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瑞士研究所首次利用X射线观察到氮化镓晶体管中电子基本特性,助力研发更高性能新型晶体管

电子工业界期望一种由氮化镓制成的新型高性能晶体管,与现今的高频晶体管相比具有相当大的优势。然而,这种材料的许多基本特性仍然是未知的。现在,瑞士最大的国家研究所——保罗谢尔研究所(PSI)的研究人员首次在这个有前景的晶体管中观察到电子的流动。


重大发现

这项独特的试验由PSI的研究人员与俄罗斯和罗马尼亚的同行们一起进行的。他们在PSI研究所的瑞士光源(SLS)设施上使用了世界一流的软X射线源。他们发现:当氮化镓晶体管进入高功率状态时,在特定方向上电子移动得更有效。这一重大发现将有助于开发更快、更强大的晶体管——是将通信网络转换为即将到来的5G标准的先决条件。研究人员已将这这一成果发表在《自然通信》期刊上。


研究背景

随着智能手机以及移动通信技术的广泛应用,不久的将来,迫切需要新一代半导体器件:当今流行的3G/4G移动通信标准正超出其性能极限。3G/4G的继任者5G应该在2020年投入商用,该标准将提供更高的频率(高达100千兆赫)、更高的数据速率(高达20Gb/s)、更高的网络密度和更高效的能源利用率。然而,使用传统晶体管和传统半导体技术无法实现为此所需的更强大的高频发射器。因此,世界各地的研究人员正在开发一种替代方案:基于氮化镓的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件,但该器件的许多基本特性仍然未知。


研究原理和试验过程

半导体是所有小型化电路和计算机芯片的基本构建模块,它们只有在准备充分时才会导电。在诸如晶体管的传统半导体器件中,通过选择性地掺入互补化学元素的原子来实现的。问题是这些外来原子减缓了电子运动。在HEMT中,这个问题以一种巧妙的方式得以解决。在某种类似三明治的东西中,纯半导体材料以一种合适的方式组合在一起,从而在边界处形成了百万分之一毫米厚的导电层。这使得没有外来原子成为可能。这个想法最初是由日本科学家Takashi Mimura在20世纪80年代初提出的,目前已经在所有智能手机的高频电路中使用。然而,实际上,半导体中的原子总是以特定的周期性晶体结构排列。例如,Strocov及其团队研究的HEMT,由氮化铝和氮化镓制成,在其界面层中具有六重对称性:沿原子链有六个等效取向。为了研究界面层内的电子流动,研究人员将HEMT置于一个非常特殊的显微镜下——不检查位置,而是观察电子速度的显微镜:SLS的ADRESS光束线,这是世界上最强烈的软X射线辐照源。


在HEMT中,电子可以在两个半导体之间的百万分之一毫米厚的层中自由移动。在他们的试验中,PSI的Vladimir Strocov博士和他的同事研究了如何通过巧妙地构建HEMT来促进最佳电子流动的问题。他们发现:当进入氮化镓晶体管的高功率状态时,在特定方向上电子移动得更有效。


该检测方法的技术概念称为角分辨光电子能谱(ARPES)。到目前为止,已经在紫外线范围内的光源进行了试验。现在Strocov和他的团队已经使用SLS的高能X射线来完成这项工作。通过该高能X射线,研究人员能够从HEMT导电层内部深处提取电子,然后引导它们进入测量仪器,确定它们的能量、速度和方向。Strocov表示:“这是第一次有可能使半导体异质结构中的电子基本特性可见。”

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图为PSI的Vladimir Strocov博士在瑞士光源(SLS)上进行试验,这是世界上最强烈的软X射线辐照源


研究意义

SLS的X射线强度远高于类似设施,这一点至关重要。俄罗斯Kurchatov研究所的Leonid Lev和Ivan Maiboroda感谢到:“SLS独特的仪器为我们提供了极其重要的科学成果,它向我们展示了可以开发出更高的工作频率和性能的HEMT结构的方法。”电子偏向特定流动方向的事实可以在技术上得到利用,Strocov解释说:“如果我们将氮化镓HEMT中的原子定向,使它们与电子的流动方向相匹配,我们就会得到一个明显更快、更强大的晶体管。”


这项研究成果会带来5G技术的性能提升。科学家们现在研究的氮化镓HEMT已经预测在新型发射器的开发方面有着广阔的前景。研究人员表示,根据他们的试验估计,无线电发射机的性能还可再提高约10%。对于移动通信网络而言,这意味着需要更少的发射站就能提供相同的网络覆盖和功率,并会由此减少数百万的维护和能源成本。


成果发表

k-space imaging of anisotropic 2D electron gas in GaN/GaAlN high-electron-mobility transistor heterostructures. Nature Communications, 11 July 2018 (online). DOI: 10.1038/s41467-018-04354-x


关于PSI

PSI研究所开发、建造和运营大型、复杂的研究设施,为国家和国际研究界提供服务。该研究所自身主要研究重点是物质和材料、能源和环境以及人类健康领域。PSI共有2100名员工,是瑞士最大的研究机构,年度预算约为3.9亿瑞士法郎。

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