radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2026-29-4-84-98radioelectronics-1207Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSПереключатели на основе материала с фазовым переходомSwitches Based on Phase-Change Materialhttps://orcid.org/0000-0002-4716-2969ТоринаЕ. М.TorinaE. M.

Торина Елена Михайловна – кандидат технических наук (2016), доцент (2026), доцент кафедры фор-мирования и обработки радиосигналов; 

Красноказарменная ул., д. 14, Москва, 111250старший научный сотрудник

Elena M. Torina, Cand. Sci. (Eng.) (2016), Associate Professor (2026), Associate Professor of the Department of Radio Signal Generation and Processing; Senior Researcher

14, Krasnokazarmennaya St., Moscow 111250

dro.em@yandex.ruКочемасовВ. Н.KochemasovV. N.

Кочемасов Виктор Неофидович – кандидат технических наук (1976), генеральный директор

Волгоградский пр., д. 42, Москва, 109316

Victor N. Kochemasov, Cand. Sci. (Eng.) (1976), General Director

42, Volgogradsky Ave., Moscow 109316

kochemasovdv@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6507-6573СафинА. Р.SafinA. R.

Сафин Ансар Ризаевич – доктор физико-математических наук (2024), доцент, профессор РАН, профессор кафедры формирования и обработки радиосигналов; заместитель директора по научной работе

Красноказарменная ул., д. 14, Москва, 111250

Ansar R. Safin, Dr Sci. (Phys.-Math.) (2024), Associate Professor, Professor of RAS, Professor of the Depart-ment of Formation and Processing of Radio Signals; Deputy Director for Research

14, Krasnokazarmennaya St., Moscow 111250

arsafin@gmail.comООО "Радиокомп"; Национальный исследовательский университет "МЭИ"РоссияLLC "Radiokomp"; National Research University "Moscow Power Engineering Institute"Russian FederationООО "Радиокомп"РоссияLLC "Radiokomp"Russian FederationНациональный исследовательский университет "МЭИ"; Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наукРоссияNational Research University "Moscow Power Engineering Institute"; Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of SciencesRussian Federation2026081020262948498Copyright © Торина Е.М., Кочемасов В.Н., Сафин А.Р., 20262026Торина Е.М., Кочемасов В.Н., Сафин А.Р.Torina E.M., Kochemasov V.N., Safin A.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1207

Введение. Высокочастотные переключатели каналов (ПК) на основе материалов с фазовым переходом вскоре могут стать новым доступным типом переключателей на рынке. На данный момент сообщается о ряде лабораторий, которые подошли вплотную к коммерческой реализации. Такие переключатели имеют перспективы по ряду показателей качества и продолжают совершенствоваться.Цель работы. Обзор переключателей на основе материалов с фазовым переходом, возможностей их коммерческой реализации и достижимых параметров.Материалы и методы. Методология включает обзор и сравнительный анализ существующих технологий переключателей, их физических принципов работы и характеристик для систематизации данных из научных публикаций по материалам с фазовым переходом, конструкциям переключателей на основе этих материалов, методам управления и их электрофизическим моделям. Исследование носит теоретико-аналитический характер и преимущественно основано на литературных источниках, опубликованных за последние 10 лет.Результаты. В статье рассмотрен принцип работы, конструкционные особенности, применимые материалы, эквивалентные схемы и достижимые параметры переключателей на материалах с фазовым переходом. Сформулированы их достоинства и недостатки.Заключение. Переключатели на основе материалов с фазовым переходом (PCM) действительно могут стать альтернативой доминирующим сейчас полупроводниковым решениям: они имеют хороший показатель FOM, конкурентные значения уровней изоляции и вносимых потерь, кроме того, являются достаточно миниатюрными и легко интегрируются с КМОП. Результаты, представленные в литературе, демонстрируют высокую степень готовности ПК на PCM к коммерческой реализации. Ограниченный ресурс и большое время переключения пока являются слабыми местами рассмотренных ПК. Тем не менее дальнейшая оптимизация структур позволит увеличить ресурс и улучшить показатели качества таких устройств, что, возможно, приведет к появлению на рынке нового класса переключателей.

Introduction. High-frequency channel switches based on phase-change materials (PCM) may soon become a new, accessible switch technology. Several research laboratories are reportedly close to bringing such devices to the market. These switches show promise in a number of quality metrics and continue to improve.Aim. To review PCM-based switches, their potential for commercial implementation, and achievable parameters.Materials and methods. The research methodology was based on a review and comparative analysis of existing switch technologies, their physical operating principles, and characteristics. The study systematizes data from scientific publications on PCM, switch designs based on these materials, control methods, and their electrophysical models. The research is theoretical and analytical in nature and is primarily based on literature sources published over the past 10 years.Results. The operating principle, design features, applicable materials, equivalent circuits, and achievable parameters of PCM-based switches are discussed. Their advantages and disadvantages are formulated.Conclusion. PCM-based switches have the potential to become an alternative to the currently dominant semiconductor solutions. They offer favorable FOMs, competitive isolation and insertion loss levels, compact dimensions, and straightforward integration with CMOS technology. The results presented in the literature demonstrate a high level of technological maturity of PCM-based switches for commercial implementation. Their main limitations at present are limited endurance and long switching times. Nevertheless, further structural optimization will increase the endurance and improve the quality metrics of such devices, which may lead to the emergence of a new class of switches on the market.

PCMPTMтеллурид германияматериалы с фазовым переходомпереключатели каналовFOMPCMPTMgermanium telluridephase change materialschannel switchesFOMReferences11 THz figure-of-merit phase-change RF switches for reconfigurable wireless front-ends / J.-S. Moon, H.-Ch. Seo, D. Le, H. H. Fung, A. Schmitz, T. C. Oh, S. Kim, K.-A. Son, D. Zehnder, B. Yang // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp., Phoenix, USA, 17–22 May 2015. IEEE, 2015. P. 1–4. doi: 10.1109/MWSYM.2015.7167005Moon J.-S., Seo H.-Ch., Le D., Fung H. H., Schmitz A., Oh T. C., Kim S., Son K.-A., Zehnder D., Yang B. 11 THz Figure-of-Merit Phase-Change RF Switches for Reconfigurable Wireless Front-Ends. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp., Phoenix, USA, 17–22 May 2015. IEEE, 2015, pp. 1–4. doi: 10.1109/MWSYM.2015.7167005Emerging memory electronics for non-volatile radiofrequency switching technologies / D. Kim, S. J. Yang, N. Wainstein, S. Skrzypczak, G. Ducournau, E. Pallecchi, H. Happy, E. Yalon, M. Kim, D. Akinwande // Nature Reviews Electrical Engineering. 2024. Vol. 1, № 1. P. 10–23. doi: 10.1038/s44287-023-00001-wKim D., Yang S. J., Wainstein N., Skrzypczak S., Ducournau G., Pallecchi E., Happy H., Yalon E., Kim M., Akinwande D. Emerging Memory Electronics for Non- Volatile Radiofrequency Switching Technologies. Nature Reviews Electrical Engineering. 2024, vol. 1, no. 1, pp. 10–23. doi: 10.1038/s44287-023-00001-wТорина Е. М., Кочемасов В. Н., Сафин А. Р. Транзисторы для твердотельных СВЧ-переключателей (обзор) // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 3. С. 6–31. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-3-6-31Torina E. M., Kochemasov V. N., Safin A. R. Transistors for Solid-State Microwave Switches (Review). J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2023, vol. 26, no. 3, pp. 6–31. (In Russ.)Торина Е. М., Кочемасов В. Н., Сафин А. Р. Переключательные pin-диоды // СВЧ-электроника. 2021. № 4. С. 10–18.Torina E. M., Kochemasov V. N., Safin A. R. Switching PIN Diodes. Microwave Electronics. 2021, no. 4, pp. 10–18. (In Russ.)Кочемасов В., Торина Е., Сафин А. МЭМС-переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов. Ч. 1–3 // Электроника: наука, технология, бизнес. 2024. Вып. 4–6. С. 76–84; 86–96; 88–97.Kochemasov V., Torina E., Safin A. MEMS Switches for RF/Microwave Signals. Electronics: Science, Technology, Business. 2024, iss. 4–6, pp. 76–84; 86–96; 88–97. (In Russ.)Shim Y., Hummel G., Rais-Zadeh M. RF switches using phase change materials // IEEE 26th Intern. Conf. on Micro Electro Mechanical Systems, Taipei, Taiwan, 20–24 Jan. 2013. IEEE, 2013. P. 237–240. doi: 10.1109/MEMSYS.2013.6474221Shim Y., Hummel G., Rais-Zadeh M. RF Switches Using Phase Change Materials. IEEE 26th Intern. Conf. on Micro Electro Mechanical Systems, Taipei, Taiwan, 20–24 Jan. 2013. IEEE, 2013, pp. 237–240. doi: 10.1109/MEMSYS.2013.6474221A 7.3 THz cut-off frequency, inline, chalcogenide phase-change RF switch using an independent resistive heater for thermal actuation / N. El-Hinnawy, P. Borodulin, B. Wagner, M. R. King, J. S. Mason, E. B. Jones, V. Veliadis, R. S. Howell, R. M. Young, M. J. Lee // IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp., Monterey, USA, 13–16 Oct. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/CSICS.2013.6659195El-Hinnawy N., Borodulin P., Wagner B., King M. R., Mason J. S., Jones E. B., Veliadis V., Howell R. S., Young R. M., Lee M. J. A 7.3 THz Cut-Off Frequency, Inline, Chalcogenide Phase-Change RF Switch Using an Independent Resistive Heater For Thermal Actuation. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp., Monterey, USA, 13–16 Oct. 2013. IEEE, 2013, pp. 1–4. doi: 10.1109/CSICS.2013.6659195A 25 THz FCO (6.3 fs Ron·Coff) Phase-Change Material RF Switch Fabricated in a High Volume Manufacturing Environment with Demonstrated Cycling > 1 Billion Times / N. El-Hinnawy, G. Slovin, J. Rose, D. Howard // IEEE/MTT-S Intern. Microwave Symp., Los Angeles, USA, 04–06 Aug. 2020. IEEE, 2020. P. 45–48. doi: 10.1109/IMS30576.2020.9223973El-Hinnawy N., Slovin G., Rose J., Howard D. A 25 THz FCO (6.3 fs Ron·Coff) Phase-Change Material RF Switch Fabricated in a High Volume Manufacturing Environment with Demonstrated Cycling > 1 Billion Times. 2020 IEEE/MTT-S Intern. Microwave Symp., Los Angeles, USA, 04–06 Aug. 2020. IEEE, 2020, pp. 45–48. doi: 10.1109/IMS30576.2020.9223973Богословский Н. А., Цэндин К. Д. Физика эффектов переключения и памяти в халькогенидных стеклообразных полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46, № 5. С. 577–608.Bogoslovskiy N. A., Tsendin K. D. Physics of Switching and Memory Effects in Chalcogenide Glassy Semiconductors. Semiconductors. 2012, vol. 46, pp. 577–608. doi: 10.1134/S1063782612050065Bakan G. Electrothermal characterization of phase-change films and devices // Anadolu University J. of Science and Technology A-Applied Sciences and Engineering. 2017. Vol. 18, № 5. P. 1057–1065. doi: 10.18038/aubtda.304357Bakan G. Electrothermal Characterization of Phase-Change Films and Devices. Anadolu University J. of Science and Technology A-Applied Sciences and Engineering. 2017, vol. 18, no. 5, pp. 1057–1065. doi: 10.18038/aubtda.304357Innovative switching technologies for future tunable wireless communications systems / P. Blondy, K. Nadaud, A. Crunteanu, A. Mennai // IEEE Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop (Hilton Head), June 2016, Hilton Head Island, SC. P. 1–4. doi: 10.31438/trf.hh2016.1Blondy P., Nadaud K., Crunteanu A., Mennai A. Innovative Switching Technologies for Future Tunable Wireless Communications Systems. IEEE Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop (Hilton Head), June 2016, Hilton Head Island, SC, pp. 1–4. doi: 10.31438/trf.hh2016.1Nandy T., Anwar F., Coutu Jr R. A. Germanium Telluride: A Chalcogenide Phase Change Material with Many Possibilities // Phase Change Materials-Technology and Applications. London: IntechOpen, 2022. P. 1–14. doi: 10.5772/intechopen.108461Nandy T., Anwar F., Coutu Jr R. A. Germanium Telluride: A Chalcogenide Phase Change Material with Many Possibilities. Phase Change Materials- Technology and Applications. London, IntechOpen, 2022, pp. 1–14. doi: 10.5772/intechopen.108461Optical switching in multilayer structures based on Ge2Sb2Te5 / N. Tolkach, N. V. Vishnyakov, P. I. Lazarenko, A. A. Sherchenkov, A. U. Sudakova, D. R. Nazimov // J. of Physics. 2020. Vol. 1695. Art. № 012075. doi: 10.1088/1742-6596/1695/1/012075Tolkach N., Vishnyakov N. V., Lazarenko P. I., Sherchenkov A. A., Sudakova A. U., Nazimov D. R. Optical Switching in Multilayer Structures Based on Ge2Sb2Te5. J. of Physics. 2020, vol. 1695, art. no. 012075. doi: 10.1088/1742-6596/1695/1/012075Вишняков Н. В., Вихров С. П., Толкач Н. М. Комплексная локальная диагностика тонкопленочной GST-структуры с фазовыми переходами // Радиотехника. 2019. Т. 83, № 11 (18). C. 80–87. doi: 10.18127/j00338486-201911(18)-11Vishnyakov N. V., Vikhrov S. P., Tolkach N. M. Comprehensive Local Diagnostics of a Thin-Film GST Structure with Phase Transitions. J. Radioengineering. 2019, vol. 83, no. 11 (18), pp. 80–87. (In Russ.) doi: 10.18127/j00338486-201911(18)-11Low-loss latching microwave switch using thermally pulsed non-volatile chalcogenide phase change materials / N. El-Hinnawy, P. Borodulin, B. Wagner, M. R. King, E. B. Jones, R. S. Howell, M. J. Lee, R. M. Young // Appl. Physics Let. 2014. Vol. 105. Art. № 013501. doi: 10.1063/1.4885388El-Hinnawy N., Borodulin P., Wagner B., King M. R., Jones E. B., Howell R. S., Lee M. J., Young R. M. Low-Loss Latching Microwave Switch Using Thermally Pulsed Non-Volatile Chalcogenide Phase Change Materials. Appl. Physics Let. 2014, vol. 105, art. no. 013501. doi: 10.1063/1.4885388Wang M., Lin F., Rais-Zadeh M. Comparison and analysis of structures of GeTe based phase change RF switches and modeling for power handling capability // GOMACTech 2015: Government Microcircuit Applications & Critical Technology Conf., St Louis, MO, USA, 23–26 March 2015. 4 p.Wang M., Lin F., Rais-Zadeh M. Comparison and Analysis of Structures of GeTe Based Phase Change RF Switches and Modeling for Power Handling Capability. GOMACTech 2015: Government Microcircuit Applications & Critical Technology Conf., St Louis, MO, USA, 23–26 March 2015, 4 p.Wang M., Rais-Zadeh M. Development and evaluation of germanium telluride phase change material based ohmic switches for RF applications // J. of Micromechanics and Microengineering. 2016. Vol. 27, № 1. Art. № 013001. doi: 10.1088/0960-1317/27/1/013001Wang M., Rais-Zadeh M. Development and Evaluation of Germanium Telluride Phase Change Material Based Ohmic Switches for RF Applications. J. of Micromechanics and Microengineering. 2016, vol. 27, no. 1, art. no. 013001. doi: 10.1088/0960-1317/27/1/013001Singh T., Mansour R. R. Monolithic PCM based miniaturized T-type RF switch for millimeter wave redundancy switch matrix applications // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp., Boston, USA, 02–07 June 2019. IEEE, 2019. P. 658–660. doi: 10.1109/MWSYM.2019.8700946Singh T., Mansour R. R. Monolithic PCM Based Miniaturized T-type RF Switch for Millimeter Wave Redundancy Switch Matrix Applications. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp., Boston, USA, 02–07 June 2019. IEEE, 2019, pp. 658–660. doi: 10.1109/MWSYM.2019.8700946Singh T., Mansour R. R. Miniaturized DC–60 GHz RF PCM GeTe-based monolithically integrated redundancy switch matrix using T-type switching unit cells // IEEE Trans. on microwave theory and techniques. 2019. Vol. 67, № 12. P. 5181–5190. doi: 10.1109/TMTT.2019.2944359Singh T., Mansour R. R. Miniaturized DC–60 GHz RF PCM GeTe-Based Monolithically Integrated Redundancy Switch Matrix Using T-Type Switching Unit Cells. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2019, vol. 67, no. 12, pp. 5181–5190. doi: 10.1109/TMTT.2019.2944359Singh T., Mansour R. R. Ultra-Compact Phase-Change GeTe-Based Scalable mmWave Latching Crossbar Switch Matrices // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2021. Vol. 70, № 1. P. 938–949. doi: 10.1109/TMTT.2021.3128589Singh T., Mansour R. R. Ultra-Compact Phase-Change GeTe-Based Scalable mmWave Latching Crossbar Switch Matrices. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2021, vol. 70, no. 1, pp. 938–949. doi: 10.1109/TMTT.2021.3128589RF Power-Handling performance for direct actuation of germanium telluride switches / A. Leon, B. Reig, E. Perret, F. Podevin, D. Saint-Patrice, V. Puyal, J. Lugo-Alvarez, P. Ferrari // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2020. Vol. 68, № 1. P. 60–73. doi: 10.1109/TMTT.2019.2946145Leon A., Reig B., Perret E., Podevin F., Saint-Patrice D., Puyal V., Lugo-Alvarez J., Ferrari P. RF Pow er-Handling Performance for Direct Actuation of Germanium Telluride Switches. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2020, vol. 68, no. 1, pp. 60–73. doi: 10.1109/TMTT.2019.2946145

The authors declare that there are no conflicts of interest present.