新加坡国立大学重磅Nature：hBN忆阻开关直接集成于GaN毫米波芯片，实现可重构射频前端

研究背景

第六代移动通信（6G）预计将推动全息远程呈现、自动驾驶生态等新兴应用落地，要求核心网络将时延从当前的1 ms降至10–100 μs，并支持高达1 Tbps的数据传输速率，这将迫使无线网络向毫米波频段扩展。作为高度可重构射频系统中用于导通或阻断高频信号的基础元件，射频开关的用量随通信代际快速增长（约提升两个数量级），其插入损耗、隔离度、带宽、功率承受能力和集成难易度直接决定射频前端的性能上限。

单片微波集成电路（MMIC）是支撑5G及未来通信标准的核心技术，但在其平台上集成高频开关面临面积与成本的双重瓶颈。忆阻式射频开关凭借工艺简单、器件级电学性能优异而备受关注：相变材料（PCM）开关需加热器驱动且在125 °C以上存在结晶失效问题；金属—绝缘体转变开关需持续直流偏置维持低阻态；而基于六方氮化硼（hBN）等二维层状材料的导电桥忆阻器虽已展现出优异的宽带性能，却从未在MMIC电路层面获得真正实现。

成果简介

新加坡国立大学Mario Lanza副教授、Sebastian Pazos研究科学家（共同通讯作者）团队在Nature上发表最新成果，首次在氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-HEMT）MMIC平台的后道工艺（BEOL）上直接集成了Au/hBN/Au忆阻式射频开关，实现了可编程毫米波GaN微芯片。

该后道集成宽带开关工作频率高达100 GHz，插入损耗低至0.3 dB（中位值1 dB），隔离度优于15 dB；器件展现出超过2周的长期状态保持能力，并可在175 °C高温下维持稳定导通电阻，在最高18 dBm的测试功率下线性度保持在0.28 dB以内，外推1 dB压缩点均值达30.52 dBm。团队利用芯片前道的GaN晶体管构建一晶体管一忆阻器（1T1M）驱动单元，将开关循环耐久性提升至3250次，刷新了二维材料基忆阻式射频开关的纪录。在此基础上，研究团队进一步在GaN MMIC平台上演示了忆阻可配置衰减器、可重构Wilkinson功分器和可编程谐振器，为面向5G/6G的低功耗、非易失、可重构射频前端提供了全新技术路线。

图注说明

图1 通过后道集成hBN开关实现可配置MMIC。(a) 各代无线收发机在业务数量、数据速率与频段上的演进，射频开关用量随之增长约两个数量级；(b) 出厂态10.4 mm × 7.2 mm GaN MMIC裸片光学照片；(c) 在后道顶部制备Au/hBN/Au忆阻式射频开关后的GaN MMIC裸片；(d) 集成hBN开关的GaN MMIC芯片截面结构示意图；(e) 集成于两个MMIC焊盘之间的Au/hBN/Au射频开关光学显微照片。

图2 多层CVD hBN的物理表征及其对器件性能与开关机制的影响。(a) GaN MMIC后道上原始态Au/hBN/Au开关的电容统计；(b) 室温与175 °C下形成过程的特征I–V曲线，插图为原始态fA量级漏电流；(c) 串联开关的单极性开关I–V曲线（104次set与104次reset）；(d, e) 电应力前后器件的截面透射电镜图像，显示Au迁移形成贯穿hBN的导电细丝；(f, g) 形成电压随扫描速率与温度的统计分布；(h, i) 扫描热显微镜测得的导电细丝焦耳热信号，热点半径约100 nm。

图3 前道驱动器与hBN忆阻器在GaN-HEMT MMIC上的集成。(a) 串联Au/hBN/Au开关经扼流电感与前道HEMT驱动器件相连构成1T1M单元；(b) 1T1M单元100次脉冲I–V开关循环曲线；(c) 同一单元连续脉冲循环中高阻态与低阻态电阻演变，总耐久性超过3250次；(d) 开关电压与电流统计；(e) 器件形成后经1周、2周存储及175 °C、24小时烘烤后的低阻态电阻保持特性（中位值13–15 Ω）；(f–h) set与reset过程的瞬态波形及不同脉宽下的开关电压统计，开关时间介于20 ns至5 μs之间。

图4 后道hBN忆阻器的射频与毫米波性能及应用。(a, b) 串联、并联与串并联构型开关在导通与关断状态下最高110 GHz的传输与隔离特性，并与商用CMOS SOI及PCM开关对比；(c) 49 GHz中频处插入损耗与隔离度统计；(d, e) 100次开关循环后及15小时后的S参数保持特性，验证射频域非易失性；(f, g) 通过脉冲调控实现电阻连续可调，构成非易失可配置衰减器，衰减范围达14.25 dB；(h, i) 串联与并联开关在4 GHz下的功率承受特性，线性工作至18 dBm。

图5 集成片上hBN忆阻器的可配置MMIC。(a) 在输出端口P2集成串联开关前后的Wilkinson功分器光学照片；(b, c) 功分器在开关不同状态下最高100 GHz的传输与匹配特性，导通态附加插入损耗最低仅0.2 dB，目标频带内匹配优于−20 dB；(d) 集成串联hBN开关前后的可切换并联耦合谐振器（SPCR）光学照片；(e, f) 通过切换忆阻器状态实现6 GHz的中心频率调谐，且各状态下均保持良好阻抗匹配。