Развитие современных беспроводных коммуникационных систем требует инновационных решений, способных удовлетворять стремительно возрастающие потребности в скорости, надежности и энергоэффективности. В центре внимания исследователей и инженеров сегодня находятся радиочастотные (РЧ) переключатели, которые выполняют важнейшую роль в маршрутизации сигналов, обеспечивая адаптивность и избирательность обработки частот в антеннах и фильтрах. Традиционные технологии, основанные на полупроводниках и механических элементах, имеют ряд ограничений – высоким энергопотреблением в статическом состоянии, ограничениями по частотному диапазону и высокой потерей сигнала. В этой связи особый интерес представляет новая категория мемристивных устройств на основе ванадиевого оксида VOₓ, объединяющая уникальные свойства материала и перспективные качества для РЧ-приложений. Vanadium oxide, или VOₓ, представляет собой комплекс переходных металлов с множественными степенями окисления ванадия, благодаря чему материал обладает вариативной структурой и возможностями для создания устойчивых и метастабильных фаз.
Эти особенности открывают дополнительные пути управления электрическими характеристиками тонких пленок VOₓ, что выгодно отличает их в сравнении с другими материалами для мемристивных устройств. Важную роль в функционировании VOₓ-мемристоров играют мобильные ионы, в частности Ag⁺ и бор, внедрённые в структуру, которые способствуют быстрому формированию и разрушению проводящих нитей внутри оксида под воздействием электрического поля. Такой механизм переключения обеспечивает уникальные возможности быстродействия и долговременной стабильности состояний с сопротивлением низкоомного или высокоомного типа, что прекрасно подходит для использования в РЧ-переключателях. Высокопроизводительные VOₓ-мемристоры, созданные с применением золотых и серебряных электродов, демонстрируют выдающиеся параметры: срок удержания информации превышает 60 часов, а переключение между состояниями занимает всего несколько наносекунд. Эти устройства способны работать в диапазоне частот вплоть до 67 ГГц без существенной деградации характеристик, при этом их коэффициент затухания в закрытом состоянии остается ниже 0,46 дБ при изоляции порядка 20 дБ.
Ключевым достоинством таких переключателей является их неволатильность — способность сохранять рабочее состояние без постоянного потребления энергии, что критично для мобильных и интернет-вещей (IoT) приложений с ограниченным источником питания. В основе работы VOₓ-мемристоров лежит создание металлических проводящих путей, или филиментов, путём миграции ионов Ag⁺ из верхнего электродного слоя внутрь VOₓ-пленки. В высокоомном состоянии проводимость ограничена за счет барьера Шоттки, наблюдаемого на интерфейсе VOₓ с золотым электродом, что подтверждается экспериментальными данными и моделями, основанными на физических законах электронной эмиссии. Переход в низкоомное состояние обусловлен образованием устойчивых ионных нитей, проводимость которых металлическая и в целом соответствует данным о свойствах серебра. Такая природа позволяет переключателям демонстрировать высокую стабильность и сопротивляться деградации даже при многочисленных циклах работы.
Измерения параметров разброса напряжений переключения, их устойчивости и зависимости сопротивления от температуры свидетельствуют о высоком качестве изготовления и тщательно оптимированной архитектуре устройств. Толщина VOₓ-слоя около 36 нанометров и плоская поверхность снижают вариабельность электрических характеристик, а аморфная структура предотвращает возникновение нежелательных миграционных путей, что положительно сказывается на надежности и долговечности мемристоров. Точные методы измерения, включающие в себя SOLT калибровку и деэмбеддинг, дают возможность объективно оценить параметры, такие как сопротивление открытого и закрытого состояний, параметры емкости и, следовательно, предельную рабочую частоту переключателя. Важным этапом демонстрации практической применимости VOₓ-мемристоров стал изготовленный перестраиваемый полосовой фильтр диапазона X-band (примерно 7.6–8.
2 ГГц), построенный с использованием интегрированных VOₓ-переключателей. Такой фильтр способен изменять свою центральную частоту при переключении состояния мемристивного элемента. Примером служит изменение частоты с 8.2 ГГц в выключенном состоянии до 7.6 ГГц в включенном, обеспечивая быструю адаптацию фильтра к изменяющимся условиям связи.
Габариты устройства крайне компактны — порядка 10.8 мм на 0.9 мм — что способствует интеграции в современную аппаратную платформу коммуникационных систем. Эффективность такого подхода подтверждается измеренными характеристиками фильтра, включая низкие уровни потерь сигнала, широкий диапазон настройки полосы пропускания и высокое качество Q-фактора резонаторов. Благодаря своей неволатильной природе VOₓ-мемристоры позволяют минимизировать потребление энергии в статическом режиме, что выгодно выделяет их на фоне традиционных жидкокристаллических, PIN-диодных или MEMS-переключателей, часто требующих постоянной подачи питания даже в неактивных состояниях.
В сравнении с аналогами из других материалов и технологий, VOₓ-переключатели демонстрируют более высокие показатели по сохранению данных, циклической надежности и скоростным характеристикам. Они также обходят по некоторым ключевым параметрам устройства на базе фазовых переходов (PCM) и двухмерных материалов, где часто наблюдаются вопросы масштабируемости и ограничение срока службы. Полное сочетание скоростных, энергетических и радиочастотных показателей делает VOₓ-технологию одним из наиболее перспективных направлений для создания следующего поколения адаптивных, энергоэффективных и интегрируемых радиоэлектронных систем. Технологический процесс производства VOₓ-мемристоров сочетает в себе традиционные методы микро- и нанофабрикации, включая фотолитографию высокого разрешения, электронно-лучевое испарение металлов, RF-магнетронное распыление тонких пленок и тщательно контролируемые процессы травления. Использование штатных полупроводниковых подложек и распространённого оборудования обеспечивает их легко масштабируемую интеграцию в современные CMOS-процессы, что способствует быстрому внедрению в промышленные приложения.
Перспективы дальнейших исследований лежат в оптимизации структуры и состава VOₓ-пленок, поиске новых материалов для электродов, способствующих стабильной формировке стойких проводящих нитей, а также в разработке комплексных радиочастотных устройств и систем с использованием VOₓ-компонентов. В частности, внимание уделяется увеличению числа циклов переключений без деградации, снижению управляющих напряжений и энергозатрат на переключение, а также расширению рабочих частот фильтров и других радиочастотных компонентов. В целом, VOₓ-основанные мемристивные радиочастотные переключатели представляют собой инновационный прорыв в электронике связи, сочетая в себе преимущества высокой производительности, энергоэффективности и возможности компактной интеграции. Их свойства создают фундамент для создания интеллектуальных, динамически настраиваемых радиочастотных фронт-эндов, которые станут ключевым элементом в эволюции беспроводной коммуникации, обеспечивая гибкость и адаптивность для 5G, 6G и будущих поколений сетей и устройств.
