Vor über 150 Jahren stellte James Clerk Maxwell eine Theorie auf, die selbst einige der führenden Wissenschaftler jener Zeit nur schwer akzeptieren konnten. Er argumentierte, dass ein sich veränderndes elektrisches Feld ähnliche Effekte wie elektrischer Strom hervorrufen könne, selbst wenn sich keine geladenen Teilchen physikalisch bewegten. Dieses als „Verdrängungsstrom“ bekannte Konzept sollte zu einer der Grundlagen des modernen Elektromagnetismus werden und dazu beitragen, zu erklären, wie sich elektromagnetische Wellen – darunter Radiowellen und sichtbares Licht – im Raum ausbreiten.
Die Innovation im Halbleiterbereich wurde bislang weitgehend von einem anderen Mechanismus vorangetrieben: der Bewegung von Elektronen. Vom Transistor über den Smartphone-Prozessor bis hin zum KI-Beschleuniger beruhte der Fortschritt auf der Steuerung des Ladungsflusses durch immer kleinere Bauelemente. HF-Ingenieure stehen jedoch vor einem anderen Problem. Mit der Verkleinerung von HF-Schaltern gewinnen unerwünschte Effekte wie parasitäre Kapazitäten und Kontaktwiderstände zunehmend an Bedeutung, und bei fortschrittlichen Prozessknoten können diese parasitären Effekte die Vorteile der Skalierung zunichte machen.
Diese Erkenntnis veranlasste Dr. Mohammad Samizadeh Nikoo und Hua Wang, Professor für Elektrotechnik an der ETH Zürich, zu der Frage: Was wäre, wenn der nächste Durchbruch im Bereich der HF-Schaltung nicht durch die Optimierung eines weiteren Transistors erzielt würde? Anstatt sich auf die herkömmliche Funktionsweise von Transistoren zu stützen, entwarfen sie einen Schalter, der Verschiebungsfelder und Quantentunnelströme nutzt und dabei auf einem Mechanismus basiert, der auf Maxwells ursprünglichem Rahmenwerk beruht.
Die Forschungsarbeit wurde durchgeführt, während Nikoo als Postdoktorand in Wangs IDEAS-Gruppe an der ETH Zürich tätig war. Nikoo ist mittlerweile Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur. Ihre Ergebnisse wurden im Januar 2026 in der Fachzeitschrift „Nature Electronics“ in einem Artikel mit dem Titel „High-power -Millimeterwellen-Schalter auf Silizium unter Verwendung von Verschiebungsfeldern und Tunnelströmen“ veröffentlicht .
Um die Idee in ein funktionsfähiges Gerät umzusetzen, bedurfte es mehr als nur einer vielversprechenden Theorie. Wangs Gruppe hat im Rahmen des „University Partnership Program“ von GlobalFoundries eine umfassende Partnerschaft mit dem Unternehmen aufgebaut, die Hochschulforschern Zugang zu fortschrittlichen GF-Technologien sowie Unterstützung bei der Entwicklung und technische Hilfe bietet. Das Team realisierte den Schalter auf der kommerziellen 45-nm- RF-SOI -Plattform von GF unter Verwendung eines „Zero-Change“-Ansatzes – keine kundenspezifische Fertigung, kein spezieller Fertigungsablauf, sondern lediglich Elemente eines bestehenden kommerziellen Prozesses, die so zusammengesetzt wurden, dass sie über einen anderen physikalischen Mechanismus funktionieren. Wang betont, dass die sauberen Substrate und die geringen parasitären Effekte der CMOS-SOI-Technologie von GF entscheidend für den Erfolg des Bauelements waren.
Die Ergebnisse waren beeindruckend: Schaltzeiten unter 30 Pikosekunden, eine mehr als zehnmal höhere power -Belastbarkeit als bei herkömmlichen transistorbasierten Schaltern auf derselben Plattform sowie deutliche Verbesserungen hinsichtlich Linearität und parasitärer Effekte.
Wir haben mit Nikoo und Wang darüber gesprochen, warum die RF-Technik an ihre Grenzen gestoßen ist, was sich ändert, wenn man statt Elektronen Felder einsetzt, und welche Zukunft ein solches Gerät haben könnte. Das Gespräch wurde aus Gründen der Länge und Verständlichkeit redaktionell bearbeitet.
Warum kann sich die HF-Technik nicht einfach genauso weiter verkleinern wie die Logik?
Dr. Mohammad Samizadeh Nikoo: Die Leistungskennzahlen eines Transistors lassen sich nicht mehr weiter verbessern, wenn wir ihn einfach nur extrem klein machen. Bei Transistoren erzielen wir normalerweise die beste Leistung, wenn die Gate-Länge 25 oder 30 Nanometer beträgt, denn darüber hinaus werden wir vollständig durch die parasitären Effekte eingeschränkt. Die Kontaktleistung zwischen Metall und Halbleiter begrenzt die Leitfähigkeit des Bauelements, und gleichzeitig liegen die Kontakte immer näher beieinander, sodass die parasitären Kapazitäten immer größer werden. Wir gewinnen nichts, wir verlieren. Deshalb gibt es ab einem bestimmten Punkt keine Leistungssteigerung mehr. Es gibt hier wirklich sehr grundlegende Grenzen. Ich bezeichne das als Paradigmenwechsel, denn wir sprechen hier nicht von der Optimierung eines Transistors. Es handelt sich um ein grundlegend neues Bauelement, das nach völlig anderen Mechanismen funktioniert. Wir übertragen das Signal nicht durch die Injektion von Elektronen, sondern nutzen elektrische Felder zur Signalübertragung. Deshalb können wir einen besseren Wirkungsgrad, eine höhere „ power “ und eine höhere Geschwindigkeit erzielen.
Wenn Sie von besserer Leistung sprechen, um wie viel besser ist sie – und was bringt das dem Endnutzer?
Nikoo: Es gibt vier Punkte. Erstens: parasitäre Effekte. Der Schalter übertrifft herkömmliche Schalter beim Ron·Coff-Leistungsindex, der skalierungsunabhängig ist und somit zeigt, wie gut die Technologie an sich ist. Weniger parasitäre Effekte bedeuten, dass man höhere Frequenzen schalten kann. Zweitens die Linearität, gemessen anhand des IIP3. Wenn man ein Kommunikationssignal zur Modulation oder für das Beamforming schaltet, muss der Schalter im eingeschalteten Zustand sehr linear sein, damit sich Frequenzkomponenten nicht vermischen und die Signalqualität beeinträchtigen. Hier sprechen wir von 17 dB. Das bedeutet eine um zwei Größenordnungen höhere Linearität und power. Drittens die Fähigkeit zur „ power “: um mehr als eine Größenordnung höher. Mit einem einzelnen Transistor lassen sich niemals 25 dBm erzielen. Normalerweise sind „ power “-Kombinationen und viele andere Komponenten erforderlich, die viel Platz beanspruchen – hier hingegen erledigt ein einziges Bauelement all das. Und viertens: die Schaltzeit. Schaltzeiten im Sub-Nanosekundenbereich sind für einen Schalter bereits beeindruckend genug, hier sprechen wir jedoch von Werten unter 30 Pikosekunden. Diese vier Faktoren zusammen machen das Ganze zu einer sehr vielversprechenden Lösung.
Warum war es wichtig, dies auf einer kommerziellen „ RF-SOI “-Plattform zu demonstrieren?
Professor Hua Wang: Man hat sich bisher neue Bauelemente angesehen, die heroische, rekordbrechende Leistungen erbringen, doch viele davon sind Ad-hoc-Lösungen und nutzen spezielle Fertigungsprozesse. Das Bauelement ist großartig, weist jedoch Einschränkungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Ausbeute und Herstellbarkeit auf. Genau aus diesem Grund wollten wir einen sogenannten „Zero-Change“-Ansatz verfolgen: Wir nutzen die bestehende, kommerziell verfügbare Technologieplattform, demonstrieren aber neue Bauelemente. Auf diese Weise wird das, was hier demonstriert wurde, eine hohe Skalierbarkeit und Herstellbarkeit aufweisen. Die Nutzung dieser bestehenden kommerziellen Technologien ermöglicht es zudem, die neuen Bauelemente gemeinsam mit herkömmlichen Bauelementen sowie standardisierteren HF-Schaltungen und -Systemen zu entwerfen, zu integrieren und zu betreiben, was ihre Fähigkeiten weiter erweitert. Wenn wir einen neuen wissenschaftlichen Rekord aufstellen wollen, reicht ein einzelnes Bauelement aus. Wenn wir jedoch echte praktische Herausforderungen angehen wollen, müssen wir funktionsfähige Schaltungen und Systeme für eine reale Anwendung entwerfen.
Wo könnte ein solcher Schalter eigentlich eingesetzt werden?
Wang: Zwei Hauptkategorien. Die eine umfasst eine Vielzahl rekonfigurierbarer Schaltungen im Terahertz-Bereich und darüber hinaus, die sowohl für die Kommunikation als auch für die Sensorik genutzt werden. Wir wollen höhere Frequenzen nutzen, um mehr Bandbreite, eine höhere räumliche Auflösung und geringe Latenz zu erreichen, aber es ist sehr schwierig, die Systeme rekonfigurierbar zu gestalten, da wir bei dieser Frequenz keine hochwertigen Schalter haben. Das gilt nicht nur für die HF-Elektronik, sondern auch für rekonfigurierbare Antennen und rekonfigurierbare intelligente Oberflächen. Mit dieser Technologie werden all diese Systeme möglich. Der andere Bereich umfasst drahtgebundene und serielle Daten – also Rechenzentren und KI. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, wie wir elektronische Daten mit sehr hoher Geschwindigkeit auf einen photonischen Wellenleiter modulieren, was zwangsläufig leistungsstarke Schalter mit geringen Verlusten und sehr schnellen Ein- und Ausschaltzeiten erfordert. KI ist ein Konnektivitätsproblem. Dabei geht es sowohl um Konnektivität im Sinne von Bandbreite als auch um Konnektivität im Sinne von Energieeffizienz.
Was bedeutet das für Silizium, wenn 6G auf höhere Frequenzen umstellt?
Nikoo: Für 6G und zukünftige drahtlose Systeme wird nach neuen Materialien geforscht. Wir wissen, dass Silizium hervorragend ist. Es bietet Integrationsmöglichkeiten, die wir mit Galliumnitrid nie hatten. Aber die Forscher beschäftigen sich mit Galliumnitrid und dessen Integration mit Silizium und sind bereit, den Prozess zu verkomplizieren, um die Vorteile einer höheren „ power “-Fähigkeit zu nutzen. Hier setzen wir eine neue Technologie auf Siliziumbasis ein, die Dinge ermöglicht, die wir normalerweise nur mit Galliumnitrid – dem überlegenen Material – erreichen konnten. Ich denke, das verändert die Aussichten für Silizium, auch weiterhin die dominierende Plattform für zukünftige Funktechnologien zu bleiben, wirklich grundlegend.
Was ist der Vorteil einer Zusammenarbeit mit dem Hochschulpartnerschaftsprogramm von GF bei solchen Forschungsprojekten?
Wang: Wir profitieren enorm von dieser Zusammenarbeit mit GlobalFoundries. Uns werden nicht nur wirklich fortschrittliche Technologien sowie umfangreiche Unterstützung und Beratung in den Bereichen Design und Technik geboten, sondern ich möchte auch auf die Technologie von GF selbst eingehen. Wir nutzen die CMOS-SOI-Technologien von GF, und das saubere SOI-Substrat sowie die minimalen parasitären Effekte sind ebenfalls ein entscheidender Faktor für den Erfolg dieses Bausteins.
Nikoo: Der Zugang zu diesem Prozess durch eine Partnerschaft zwischen GF und der Universität gibt den Universitätsgruppen zudem die Möglichkeit, risikoreichere Ideen auszuprobieren – was bei sehr begrenzten Räumlichkeiten manchmal schwierig ist –, also Ideen mit hohem Risiko, aber auch hohem Gewinnpotenzial. Bei einem neuen Projektansatz müssen wir KPIs und viele andere Vorgaben erfüllen, was unsere Flexibilität einschränkt, manchmal sehr interessante Ideen auszuprobieren. Daher halte ich dies ebenfalls für sehr hilfreich. Die „Device“-Community und die „Circuit“-Community sind zwei unterschiedliche Gemeinschaften, die sich manchmal nicht ganz verstehen. Es gab wichtige Entwicklungen im Bereich der Bauelemente, die in der Industrie nie zu nützlichen, praktischen Anwendungen führten, weil sie auf manuelle Prozesse angewiesen waren. Was wir hier gemacht haben, befindet sich an der Schnittstelle dieser beiden Gemeinschaften. Wir haben ein neues Bauelement entwickelt, aber auf einer Plattform, die von den „Circuit“-Leuten direkt genutzt werden kann, und das erhöht die Wirkung.
Wie sieht die nächste Phase dieser Arbeit aus?
Wang: Nikoo leitet mittlerweile seine Gruppe an der NTU in Singapur, und sein Schwerpunkt liegt eher auf den Bauelementen – er hat bereits eine Reihe von Projekten, die die Innovation auf der Bauelementebene dieses Konzepts weiter vorantreiben. Bei uns an der ETH sind wir eher eine Schaltungs- und Systemgruppe, daher beschäftigen wir uns damit, dieses Bauelement in komplexere Systeme und Schaltungen zu integrieren, zum Beispiel in die rekonfigurierbaren Terahertz-Schaltungen, über die wir gerade gesprochen haben. Im Grunde genommen wollen wir es in die Praxis umsetzen.
