集成四个基础无源元件功能的集成型电路元件及其设计方法和制备方法

本发明属于集成电路基础无源电路元件领域，具体涉及一种集成四个基础无源元件功能的集成型电路元件及设计方法和制备方法。

背景技术：

1、集成电路是现代电子设备的核心，集成电路技术的进步提升了设备的性能、可靠性和成本效益，使得设备更小、更快、更节能，从而推动了消费电子、工业自动化和智能城市的进步。集成电路的发展在于如何提高集成度，从而实现更高的性能与更小的尺寸，因而发展思路可分为微观领域上不同功能基本电路元件在单一框架内集成（即实现集成的电路元器件，integrated circuit element）和宏观领域上集成工艺的提升（如制程、封装工艺等）。

2、宏观上，从1960年上百个元件的大规模集成发展到今天数十亿数量的超大规模集成，微型化的需求使得基本元件之间的尺寸不断缩小，导致了不可避免的量子效应，使得集成电路的发展逐渐接近物理极限，其制备工艺的难度与所需能耗激增，因此研究人员普遍从一体化设计、系统级封装等新的集成工艺入手寻找突破。尽管宏观集成工艺的深入研究促进了集成电路的进一步发展，但微观上不同基本无源元件其机制相互独立带来的物理限制依然存在，且基本元件之间信号传输带来的能耗、延迟无法降低。

3、从微观领域看，基本电路元件包括有源和无源两类，相比于依赖外加电场的有源电路元件，无源元件更具有高度集成化的潜力。

4、在集成电路中，由四个基本电路变量—电流i、电压u、电荷量q和磁通量φ出发得出的四个基本无源电路元件—电阻器、电容器、电感器和忆阻器，发挥着不可替代的重要作用。其中，忆阻器领域的发展实现了计算基本元件和存储基本元件的合并（即存算一体），更进一步，研究人员在存算一体的基础上追求将传感器功能合并，即制作感、存、算一体芯片，从而进一步提升集成度、提高集成电路性能。对忆阻器的深入研究在一定程度上提高了集成电路的集成度，有力地促进了集成电路的发展，但受限于基本无源元件之间物理机制与器件构造的差异性，特别是电感器的特殊螺旋线圈的构造需求，仍然限制了集成电路发展的上限。

5、涌现电感的出现摆脱了传统电感器需要螺旋线圈构造的需求，为四个基础无源电路元件的集成提供了结构上基础，但其实现需要低的电阻利于电子流动，从而驱动局部磁矩，这与忆阻器的高、低阻态可切换的需求与电容器普遍应为绝缘性材料的需求存在根本矛盾，且至今提出的涌现电感采用有效质量小的电子作为载流子，由于电感值与载流子质量的反比关系，注定电感性能较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种集成四个基础无源电路元件功能的集成型电路元件及设计方法和制备方法，解决了现有技术中集成电路上基础无源电路元件在空间上相互独立、限制集成电路微型化与高性能化进一步发展的问题。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、集成四个基础无源电路元件功能的集成型电路元件，包括氧化硅绝缘衬底，氧化硅绝缘衬底上方设置多个底电极，贴合在底电极上方设置单晶薄片，单晶薄片的顶部设置顶电极，所述底电极包括分别沿氧化硅绝缘衬底x轴、y轴方向上设置的两对金属电极，以及x轴、y轴之间45度角方向设置的一个金属电极；其中，单晶薄片具有层状结构、室温单相磁电耦合各向异性、微观自旋轨道电荷耦合机制、铁电极化特性和质子导电性质；x轴、y轴之间45度角方向的底电极和单晶薄片上顶电极形成一对z轴方向上的金属电极对，分别在x轴、y轴、z轴方向上的金属电极对之间施加不同的电压条件，实现四个基础无源电路元件的功能。

4、x轴方向的两个金属电极之间施加直流电压，实现忆阻器功能；y轴方向的两个金属电极之间施加交流电压，实现质子型电感器功能；y轴方向的两个金属电极之间施加直流电压，实现线性电阻功能；z轴方向的两个金属电极之间施加交流电压，实现电容器功能。

5、x轴和y轴方向两对互相垂直的电极分别与单晶样片a轴、b轴平行。

6、所述底电极和顶电极均为表面生长的10nm厚的金属电极。

7、集成四个基础无源电路元件功能的集成型电路元件的设计方法，包括如下步骤；

8、步骤1、沿元件y轴方向施加交流电压，通过同轴磁电耦合效应与自旋转移力矩实现质子型涌现电感器功能；

9、步骤2、沿元件x轴方向施加直流电压,通过自旋轨道电荷耦合机制释放或回收质子，调控通道内质子浓度，改变电阻状态，实现忆阻器功能；

10、步骤3、沿元件z轴方向施加交流电压，利用z轴方向无法产生电感的异轴磁电耦合特性，可束缚电荷的铁电极化特性，以及层间作用力抑制质子输运避免漏电流，实现电容器功能；

11、步骤4、沿元件y轴方向施加直流电压可实现线性电阻器功能。

12、步骤1的具体实现过程如下：

13、根据涌现电感理论公式，可知电感值与载流子有效质量成正比，选择具有高有效质量的质子作为驱动单晶薄片结构内部的局部磁矩运动，提升电感值；

14、根据载流子自旋轨道耦合强度与载流子有效质量成反比的特性，忽略质子的内禀自旋轨道耦合强度，利用同轴磁电耦合特性在外加交变电场作用下改变单晶薄片同轴向有效磁场，调控质子自旋，实现质子的自旋与动量同时变化，形成“有效的自旋轨道耦合”；

15、质子在运动过程中自旋时刻变化，产生自选转移力矩作用在局部磁矩上，形成等效的微扰磁场，驱动局部磁矩在围绕单晶薄片自身具有的有效磁场方向进动的过程中叠加了章动的现象；

16、在无质子流动的情况下，局部磁矩仅围绕有效磁场进动，局部磁矩与有效磁场的夹角不变；当质子流动经过局部磁矩时，假定自旋转移力矩、微扰磁场和局部磁矩三者互相垂直；

17、将不同时刻、具有相同和的局部磁矩放置在同一个布洛赫球内，的运动轨迹形成一个立体角变化的圆锥型结构；得出贝里联络对时间的导数可以引起感生电场；在感生电场作用下，引起电动势，产生所需要的涌现电感，其中，为局部磁矩与有效磁场的夹角，为局部磁矩与有效磁场夹角的时间变化率，为单位电荷量。

18、质子的运动可表示为：，其中为质子正则动量，为耦合常数，为质子动量的分量，为质子自旋的分量，为质子有效质量，为质子自旋，为磁电耦合导致的质子动量和自旋有效耦合因子，为坐标下标，代表xyz。

19、局部磁矩在自旋方向可变的质子驱动下，产生连续变化由如下公式表示：

20、，

21、其中，其中为有效磁场，为自旋转移力矩产生的微扰磁场。

22、基于四个基础无源电路元件功能的集成型电路元件的制备方法，包括如下步骤：

23、步骤a、通过磁控溅射在覆盖掩膜版的氧化硅片上生长10nm厚的金属电极图案作为底电极，在覆盖掩膜版的聚乙烯醇薄膜上生长10nm厚的金属电极图案作为顶电极；

24、步骤b、选取具有层状结构、室温单相磁电耦合各向异性、微观自旋轨道电荷耦合机制、铁电极化特性和质子导电性质的单晶薄片转移至聚二甲基硅氧烷薄膜表面；

25、步骤c、将聚二甲基硅氧烷表面的单晶薄片与金属电极无损贴合，使x和y方向两对电极分别与单晶薄片a轴和b轴方向平行，与x方向成夹角45°的单个电极作为z方向底部电极；

26、步骤d、向单晶薄片上施加变化的温度，分离聚二甲基硅氧烷薄膜，使单晶薄片与底部金属电极紧密贴合；

27、步骤e、将生长顶电极的聚乙烯醇薄膜转移，使其背面与聚二甲基硅氧烷薄膜表面贴合，通过转移平台调节聚乙烯醇薄膜表面的顶电极与单晶薄片下面的z方向底部电极垂直，将聚乙烯醇薄膜表面的顶电极与单晶薄片无损贴合，与单晶薄片底部电极形成z方向一对电极；

28、步骤f、向单晶薄片上施加变化的温度，分离聚乙烯醇薄膜，粘附在硅片表面，并携带顶电极与单晶薄片紧密贴合。

29、一种芯片，包括所述的集成型电路元件。

30、计算机设备，包括处理器，其中，处理器电路至少包含一个所述的芯片。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、1、本发明提供一种集成四个基础无源电路元件功能的高性能集成型电路元件具有超高电感性能的无线圈式质子型电感器功能，相较于目前集成电路内广泛使用的基础无源电路元件的优点在于，高性能集成型电路元件尺寸仅在微米级别，具备进一步微型化潜力。

33、2、结构上需三对电极沿着互相垂直的方向与符合要求的单晶材料相连，每个功能的实现仅需要对应方向的一对电极施加所需电压条件，与集成电路内其他基本电子元件结构类似，有着较好的立体兼容性。

34、3、高性能集成型电路元件中电感器功能的电感值高达103 h以上，对应电感密度为105 h/mm2，且能耗极低，所需驱动电压仅1v以下。

35、4、高性能集成型电路元件在保持电感功能基础上，其中忆阻器功能的开关比>10，持续时间>103 s、循环测试耐受性>102次、具备易失的多栅极可调性，可模拟神经突触可塑性，实现从简单到复杂的学习功能。

36、5、电容器功能的品质因子>50。

37、6、高性能集成型电路元件在单一基础元件内，可同时实现四个基础无源电路元件功能，与实现相同功能所需的集成电路元件相比所需空间尺寸、能耗与延迟等可显著降低，从本质上提高集成电路的微型化与高性能化发展上限。