Nya halvledare krävs för framtidens mobila kommunikation

Projektanslag 2013

Bridging the THz gap

Huvudsökande:
Herbert Zirath, professor i höghastighetselektronik

Medsökande:
Linköpings universitet
Erik Janzén

KTH
Joachim Oberhammer

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Beviljat anslag:
35,6 miljoner kronor under fem år

Laboratoriet för mikrovågselektronik på Chalmers tekniska högskola känns som ett kontor som gift sig med en metallslöjdsal. Även om en hel del av arbetet här är teoretiskt, byggs det mycket rent fysiskt – i verkstäderna syns avbitartänger, hammare och skruvmejslar sida vid sida med dyrbar elektronisk utrustning.

– Vårt vetenskapsområde skiljer sig från många andras genom att vi faktiskt måste tillverka och testa grejorna för att kunna publicera våra resultat. Vi samarbetar med bland annat Ericsson och Saab som vidareutvecklar det vi gör, men från början är det vi som tillverkar komponenterna och de elektroniska kretsarna, säger Herbert Zirath.

Han är professor och chef för laboratoriet, och hans grupp har tillsammans med forskare från KTH och Linköpings universitet fått ett projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Transistorer som klarar högre frekvenser

Målet är att skapa transistorer som ger tillräcklig hög effekt för att det ska gå att driva mobil datatrafik i ett frekvensområde som i dag är nästan outnyttjat, mellan 100 gigahertz och 1 terahertz. Komplicerat? Här kommer en liten snabbkurs:

En transistor är en elektronisk komponent som fungerar som en styrbar strömkälla. Genom att variera styrspänningen över transistorn kan man välja hur mycket ström den ska leverera. Transistorer används i all modern elektronik, och deras kapacitet spelar alltså stor roll för hur vi kan använda nästan alla våra apparater.

Hertz är enheten för frekvens, där en hertz innebär en svängning per sekund. Nästan all elektronisk trådlös kommunikation; mobiltelefoni, strömmad TV och radio, molntjänster och så vidare, sker på frekvenser upp till 100 gigahertz. Varje år fördubblas datatrafiken i mobilnätet – och år 2022 beräknas mängderna trådlös data vara tusen gånger större än 2012. Det börjar redan bli trångt i det frekvensområdet. Vi behöver mer plats, och vi vill att det ska gå allt fortare. Då krävs större bandbredd, det vill säga högre frekvenser.

– Kunderna vill ha högre datatakt. Vi kanske vill ladda över en film trådlöst till en läsplatta, och då ska det helst vara klart på en sekund… Eller i vart fall inte på en timme. Görs det på en sekund så blir energiåtgången dessutom mindre, säger Herbert Zirath.

Ny halvledare är utmanande

Transistorer bygger på halvledarmaterial, i dag oftast kisel. Men med kisel kan man inte få tillräckligt hög effekt för att komma upp i de önskade frekvenserna. Det krävs nya material. Ändå har forskningen på halvledare minskat under det senaste decenniet, enligt Herbert Zirath. Därför fokuserar projektet på just det.

– Vi letar efter material där elektronerna kan röra sig fort. I indiumnitrid, ett av de material vi studerar, går det kanske fem gånger så fort som i kisel. Det är en väldigt stor skillnad, säger Herbert Zirath.

Men att tillverka indiumnitrid är svårt. Halvledarmaterial skapas genom att de får växa av sig själva på en lämplig bottenplatta, ett så kallat substrat. Det sker ofta i en gasfylld miljö, på ungefär samma sätt som när is bildas på bilrutan vid kallt och fuktigt väder. Men det är lätt att materialet förorenas av andra partiklar.

– Det är en utmaning att få materialet att växa på ett kontrollerat vis. Hittills är det bara en grupp i världen som lyckats göra en transistor baserad på indiumnitrid, och den var inte speciellt bra, säger Herbert Zirath.

Att lyckas med ren indiumnitrid beskriver han som den största utmaningen. Men om det inte skulle fungera finns andra lovande alternativ. Målet är att tillverka en komponent med hög effekt som samtidigt blir liten och lätt. Herbert Zirath visar en bild av en mottagare med kapacitet för 300 GHz. Den är ett par kilo tung och kostar ett par hundra tusen kronor. Ganska svår att stoppa in i en mobiltelefon, med andra ord.

– Vår vision i det här projektet är att göra något motsvarande som istället är stort som en sockerbit och kan tillverkas till en kostnad av mellan 10 och 100 kronor, säger Herbert Zirath.

Resultatet ska bli direkt användbart

Arbetet är tvärvetenskapligt, och de tre lärosätena bidrar med olika specialkunskaper. Alla bitarna är nödvändiga för att resultatet ska bli riktigt värdefullt, betonar Herbert Zirath: det ska bli hela fungerande system som kan användas för kommunikation eller bildbearbetning.

– Det finns enormt mycket att göra när man väl fått fram komponenter som går att använda. Det är väldigt inspirerande. En möjlig applikation är rökgasanalys, det skulle jag vilja starta ett projekt kring. En annan är korthållskommunikation – exempelvis mellan datorer i en datorhall, eller när man använder wifi hemma – där ett ökat frekvensutrymme skulle ge mycket snabbare dataöverföring, säger Herbert Zirath.

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har i flera omgångar finansierat utrustning till laboratoriet vid Chalmers, bland annat renrummen där halvledarmaterialen byggs.

– Jag skulle vilja påstå att vi har ett av de mest välutrustade labben i världen tack vare detta. Men sedan räcker det ju inte med bra utrustning, man måste ha entusiastiska medarbetare med rätt kompetens. Det är framför allt det vi kommer använda projektpengarna till.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström