六方氮化硼：似乎是5G RF开关的首选材料

翻译自——spectrum

在金电极之间夹着一层原子薄的六方氮化硼层，可以作为传输5G甚至更高频率的开关。

德克萨斯州的工程师设计了一种类似记忆体的非挥发性的2D六方氮化硼开关

原子数量级的二维材料在很多方面都很有用，但直到两年前，还没有人想到它们能制造出更好的存储设备。Deji Akinwande, Jack Lee和他们在UT Austin的团队尝试了一下。事实证明，把像二硫化钼这样的2D材料夹在两个电极之间就形成了记忆器——一种通过改变电阻存储数据的双端设备。在上周的研究报告中，他们已经证明了这些“原子电阻器”的一个非常重要的潜在应用——模拟射频开关，适用于5G甚至未来的6G无线电。

蜂窝无线电做了很多转换。他们必须在不同频率之间进行切换以防止干扰，还必须在不同相位的信号之间进行切换以控制数据光束。射频开关是一种要求很高的设备，需要一种很难获得的特性组合。快速开关，低电阻，高离阻抗，泄漏小，这是今天的开关所没有的，它们应该在没有电源的情况下保持原位。如果不用开着收音机开关，依靠电池的物联网系统可能会使用更久。这就是新的纳米级原子电阻器开关现在所能做的，不仅是为5G频率，而且也为未来可能的6G频率。

忆阻器通常由两个电极夹在绝缘材料柱(如氧化物材料)中组成。该装置在高电阻状态下启动，阻止电流通过。但是如果将电压提高到足够高的程度，氧就会从氧化物中挤出来，形成一条导电通道。在这种状态下，设备现在很容易通过电流。相反方向的高电压会把氧放回原位，恢复它的电阻。

一层六方的氮化硼形成了纳米级的开关。

由于二维半导体中没有垂直维度来形成导电路径，所以这种情况不会发生。相反，Akinwande的研究小组发现，二维材料晶格中某些自然产生的缺陷会产生这种效果。这些缺陷就是原子的缺失。通常，二维材料的电阻很高，但如果有足够的电压，电极上的金原子会暂时移到空隙中，使材料具有导电性。Akinwande 介绍：“基本上，它就像Airbnb。他们只是在租房子，”一个强大的反向电压会将金阶层推出。

原子反应最初是用二硫化钼作为二维材料发现的。但是对于RF开关来说，当关闭时必须强烈地阻止信号，“你真正需要的是一个绝缘体，”因此，该团队和他们在里尔大学的合作者转向六方氮化硼(hBN)，这是一种被广泛研究的二维绝缘体。

Akinwande：“通常当人们使用hBN时，他们使用了好几层。”但随着时间的推移，他的团队能够用0.3纳米厚的材料层制造出开关。“人们对这一结果感到震惊。“关键是产生hBN时不能有任何大到足以让电流通过的缺陷。“它必须几乎完美。”

RF开关的关键优点在于它的截止频率。它是通态电阻和断态电容的组合，在一个良好的开关中，两者都应该是低的。截止频率的赫兹值表明该设备是射频开关的良好选择，实验的hBN设备得分为129太赫兹。作为测试的一部分，该团队使用100千兆赫的载波频率，以每秒8.5千兆赫的速度传输实时高清视频。他们介绍，这个频率足以满足5G的流媒体需求。在这个数据速率下，几秒钟就可以下载几部电影。他们将研究结果发表在《自然电子》杂志上。

对于5G频率，Akinwande正在探索商业化，以进一步开发纳米级开关。尽管研究设备是在金刚石衬底上使用金电极进行演示的，Akinwande表示制造这些RF开关的过程与代工厂使用的CMOS过程是兼容的。他指出，几所大学和台积电的研究显示，hBN与硅可以集成在一起。

对于6G频率，预计将包括太赫兹范围内的频率(300至3000 GHz)，UT Austin团队正计划进行新的实验室测量。