忆阻射频开关在毫米波应用中表现出更好的性能

Josiah02

　　射频 (RF) 开关是控制不同电路段之间射频信号路由的电子元件，例如打开或关闭信号或重定向信号。这些开关是智能手机、手机信号塔和无线网络等众多通信技术运行的核心。
　　阿卜杜拉国王科技大学、巴塞罗那自治大学和其他机构的研究人员最近开发出了一种忆阻射频开关，可在 100 GHz 以上的惊人频率下工作。这些开关发表在《自然电子学》杂志上，可能有助于提高现有通信设备的数据传输速率。
　　研究人员开发的射频开关基于忆阻器，这是一种双端电子设备，在受到精心设计的电应力后，其电阻会发生变化。忆阻器本质上充当开关，可根据需要在关闭状态（即高电阻阻止电流流动）和开启状态（即低电阻允许电流流动）之间切换。
　　该论文的主要作者 Mario Lanza 告诉 Tech Xplore：“用于毫米波 (mmWave) 应用的射频数据传输开关是覆盖 5G 和 6G 通信频段的现代无线收发器的基本构建模块。”
　　“其功能概念相当简单：它们在 (i) 阻止来自电路不同部分的高频信号（隔离）和 (ii) 以尽可能少的功率损耗传输信号之间切换。这听起来可能很简单，但实际上非常具有挑战性，特别是当宽带通信标准被推向更高的频率（超过数百 GHz）以​​提高电信数据速率时。”
　　在 100 GHz 以上的频率下，需要仔细综合考虑非理想性、器件寄生效应和性能，才能获得可接受的性能。这些需求由集成电路 (IC) 内的不同组件来满足，包括微机电系统 (MEMS)、晶体管、二极管或变容二极管等半导体器件，以及最近基于金属-绝缘体过渡材料的忆阻器。
　　所有这些元件都有其独特的优势。然而，利用它们开发可在 100Gz 以上频率下运行的无线通信解决方案迄今为止极具挑战性。
　　该研究的第一作者塞巴斯蒂安帕索斯博士说：“忆阻器的结构相对简单，在金属电极（即电容器）之间夹有一层绝缘层或半导体层，能够通过电刺激持续切换其电阻。”
　　“由单层二维材料制成的忆阻器——例如六方氮化硼（h-BN）或二硫化钼（MoS2 ） ——已被探索用作射频开关。”
　　对基于单层 2D 材料的忆阻器施加受控应力会促使导电金属丝的形成和断裂。当器件处于开启状态时，该金属丝的电阻非常低，从而实现高达 480 GHz 的工作频率。
　　虽然人们发现基于单层二维材料的忆阻射频开关能够达到理想的工作频率，但它们往往存在很大的局限性。最明显的是，它们通常具有有限的耐久性和不明确的产量，而且在不同设备和周期中产量可能会有很大差异。
　　“通常研究的简单串联开关架构的适用性也有限，”Pazos 说。“为了解决耐久性和可变性问题，我们考虑使用多层 h-BN（而不是单层），过去我们曾使用多层 h-BN 获得更高的忆阻器产量。因此，我们制造了大型金属/h-BN/金属忆阻器阵列，这些阵列布置在 RF 波导结构上，可以在高频下表征设备。”
　　Lanza 及其同事开发的多层 h-BN RF 开关通过控制 h-BN 上的一个或多个导电细丝来运行。通过以电压/电流脉冲的形式向忆阻器小心地施加应力电信号，可以促进这些细丝的形成、生长和逐渐破坏。
　　Lanza 表示：“通过化学气相沉积（CVD）制备的多层 h-BN 具有良好的绝缘性能，介电常数相对较低（~4）。”
　　“这种绝缘体的一个独特特性是存在缺陷簇，这些缺陷簇通过金属离子的迁移促进丝状电阻开关，同时限制丝状体的生长在这些被高度稳定的晶体h-BN包围的缺陷区域内。”
　　该团队的设备中形成的金属丝可以通过电流通过焦耳加热过程而中断。这使得设备能够在任何应力极性下切换电磁信号。
　　换句话说，该团队的开关可以用正电压或负电压操作，也可以通过正负电压的组合来操作，而其他忆阻器则只能在施加两种极性电压时才能工作。这可以促进新型忆阻射频开关在电路中的集成，因为它简化了它们的操作。
　　“事实上，由于 h-BN 具有独特的性质，使得 h-BN 在忆阻结构中成为一种几乎呈惰性的绝缘体（使金属离子能够自由迁移，而不会与金属电极交换氧气等其他离子），因此细丝是金属的，这使其具有非常低的导通电阻，从而在高达 120 GHz 的频率下实现非常低的功率损耗（<1 dB），”Lanza 解释道。
　　“此外，它们的金属-绝缘体-金属夹层简单结构使其易于集成到各种技术平台和应用中，从单片集成电路到微带和多层 PCB 技术。”
　　Lanza 及其同事最近的研究展示了多层 h-BN 忆阻器在开发下一代通信技术方面的潜力，表明它们可以用作高频开关。这些忆阻射频开关可能有助于引入未来的移动网络标准，以实现更快的通信，例如 5G 和 6G。
　　利用脉冲控制，Lanza 及其同事还能够在器件中实现非常低的导通电阻，这是实现高频操作的关键要求。这种有希望的低导通电阻还伴随着有限的周期间变化，这意味着该团队的器件在开关事件之间表现非常出色，并且在数百甚至数千次开关循环后仍能保持其性能。
　　Lanza 表示：“获得这些结果对于一般的忆阻器来说是一个根本挑战，特别是对于用于射频毫米波应用的基于二维材料的忆阻器来说。”
　　“事实上，我们报告称，与之前的努力相比，该技术至少提高了 10 倍。此外，通过串联和分流配置的忆阻器来构建射频开关电路，为这些忆阻设备提供了以前从未实现过的更实用的范围。
　　“实现这一目标的同时，还展示了与成熟的射频开关技术（如 CMOS 开关或相变忆阻器）具有潜在竞争力的性能，但频率要高得多，超过 200 GHz。”
　　该研究团队推出的新型忆阻射频开关很快就能集成到各种 IC 中，以进一步评估其性能和实际潜力。这些有前途的设备的一个关键优势是，它们理论上应该很容易与成熟的电子和制造工艺集成。
　　Lanza 补充道：“我们在之前的工作中已经证明，h-BN 忆阻器可以与 CMOS 电路集成，并在记忆和神经形态应用方面获得良好的性能结果。”
　　“将其进一步扩展到高频 RF/mmWave 领域现在将帮助我们构建更复杂的应用程序，以充分发挥我们设备的潜力，进一步提高其可靠性，并使我们更接近现实世界的应用。这可以最大限度地发挥这项技术的影响力，并为下一代 mmWave 电路提供可能的解决方案，例如可配置的高频通信电路、组件和片上天线阵列。”