Der MOSHEMT, der bei der Grenzfrequenz einen Rekordwert von 640 GHz erreicht, soll noch kleinere und leistungsfähigere Bauelemente ermöglichen. Beim MOSHEMT wird die Schottky-Barriere des klassischen HEMT (High Electron Mobility Transistor) durch ein Oxid ersetzt. Die Hochfrequenzeigenschaften von HEMTs wurden in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert: Die Bauelemente wurden immer schneller, indem die Gatelänge auf bis zu 20 nm herunterskaliert wurde.

Der MOSHEMT des Fraunhofer IAF erreicht eine Grenzfrequenz von 640 GHz

Der MOSHEMT, hier in einer Verstärkerschaltung, erreicht eine Grenzfrequenz von 640 GHz und hat noch Skalierungspotenzial. Fraunhofer IAF

Allerdings stößt der HEMT bei diesen kleinen Strukturgrößen auf ein Problem: Je dünner das Barrierematerial aus InAlAs (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 sind dadurch unmöglich. Der klassiche HEMT ist bei dieser Transistorgeometrie an seinem Skalierungslimit angelangt. Auch Silizium-MOSFETs kennen dieses Problem. Allerdings verfügen diese über eine Oxidschicht, die die ungewollten Leckströme länger unterbinden kann, als dies beim HEMT der Fall ist.

Vorteile beider Technologien vereinen

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 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. Dies übertreffe laut Leuther derzeit den weltweiten Stand der Technik für jegliche MOSFET-Technologie.

Hohe Barriere gegen Leckströme

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. „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 Dr. Axel Tessmann, ebenfalls Forscher am Fraunhofer IAF. Der MOSHEMT ist für den Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz ausgelegt und damit für neuartige Kommunikations-, Radar- sowie Sensoranwendungen von besonderem Interesse. Doch bis der MOSHEMT den Weg in die Anwendung findet, wird es noch einige Jahre dauern. Den Forschern am Fraunhofer IAF ist jedoch bereits gelungen, einen Verstärker-MMIC auf Basis des MOSHEMT für den Frequenzbereich zwischen 200 und 300 GHz zu realisieren.