以下文章来源于研精究微 ，作者研精究微
一、研究背景
微波射频开关在雷达、遥感、国土安全等军用领域以及民用通信系统中发挥着越来越重要的作用。为了实现传输信号通道的切换，信号收发的转换和高速雷达多波束的扫描，对射频开关的综合性能要求越来越高。因此，开展射频开关器件及其核心材料的研究至关重要。近年来，硫属化合物相变材料在射频开关领域的应用已经成为新的研究热点。与基于固态或MEMS技术的射频开关相比，相变射频开关具有良好的可扩展性、插入损耗低、截止频率高、开关速度快、功耗低和线性度良好等优点。以上优点使得相变射频开关在下一代新型毫米波可重构射频器件与子系统领域中具有强大的应用前景。
二、成果介绍
近日，华东师范大学物理与电子科学学院胡志高教授团队和上海交通大学电子信息与电气工程学院吴林晟教授等人开展了用于射频信号传输的相变开关的研究，设计了一种由Ag导电细丝作为加热器的二端口直接加热型GeTe相变射频开关，其中“开”的能耗可低至19.2 nJ，截止频率高达15 THz。Ag导电细丝在高电流密度下产生局部焦耳热，同时Ag导电细丝加热器极大地减少了底电极和GeTe的接触面积，从而有效地减少了通过底电极的热损失。导电细丝加热器可以将热量有效地传递到GeTe使其发生相变，从而完成开关在射频电路中“开”和“关”的操作，最终实现射频信号的导通与截止。该开关结构在有效保证射频传输的基础上兼顾热传输性能，达到了优化具有低功耗优势的直接加热型相变射频开关的目的。该研究为此后设计二端口直接加热型相变射频开关提供一种新型的加热结构。相关成果以“Low Energy Consumption GeTe Phase-Change Radio Frequency Switch with Direct Heating of Conductive Filament”为题发表在国际著名学术期刊《IEEE Electron Device Letters》上，论文通讯作者是华东师范大学物理与电子科学学院胡志高教授和上海交通大学电子信息与电气工程学院吴林晟教授，第一作者是华东师范大学物理与电子科学学院博士研究生侯张晨。
上述工作受到国家自然科学基金项目以及上海市科委基础研究重点项目的资助。
三、图文导读
图1 （a）CF-PC射频开关的截面和制造工艺描述。（b）CF-PC射频开关的俯视图。（c）非晶GeTe薄膜电阻的R-T图。（d）使用COMSOL Multiphysics模拟CF-PC射频开关的局部温度分布。（e）CF-PC射频开关的工作机理。
该工作利用电子束刻蚀技术自下而上制备了由Ag导电细丝作为加热器的二端口直接加热型GeTe相变射频开关，开关的工作机理示意性地描述在图1中。Ag导电细丝在高电流密度作用下产生局部焦耳热，导致温度快速上升，且有效地减少了通过底电极的热损失。当施加脉冲电压时，电流密度高度集中在导电细丝加热器中，热量随即传递到GeTe层。当温度达到结晶温度时，GeTe由非晶态转变为晶态，开关处于“开”态。当温度继续升高到GeTe的熔化温度时，GeTe重新转变为非晶态，开关处于“关”态。这些相变行为在开关切换期间可逆地重复。
图2 当（a）Icc=10 µA，（b）Icc=10 mA，（c）Icc=100 mA时，Cr/Au/Ag:SiOx/Pt器件的I-V特性曲线。（d）施加电压后Cr/Au/Ag:SiOx/Pt器件的TEM截面图和EDS图（Icc=100 mA）。（e）Cr/Au/Ag:SiOx/Pt器件的C-AFM图。当（f）Icc=10 µA，（g）Icc=10 mA和（h）Icc=100 mA时，Cr/Au/Ag:SiOx/Pt器件的开关机理图。
该工作通过多种实验手段对导电细丝的形成进行了深入研究。Cr/Au/Ag:SiOx/Pt器件的I-V特性可以解释为电场诱导绝缘体基质中银原子或团簇形成金属导电细丝。由于具有低电阻且一直能够保持的导电细丝是相变射频开关微加热器的理想选择，所以对施加电压（Icc=100 mA）后的器件的截面进行了TEM表征。Ag簇最初随机分散在Ag:SiOx层中，随着电压的施加，Ag簇开始沿电场方向形成链状结构。当簇链可以将顶电极和底电极连接起来时，器件导通。形成导电丝的Ag簇沿电场线排列，这是电场对导电细丝形成过程的影响的直接表现。C-AFM研究表明，Ag:SiOx层会形成多根导电细丝，此时器件具有相对较高的电导率是局部导电效应，而不是均匀分布的传导效应。
图3 （a）Cr/Au/GeTe/Pt器件、（b）Cr/Au/Ag:SiOx/Pt器件和（c）基于GeTe的CF-PC射频开关的R-V图。（d）基于GeTe的CF-PC射频开关的耐久性测试。
使用Ag导电细丝作为加热器能够降低相变开关的操作电压，从而达到降低能耗的目的。循环周期约为1000次，其高低电阻比值在耐久性测试过程中超过3个数量级，具有良好的循环稳定性。
图4 CF-PC射频开关在（a）“ON”状态和（b）“OFF”状态下从DC到67 GHz的射频信号传输的测试和仿真结果。
当相变材料GeTe处于低阻态时，开关处于“开”态，其插入损耗在67 GHz时低于0.8 dB，且具有良好的回波损耗性能（>18 dB）。当相变材料GeTe处于非晶态时，开关处于“关”态，其隔离度高于20 dB。使用ADS仿真软件得到其开态电阻和关态电容，最后得到截止频率高达15 THz。总体上，该研究利用激光脉冲沉积技术制备出高质量的GeTe相变薄膜，并在此基础上制备出由Ag导电细丝作为加热器的低能耗二端口直接加热型GeTe相变射频开关，降低了开关的操作电压，且开关具有较好的循环稳定性和良好的射频传输性能，为此后设计高性能二端口直接加热型相变射频开关提供一种新型的结构。
【课题组简介】
胡志高教授课题组依托纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心和上海市极化材料多功能磁光光谱公共技术服务平台【课题组网页链接：http://spec-lab.ecnu.edu.cn/】，以研究铁电氧化物以及新型半导体电子学与光子学的交叉应用；高性能二维半导体材料的光电转换规律及其外场调控机制；极端条件下高分辨高精度光电特性测试系统研发等为主要目标，旨在为新功能、新概念、新结构的光电信息器件提供理论基础和技术支撑。近年来课题组在Mater. Horiz.、Adv. Opt. Mater.、Small及J. Phys. Chem. Lett.等国际应用物理与材料著名学术期刊上发表SCI收录论文100多篇，相关成果曾获得上海市自然科学二等奖。胡志高教授主持并完成科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目以及上海市科委/教委重点项目等十多项科研课题。
近期代表作：
1.Z.C. Hou, M. Li, Z.R. Xu, M.H. Deng, S.B. Li, L. Wang, L.Y. Shang, L.S. Wu*, J.H. Chu, and Z.G. Hu*, Low Energy Consumption GeTe Phase-Change Radio Frequency Switch with Direct Heating of Conductive Filament, IEEE Electron Device Lett. (In press 2024).
2.L. Chen, L. Wang, K. Jiang, J.Z. Zhang, Y.W. Li, L.Y. Shang, L.Q. Zhu, S.J. Gong*, and Z.G. Hu*, Optically induced multistage phase transition in coherent phonon-dominated a-GeTe, J. Phys. Chem. Lett. 14 (25): 5760-5767 (2023).
3.X. Xu, M. Li, S.B. Li, A.Y. Cui, M.H. Deng, K. Jiang, L.Q. Zhu*, L.Y. Shang, J. H.Chu, Z.G. Hu*,The Nanoscale Electrical Damage Mechanism of Ge2Sb2Te5 Phase-Change Films Discovered by Conductive Atomic Force Microscopy, IEEE Electron Device Lett. 44 (3): 488-491 (2023).
4.L. Chen, A.Y. Cui, M. Li, S.B. Li, S.J. Gong*, K. Jiang, J.Z. Zhang, L.Q. Zhu, L.Y. Shang , Y.W. Li, Z.G. Hu*, and J.H. Chu, Optical excitation-induced ultrafast amorphization in the Y-Sb-Te alloy system: Insights from real-time time-dependent DFT with molecular dynamics calculations, Phys. Rev. B 106 (21), 214110 (2023).
论文链接：
https://doi.org/10.1109/LED.2023.3345292
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