Forschende haben gezeigt, dass sich ein einzelner Funkchip fuer unterschiedliche Aufgaben neu konfigurieren laesst, indem sie nur wenige Atome duenne Schalter in die Verdrahtung von Galliumnitrid-Chips (GaN) einbauen. Die Arbeit, veroeffentlicht in Nature und in einem offen zugaenglichen Datenarchiv dokumentiert, stammt von einer internationalen Zusammenarbeit, deren Kontaktforscher Sebastian Matias Pazos und Mario Lanza sind, mit Kolleginnen und Kollegen an der National University of Singapore, der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), dem Tyndall National Institute, dem University College Cork, der Carnegie Mellon University und der National Technological University.
Die Schaltungen, die den Grossteil des hochfrequenten Funkverkehrs tragen - monolithische Mikrowellen-integrierte Schaltungen, kurz MMICs - sind meist auf einen einzigen Zweck festgelegt. Die Schalter hinzuzufuegen, mit denen sie sich umprogrammieren liessen, war bislang teuer, beanspruchte viel Chipflaeche und bremste die Leistung, weshalb wirklich flexible Funkhardware bislang unerreichbar blieb.
Die Antwort des Teams ist ein memristiver Schalter, dessen elektrischer Widerstand eingestellt und anschliessend gespeichert werden kann. Er besteht aus zweidimensionalem hexagonalem Bornitrid (hBN), einem nur atomduennen Schichtmaterial, und wird direkt im Back-End-of-Line des Chips gefertigt - den oberen Verdrahtungsebenen - statt als separates Bauteil hinzugefuegt zu werden. Da der Schalter seinen Ein- oder Aus-Zustand ohne dauerhafte Stromzufuhr haelt, weist er den Weg zu energiesparsameren Designs.
In Tests arbeiteten die breitbandigen Schalter bei Frequenzen bis 100 GHz, weit im Millimeterwellenbereich, der fuer 6G vorgesehen ist. Im geoeffneten Zustand gaben sie nur 0,3 dB Signal ab, im geschlossenen blockierten sie es um mehr als 15 dB. Ein programmierter Zustand hielt zwei Wochen, und der Widerstand im Ein-Zustand blieb bei 175 Grad Celsius stabil. Ueber eine Zelle aus einem Transistor und einem Memristor angesteuert, hielten die Schalter 3.250 Schaltzyklen stand - ein Fortschritt fuer Funkschalter aus zweidimensionalen Materialien.
Vom einzelnen Schalter zur funktionierenden Schaltung
Das Besondere an der Studie ist, dass die Schalter nicht nur einzeln vermessen, sondern zu funktionierenden Schaltungen zusammengesetzt wurden. Auf der GaN-Plattform bauten die Forschenden konfigurierbare Daempfungsglieder, Leistungsteiler und programmierbare Resonatoren - Bauelemente, die sich nach der Fertigung eines Chips abstimmen oder umwidmen lassen. Nach Angaben der Autoren ist es das erste Mal, dass solche memristiven Schalter innerhalb von MMIC-Schaltungen umgesetzt wurden.
Das Ergebnis ist eine Labordemonstration, noch kein Produkt. Doch indem es ein atomduennes, nichtfluechtiges Material mit der robusten, leistungsstarken GaN-Technik verbindet, die in Funkbasisstationen bereits verbreitet ist, zeichnet es einen praktikablen Weg zu Funkchips, die sich umprogrammieren statt ersetzen lassen - ein nuetzlicher Baustein fuer die leistungsfaehigeren und effizienteren Netze, die derzeit entworfen werden.