半导体情报，科学家首次开发射频毫米波段的高性能忆阻器！

【科学背景】

记忆电阻器（memristor）是一种能够在电气应力作用下实现两个或多个非易失性电阻状态的设备，近年来被提出用于解决射频开关的挑战。这种效应最早在1960年代的硒铋合金中被报道，随后在包括金属氧化物和二维层状材料在内的许多其他材料中得到观察。通过改变材料的原子或电子结构，memristor能够实现不同的电阻状态，如高电阻态（HRS）和低电阻态（LRS）。尽管最初主要用于存储应用，memristor目前被提议用于数据加密、能效数据计算（如实现向量矩阵乘法引擎和人工神经网络的电子神经元）、以及射频数据传输开关等领域。

针对射频应用，memristor的主要优势在于其非易失性，无需额外能量来维持其导电状态，与传统的p-i-n二极管开关相比，后者需要大量直流电流来维持其状态。最新的memristor技术基于相变材料，如GeTe或GeSbTe，通过控制加热器来实现晶态和非晶态之间的转变，从而切换设备的HRS和LRS。这些设备在50 GHz的频率下已有工业展示，并且在学术演示中能够达到高达109个循环的耐久性，但其集成到大型电路中需要精细的热设计，并可能引入不需要的寄生电容。

针对RF mmWave应用的多层hBN memristor的开发，沙特阿卜杜拉国王科技大学Mario Lanza教授团队通过使用不同的电极材料展示了多个设备的射频性能和一致性行为。通过一种增强导电性的方法，作者成功地实现了RLRS低于10 Ω（最低可达4.5 Ω），并展示了2,000个循环的耐久性。作者的设备在高达260 GHz的频率下表现出低于2 dB的损耗和超过30 dB的隔离度，从等效电路模型中提取的截止频率为7 THz。此外，作者还报告了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路。

【科学亮点】

（1）首次开发了适用于射频毫米波（mmWave）应用的多层氮化硼（hBN）记忆电阻器。这些电阻器展示了在高达260 GHz频率下的射频性能，并通过不同电极材料验证了其稳定的行为。

（2）通过采用一种新型的导电性增强方法，成功实现了低于10 Ω的低阻态电阻（RLRS），最低可达4.5 Ω。这种方法使得设备能够经受2,000个循环的使用测试，表现出良好的耐久性。

（3）射频性能方面，这些设备展示了在频率高达260 GHz时低于2 dB的插入损耗和超过30 dB的隔离度。通过等效电路模型分析，提取的截止频率高达7 THz，显示出在超高频领域的潜力。

（4）作者还报道了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路，突显了这些记忆电阻器在复杂电路中的实际应用潜力。

【科学图文】

图1： Au-hBN-Au器件的物理和直流特性。

图2：通过脉冲写入-验证协议增强射频RF应用的低阻态low-resistance state，LRS性能。

图3：Au–多层hBN–Au开关的毫米波性能。

【科学结论】

本文开发了多层氮化硼记忆电阻器作为射频毫米波应用中的关键组件。传统射频开关技术在高频率（如120 GHz）下存在插入损耗和隔离度方面的限制，而本研究通过精确控制低阻态电阻，利用脉冲偏置协议实现了9.3 ± 3.7 Ω的优异性能。这种方法不仅提高了射频开关的操作频率，还显著降低了信号传输过程中的能量损失。

此外，作者展示了在21个设备中一致的双极性切换特性，证明了多层氮化硼在记忆电阻器中的可靠性和稳定性。这些成果不仅推动了射频毫米波技术的前沿，还为未来高速数据传输、增强现实和物联网等应用领域提供了新的解决方案。通过这些研究，作者不仅拓展了记忆电阻器在射频领域的应用潜力，还为探索更高频率、更低能耗的射频开关提供了有力支持。

原文详情：Pazos, S., Shen, Y., Zhang, H. et al. Memristive circuits based on multilayer hexagonal boron nitride for millimetre-wave radiofrequency applications. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01192-2