这篇文章是一篇关于非挥发性射频（RF）开关技术的综述文章，发表在《Nature Reviews Electrical Engineering》2024年1月的期刊上。文章详细介绍了新兴的基于记忆电子技术的RF开关技术，特别是在二维（2D）材料方面的进展。
第一部分：引言
背景介绍
引言部分首先设定了射频（RF）开关在现代通信系统中的背景，强调了它们在蜂窝网络、卫星通信和雷达系统等技术中的普遍应用。RF开关的主要职责是控制射频信号，允许多路信号被选择性地路由或在电路中连接与断开。随着无线通信技术的快速发展，尤其是5G和即将到来的6G技术，对RF开关的性能要求也在不断提高。
技术挑战与需求
作者指出，尽管当前的通信系统普遍使用晶体管RF开关，但受限于对高速、高可靠性和高能效设备的需求，研究者们正在探索基于非挥发性开关物理的替代材料和设备。这些非挥发性RF开关能够在无电源状态下保持其开关状态，从而在待机期间实现零静态能耗，这对于电池供电的移动系统来说是一个显著的优势。
非挥发性RF开关的优势
文章进一步讨论了非挥发性RF开关的潜在优势，包括在高频操作中的低插入损耗和高隔离度。与传统的基于PIN二极管或场效应晶体管（FET）的挥发性RF开关相比，非挥发性RF开关不需要在开关状态间持续消耗静态能量，这对于延长设备的电池寿命和降低总体能耗至关重要。
2D材料的兴起
引言部分还强调了二维（2D）材料在RF开关技术中的潜力。2D材料，如石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）和六方氮化硼（hBN），因其独特的电气和机械属性，被认为是制造下一代RF开关的理想选择。这些材料不仅具有高度的可扩展性和兼容性，还能实现更高的开关速度和更低的功耗。
研究目标与方向
文章最后在引言部分提出了研究的目标和方向，即探索基于新兴记忆技术的RF开关，如随机存取存储器（RAM）、导电桥随机存取存储器（CBRAM）和相变存储器（PCM）。作者概述了文章的主要内容，包括对这些技术的详细介绍，以及它们在高频性能、开关时间、功耗和热管理方面的研究进展。
图 1：3D 集成射频 (RF) 前端和 RF 开关的集总模型。
第二部分：非2D非挥发性RF开关
非挥发性存储器技术概述
文章的第二部分深入探讨了非2D非挥发性存储器技术在RF开关应用中的潜力。非挥发性存储器技术，如ReRAM、CBRAM和PCM，因其能够在断电后保持数据状态而受到关注。这些技术在RF开关领域的应用，主要得益于它们在降低能耗和提高性能方面的潜力。
ReRAM技术
ReRAM，或电阻随机存取存储器，是一种利用金属-绝缘体-金属（MIM）结构的非挥发性存储器。ReRAM的开关机制基于氧空位的形成和重组，这要求一个相对较高的电形成电压来生成由氧空位组成的导电路径。文章讨论了ReRAM在RF开关应用中的挑战，包括高的电形成电压和ON态电阻。尽管如此，ReRAM设备因其低功耗和快速开关速度而被研究作为能量效率高的存储器和神经形态计算组件。
CBRAM技术
CBRAM，或导电桥随机存取存储器，也是一种MIM结构的电化学金属化存储器。CBRAM通过电场诱导活性金属电极形成金属丝，从而将设备设置为低电阻状态（LRS）。CBRAM设备以其高开关比、低开关电压、快速开关速度和长保持时间而受到关注。文章还讨论了CBRAM在RF开关设计中的挑战，包括金属丝的不稳定性以及电极氧化的风险。
PCM技术
PCM，或相变存储器，是基于硫化物化合物的非挥发性存储器家族。PCM通过电激活脉冲实现晶态和非晶态之间的可逆相变。文章讨论了PCM RF开关的设计，包括终端数量和加热方法。PCM RF开关因其在高功率处理能力、耐久性和保持时间方面的成熟技术而被认为具有工业应用潜力。
性能比较与集成
文章还比较了ReRAM、CBRAM和PCM开关与传统的晶体管、二极管和MEMS开关的性能。此外，讨论了这些非挥发性RF开关与硅互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术的集成潜力，以及它们在连接电路中的应用。
图2：各种射频开关技术的说明和性能比较。
第三部分：二维非挥发性阻变存储器（NVRS）
2D材料的特性与应用
文章的第三部分专注于二维（2D）材料在非挥发性阻变存储器（NVRS）中的应用。2D材料，如石墨烯氧化物、黑磷、过渡金属硫族化合物（TMDs）和六方氮化硼（hBN），因其独特的物理和化学特性而被广泛研究。这些材料的原子级薄度为实现高密度存储器提供了可能性，同时它们的稳定性和可调谐的带隙为非挥发性存储提供了理想的平台。
NVRS的工作原理
NVRS设备能够在没有电源供应的情况下保持其电阻状态，这主要得益于2D材料的稳定性和非挥发性。文章详细讨论了NVRS在2D材料中的工作原理，包括在金属-绝缘体-金属（MIM）结构中，通过电压脉冲实现高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS）之间的切换。
2D材料的NVRS优势
作者强调了2D材料在NVRS应用中的优势，包括高开关速度、低功耗、良好的循环稳定性和CMOS兼容性。2D材料的这些特性使得它们在高性能RF开关和其他电子器件中具有广泛的应用潜力。
2D材料的挑战与优化
尽管2D材料在NVRS中显示出巨大潜力，但它们在实际应用中仍面临一些挑战。例如，2D材料的合成和转移过程需要精确控制以确保质量和一致性。此外，2D材料的集成过程必须与现有的半导体制造工艺兼容。文章讨论了如何通过材料选择、结构设计和制造技术的进步来克服这些挑战。
2D材料的NVRS器件性能
文章还详细分析了基于2D材料的NVRS器件的性能，包括它们的开关速度、保持时间和循环耐久性。作者比较了不同2D材料的NVRS特性，并讨论了如何通过材料工程和器件设计来优化这些性能。
2D材料的RF开关应用
特别地，文章探讨了2D材料在RF开关中的应用，包括它们在高频通信系统中的潜力。2D材料的低插入损耗和高隔离度使其成为RF开关的理想选择。作者讨论了2D材料RF开关的设计和制造，以及它们在实际系统中的性能表现。
未来研究方向
最后，文章概述了2D材料在NVRS和RF开关领域的未来研究方向。这些方向包括提高2D材料的合成和转移技术、开发新的2D材料和异质结构、以及探索2D材料在新型存储和逻辑器件中的应用。
第四部分：二维RF开关
在第四部分，文章深入探讨了基于二维（2D）材料的射频（RF）开关技术。这些2D材料，如单层过渡金属硫族化合物（TMDs）和六方氮化硼（hBN），因其独特的电子性质和非挥发性特性，被认为是制造下一代RF开关的理想候选材料。
2D材料的RF开关设计
文章首先介绍了2D RF开关的设计原理，包括其垂直金属-绝缘体-金属（MIM）结构。这种结构利用了2D材料的天然带隙和原子级薄度，实现了低功耗和高速开关。作者详细讨论了2D材料的RF开关在制造过程中的挑战，如精确控制材料的厚度和质量，以及与现有CMOS工艺的兼容性。
高频性能
接着，文章分析了2D RF开关的高频性能。通过使用矢量网络分析仪测量S参数，研究人员能够评估2D RF开关在高达480 GHz频率下的插入损耗和隔离度。文章强调了2D材料在实现高截止频率方面的潜力，这对于满足未来6G通信标准至关重要。
开关时间和功耗
文章还讨论了2D RF开关的开关时间，这是衡量其性能的另一个关键指标。2D材料的RF开关展现出了比传统RF开关更快的开关速度，这归功于其低电容和高电子迁移率。此外，2D材料的非挥发性特性意味着它们在待机状态下不消耗静态功率，这对于电池供电的移动设备来说是一个显著优势。
电磁和热模拟
为了全面评估2D RF开关的性能，文章还涉及了电磁和热模拟研究。这些模拟有助于理解开关在高频操作下的电磁行为，以及在高功率条件下的热管理问题。通过优化设计，2D RF开关能够实现高效的热耗散，这对于保持设备的稳定性和可靠性至关重要。
系统集成和应用
文章进一步探讨了2D RF开关在实际系统中的集成问题。作者讨论了如何将2D RF开关与硅CMOS技术集成，以及它们在数据通信系统中的应用潜力。特别地，文章提到了2D RF开关在多输入多输出（MIMO）系统中的使用，以及它们在提高系统容量和降低能耗方面的潜力。
挑战和未来方向
最后，文章指出了2D RF开关技术面临的挑战，并提出了未来研究的方向。这些挑战包括提高开关的耐久性、实现更高的功率处理能力，以及优化2D材料的合成和转移技术。文章强调了进一步研究的重要性，以便充分利用2D材料在RF开关应用中的潜力。
图 5：2D 射频开关的多输入和多输出、保持力、缩放和热特性。
第五部分：非挥发性RF开关技术的应用
第五部分深入探讨了非挥发性RF开关技术在现代通信系统中的多种潜在应用。这些应用领域包括但不限于移动通信、卫星通信、雷达系统以及新兴的6G技术。非挥发性RF开关因其独特的零静态能耗特性，为这些领域提供了显著的性能优势和设计灵活性。
6G数据通信
文章首先聚焦于6G数据通信，这是下一代无线通信技术的代表，预计将提供更高的数据速率、更低的延迟和更高的连接密度。非挥发性RF开关在实现6G网络的高速和低延迟要求中扮演着关键角色。作者讨论了非挥发性RF开关在支持高阶调制方案（如QAM64）和实现高数据速率传输（如100 Gbit/s）方面的潜力。
RF前端系统
随着移动设备的普及，对支持更广泛RF标准的需求不断增长，这包括5G、6G以及卫星通信。认知无线电系统作为一种解决方案，能够动态重配收发器以适应频谱的空闲部分。在这些系统中，RF开关的高隔离度对于防止信号干扰和提高系统性能至关重要。文章讨论了非挥发性RF开关在实现可重构无线电系统中的定制RF功能和多无线通信标准共存方面的应用。
可调谐元件
非挥发性RF开关还可以用于实现可调谐的RF元件，如可调谐滤波器、振荡器和阻抗匹配电路。文章探讨了使用非挥发性RF开关来调整电路元件参数的可能性，例如通过改变电感器的有效长度来调整其电感值。
相控阵天线
相控阵天线系统是另一种重要的应用，它利用多个天线元件的相位差来控制信号的辐射方向。非挥发性RF开关可以集成到这些系统中，以实现精确的相位控制和波束成形。文章讨论了非挥发性RF开关在提高相控阵天线系统的性能和灵活性方面的潜力。
低噪声放大器（LNA）
LNA是无线通信系统中的关键组件，它们通常位于天线之后，用于放大接收到的信号。非挥发性RF开关可以用于实现多频段LNA，以覆盖不同的通信频带。文章讨论了非挥发性RF开关在提高LNA性能和实现多频段操作方面的应用。
电压控制振荡器（VCO）
VCO是RF前端的另一个关键组件，用于生成多种载波频率。非挥发性RF开关可以用于实现VCO的调谐，通过改变电路的电感或电容来调整振荡频率。文章探讨了非挥发性RF开关在提高VCO性能和灵活性方面的潜力。
图 6：2D 射频开关的数据通信特性。
第六部分：结论和展望
在文章的第六部分，作者提供了对当前2D RF开关技术发展的总结，并对未来研究方向和潜在应用进行了展望。这一部分是整篇综述文章的收尾，旨在强调2D RF开关技术的重要性，并指出实现其商业化和大规模部署所需的进一步研究。
当前技术进展
作者首先回顾了2D RF开关技术的主要进展，包括在高频性能、低功耗操作、以及与CMOS技术的兼容性方面的成就。文章强调了2D材料在实现高性能RF开关方面的潜力，尤其是在满足未来6G通信技术要求方面。
面临的挑战
接着，文章详细讨论了2D RF开关技术面临的挑战。这些挑战包括提高开关的耐久性、增强功率处理能力、以及改善2D材料的合成和转移技术。作者指出，尽管2D RF开关在实验室环境中表现出色，但在实际应用中仍需解决稳定性和可靠性问题。
未来研究方向
文章提出了未来研究的方向，包括开发新的2D材料、优化现有材料的合成过程、以及改进2D RF开关的制造工艺。此外，作者还强调了对2D材料的物理特性和开关机制进行更深入研究的必要性，以便更好地理解和利用这些材料的特性。
6G通信技术的集成
作者特别强调了2D RF开关技术在6G通信技术中的潜在应用。随着6G技术的发展，对高频率、高数据速率和低延迟的需求将推动2D RF开关技术的进一步发展。文章讨论了如何将2D RF开关技术与6G通信系统集成，以及在实现这一目标过程中可能遇到的技术障碍。
工业应用的潜力
文章还探讨了2D RF开关技术在工业应用中的潜力，包括在卫星通信、雷达系统和物联网（IoT）设备中的应用。作者讨论了这些应用对RF开关性能的具体要求，以及2D RF开关如何满足这些要求。
结论
最后，文章总结了2D RF开关技术的优势和挑战，并对未来的发展前景持乐观态度。作者认为，通过持续的研究和开发，2D RF开关技术有望在未来的无线通信系统中发挥关键作用。
