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微型忆阻型射频开关无需供电可保持工作状态

基于六方氮化硼的微型忆阻型射频开关可在断电后保持工作状态,尺寸仅2微米×2微米,面积仅为传统开关的2.5万分之一。该器件工作频率达100吉赫兹,信号损耗仅0.3分贝,已集成至氮化镓平台并实现衰减器、滤波器等射频电路功能。

先说几个核心判断:射频开关这个“小东西”,正在成为5G/6G芯片里最头疼的瓶颈之一。2G时代一个收发单元只需要4个开关,到了5G可能就要50个甚至上百个——数量一多,芯片面积、成本、功耗全跟着涨。而新加坡国立大学领衔的国际团队,刚刚在《自然》上发了一篇论文,他们用了一种带“记忆”的微型开关,直接把这个问题往前推了一大步。

先搞明白射频开关是干什么用的。它就像无线系统里的交通指挥员,负责决定信号往哪走、走不走。传统开关一断电就“失忆”,每次重新上电都得重新配置,功耗自然降不下来。而这次团队的思路是:把忆阻型射频开关——就是那种能记住自己状态、断电后也不丢配置的器件——塞进通信芯片里。

关键材料是六方氮化硼(hBN),一种二维材料。团队把厚度只有8纳米的hBN薄膜夹在两层金电极之间,当成开关的核心。当施加一个短暂的电脉冲,hBN内部会形成或断裂纳米尺度的导电通道,器件的电阻状态就变了。更妙的是,电脉冲一消失,这个状态还能一直保持下去——这就是所谓的“记忆”能力。

从尺寸上看,差距相当惊人。单个hBN开关只有2微米×2微米,而传统射频开关至少得占0.1平方毫米,换算下来是hBN开关的2.5万倍。团队把这套忆阻开关直接集成到了商用的氮化镓芯片平台上,并进一步实现了可重新配置的单片微波集成电路(MMIC)。测试结果表明,这个器件能在最高100吉赫兹的频率范围内工作——5G的频段完全覆盖,6G探索中的频段也够得着。其中性能最好的串联开关,信号损耗只有0.3分贝。

光有开关还不够,得看能不能跑实际电路。团队把它装进了衰减器、功率分配器和滤波器里。滤波器这边,实现了6吉赫兹的频率调节,证明这玩意儿不仅能当个功能单元用,还能撑起完整的射频电路功能。

下一步的方向也很明确:团队打算直接在氮化镓芯片上生长hBN材料,省掉复杂的转移工序,同时优化电极结构和芯片表面处理来提升器件寿命。另外,他们还会用计算模型辅助设计更大规模的电路,在真正动手制造之前就把性能预测出来。

总的来说,这枚小小的忆阻开关,把射频芯片的尺寸和功耗同时往下压了一截——对于5G和未来6G那种动辄几十上百个开关的系统来说,这个方向值得持续关注。

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