面向6G通信的非易失性忆阻射频（RF）开关：ReRAM、CBRAM、PCM及2D MoS2/hBN技术的进展、挑战与基准评测

《iScience》：Non-volatile memristors as prospective radio frequency switches for 6G communications - A review

　　

随着通信技术不断向6G标准演进，需要具有短切换时间、高能效、高截止频率、在保持合理射频（RF）性能的同时工作于100 GHz以上的能力以及100 Gbit s^?1高数据传输速率的高性能RF开关。现有基于固态和微机电系统（MEMS）技术的RF开关由于易失性和寄生电感效应而在高频下产生不理想的高插入损耗，难以满足这些要求。非易失性忆阻器正在成为替代传统开关的可能候选者。它们具有诸多优势，包括几乎为零的静态能耗、快速切换速度和优异可扩展性。本综述概述将四种非易失性忆阻技术用作RF开关相关的进展与挑战：阻变随机存取存储器（ReRAM）、导电桥随机存取存储器（CBRAM）、相变存储器（PCM），以及基于二维（2D）材料特别是二硫化钼（MoS₂）和六方氮化硼（hBN）的存储器。这些前瞻性开关的性能被相互比较，并随后与现有开关技术进行基准评测。本综述基于RF性能、CMOS兼容性和制造成熟度等因素，对四类主要忆阻开关技术面向6G的未来就绪度进行客观评价。特别关注涉及MoS₂和hBN的二维材料基忆阻器，其因据称具有的多种独特优势而受到显著研究关注。最后，该综述还将提出研究方向，以进一步推动未来忆阻RF开关的进展。

研究背景方面，6G通信要求射频（RF，radio frequency）开关具备短切换时间、高能效、高截止频率、在100 GHz以上保持合理RF性能，并支持100 Gbit s^?1数据传输速率，以支撑物联网（IoT）、万物互联（IoE）、增强/虚拟现实（AR/VR）和人工智能等应用。现有固态和微机电系统（MEMS，microelectromechanical systems）开关因易失性需要持续直流偏置维持状态，且在毫米波频段受寄生电感影响导致插入损耗升高。非易失性忆阻器（memristor，一种非易失性阻变存储器件）因几乎零静态能耗、快速切换和良好可扩展性而成为候选。该综述围绕ReRAM（阻变随机存取存储器）、CBRAM（导电桥随机存取存储器）、PCM（相变存储器）以及基于2D MoS₂和hBN的忆阻器，比较其RF性能、CMOS兼容性和制造成熟度，并评估面向6G的就绪度。

研究人员开展的是文献综述与基准比较研究，而非单一实验；其结论是四类非易失忆阻开关各有优劣，PCM在耐久性、功率处理和商业代工方面最成熟，ReRAM具有成熟CMOS兼容性但插入损耗仍需改善，CBRAM在RF性能与可扩展性之间较平衡但耐久性不足，2D MoS₂和hBN具有最高截止频率但集成和良率最不成熟。该综述的意义在于为6G RF开关的材料与器件选择提供客观比较，并提出后续研究方向。

主要关键技术方法可概括为：系统检索与综述四类非易失忆阻RF开关的实验演示；提取导通电阻（R_ON）、关态电容（C_OFF）、截止频率（F_CO）、最高工作频率、插入损耗、隔离度、耐久性、切换速度、切换能量、功率处理和线性度等指标；依据F_CO=1/(2πR_ONC_OFF)计算或校核F_CO；在40 GHz对插入损耗和隔离度进行归一化基准比较；利用ON/OFF等效电路解释频率依赖性；采用1 dB压缩点（P_1dB）和输入三阶交调截点（IIP₃）评估线性度；排除仅存储器件结果，仅纳入RF开关演示。本研究为综述，无特定样本队列来源。

研究结果方面，忆阻RF开关基础部分指出，ON态等效为电阻R_ON，其决定插入损耗；OFF态等效为电容C_OFF，其决定隔离度；F_CO综合反映插入损耗和隔离性能，6G需要低R_ON（<10 Ω）和低C_OFF（<10 fF），以使F_CO进入THz范围。功率处理、P_1dB和IIP₃也被列为关键品质因数。

四类忆阻技术概述部分说明，ReRAM以金属氧化物如TiO_x、HfO_x为绝缘层，通过氧空位导电细丝实现SET/RESET；CBRAM采用电化学活性电极如Ag、Cu和惰性电极，通过金属阳离子细丝切换；PCM使用硫系化合物如Ge₂Sb₂Te₅和Ge₂Sn₂Sb₂Te₇，利用非晶与晶态之间电阻差切换；2D MoS₂和hBN忆阻器通过Au⁺等填充空位形成分段团簇导电通路。

ReRAM RF开关部分，Badulescu使用30 nm TiO_2?x和Pt电极，在10 GHz下插入损耗2.1 dB、隔离32 dB，R_ON为28 Ω、C_OFF为2.5 fF、F_CO为2.27 THz。Chen等使用5 nm HfO₂和Ni电极，测试至110 GHz，插入损耗约2 dB，隔离从60 dB降至10 dB，R_ON最低32 Ω、C_OFF平均5.8 fF、F_CO为0.857 THz，并经受10⁶次循环和2500次弯曲。总体ReRAM制造成熟、CMOS兼容好、切换快，但R_ON常高于10 Ω，>100 GHz RF表征少，耐久性需改善。

CBRAM RF开关部分，Nessel等2008年使用Ag/Ag⁺掺杂GeSe₂/Ni结构；Pi等使用35 nm空气隙；Seo等采用VO_x，SET约2.55 V、RESET约?0.9 V，耐久约10³次，切换100 ns，R_ON为5 Ω、C_OFF为7 fF、F_CO为4.5 THz，67 GHz下插入损耗0.74 dB、隔离13 dB。Cao等采用Ag/WO_3?x/WSe₂/Au，切换3.2 ns、能量3.7 nJ、耐久32次，R_ON为8.2 Ω、C_OFF为0.77 fF、F_CO为25.2 THz，67 GHz下插入损耗0.7 dB、隔离30 dB，P_1dB为16 dBm、IIP₃为38.7 dBm。Zhang等引入HfO₂/MoS₂异质结稳定细丝，SET/RESET电压降低，DC–43.5 GHz插入损耗1.3–1.7 dB，隔离32.6–9.2 dB，切换125 ns、能量约1 nJ。Zhou等使用Ag/HfO₂/Au，SET约2.2 V、RESET约?1.1 V，保持10⁵ s，ON/OFF比约10⁹，耐久2300次，43.5 GHz下插入损耗0.53 dB、隔离26.8 dB；R_ON随限流从197.5 Ω降至5.8 Ω，并用于π型可调衰减器，在10 MHz–43.5 GHz实现2–24 dB的12种衰减态。Ag/HfO₂/Ag开关SET约0.38 V、RESET约?0.34 V，保持10⁴ s，ON/OFF比10¹⁰，耐久400次，R_ON为4.1 Ω、C_OFF为5.9 fF、F_CO为6.6 THz，插入损耗0.36 dB、隔离25.8 dB。CBRAM优点为低R_ON、面积无关、低切换电压和ns/nJ级切换，但耐久性差、细丝随机、功率处理受限。

PCM RF开关部分，PCM可为二、三或四端器件。Chua等2010年GeTe R_ON为180 Ω；Moon等2014年两端GeTe开关R_ON为0.5 Ω、C_OFF为4 fF、F_CO为80 THz，67 GHz下插入损耗0.2 dB、隔离30 dB，功率处理40 dBm。Singh等2021年四端GeTe开关R_ON为1.6 Ω、C_OFF为7 fF、F_CO为14.2 THz，67 GHz下插入损耗0.5 dB、隔离14 dB，ON态功率处理39 dBm、OFF态自致动26 dBm，耐久10⁶次，切换200 ns–1.2 μs，IIP₃为41 dBm。El-Hinnawy报道Tower Semiconductor商用PCM RF开关，R_ON为2.3 Ω、C_OFF为2.7 fF、F_CO为25.2 THz，40 GHz下插入损耗0.25 dB、隔离22 dB，耐久10⁹次，后续提升至10¹⁰次，功率处理>30 dBm，切换700 ns；2025年SPDT开关测试至110 GHz，插入损耗2 dB、隔离20 dB、功率处理29 dBm。Chen等2025年使用单层Sb，切换能量1.1 μJ、响应300 ns、耐久82次，R_ON为9.2 Ω、C_OFF为2.7 fF、F_CO为6.4 THz，67 GHz下插入损耗1.2 dB、隔离18 dB。Wu等2025年使用2D MoTe₂，利用2H/1T′相变，R_ON为10.3 Ω、C_OFF为0.157 fF、F_CO为72 THz，110 GHz下插入损耗0.3 dB、隔离19 dB，功率处理29 dBm，P_1dB超过16 dBm，IIP₃为42 dBm。Hou等通过Ag掺杂SiO_x在GeTe中形成导电细丝直接加热，SET能量19.2 nJ；Zhang等通过偏置解耦和分段GeTe改善隔离约20 dB。PCM优势为高功率处理、高耐久和低插入损耗，但切换能量高、速度较慢、热预算和集成挑战较大。

2D MoS₂和hBN忆阻RF开关部分，原子厚2D层可形成“原子电阻器”（atomristor）。Zhao等指出单层过渡金属二硫属化物（TMD）可抑制漏电，但HRS漏电流变化大。Kim等2018年使用CVD生长单层MoS₂和Au电极，R_ON为3 Ω、C_OFF为4 fF、F_CO为13.2 THz，50 GHz下插入损耗0.3 dB、隔离30 dB。Mingates等采用溶液处理MoS₂，耐久100次、切换40 ns、能量330 pJ，R_ON为6.8 Ω、C_OFF为4.3 fF、F_CO为5.4 THz，110 GHz下插入损耗0.9 dB、隔离18 dB。Xiao等采用喷墨打印MoS₂和Ag电极，耐久300次、保持1.8×10⁷ s，R_ON为8.9 Ω、C_OFF为31.92 fF、F_CO为0.56 THz，12 GHz下插入损耗0.7 dB、隔离10 dB。Kim等2022年单层MoS₂开关工作至480 GHz，切换500 ps、能量50 pJ，R_ON为8 Ω、C_OFF为0.9 fF、F_CO为22 THz，插入损耗约1 dB、隔离15 dB，IIP₃为31 dBm。Skrzypczak等将测量扩展至750 GHz，插入损耗6 dB、隔离12 dB，R_ON为12.5 Ω、C_OFF为0.31 fF、F_CO为41.1 THz。hBN方面，Kim等首报单层hBN开关，R_ON为1.6 Ω、C_OFF为2.3 fF、F_CO为43 THz，110 GHz下插入损耗0.2 dB、隔离15 dB，ON态功率处理30 dBm、OFF态自致动20 dBm；后续单层hBN开关F_CO达129 THz，220 GHz下插入损耗0.5 dB、隔离10 dB。Yang等使用Ag电极，SET电压0.34 V、能量1.2 nJ、功率0.23 W、耐久20次，R_ON为6.1 Ω、C_OFF为0.68 fF、F_CO为38 THz，D波段110–170 GHz下插入损耗0.5 dB、隔离23 dB，ON态20 dBm、OFF态自致动4 dBm。Pazos等使用12–18层hBN，串联F_CO为6.7 THz，120 GHz下插入损耗0.9 dB、隔离10 dB；并联260 GHz隔离27.5 dB；串并联120 GHz隔离35 dB。2D MoS₂和hBN开关具有高F_CO、高最高工作频率、低切换能量，且插入损耗可随频率降低，但硅片集成差、晶圆级制造不成熟、良率<75%、耐久有限、功率处理有限。

忆阻RF开关技术比较评估部分指出，不同文献测量条件不同，比较应视为趋势而非绝对排名。除ReRAM外，其他忆阻开关R_ON通常可满足<10 Ω，PCM和2D MoS₂/hBN的R_ON最低；四类均满足C_OFF<10 fF，CBRAM、PCM和2D MoS₂/hBN可达<1 fF；F_CO从sub-THz至>100 THz。PCM和2D MoS₂/hBN在F_CO上领先。CBRAM最高工作频率仅67 GHz，尚未超过100 GHz；2D MoS₂和hBN已报道110–750 GHz测量。ReRAM因R_ON较大，插入损耗约2 dB。细丝型开关（ReRAM、CBRAM、2D MoS₂/hBN）切换速度为ns级、能量低至几nJ，但耐久和功率处理较差；PCM功率处理和耐久更好，但切换慢、能量高。ReRAM和CBRAM CMOS兼容性最高，GeTe PCM已进入BEOL晶圆制造，但微加热器和高温集成有挑战；2D材料制造仍不成熟。总体趋势是PCM功率处理和耐久优，ReRAM CMOS成熟，CBRAM平衡，2D MoS₂/hBN F_CO最高。

与传统RF开关技术比较部分，非易失开关面积普遍更小；部分CBRAM、PCM、2D MoS₂和hBN的F_CO超过传统MIT开关；非易失开关最高工作频率至少与MEMS的40 GHz可比，多层MoS₂达750 GHz、单层MoS₂达480 GHz。40 GHz下，多数非易失开关插入损耗低至0.81 dB，优于SiGe HBT和GaAs p-HEMT；隔离度与传统开关相近。功率处理方面，PCM与MEMS同达40 dBm，MIT为37 dBm。切换时间方面，ReRAM、CBRAM和2D MoS₂/hBN可达≤100 ns，单层MoS₂和多层hBN达亚ns至几ns，接近GaAs p-HEMT，但不如SiGe HBT；PCM因微加热器较慢，但仍快于MEMS和MIT。

讨论与结论部分总结认为，RF开关是可重构系统和RF前端模块的核心，6G要求>100 GHz工作、可接受插入损耗和隔离、100 Gbit s^?1数据率。现有固态和MEMS因易失性和寄生电感受限。非易失忆阻器虽切换能量更高，但编程后待机功率几乎为零，长空闲期总能耗更低。研究结论翻译如下：射频开关通过在天线、低噪声放大器（LNA）、混频器和滤波器等组件之间路由信号并支持多个频段，构成可重构系统和RF前端模块的骨干；因此，需要高性能RF开关推动无线通信网络和设备持续演进。6G要求RF开关在100 GHz以上工作并保持可接受插入损耗和隔离，同时处理高达100 Gbit s^?1数据率，以支持AR/VR、具有更严格安全与隐私措施的人工智能以及IoT。现有固态和MEMS开关因易失性能效差及寄生电感导致插入损耗退化而面临挑战。过去十年，非易失忆阻器（ReRAM、CBRAM、PCM及2D MoS₂和hBN）被视为下一代RF开关的合理候选。传统CMOS开关切换能耗近零，但易失性需要连续DC偏置维持状态；忆阻器切换能量较高，但编程后待机功率基本为零，故长空闲期总能耗更低、能效更高。PCM目前是最成熟的实际高频RF开关候选，具有优越耐久性、功率处理和商业代工演示；ReRAM提供CMOS兼容替代，但插入损耗需大幅改善；CBRAM在RF性能与可扩展性之间较平衡，但耐久性仍是问题；2D MoS₂和hBN虽F_CO最高，却最不成熟，需解决大面积制造缺陷、寄生、耐久超过10⁹次及硅片集成良率等问题。细丝型忆阻器因R_ON与C_OFF解耦，面积缩放时可在保持低插入损耗的同时提高高频隔离。未来还需关注线性度，目标P_1dB>30 dBm、IIP₃>50 dBm，并按短期、中期和长期路线推进材料、器件与集成研究。