憶阻射頻開關在毫米波應用中顯示出更高的性能

射頻(RF)開關是控制RF信號在電路不同部分間路由的電子元件，例如開關信號或重定向信號。這些開關對許多通信技術的運作至關重要，包括智能手機、基站和無線網絡。

最近，來自阿卜杜拉國王科技大學、巴塞羅那自治大學和其他研究機構的研究人員開發了可在超過100 GHz的驚人頻率下運行的憶阻式射頻開關。這些開關在《自然電子學》上發表的一篇論文中介紹，可能有助于提高現有通信設備的數據傳輸速率。

研究人員開發的射頻開關基于憶阻器，這是一種在經過精心設計的電氣應力后可以改變其電阻的雙端電子器件。憶阻器本質上充當開關，可根據需求在關閉狀態（即高阻抗阻斷電流流動）和開啟狀態（即低阻抗允許電流流動）之間切換。

論文的主要作者Mario Lanza告訴Tech Xplore說："用于毫米波(mmWave)應用的RF數據傳輸開關是現代無線收發器中覆蓋5G和6G通信頻段的基本構建模塊。它們的功能概念相當簡單：在(i)阻斷來自電路不同部分的高頻信號（隔離），和(ii)以盡可能低的功率損耗傳輸信號之間切換。這聽起來可能很簡單，但實際上非常具有挑戰性，特別是當寬帶通信標準被推向更高頻率（超過數百GHz）以改善電信數據速率時。"

在超過100 GHz的頻率下，非理想性、器件寄生效應和性能需要被仔細且全面地考慮以獲得可接受的性能。這些需求由集成電路(IC)中的不同組件解決，包括微機電系統(MEMS)、半導體器件如晶體管、二極管或可變電容，以及最近還包括基于金屬-絕緣體轉變材料的憶阻器。

所有這些組件都有其獨特的優勢。然而，利用它們開發能在超過100GHz頻率下運行的無線通信解決方案到目前為止仍然是一個巨大的挑戰。

研究的第一作者Sebastian Pasos博士說："憶阻器是相對簡單的結構，在金屬電極之間夾著一層絕緣或半導體層（即一個電容器），能夠通過電刺激持續改變其電阻。基于單層二維材料（如六方氮化硼(h-BN)或二硫化鉬(MoS2)）的憶阻器已被探索用作RF開關。"

對單層二維材料基憶阻器施加受控應力會促使導電金屬絲的形成和破壞。當器件處于開啟狀態時，這種金屬絲會產生非常低的電阻，使操作頻率可達480 GHz。

盡管發現它們能達到令人期待的操作頻率，但基于單層二維材料的憶阻式射頻開關通常存在顯著的局限性。最顯著的是，它們通常表現出有限的耐久性和不確定的產率，這在不同器件和周期之間可能有很大變化。

Pazos說："通常研究的簡單串聯開關架構也有應用限制。為了解決耐久性和可變性問題，我們考慮使用多層h-BN（而不是單層），我們過去使用這種材料時憶阻器的產率更高。因此，我們制造了大量布置在RF波導結構上的金屬/h-BN/金屬憶阻器陣列，這種結構允許在高頻下表征器件。"

Lanza和他的同事開發的多層h-BN RF開關通過控制h-BN中的一個或多個導電絲來運作。這些金屬絲的形成、生長和逐步破壞可以通過仔細地向憶阻器施加應力電信號（以電壓/電流脈沖的形式）來引發。

Lanza說："通過化學氣相沉積(CVD)制造的多層h-BN具有良好的絕緣性能，相對較低的介電常數（~4）。這種絕緣體的一個獨特特征是存在缺陷簇，這些缺陷簇通過金屬離子的遷移促進絲狀電阻開關，同時將金屬絲的生長限制在這些由高度穩定的晶體h-BN包圍的缺陷區域內。"

團隊設備中形成的金屬絲可以通過稱為焦耳熱的電流流動過程被破壞。這使得在任何應力極性下都可以切換設備中的電磁信號。

換句話說，團隊的開關可以用正電壓或負電壓操作，也可以用兩者的組合操作，而不是其他只有在兩種極性電壓都施加時才工作的憶阻器。這可能會促進新的憶阻式RF開關在電路內的集成，因為它簡化了它們的操作。

Lanza解釋說："由于h-BN在憶阻結構中是一種大部分惰性的絕緣體的獨特特性（使金屬離子能自由遷移而不與金屬電極交換其他離子，如氧），金屬絲是金屬性的，這使得開啟電阻非常低，導致在高達120 GHz的頻率下功率損耗非常低（<1 dB）。此外，它們簡單的金屬-絕緣體-金屬三明治結構使它們易于集成到廣泛的技術平臺和應用中，從單片集成電路到微帶和多層PCB技術。"

Lanza及其同事最近的研究展示了多層h-BN憶阻器在開發下一代通信技術方面的潛力，表明它們可以作為高頻開關。這些憶阻式RF開關可能有助于引入未來更快通信的移動網絡標準，如5G和6G。

使用脈沖控制，Lanza和他的同事還能夠在他們的設備中實現非常低的開啟電阻，這是實現高頻操作的一個關鍵要求。這種令人期待的低開啟電阻還伴隨著有限的周期間變異性，這意味著團隊的設備在切換事件之間表現出色，并在數百甚至數千次切換周期后仍保持其性能。

Lanza說："獲得這些結果對憶阻器來說是一個根本性的挑戰，特別是對于用于RF毫米波應用的基于2D材料的憶阻器。事實上，我們報告的改進至少是之前努力的10倍。此外，通過串聯和并聯配置的憶阻器排列構建RF開關電路，為這些憶阻器設備提供了更實用的范圍，這是之前未能實現的。"

"這是在顯示出與成熟的RF開關技術（如CMOS開關或相變憶阻器）具有潛在競爭力的性能的同時實現的，但頻率超過200 GHz。"

這個研究團隊引入的新型憶阻式RF開關可能很快就會被集成到各種IC中，以進一步評估其性能和實際潛力。這些有前景的設備的一個關鍵優勢是，理論上它們應該容易與成熟的電子和制造工藝集成。

Lanza補充說："我們在之前的工作中已經展示了h-BN憶阻器可以與CMOS電路集成，在存儲器和神經形態應用方面顯示出有希望的性能結果。將此進一步擴展到高頻RF/毫米波領域現在將幫助我們構建更復雜的應用，充分利用我們設備的潛力，進一步提高它們的可靠性，并使我們更接近實際應用。這可以最大化這項技術的影響，并為下一代毫米波電路提供可能的解決方案，例如可配置的高頻通信電路、組件和片上天線陣列。"