf Basis von InGaAs-MOSHEMTs für den Frequenz­bereich zwischen 200 und 300 GHz zu reali­sieren.

Fh.-IAF / RK

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