射頻(RF)開關(guān)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(guān)信號或重定向信號。這些開關(guān)對許多通信技術(shù)的運作至關(guān)重要，包括智能手機、基站和無線網(wǎng)絡(luò)。

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

研究人員開發(fā)的射頻開關(guān)基于憶阻器，這是一種在經(jīng)過精心設(shè)計的電氣應(yīng)力后可以改變其電阻的雙端電子器件。憶阻器本質(zhì)上充當(dāng)開關(guān)，可根據(jù)需求在關(guān)閉狀態(tài)（即高阻抗阻斷電流流動）和開啟狀態(tài)（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(yīng)用的RF數(shù)據(jù)傳輸開關(guān)是現(xiàn)代無線收發(fā)器中覆蓋5G和6G通信頻段的基本構(gòu)建模塊。它們的功能概念相當(dāng)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(zhàn)性，特別是當(dāng)寬帶通信標(biāo)準(zhǔn)被推向更高頻率（超過數(shù)百GHz）以改善電信數(shù)據(jù)速率時。"

在超過100 GHz的頻率下，非理想性、器件寄生效應(yīng)和性能需要被仔細(xì)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(tǒng)(MEMS)、半導(dǎo)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(zhuǎn)變材料的憶阻器。

所有這些組件都有其獨特的優(yōu)勢。然而，利用它們開發(fā)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(zhàn)。

研究的第一作者Sebastian Pasos博士說："憶阻器是相對簡單的結(jié)構(gòu)，在金屬電極之間夾著一層絕緣或半導(dǎo)體層（即一個電容器），能夠通過電刺激持續(xù)改變其電阻?；趩螌佣S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(guān)。"

對單層二維材料基憶阻器施加受控應(yīng)力會促使導(dǎo)電金屬絲的形成和破壞。當(dāng)器件處于開啟狀態(tài)時，這種金屬絲會產(chǎn)生非常低的電阻，使操作頻率可達480 GHz。

盡管發(fā)現(xiàn)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(guān)通常存在顯著的局限性。最顯著的是，它們通常表現(xiàn)出有限的耐久性和不確定的產(chǎn)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(lián)開關(guān)架構(gòu)也有應(yīng)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(chǎn)率更高。因此，我們制造了大量布置在RF波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的金屬/h-BN/金屬憶阻器陣列，這種結(jié)構(gòu)允許在高頻下表征器件。"

Lanza和他的同事開發(fā)的多層h-BN RF開關(guān)通過控制h-BN中的一個或多個導(dǎo)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(xì)地向憶阻器施加應(yīng)力電信號（以電壓/電流脈沖的形式）來引發(fā)。

Lanza說："通過化學(xué)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(shù)（~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(guān)，同時將金屬絲的生長限制在這些由高度穩(wěn)定的晶體h-BN包圍的缺陷區(qū)域內(nèi)。"

團隊設(shè)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(yīng)力極性下都可以切換設(shè)備中的電磁信號。

換句話說，團隊的開關(guān)可以用正電壓或負(fù)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(guān)在電路內(nèi)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)使它們易于集成到廣泛的技術(shù)平臺和應(yīng)用中，從單片集成電路到微帶和多層PCB技術(shù)。"

Lanza及其同事最近的研究展示了多層h-BN憶阻器在開發(fā)下一代通信技術(shù)方面的潛力，表明它們可以作為高頻開關(guān)。這些憶阻式RF開關(guān)可能有助于引入未來更快通信的移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如5G和6G。

使用脈沖控制，Lanza和他的同事還能夠在他們的設(shè)備中實現(xiàn)非常低的開啟電阻，這是實現(xiàn)高頻操作的一個關(guān)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(shè)備在切換事件之間表現(xiàn)出色，并在數(shù)百甚至數(shù)千次切換周期后仍保持其性能。

Lanza說："獲得這些結(jié)果對憶阻器來說是一個根本性的挑戰(zhàn)，特別是對于用于RF毫米波應(yīng)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(lián)和并聯(lián)配置的憶阻器排列構(gòu)建RF開關(guān)電路，為這些憶阻器設(shè)備提供了更實用的范圍，這是之前未能實現(xiàn)的。"

"這是在顯示出與成熟的RF開關(guān)技術(shù)（如CMOS開關(guān)或相變憶阻器）具有潛在競爭力的性能的同時實現(xiàn)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(guān)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(shè)備的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，理論上它們應(yīng)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(jīng)展示了h-BN憶阻器可以與CMOS電路集成，在存儲器和神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用方面顯示出有希望的性能結(jié)果。將此進一步擴展到高頻RF/毫米波領(lǐng)域現(xiàn)在將幫助我們構(gòu)建更復(fù)雜的應(yīng)用，充分利用我們設(shè)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(yīng)用。這可以最大化這項技術(shù)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。"