Исследователи Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура (NUS CDE) интегрировали двумерный материал в серийно изготовленные микросхемы на нитриде галлия (GaN) и получили компактные энергонезависимые RF-переключатели. Они рассчитаны на реконфигурируемые радиочастотные тракты 5G и будущих систем 6G.
В передающем и приёмном тракте системы 2G использовалось около четырёх таких переключателей. Для оборудования 5G и будущего 6G может потребоваться от 50 до более чем 100. Их размещение увеличивает площадь, стоимость и энергопотребление радиочастотной части смартфонов, базовых станций и других беспроводных систем.
Международная группа под руководством профессора Марио Ланцы (Mario Lanza) из кафедры материаловедения и инженерии NUS CDE впервые применила мемристивные радиочастотные переключатели для реконфигурации работающих монолитных СВЧ-интегральных схем (MMIC). Переключатели сохраняют установленное состояние без постоянного питания.
Устройства изготовлены из гексагонального нитрида бора (hBN) и интегрированы непосредственно в GaN-микросхемы. В составе экспериментальных схем они регулировали уровень сигнала, перенаправляли его и изменяли полосу пропускания фильтра. Малые размеры освобождают место для других радиочастотных функций, а сохранение состояния снижает мощность, необходимую для удержания конфигурации. По оценке авторов, подход может помочь смартфонам, мобильным сетям и беспилотным автомобилям поддерживать больше беспроводных функций без увеличения размеров и энергопотребления радиотракта. Результаты опубликованы в журнале Nature 8 июля 2026 года.
Как переключатель запоминает состояние
Большинство RF-переключателей в коммерческих микросхемах построены на транзисторах или диодах. Они надёжны, но занимают площадь и обычно требуют постоянного питания для удержания состояния. У мемристивного переключателя электрическое сопротивление можно изменить, после чего оно сохраняется: устройство продолжает пропускать, блокировать или ослаблять сигнал.
Каждый переключатель состоит из слоя hBN толщиной около 8 нм между двумя золотыми электродами. Короткий электрический импульс создаёт или разрывает нанометровый проводящий канал из золота через hBN и тем самым задаёт сопротивление. После окончания импульса электрическое состояние сохраняется.
Размер переключающего элемента hBN составляет 2 × 2 мкм. Для сравнения, обычные переключатели, приведённые в статье исследователей, занимают не менее 0,1 мм² — примерно в 25 000 раз больше площади кристалла. Такая разница может позволить разместить необходимое для 5G и будущего 6G число переключателей без соответствующего увеличения размеров микросхемы.
Исследователи сформировали hBN-переключатели на верхних слоях межсоединений серийно изготовленных GaN-чипов, не затронув находящиеся ниже транзисторные схемы. Затем переключатели подключили к уже имеющимся на кристалле GaN-транзисторам. Они служили драйверами: подавали и ограничивали ток, необходимый для изменения состояния. Таким образом hBN-переключатели можно добавлять к освоенной платформе без переработки нижнего транзисторного слоя.
«Предыдущие исследования показали, что отдельные устройства на hBN способны работать с высокочастотными сигналами. Оставалось выяснить, смогут ли переключатели и управляющая электроника совместно работать в составе практически полезных схем. Наша работа показывает, что они могут функционировать как часть полноценного GaN-чипа».
Профессор Марио Ланца
Испытания в составе микросхем
Переключатели работали на частотах до 100 ГГц, охватывая диапазоны, используемые в 5G и исследуемые для 6G. Лучший последовательный переключатель показал вносимые потери 0,3 дБ, то есть пропускал около 93% мощности сигнала. Для всех устройств, испытанных на частоте 49 ГГц, медианное значение потерь составило 1 дБ. По данным авторов, общие характеристики приблизились к показателям коммерческих решений на материалах с фазовым переходом и превысили ранее опубликованные результаты транзисторных переключателей на GaN и сопоставимых полупроводниковых платформах.
«Устройства сохранили проводящее состояние после двух недель хранения и 24 часов нагрева при 175 °C. Это на 50 °C выше температуры, при которой, согласно более ранним исследованиям, у переключателей на материалах с фазовым переходом возникают проблемы с удержанием состояния».
Доктор Себастьян Пасос (Sebastian Pazos), старший инженер по приборам в группе профессора Ланцы и первый автор статьи
Лучшая пара из переключателя и драйвера выдержала 3250 циклов коммутации. В более ранней работе группы отдельные устройства hBN выдерживали 2000 циклов, а в другом исследовании аналогичных переключателей — 30 циклов.
Команда встроила переключатели в три работающие схемы. Аттенюатор регулировал уровень сигнала, делитель мощности выбирал маршрут сигнала, а фильтр сдвигал полосу пропускаемых частот на 6 ГГц. Испытания подтвердили управление законченными схемными функциями, а не только работу отдельных лабораторных образцов.
Что мешает коммерческому применению
Авторы отмечают две нерешённые инженерные задачи. Перенос hBN на уже готовый кристалл усложняет производство, а ресурс переключателей необходимо увеличить на много порядков, прежде чем технология станет коммерчески применимой.
Следующий этап исследований сосредоточен на интеграции без переноса: слоистый hBN планируют выращивать непосредственно на GaN при температурах, совместимых с производством микросхем. Для повышения долговечности группа предлагает использовать более толстые электроды и более гладкие, планаризованные поверхности GaN. Компьютерное моделирование должно помочь проектировать более крупные схемы и прогнозировать их характеристики до изготовления.