Obwohl erst 2005 gegründet, werden heute bereits 100 Millionen Videos pro Tag auf Youtube angeschaut und die Menge an digitaler Information in unserer Gesellschaft steigt stetig. Im Jahr 2006 wurden 161 Milliarden GigaByte an digitaler Information produziert. Das ist dreimillionen Mal so viel Information, wie jemals in Büchern gespeichert wurde. 2010 werden es schon knapp 1000 Milliarden GigaByte pro Jahr sein.

Den wenigsten ist bewusst, dass man nicht nur immer bessere Software braucht, um solche riesigen Datenmengen zu verarbeiten, sondern dass auch die Anforderungen an die Hardware wachsen. Ein zentrales Element sind dabei Transistoren: Kleine Halbleiterbauteile, die über den Fluss von Elektronen an- und abgeschaltet werden können und wie kleine Schalter funktionieren.

Immer schneller werden ist das Ziel

Colombo Bolognesi, Professor für TeraHertz Electronic am Institut für Feldtheorie und Höchstfrequenztechnik, und seine Mitarbeiter sind Experten auf dem Gebiet der Transistoren. Ihr Ziel ist es, die Geschwindigkeit von Transistoren zu verbessern. Denn je schneller ein Transistor schaltet, desto mehr Information kann verarbeitet werden. Dafür kombinieren sie Halbleitermaterialien in verschiedenen Schichten, sodass die Elektronen möglichst schnell fliessen können. Ausserdem versuchen sie die Transistoren möglichst klein zu machen, damit die Elektronen kürzere Wege zurücklegen müssen. Die Halbleiterschichten müssen unter reinsten Bedingungen aufgebracht werden, da ihre Dicke in der Grössenordnung von Atomen liegt. Bolognesis Forschungsgruppe ist deshalb einer der Hauptnutzer des FIRST-Lab auf dem Hönggerberg. Eine besondere Art von Transistoren an denen Bolognesis Gruppe arbeitet besteht aus Aluminium Galliumnitrid (AlGaN/GaN) und verfügt über eine hohe Elektronenbeweglichkeit. Sie gehören deshalb zur Gruppe der «High Electron Mobility Transistors (HEMTs)».

AlGaN/GaN HEMTs werden gerne verwendet, da sie grosse Ströme und Spannungen verarbeiten können und auch bei hohen Temperaturen noch funktionstüchtig bleiben. In den letzten Monaten ist es Bolognesi und seinen Kollegen gelungen, den Rekord für die Schaltgeschwindigkeit von AlGaN/GaN HEMTs mit Silizium als Substrat mehrmals hintereinander zu schlagen – auf nun 108 GHz. «Andere Gruppen haben mit einer ähnlichen Technologie bisher nur 28 GHz erreicht, wir sind also fast viermal so schnell», ordnet Bolognesi den von seiner Forschungsgruppe erreichten Wert ein.

Der Preis entscheidet

Üblicherweise wird Saphir oder Siliziumkarbid als Substrat für AlGaN/GaN HEMT verwendet. In der Konsumerelektronik spielt aber neben der Leistungsfähigkeit vor allem der Preis von Bauteilen eine grosse Rolle. Bei Stückzahlen im Milliardenbereich bedeutet selbst eine Kostenersparnis von wenigen Rappen pro Transistor einen grossen Gewinn. Aus diesem Grund wird intensiv an leistungsfähigen Transistoren geforscht, die auf Silizium aufgetragen werden.

Silizium ist billiger als die momentan handelsüblichen Substrate, da es in der Natur sehr weit verbreitet ist. Es macht ungefähr 26 Gewichtsprozent der Erdkruste aus. Mögliche Anwendungsgebiete für AlGaN/GaN HEMT auf Silizium sind für Bolognesi zum Beispiel das Anti-Kollisionsradar im Auto, das bei 77 GHz funktioniert oder der Mobilfunk. Dessen Sendeanlagen könnten nämlich durch Bauteile, die auch bei höheren Temperaturen effizient arbeiten, viel Energie einsparen. Das wäre nicht nur gut für den Geldbeutel der Mobilfunkbetreiber, sondern auch für die Umwelt. Grundsätzlich legt Bolognesi aber Wert darauf, dass die Forschung seiner Arbeitsgruppe nicht primär auf die direkte Anwendung abzielt: «Wir möchten aufzeigen, was möglich ist und versuchen ans physikalische Limit zu gehen.»

Transistoren für die Raumfahrt und optische Netzwerke

Bolognesi und seine Gruppe arbeiten nicht nur an Rekorden, sie stellen auch Transistoren her, die zum Einsatz kommen. Beispielsweise Indium Phosphide HEMTs, die in der Raumfahrt eingesetzt werden. Im Auftrag der European Space Agency (ESA) stellt Bolognesis Arbeitsgruppe spezielle Transistoren für das Deep Space Network her. Eigentlich sind amerikanische Firmen auf dem Gebiet führend, da aber diese Transistor-Technologie auch für amerikanische Spionagesatelliten verwendet wird, darf sie nicht ins Ausland verkauft werden. Die ESA ist somit auf das Know-how der ETH Zürich angewiesen.
Auch auf dem Gebiet der Bipolaren Transistoren, die bei optischen Netzwerken eingesetzt werden, sind Bolognesi und seine Kollegen aktiv. Momentan liegt die Übertragungsrate bei optischen Netzwerken bei 100-150 Gb/s. Falls es Bolognesis Forschungsgruppe gelingt, die Geschwindigkeit der Bipolaren Transistoren auf 1 Terahertz zu verbessern, würde sich diese Übertragungsrate verdoppeln.