体积骤减25000倍！新型高频开关革新5G/6G芯片架构

新加坡国立大学设计与工程学院（NUS CDE）在无线通信技术领域取得重大突破，该院研究人员研发出可用于5G及下一代6G芯片的小型化、低功耗开关器件。NUS CDE的科研团队将二维材料集成至氮化镓微芯片上，成功研制出适配5G、6G通信的高频开关。

如今的智能手机需要处理的无线信号与业务远多于前代产品，基站等移动通信网络后端精密设备、自动驾驶汽车等新兴技术设备也是同理。在这类设备系统内部，射频开关如同交通管控装置，可根据需求导通或阻断信号。2G系统的信号收发单元仅需约4枚此类开关，而5G与下一代6G系统可能需要50枚甚至上百枚。在芯片上集成大量开关，会增大无线硬件的体积、提升成本与功耗。

新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系Mario Lanza教授牵头组建国际科研团队，研发出一种无需持续供电即可锁定工作状态的小型开关。本次研究首次将忆阻射频开关应用于可正常工作的单片微波集成电路（MMIC）——这类芯片集成了多项高频信号处理功能。

该开关以六方氮化硼（hBN）为核心材料，直接集成在氮化镓（GaN）微芯片上，能够调节信号强度、切换信号传输路径、更改滤波器的选通频率。器件占地面积极小，可为芯片预留更多空间搭载其他射频功能；同时断电后仍可维持原有工作状态，降低了维持器件配置所需的功耗。

该技术可应用于手机、移动通信基站、自动驾驶车辆等设备，在无需增大射频硬件体积、不提升硬件功耗的前提下，支持更多无线通信功能。团队相关研究成果已发表在《自然》期刊。

开关的存储记忆原理

商用芯片中的绝大多数射频开关采用晶体管或二极管制成。这类器件可靠性高，但占用芯片面积，且通常需要持续供电才能维持通断状态。忆阻开关的工作原理完全不同：其电阻值可被改写并长期保存，以此实现信号导通、阻断或衰减。

研究人员在两层金电极之间制备一层厚度约8纳米的六方氮化硼薄膜，以此构成单个开关。施加短暂电脉冲，即可在六方氮化硼内部生成或切断纳米级金导电通路，从而设定开关电阻。电脉冲消失后，该导电状态仍可稳定保持，相当于开关能够记住上一次的控制指令。

单个六方氮化硼开关元件尺寸仅2微米×2微米。相比之下，论文中提及的传统开关至少占用0.1平方毫米的芯片面积，占用空间约为新型开关的25000倍。更小的器件体积，能让芯片厂商在不扩大芯片尺寸的前提下，搭载5G、6G系统所需的海量开关器件。

缩小开关体积只是研发难点之一，团队还需要适配芯片原有的控制电路。科研人员将六方氮化硼开关制备在商用氮化镓芯片的上层金属布线区域，完整保留底层晶体管电路，随后将开关与芯片原生氮化镓晶体管相连。这类晶体管作为驱动单元，提供并限制用于切换开关状态的电流。该方案证实，无需重新设计底层晶体管层，就能在成熟芯片平台上集成六方氮化硼开关。

Mario Lanza教授表示：“此前已有研究证实单颗六方氮化硼器件可处理高频信号，但始终未能验证开关与配套控制电路能否在实用化电路中协同工作。我们的研究证明，这类开关可作为完整氮化镓芯片的组成部分稳定运行。”

开关的实际电路应用

该开关的工作频率最高可达100吉赫兹，覆盖现有5G使用频段以及6G正在研发的通信频段。性能最优的串联开关信号损耗仅0.3分贝，约93%的信号功率可正常通过。作为参照，在49吉赫兹测试条件下，所有受试器件的损耗中位值为1分贝。整体性能接近基于相变材料的商用开关，同时优于此前已公开报道、集成在氮化镓及同类半导体平台上的晶体管型开关。

与Mario Lanza教授合作、同时也是本文第一作者的资深器件工程师Sebastian Pazos博士介绍：“器件在常温存放两周、175摄氏度高温持续加热24小时后，仍可稳定维持导通状态。该温度比此前相变开关出现状态保存失效的临界温度高出50摄氏度。”

性能最佳的开关与驱动单元组合可完成3250次通断循环，团队此前研发的独立六方氮化硼器件仅支持2000次循环，另一项同类开关相关研究中的器件仅能完成30次循环。

科研团队将新型开关集成至三套可正常工作的功能电路：衰减器用于调节信号强度、功率分配器用于切换信号传输路径、滤波器可将选通频率偏移6吉赫兹。实验结果证明，该开关可完整控制电路功能，并非仅能在实验室环境下运行的实验器件。

迈向商业化的关键一步

团队指出，目前仍存在两项工程化难题。其一，将六方氮化硼薄膜转移至成品芯片会增加制造工艺复杂度；其二，开关器件的可循环通断次数仍需大幅提升，才能满足商业化量产要求。

团队已启动后续研究，计划直接在氮化镓衬底上制备六方氮化硼薄膜，实现无转移集成，制备温度也将适配现有芯片制造工艺。除此之外，研究人员提出加厚电极、对氮化镓衬底进行平滑平坦化处理等方案，提升开关耐用性。团队同时建议借助计算机仿真模型，提前完成大规模电路设计并预判电路性能，减少流片试错成本。