Vor ¨¹ber 150 Jahren stellte James Clerk Maxwell eine Theorie auf, die selbst einige der f¨¹hrenden Wissenschaftler jener Zeit nur schwer akzeptieren konnten. Er argumentierte, dass ein sich ver?nderndes elektrisches Feld ?hnliche Effekte wie elektrischer Strom hervorrufen k?nne, selbst wenn sich keine geladenen Teilchen physikalisch bewegten. Dieses als ?Verdr?ngungsstrom¡° bekannte Konzept sollte zu einer der Grundlagen des modernen Elektromagnetismus werden und dazu beitragen, zu erkl?ren, wie sich elektromagnetische Wellen ¨C darunter Radiowellen und sichtbares Licht ¨C im Raum ausbreiten.
Die Innovation im Halbleiterbereich wurde bislang weitgehend von einem anderen Mechanismus vorangetrieben: der Bewegung von Elektronen. Vom Transistor ¨¹ber 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 unerw¨¹nschte Effekte wie parasit?re Kapazit?ten und Kontaktwiderst?nde zunehmend an Bedeutung, und bei fortschrittlichen Prozessknoten k?nnen diese parasit?ren Effekte die Vorteile der Skalierung zunichte machen.
Diese Erkenntnis veranlasste Dr. Mohammad Samizadeh Nikoo und Hua Wang, Professor f¨¹r Elektrotechnik an der ETH Z¨¹rich, zu der Frage: Was w?re, wenn der n?chste Durchbruch im Bereich der HF-Schaltung nicht durch die Optimierung eines weiteren Transistors erzielt w¨¹rde? Anstatt sich auf die herk?mmliche Funktionsweise von Transistoren zu st¨¹tzen, entwarfen sie einen Schalter, der Verschiebungsfelder und Quantentunnelstr?me nutzt und dabei auf einem Mechanismus basiert, der auf Maxwells urspr¨¹nglichem Rahmenwerk beruht.
Die Forschungsarbeit wurde durchgef¨¹hrt, w?hrend Nikoo als Postdoktorand in Wangs IDEAS-Gruppe an der ETH Z¨¹rich t?tig war. Nikoo ist mittlerweile Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur. Ihre Ergebnisse wurden im Januar 2026 in ver?ffentlicht
Um die Idee in ein funktionsf?higes Ger?t umzusetzen, bedurfte es mehr als nur einer vielversprechenden Theorie. Wangs Gruppe hat im Rahmen des ?University Partnership Program¡° von ÌÇÐÄÊÓƵ eine umfassende Partnerschaft mit dem Unternehmen aufgebaut, die Hochschulforschern Zugang zu fortschrittlichen ÌÇÐÄÊÓƵ-Technologien sowie ±«²Ô³Ù±ð°ù²õ³Ù¨¹³Ù³ú³Ü²Ô²µ bei der Entwicklung und technische Hilfe bietet. Das Team realisierte den Schalter auf der kommerziellen 45-nm- RF-SOI -Plattform von ÌÇÐÄÊÓƵ unter Verwendung eines ?Zero-Change¡°-Ansatzes ¨C keine kundenspezifische Fertigung, kein spezieller Fertigungsablauf, sondern lediglich Elemente eines bestehenden kommerziellen Prozesses, die so zusammengesetzt wurden, dass sie ¨¹ber einen anderen physikalischen Mechanismus funktionieren. Wang betont, dass die sauberen Substrate und die geringen parasit?ren Effekte der CMOS-SOI-Technologie von ÌÇÐÄÊÓƵ entscheidend f¨¹r den Erfolg des Bauelements waren.
Die Ergebnisse waren beeindruckend: Schaltzeiten unter 30 Pikosekunden, eine mehr als zehnmal h?here power -Belastbarkeit als bei herk?mmlichen transistorbasierten Schaltern auf derselben Plattform sowie deutliche Verbesserungen hinsichtlich Linearit?t und parasit?rer Effekte.
Wir haben mit Nikoo und Wang dar¨¹ber gesprochen, warum die RF-Technik an ihre Grenzen gesto?en ist, was sich ?ndert, wenn man statt Elektronen Felder einsetzt, und welche Zukunft ein solches Ger?t haben k?nnte. Das Gespr?ch wurde aus Gr¨¹nden der L?nge und Verst?ndlichkeit 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-L?nge 25 oder 30 Nanometer betr?gt, denn dar¨¹ber hinaus werden wir vollst?ndig durch die parasit?ren Effekte eingeschr?nkt. Die Kontaktleistung zwischen Metall und Halbleiter begrenzt die Leitf?higkeit des Bauelements, und gleichzeitig liegen die Kontakte immer n?her beieinander, sodass die parasit?ren Kapazit?ten immer gr??er 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 v?llig anderen Mechanismen funktioniert. Wir ¨¹bertragen das Signal nicht durch die Injektion von Elektronen, sondern nutzen elektrische Felder zur Signal¨¹bertragung. Deshalb k?nnen wir einen besseren Wirkungsgrad, eine h?here ? power ¡° und eine h?here Geschwindigkeit erzielen.
Wenn Sie von besserer Leistung sprechen, um wie viel besser ist sie ¨C und was bringt das dem Endnutzer?
Nikoo: Es gibt vier Punkte. Erstens: parasit?re Effekte. Der Schalter ¨¹bertrifft herk?mmliche Schalter beim Ron¡¤Coff-Leistungsindex, der skalierungsunabh?ngig ist und somit zeigt, wie gut die Technologie an sich ist. Weniger parasit?re Effekte bedeuten, dass man h?here Frequenzen schalten kann. Zweitens die Linearit?t, gemessen anhand des IIP3. Wenn man ein Kommunikationssignal zur Modulation oder f¨¹r das Beamforming schaltet, muss der Schalter im eingeschalteten Zustand sehr linear sein, damit sich Frequenzkomponenten nicht vermischen und die Signalqualit?t beeintr?chtigen. Hier sprechen wir von 17 dB. Das bedeutet eine um zwei Gr??enordnungen h?here Linearit?t und power. Drittens die F?higkeit zur ? power ¡°: um mehr als eine Gr??enordnung h?her. Mit einem einzelnen Transistor lassen sich niemals 25 dBm erzielen. Normalerweise sind ? power ¡°-Kombinationen und viele andere Komponenten erforderlich, die viel Platz beanspruchen ¨C hier hingegen erledigt ein einziges Bauelement all das. Und viertens: die Schaltzeit. Schaltzeiten im Sub-Nanosekundenbereich sind f¨¹r 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 L?sung.
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-L?sungen und nutzen spezielle Fertigungsprozesse. Das Bauelement ist gro?artig, weist jedoch Einschr?nkungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Ausbeute und Herstellbarkeit auf. Genau aus diesem Grund wollten wir einen sogenannten ?Zero-Change¡°-Ansatz verfolgen: Wir nutzen die bestehende, kommerziell verf¨¹gbare 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 erm?glicht es zudem, die neuen Bauelemente gemeinsam mit herk?mmlichen Bauelementen sowie standardisierteren HF-Schaltungen und -Systemen zu entwerfen, zu integrieren und zu betreiben, was ihre F?higkeiten weiter erweitert. Wenn wir einen neuen wissenschaftlichen Rekord aufstellen wollen, reicht ein einzelnes Bauelement aus. Wenn wir jedoch echte praktische Herausforderungen angehen wollen, m¨¹ssen wir funktionsf?hige Schaltungen und Systeme f¨¹r eine reale Anwendung entwerfen.
Wo k?nnte ein solcher Schalter eigentlich eingesetzt werden?
Wang: Zwei Hauptkategorien. Die eine umfasst eine Vielzahl rekonfigurierbarer Schaltungen im Terahertz-Bereich und dar¨¹ber hinaus, die sowohl f¨¹r die Kommunikation als auch f¨¹r die Sensorik genutzt werden. Wir wollen h?here Frequenzen nutzen, um mehr Bandbreite, eine h?here r?umliche Aufl?sung 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 f¨¹r die HF-Elektronik, sondern auch f¨¹r rekonfigurierbare Antennen und rekonfigurierbare intelligente Oberfl?chen. Mit dieser Technologie werden all diese Systeme m?glich. Der andere Bereich umfasst drahtgebundene und serielle Daten ¨C also Rechenzentren und KI. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, wie wir elektronische Daten mit sehr hoher Geschwindigkeit auf einen photonischen Wellenleiter modulieren, was zwangsl?ufig leistungsstarke Schalter mit geringen Verlusten und sehr schnellen Ein- und Ausschaltzeiten erfordert. KI ist ein Konnektivit?tsproblem. Dabei geht es sowohl um Konnektivit?t im Sinne von Bandbreite als auch um Konnektivit?t im Sinne von Energieeffizienz.
Was bedeutet das f¨¹r Silizium, wenn 6G auf h?here Frequenzen umstellt?
Nikoo: F¨¹r 6G und zuk¨¹nftige drahtlose Systeme wird nach neuen Materialien geforscht. Wir wissen, dass Silizium hervorragend ist. Es bietet Integrationsm?glichkeiten, die wir mit Galliumnitrid nie hatten. Aber die Forscher besch?ftigen sich mit Galliumnitrid und dessen Integration mit Silizium und sind bereit, den Prozess zu verkomplizieren, um die Vorteile einer h?heren ? power ¡°-F?higkeit zu nutzen. Hier setzen wir eine neue Technologie auf Siliziumbasis ein, die Dinge erm?glicht, die wir normalerweise nur mit Galliumnitrid ¨C dem ¨¹berlegenen Material ¨C erreichen konnten. Ich denke, das ver?ndert die Aussichten f¨¹r Silizium, auch weiterhin die dominierende Plattform f¨¹r zuk¨¹nftige Funktechnologien zu bleiben, wirklich grundlegend.
Was ist der Vorteil einer Zusammenarbeit mit dem Hochschulpartnerschaftsprogramm von ÌÇÐÄÊÓƵ bei solchen Forschungsprojekten?
Wang: Wir profitieren enorm von dieser Zusammenarbeit mit ÌÇÐÄÊÓƵ. Uns werden nicht nur wirklich fortschrittliche Technologien sowie umfangreiche ±«²Ô³Ù±ð°ù²õ³Ù¨¹³Ù³ú³Ü²Ô²µ und Beratung in den Bereichen Design und Technik geboten, sondern ich m?chte auch auf die Technologie von ÌÇÐÄÊÓƵ selbst eingehen. Wir nutzen die CMOS-SOI-Technologien von ÌÇÐÄÊÓƵ, und das saubere SOI-Substrat sowie die minimalen parasit?ren Effekte sind ebenfalls ein entscheidender Faktor f¨¹r den Erfolg dieses Bausteins.
Nikoo: Der Zugang zu diesem Prozess durch eine Partnerschaft zwischen ÌÇÐÄÊÓƵ und der Universit?t gibt den Universit?tsgruppen zudem die M?glichkeit, risikoreichere Ideen auszuprobieren ¨C was bei sehr begrenzten R?umlichkeiten manchmal schwierig ist ¨C, also Ideen mit hohem Risiko, aber auch hohem Gewinnpotenzial. Bei einem neuen Projektansatz m¨¹ssen wir KPIs und viele andere Vorgaben erf¨¹llen, was unsere Flexibilit?t einschr?nkt, manchmal sehr interessante Ideen auszuprobieren. Daher halte ich dies ebenfalls f¨¹r 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 n¨¹tzlichen, praktischen Anwendungen f¨¹hrten, 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 erh?ht die Wirkung.
Wie sieht die n?chste Phase dieser Arbeit aus?
Wang: Nikoo leitet mittlerweile seine Gruppe an der NTU in Singapur, und sein Schwerpunkt liegt eher auf den Bauelementen ¨C 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 besch?ftigen wir uns damit, dieses Bauelement in komplexere Systeme und Schaltungen zu integrieren, zum Beispiel in die rekonfigurierbaren Terahertz-Schaltungen, ¨¹ber die wir gerade gesprochen haben. Im Grunde genommen wollen wir es in die Praxis umsetzen.
