Переключатели на основе материала с фазовым переходом

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.

1. 11 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.2015.7167005

2. Emerging 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-w

3. Торина 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: 10.32603/1993-8985-2023-26-3-6-31

4. Торина Е. М., Кочемасов В. Н., Сафин А. Р. Переключательные pin-диоды // СВЧ-электроника. 2021. № 4. С. 10–18.

5. 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.

6. 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.2013.6474221

7. A 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.2013.6659195

8. 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 / 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/IMS30576.2020.9223973

9. Богословский 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.

10. Bakan 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.304357

11. Innovative 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.hh2016.1

12. Nandy 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.108461

13. Optical 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: 10.1088/1742-6596/1695/1/012075

14. Вишняков 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)-11

15. Low-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: 10.1063/1.4885388

16. 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.

17. 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: 10.1088/0960-1317/27/1/013001

18. Singh 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.2019.8700946

19. Singh 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.2019.2944359

20. Singh 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.2021.3128589

21. RF 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.2019.2946145