高效的信號(hào)傳輸是人類文明發(fā)展的探索目標(biāo)。面對(duì)全球通信與商業(yè)航天的爆發(fā)式增長(zhǎng)需求，開發(fā)超低損耗、超低功耗的先進(jìn)射頻技術(shù)，已成為突破能效瓶頸、實(shí)現(xiàn)下一代高速通信的迫切使命。

然而，傳統(tǒng)硅基射頻芯片受限于體材料的梯度摻雜分布及大量界面態(tài)陷阱，在射頻應(yīng)用中面臨高損耗、強(qiáng)干擾和低效率等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。相比之下，具有原子級(jí)平整和天然鈍化表面的二維半導(dǎo)體，為發(fā)展低損耗、高能效射頻電路開辟了極具潛力的新方向。

復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院馬周鵬/馬順利/包文中團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)二維全集成微波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的原型驗(yàn)證，并從麥克斯韋方程組出發(fā)揭示了射頻波段原子界面超低損耗傳輸機(jī)制，開拓了二維射頻電子學(xué)的顛覆創(chuàng)新領(lǐng)域。北京時(shí)間9月2日，相關(guān)成果以《晶圓級(jí)二維集成微波發(fā)射機(jī)》（“Integrated two-dimensional microwave transmitters fabricated on the wafer scale”）為題發(fā)表于《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）。

圖. 晶圓級(jí)二維全集成微波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)基于原子界面超低損耗傳輸機(jī)制和成熟的晶圓級(jí)二維工藝，設(shè)計(jì)并制備了4英寸二維二硫化鉬（MoS2）集成微波發(fā)射機(jī)晶圓，打通從材料、工藝、器件、建模、電路到系統(tǒng)集成與測(cè)試的完整鏈條，在全球率先實(shí)現(xiàn)了全集成二維射頻系統(tǒng)——這是二維電子學(xué)在射頻領(lǐng)域的一次里程碑式突破。

通過(guò)采用基于低損耗二維MoS2射頻開關(guān)的時(shí)間調(diào)制相控陣架構(gòu)，該二維集成微波發(fā)射機(jī)無(wú)需使用高功耗的有源器件，如放大器和移相器等，克服了傳統(tǒng)硅基射頻電路的高損耗、高功耗瓶頸。最終，該二維集成微波發(fā)射機(jī)的功耗僅為3.2 μW，比硅基器件降低4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為未來(lái)高效信息傳輸技術(shù)開啟了新篇章。

此外，該二維集成相控陣發(fā)射機(jī)同時(shí)具備通信和雷達(dá)應(yīng)用的雙重功能，能夠?qū)崿F(xiàn)6 GHz帶寬、-35°~35°的大波束掃描角度、1.875 cm的空間分辨率、100 Mbps的數(shù)據(jù)速率，以及136米的傳輸距離。當(dāng)由一節(jié)7號(hào)電池供電時(shí)，該二維相控陣發(fā)射機(jī)的待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)26天，在救災(zāi)救援等極端環(huán)境中可以發(fā)揮重要作用。整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的尺寸小于3×2 cm2，可集成于仿生昆蟲、微型機(jī)器人上，憑借通信和雷達(dá)功能完成偵察等任務(wù)。該二維射頻系統(tǒng)未來(lái)也可集成于人形機(jī)器人、智能汽車、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，開拓二維電子學(xué)在射頻應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊市場(chǎng)。

得益于二維原子界面低損耗的顯著優(yōu)勢(shì)，該研究為射頻系統(tǒng)提供了頗具潛力的技術(shù)路徑。展望未來(lái)，射頻應(yīng)用有望成為二維電子學(xué)實(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化突破的關(guān)鍵方向，并引發(fā)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛的關(guān)注，推動(dòng)二維材料從實(shí)驗(yàn)室走向高附加值應(yīng)用場(chǎng)景的落地。

復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院的馬順利副教授、包文中研究員和周鵬教授為論文通訊作者，博士后吳天祥、朱立遠(yuǎn)、博士生董祥麒和馬順利副教授為論文第一作者。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目支持。