**基于InAlN/GaN异质结超构结构的器件级单刀双掷开关设计及其亚30皮秒超快毫米波特性研究**

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Ultracompact Sub-30-ps Metastructured SPDT Switches on GaN for Millimeter-Wave Electronics

　　

本文介绍一种用于实现功能化微波组件的器件级设计方法。研究人员利用电学超构结构（electrical metastructures），在III族氮化物平台上展示了一种高速、高功率处理能力的单刀双掷（single-pole double-throw, SPDT）开关。该开关能够在版图内对射频（radio-frequency, RF）场和电流进行微观调控，从而在超构结构端子之间实现异常高效且可控的信号传输。该超构结构SPDT开关在40 GHz频率下展现出1.8 dB的插入损耗（insertion loss）和20 dB的隔离度（isolation）。由于超构结构端子增强了位移场耦合，插入损耗在更高频率下进一步改善。在30 GHz频率下测得的输入1 dB压缩点（input 1-dB compression point, IP_1dB）为22.2 dBm，三阶截点（input third-order intercept point, IIP₃）为35.4 dBm，证实了该开关的高线性度和功率处理能力，尤其是考虑到其仅130 μm²的超紧凑核心面积。时域测量结果表明其开关速度低于30 ps，突显了其在高速毫米波（millimeter-wave, mm-wave）电子器件中的应用潜力。该工作为面向高速无线应用的紧凑型超构结构半导体微波构建模块铺平了道路。

**论文解读：基于氮化镓超构结构的超紧凑亚30皮秒SPDT开关研究**

**一、研究背景与问题提出**

单刀双掷（single-pole double-throw, SPDT）开关是微波和毫米波电子系统中不可或缺的核心组件，广泛应用于收发机、相控阵以及雷达系统。随着第六代移动通信（6G）及更高级别通信系统对高数据速率传输的持续追求，SPDT开关被期望在紧凑集成的前提下同时实现低插入损耗、高隔离度、超快开关速度以及高功率处理能力。然而，这些性能指标之间存在根本性的权衡关系——带宽、插入损耗、隔离度与功率处理能力往往相互制约，同时达成上述所有指标仍然极具挑战。

现有研究已探索了多种材料平台与电路拓扑。硅基平台集成度高、可扩展性强，但受限于较低的载流子迁移率和临界电场，尤其在毫米波频段的大信号性能受到制约。锗硅（SiGe）技术虽然电子迁移率有所提升，但较低的击穿电压从根本上限制了其功率处理能力。氮化镓（GaN）凭借其宽禁带、高临界电场和大的电子饱和速度，已成为高功率毫米波电子的领先平台。在电路拓扑层面，传统SPDT开关通常采用传输线或四分之一波长网络实现阻抗变换和增强隔离，但以增大电路面积和毫米波频段插入损耗为代价；串联和串并联配置虽更为紧凑，但高频性能受器件寄生效应严重影响；行波拓扑可实现高频宽带工作，却需要显著更大的芯片面积；变压器基拓扑能改善带宽和匹配，但损耗较高且可能阻碍快速动态操作。

上述困境表明，在电路层面进行SPDT开关设计已接近传统方法的极限，亟需新的设计范式。正是在此背景下，研究人员提出了基于器件级设计策略的替代方案——利用电学超构结构（electrical metastructures）在GaN平台上实现SPDT开关功能，从根本上克服传统设计的局限性。

**二、研究内容、结论与重要意义**

研究人员提出并实验验证了一种基于器件级电学超构结构的SPDT开关设计方法。该开关制备于InAlN/GaN异质结构上，利用周期性图案化的金属端子通过二维电子气（two-dimensional electron gas, 2DEG）进行高效耦合，通过对2DEG载流子浓度的电学调控来决定开关版图内微观电流的空间流向，从而改变三个端口之间的散射参数（S-parameters, S参数）。实验结果表明，该超构结构SPDT开关在20–67 GHz宽频带范围内实现了低插入损耗（40 GHz时为1.8 dB，67 GHz时进一步改善至1.7 dB）、高隔离度（全频段优于15 dB）以及优异的线性度（IIP₃为35.4 dBm，IP_1dB为22.2 dBm）。更突出的是，该开关的核心面积仅约130 μm²，功率密度超过1 kW/mm²，且开关速度低于30 ps，并通过16-QAM调制信号在高达20 Gb/s数据速率下的传输验证了其宽带通信能力。

该研究的重要意义在于：首次展示了利用器件级超构结构直接实现满足微波网络需求的完整开关功能（包括匹配和传输特性），而非仅作为传统拓扑中的组成单元。这一范式转变为打破毫米波开关中带宽、插入损耗、隔离度与功率处理能力之间的传统权衡提供了全新路径，同时以极紧凑的占位面积实现了有竞争力的整体性能，对高集成度毫米波前端（如相控阵收发机、T/R模块、天线开关网络和波束成形阵列）具有重要应用价值。

**三、关键技术方法概述**

该研究采用InAlN/GaN异质结构（生长于4英寸SiC衬底上，包括5.9 nm In_0.15Al_0.85N势垒层、1 nm GaN盖层和1 nm AlN间隔层），通过台面隔离（氯基电感耦合等离子体反应离子刻蚀，ICP-RIE）和电子束光刻（electron beam lithography, EBL）定义叉指条纹和探测焊盘，随后以110 nm镍（Ni）薄膜形成肖特基接触。关键设计参数包括条纹特征尺寸L=1.1 μm（满足亚波长条件L<λ_a?8 μm）、条纹宽度W=3 μm、沟道长度L_ch=0.4 μm以及每个隔离端子连接17条条纹。S参数表征采用Keysight N5247B PNA-X四端口67 GHz矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA），以SOLT方法校准。线性度评估通过30 GHz双音激励测量IIP₃和IP_1dB。时域测量利用任意波形发生器（arbitrary waveform generator, AWG）产生控制信号和16-QAM调制信号，由70 GHz实时示波器捕获输出波形。

**四、研究结果**

**散射参数测量：** 通过片上去嵌入S参数测量，在20–67 GHz范围内全面表征了开关的传输、隔离和回波损耗特性。结果表明，在两种开关状态下插入损耗均优于3 dB（20–67 GHz），35 GHz以上优于2 dB，原因是高频下超构结构端子与2DEG之间的位移场耦合增强。隔离度在全频段优于15 dB，回波损耗在35 GHz以上优于10 dB。等效电路模型（LTSPICE仿真）揭示，导通路径参数（R_on、C_on、L_S）和关断路径参数（C_off、C_COP）分别主导插入损耗和隔离度，两者由几乎独立的路径控制。此外，开关在VC₁=VC₂=0 V状态下提供阻抗匹配的平衡功率分配功能。

**线性度与功率处理能力：** 30 GHz双音IMD₃测量提取的IIP₃为35.4 dBm，表明在超紧凑面积下具有高线性度。单音功率扫描测得IP_1dB为22.2 dBm，开关在高达25 dBm的输入功率下仍保持15 dB隔离度，未出现强制导通或失效。功率处理能力主要受限于2DEG的饱和电流密度（~1.5 A/mm）。

**时域测量：** 时域开关动态测试显示10%–90%开关时间约为23 ps（低于30 ps），与估计的RC时间常数τ_RC?9 ps（对应一阶响应上升时间约19 ps）吻合。16-QAM调制信号传输测量中，误差矢量幅度（error vector magnitude, EVM）在高达20 Gb/s数据速率下保持在11%以下，相对带宽超过10%，星座图显示幅度和相位信息均得到良好保持。

**五、讨论与结论**

与其他技术平台的基准对比显示，本研究提出的超构结构SPDT开关实现了约108%的相对带宽（20–67 GHz），在所列设计中排名第二。尤为关键的是，该器件级设计策略使得核心面积（0.00013 mm²）显著小于同类开关，同时器件级R_on×C_off品质因数约50 fs，为表中最低值，表明其竞争力独立于面积优势。此外，该技术在较大工艺节点下实现了高性能指标，说明性能来源于超构结构设计概念而非激进的光刻微缩。

研究结论部分指出，研究人员展示了利用器件级设计策略实现功能化微波组件的新范式。通过电学超构结构，在InAlN/GaN高电子迁移率平台上实现了紧凑、高性能的SPDT开关，具有20–67 GHz宽带工作能力、低至1.7 dB（67 GHz）的插入损耗、全频段优于15 dB的隔离度，以及IIP₃为35.4 dBm和IP_1dB为22.2 dBm的高线性度特性。亚30 ps的开关速度和高达20 Gb/s的16-QAM调制传输能力证实了其在超快电子和宽带通信电路中的适用性。该超构结构开关展现出超过1 kW/mm²的高功率密度和超紧凑占位面积。这些结果确立了超构结构SPDT开关作为毫米波频段紧凑高性能开关的有力平台。