150多年前，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了一个连当时一些顶尖科学家都难以接受的观点。他认为，即使没有带电粒子在物理上运动，变化的电场也能产生类似于电流的效果。这一被称为“位移电流”的概念后来成为现代电磁学的基础之一，有助于解释包括无线电波和可见光在内的电磁波如何在空间中传播。
半导体创新在很大程度上是由一种不同的机制驱动的：电子的运动。从晶体管到智能手机处理器再到人工智能加速器，技术进步都源于对电荷在越来越小的器件中流动的控制。但射频工程师却遇到了另一个问题。随着射频开关的微型化，寄生电容和接触电阻等有害效应开始占据主导地位，而在先进工艺节点上，这些寄生效应甚至可能抵消微缩带来的优势。
这一认识促使苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的穆罕默德·萨米扎德·尼库博士和电气工程系教授王华提出了一个问题：如果射频开关领域的下一个突破并非来自对另一种晶体管的优化，会怎样？他们没有依赖传统的晶体管工作原理，而是设计了一种利用位移场和量子隧穿电流的开关，其工作机制源于麦克斯韦最初提出的理论框架。
该研究是在尼库（Nikoo）担任苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）王教授领导的IDEAS研究组博士后研究员期间开展的。尼库目前是新加坡南洋理工大学的助理教授。他们的研究成果于2026年1月发表在《自然·电子学 》（Nature Electronics）上，论文标题为《利用位移场和隧穿电流在硅基上实现高power 毫米波开关》。
要将这一构想转化为可工作的设备，仅靠一个有前景的理论是不够的。王教授的研究团队通过格罗方德（GlobalFoundries）的“大学合作计划”，与该公司建立了广泛的合作伙伴关系，该计划使大学研究人员能够接触到格罗方德的先进技术，并获得设计和技术支持。 该团队在GF的商用45纳米RF-SOI 平台上，采用“零变更”方法构建了该开关——无需定制化制造，无需专用制造流程，仅通过组合现有商用工艺的元素，使其通过不同的物理机制工作。王指出，GF的CMOS SOI技术所具备的洁净基板和低寄生参数，是该器件成功的关键。
结果令人瞩目：开关时间低于30皮秒，在同一平台上，其power 处理能力比基于传统晶体管的开关高出10倍以上，且在线性度和寄生参数方面也取得了显著提升。
我们就以下几个问题采访了尼库和王：射频技术为何遭遇瓶颈，当研究对象从电子转变为场时会有哪些变化，以及此类设备未来可能走向何方。为确保篇幅适中且表述清晰，本次对话内容已进行编辑。
为什么射频技术不能像逻辑电路那样不断缩小呢？
穆罕默德·萨米扎德·尼库博士： 如果仅仅将晶体管做得极小，其 性能指标就无法再得到提升。 对于晶体管而言，当栅极长度为25或30纳米时，通常能获得最佳性能，因为一旦超过这个尺寸，性能就会完全受到寄生参数的限制。 金属与半导体之间的接触性能会限制器件的电导率，同时由于接触点之间的距离越来越近，寄生电容也会越来越大。 我们非但没有获益，反而会蒙受损失。这就是为什么在某个节点上性能不再提升。这确实存在非常根本的限制。在此，我称之为“范式转变”，因为我们讨论的不再是晶体管的优化。这是一种基于完全不同工作机制的根本上全新的器件。我们不再通过注入电子来传输信号，而是利用电场来传输信号，正因如此，我们才能获得更高的效率、更高的power 以及更快的速度。
您所说的“性能更好”，具体能提升多少？这对最终用户来说意味着什么？
Nikoo：主要有 四点。首先是寄生参数：该开关在Ron·Coff优值指标上优于传统开关，而该指标与尺寸缩放无关，因此能体现该技术本身的卓越性。寄生参数越少，就意味着可以切换更高的频率。 其次是线性度，通过IIP3指标衡量。若要切换用于调制或波束成形的通信信号，开关在导通状态下必须保持极高的线性度，以防止频率分量相互混叠并导致信号质量下降。我们的线性度达到了17 dB，这比power 高出两个数量级。第三是power 能力：提升幅度超过一个数量级。 单个晶体管绝不可能达到25 dBm的输出功率。通常需要power 的信号合成以及许多其他占用大量空间的方案，而这里仅凭单个器件就能实现。第四，切换时间。对于开关而言，亚纳秒级的切换速度已经相当惊人，而这里我们谈论的是亚30皮秒的水平。这四点综合起来，使其成为一种极具前景的解决方案。
为什么要在商业版的RF-SOI 平台上进行这项演示如此重要？
王华教授：人们 一直关注新型器件及其创纪录的卓越性能，但其中许多器件都是临时设计的，且采用专用工艺。这些器件虽然出色，但在可扩展性、良率和可制造性方面却存在局限。这正是我们之所以想要采用所谓“零变更”方法的原因：利用现有的商用技术平台来演示新型器件。通过这种方式，此处演示的技术将具备极高的可扩展性和可制造性。 利用这些现有的商用技术，还能使新型器件与传统器件以及更标准化的射频电路和系统进行协同设计、协同集成和协同工作，从而进一步拓展其功能。如果我们只想创下新的科学纪录，单个器件就足够了。但如果我们要解决实际的挑战，就必须为真实应用设计功能性的电路和系统。
这样的开关实际上可以在哪里使用呢？
王：主要有两大类 。其一是用于通信与传感相结合的、工作在太赫兹及更高频段的各类可重构电路。我们希望通过提升频率来获得更高的带宽、更高的空间分辨率和更低的延迟，但由于目前尚缺乏该频段的高质量开关，因此很难实现电路的可重构性。这一点不仅适用于射频电子器件，也适用于可重构天线和可重构智能表面。 借助这项技术，所有这些系统都将成为可能。另一大类是有线和串行数据——即数据中心和人工智能。其中一个重要方面是如何将电子数据以极高速度调制到光波导上，这必然需要具有低损耗和极快开关时间的高性能开关。人工智能本质上是一个连接性问题，既涉及带宽层面的连接，也涉及能效层面的连接。
随着6G向更高频段发展，这对硅材料意味着什么？
Nikoo：对于6G 及未来的无线系统，人们正在研究新材料。我们知道硅性能优异，它提供了氮化镓无法比拟的集成能力。 但研究人员在探索氮化镓及其与硅的集成时，愿意接受更复杂的工艺，以获得更高的power 性能优势。在此，我们运用了一项基于硅的新技术，它能实现以往通常只有氮化镓——这种更优异的材料——才能做到的事情。我认为这确实改变了硅未来能否继续作为无线通信主导平台的局面。
开展此类研究时，与GF的“大学合作计划”合作有什么好处？
王：我们 从与格罗方德的合作中获益匪浅。格罗方德不仅为我们提供了非常先进的技术以及大量的设计和技术支持与建议，我还想特别谈谈格罗方德的技术本身。我们正在使用格罗方德的CMOS SOI技术，而SOI基板的高纯度以及极低的寄生参数，也是该器件成功的关键因素。
Nikoo： 通过GF与大学之间的合作获得 这一流程的准入，也让大学研究团队有机会尝试更多风险较高的创意——如果空间非常有限，这类尝试有时会很困难，而这往往属于高风险、高回报的范畴。采用新的项目模式后，我们需要达成关键绩效指标（KPI）并完成大量工作，这削弱了我们尝试某些非常有趣创意的灵活性。因此，我认为这一点也颇有帮助。 器件领域和电路领域是两个截然不同的群体，有时彼此之间并不完全理解。过去曾有过一些重要的器件研发成果，却因依赖手工工艺而未能转化为工业界中真正有用、实用的产品。我们此次的工作正处于这两个领域的交汇点。我们开发了一种新器件，但将其构建在电路工程师可直接使用的平台上，从而扩大了其影响力。
这项工作的下一阶段是什么？
王：Nikoo目前 在新加坡南洋理工大学（NTU）领导他的研究团队，他的研究重点更多放在器件上——他已经开展了多个项目，进一步推动这一概念在器件创新方面的应用。至于我在苏黎世联邦理工学院（ETH）这边，我们更侧重于电路和系统研究，因此我们正致力于将这种器件应用到更复杂的系统和电路中，例如我们刚才提到的可重构太赫兹电路。简而言之，我们希望将其投入实际应用。
