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Fraunhofer IAF: Neue Transistor-Technologie erreicht Rekord-Grenzfrequenzen

Am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelte Metalloxidhalbleiter-High-Electron-Mobility-Transistoren (MOSHEMTs) haben eine Rekordfrequenz von 640 GHz erreicht. Damit können Bauteile weiter verkleinert und leistungsfähiger werden.

MOSHEMT Bildquelle: © Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Verstärkerschaltung mit MOSHEMT-Transistoren bei 243 GHz

Bei sehr kleinen Strukturen stoßen die HEMT, deren Gatelängen schon bis auf 20 nm herunterskaliert wurden, auf Probleme. Je dünner das Barrierenmaterial aus inAIAs (Indidium-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 (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) 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 und die Schottky-Barriere des HEMTs durch eine isolierende Oxidschicht ersetzt. Entstanden ist eine neue Art von Transistor: der Metalloxidhalbleiter-HEMT, kurz MOSHEMT. »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 Dr. Arnulf Leuther, Forscher im Bereich der Hochfrequenzelektronik am 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 (Al2O3) und Hafniumoxid (HfO2) ersetzt.