微型忆阻型射频开关无需供电可保持工作状态，并实现高频信号调控

新加坡国立大学领导的国际研究团队开发出一种微型忆阻型射频开关，可在无需持续供电的情况下保持工作状态，并首次将其应用于可重新配置的单片微波集成电路（MMIC）中，实现了高频信号调控。该成果有望助力5G和6G射频芯片向更小尺寸、更低功耗方向发展。相关成果发表于新一期《自然》杂志。

射频开关如同无线系统中的“交通指挥员”，负责控制信号是否通过，以及信号传输路径的切换。2G通信系统中，一个信号收发单元通常仅需4个射频开关，而5G和未来6G系统可能需要50个甚至超过100个射频开关，而大量开关集成到芯片中，容易造成芯片面积增大、成本升高和能耗增加。

为解决这一问题，团队尝试将具有“记忆”能力的忆阻型射频开关引入通信芯片。与传统射频开关不同，这类器件能够通过改变自身电阻状态控制信号传输，并在断电后保持这一状态，无需持续供电维持配置。

通过后端工艺集成六方氮化硼开关实现可配置单片微波集成电路。图片来源：《自然》

研究团队利用二维材料六方氮化硼（hBN）制造这种开关。hBN薄膜被夹在两层金电极之间，厚度约8纳米。当施加短暂电脉冲时，hBN内部会形成或断裂纳米尺度导电通道，从而改变器件电阻状态。电脉冲结束后，该状态仍能保持，使开关具备“记忆”能力。

研究显示，单个hBN开关尺寸仅为2微米×2微米，而传统射频开关占用面积至少约0.1平方毫米，是hBN开关的2.5万倍。团队将hBN忆阻型射频开关集成到商用氮化镓芯片平台，并进一步实现了在可重新配置MMIC中的应用。测试结果表明，该器件可在最高100吉赫兹频率范围内工作，覆盖5G使用频段以及未来6G探索频段。其中，性能最佳的串联开关信号损耗仅为0.3分贝。

研究团队还将该器件应用于衰减器、功率分配器和滤波器等实际射频电路。其中，滤波器实现了6吉赫兹频率调节，证明该器件不仅能够作为功能单元运行，还能完成完整射频电路功能。

下一步，研究团队计划探索直接在氮化镓芯片上生长hBN材料的方法，以简化制造流程，并通过优化电极结构和芯片表面处理提高器件寿命。同时，还将利用计算模型辅助设计更大规模电路，并在实际制造前预测其性能。

来源：科技日报