在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法，以及一种非易失性阻抗开关及其用途

摘要

本发明涉及一种用于在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法，涉及一种具有可重构阻抗的非易失性阻抗开关，并且涉及其作为具有小占位面积的微电感的用途。通过一种用于在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法，解决了明确下述方法的问题而无须付出巨大努力：通过该方法可以根据涡流密度影响和调整特定材料的阻抗，其中在连接到稀土锰酸盐的第一和第二导电触点之间施加一次性电压‑时间曲线，使得在施加电压脉冲或电压斜坡期间和之后的冷却过程中，稀土锰酸盐经历在两个导电触点之间形成的电场区域中的有序温度，并且因此，在两个导电触点之间形成的电场区域中，涡旋密度受到局部影响和设定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法。

本发明还涉及具有可重构阻抗的非易失性阻抗开关。

本发明还涉及非易失性阻抗开关作为分立元件或可调谐滤波器的用途。

背景技术

从现有技术《Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies，FrankEllinger，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2008》中可知由电介质中的金属导电路径组成的混合材料，其阻抗特性在生产期间由金属和电介质的几何形状和体积特性确定。金属以金属导电路径的形式引入到电介质，这产生了术语“混合材料”，因为这种结构由至少两种具有不同导电特性的材料组成。如果将此类混合材料用于电子电路，则它们在工作频率范围内的品质因数通常必须为1-50(Radio Frequency Integrated Circuits andTechnologies，Frank Ellinger，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2008)。由电介质中具有金属导电路径的混合材料组成的分立元件的工作频率范围由设计和制造情况确定。在生产之后，由电介质中具有金属导电路径的混合材料组成的分立元件的阻抗特性无法改变。为了改变阻抗特性，例如工作频率范围，由在电介质中具有金属导电路径的这些混合材料组成的分立元件与其他分立元件一起在电子电路中使用，但是在由电介质中具有金属导电路径的混合材料组成的分立元件的工作频率范围内，总是能观察到电子电路的品质因数降低。

此外，在现有技术中，由于具有比10

高度紧凑和节能的电源是高性能微电子系统的基本前提。例如，驾驶员辅助系统需要具有越来越多不同的处理器内核的异构微控制器和处理器结构用于数据评估。与之相关联的不断增加的功耗需要使用并联的多相电压互感器进行高度复杂的电源管理。由于它们的占位面积大，每一相中使用的线圈仍然决定着结构尺寸，通常还决定着微控制器和处理器结构的效率。术语“占位面积”是指例如在电子电路的基板上的电感的物理尺寸。小型化的电感组件将更紧凑、更节能、布线要求更低。

现有技术中已知的电感元件为，例如下列的元件：在单独的Si中介层上具有磁芯的平面电感、分层地作为外壳的一部分的空心线圈、由直接在iC上的上金属化平面组成的横向螺旋线圈，以及直接在iC上使用上部金属层的磁芯线圈。通过使用硅通孔(through-silicon vias)(TSV)，可实现111nH/mm

此外，从现有技术中可知可以在GHz滤波器或GHz谐振器中使用的所谓的基于YIG的元件。钇铁石榴石(Yttrium-iron garnet)，称为或简称YIG，是具有成分Y

如果将钇铁石榴石用作YIG谐振器，则它可以具有小球体的形状，其直径约为几毫米的量级。为了调谐谐振频率，使用外部磁场H

发明内容

首先，因此本发明的目的是提供一种方法，通过该方法可以很容易地根据涡旋密度(vortex density)来影响和设定特定材料的阻抗。本发明的另一个目的是提供一种阻抗开关，其可以以非易失性方式重构并且可以用在可调滤波器和谐振器中，从而避免由在电介质中具有金属导电路径的混合材料构成的已知分立元件的缺点，并且还避免了YIG元件的缺点。

另一个目的是实现具有低占位面积(微电感所需的面积)的微电感。为此，在阻抗开关中实现高涡旋密度。例如，使用200μm×200μm的阻抗开关上的电极面积时，当前的100nH/mm

该目的通过一种用于重构稀土锰酸盐中的涡旋密度的方法来实现，其中在连接到稀土锰酸盐的第一和第二导电触点之间施加一次性电压-时间曲线，使得在施加一次电压-时间曲线期间和之后的冷却过程中，稀土锰酸盐经历在两个导电触点之间建立的电场区域中的有序温度，并且因此，在两个导电触点之间建立的电场区域中，涡旋密度受到局部影响和设定。

为了本发明的目的，稀土锰酸盐是在施加电压或经过加热和/或冷却过程时形成涡旋状态的材料。涡旋状态可以认为是材料内带电畴壁(domain wall)之间的交点。通过透射扫描电子显微镜已经可以在单晶六角形稀土锰酸盐(single-crystal hexagonal rareearth manganates)(RMnO

根据本发明，在稀土锰酸盐的第一和第二触点之间，将具有限定的电压-时间曲线的电压施加到稀土锰酸盐。以预定的振幅和预定的时间将电压施加到触点，从而形成电场并发生电流流动。由于电流的流动，将稀土锰酸盐通过焦耳热加热到材料的有序温度特性以上，使得存在的畴壁和涡旋被打破。根据所选择的电压-时间曲线，限制施加电压的时间，并且在断开电压后，通过冷却和加热元件(绝缘结构)控制加热和冷却过程会导致一冷却过程，所述冷却过程的温度梯度首先受到所使用的电压-时间曲线的影响和设定，其次受到由嵌入稀土锰酸盐的绝缘结构的影响和设定。因此，可以实现随时间控制的排热。所施加的电压曲线和所建立的温度梯度具有以下效果：在随后的材料冷却到其特性有序温度以下的过程中，可以影响由于具有特定温度梯度的受控冷却过程而建立的涡旋密度，使得根据要配置的行为，稀土锰酸盐会表现出电感或电容行为。

在本发明的用于重构涡旋密度的方法的一个实施例中，电压-时间曲线是电压脉冲或电压斜坡(voltage ramp)。当要以高效能的方式快速进行具有高或低涡旋密度的稀土锰酸盐之间的切换时，优选使用电压脉冲。当阈值电压U

与电压斜坡(图13b、13d)相比，电压脉冲可能更有利，因为与电压脉冲(图13a、13c)相比，通过电压斜坡要花费相对较长的时间。此外，在两个导电触点之间施加电压斜坡期间，再次部分冷却稀土锰酸盐，因此引入的电能中只有一小部分转化为焦耳热。在两个可变的电压曲线的情况下，例如，在使用电压斜坡和/或在使用电压脉冲的情况下，在冷却过程中通过铁电有序温度时达到两个不同的冷却速率。两种冷却速率中的较低者(电压斜坡)会导致形成低涡旋密度，而两种冷却速率中的较大者(电压脉冲)会导致在两个导电触点之间的稀土锰酸盐中产生高涡旋密度。

在本发明的方法的一个优选实施方案中，产生了大于1K/min，优选地大于10K/min，甚至更优选地大于100K/min的温度梯度以重构涡旋密度，从而产生具有占优势的感抗(dominant inductive reactance)的阻抗。为了用具有占优势的感抗(电感L，Z＝R

在本发明的方法的另一个优选实施方案中，产生了小于100K/min，优选地小于10K/min，甚至更优选地小于1K/min的温度梯度以重构涡旋密度，从而产生具有占优势的容抗(dominant capacitive reactance)的阻抗。为了用具有占优势的容抗(电容C，Z＝R

此目的还通过一种非易失性阻抗开关来实现，所述非易失性阻抗开关通过本发明的用于重构涡旋密度的方法进行重构，包括由至少一层由稀土锰酸盐组成的层序列，和第一触点，其设置在稀土锰酸盐一侧，还有第二触点，其布置在与第一触点相反的一侧或与第一触点相同的一侧，以及绝缘结构，用于在经历稀土锰酸盐的有序温度时随着时间的流逝控制排热并设定温度梯度。

为了本发明的目的，非易失性阻抗开关是其阻抗特性可以反复地切换的元件。阻抗，也称为交流电阻(AC resistance)，是交流技术中的电阻。它是电势与电流之比，具体地，表征了这两个参数之间的相移。阻抗在例如高频电源线的适配中具有重要性。例如，当设备的输入阻抗与电源线的阻抗不一致时，这会导致降低功率传输的反射，并且导致共振现象，从而导致非线性频率响应。以直角坐标Z＝R+jX表示的阻抗由电阻的实部R和电抗X的虚部组成。在具有电感L的负载中，其具有正(电感)电抗；电压先于电流变化。在此，ω是振荡角频率。另一方面，在具有电容C的负载中，其具有负(电容)电抗；电压随电流变化。

出于本发明的目的，由具有带电畴壁的稀土锰酸盐组成的层是在稀土锰酸盐的铁电有序温度T

在非易失性阻抗开关的一个实施例中，两个触点中的至少一个具有结构化配置。将电压施加到两个触点会形成电场。由于结构化接触，涡旋密度可以在至少一个稀土锰酸盐层的限定区域中以限定的方式局部地受到影响和设定。

在非易失性阻抗开关的优选实施例中，稀土锰酸盐是六角形的YMnO

在本发明的非易失性阻抗开关的一个实施例中，层序列的厚度大于5nm且小于5000nm。这些限制是有利的，因为稀土层中的涡旋密度在正面电极和背面电极之间应该是均匀的，从而取决于涡旋密度的阻抗特性在正面电极和背面电极之间是均匀的。

在本发明的非易失性阻抗开关的另一个特别有利的实施例中，第一触点和/或第二触点的面积为10

通过上述实施例，可以在电感性稀土锰酸盐和电容性稀土锰酸盐之间切换阻抗开关。这两个阻抗状态在其复阻抗、品质、谐振频率和相位特性方面有很大不同。例如，在移相器的情况下，有利的是，谐振频率和相位特性(phase behavior)能够通过施加电压-时间曲线而具有任何阻抗值。

非易失性阻抗开关用作电子电路中的分立元件以适应相移是特别有利的。

非易失性阻抗开关用作可调谐滤波器也是有利的。

非易失性阻抗开关用作分立的无源元件的双引脚元件(two-pin component)是特别有利的。优势是具有10

同样特别有利的是，将非易失性阻抗开关用作倒装芯片，从而集成到用于高能效的相变压器的电路中。

附图说明

下面通过实施例更详细地说明本发明。

下列附图示出了：

图1具有带电畴壁(和绝缘结构)的本发明的非易失性阻抗开关(未配置)，(a)前侧有两个电极，(b)前侧有电极，后侧有电极，(c)在中心带有涡旋的六角形畴结构；

图2 a)具有带电畴壁和低涡旋密度以及占优势的容抗的本发明的非易失性阻抗开关，b)具有带电畴壁和高涡旋密度以及占优势的感抗的本发明的非易失性阻抗开关；

图3所配置的阻抗开关的频率相关行为；

图4确认a)阻抗开关的电抗的非易失性和b)其温度稳定性的非易失性；

图5对所测得的具有占优势的感抗的复阻抗Z进行建模；

图6对所测得的具有占优势的容抗的复阻抗Z进行建模；

图7在低阻抗状态(LRS)下的材料的品质因数和谐振频率的建模和测量结果之间的比较，该材料具有d＝110nm的厚度，并且连接具有不同电容值的外部电容；

图8在低阻抗状态(LRS)下的材料的品质因数和谐振频率的建模和测量结果之间的比较，该材料具有d＝160nm的厚度，并且连接不同尺寸的外部电容；

图9在低阻抗状态(LRS)下的材料的品质因数和谐振频率的建模和测量结果之间的比较，该材料具有d＝190nm的厚度，并且连接不同尺寸的外部电容；

图10在高阻抗状态(HRS)下的材料的品质因数和谐振频率的建模和测量结果之间的比较，该材料具有d＝110nm的厚度，并且连接不同尺寸的外部电感；

图11在高阻抗状态(HRS)下的材料的品质因数和谐振频率的建模和测量结果之间的比较，该材料具有d＝160nm的厚度，并且连接不同尺寸的外部电感；

图12在高阻抗状态(HRS)下的材料的品质因数和谐振频率的建模和测量结果之间的比较，该材料具有d＝190nm的厚度，并且连接不同尺寸的外部电感；

图13电压-时间曲线：a)短电压脉冲，b)短电压斜坡，c)长电压脉冲，d)长电压斜坡。

具体实施方式

图1示出了本发明的非易失性阻抗开关1的示意性结构，其由具有带电畴壁5的稀土锰酸盐4和绝缘结构8组成。在一种可能的实施方式中，已经通过薄膜技术将导电的后侧触点2沉积在衬底层6上的层序列上。可调谐电谐振器和滤波器中层序列的总厚度应大于5nm且小于5000nm。最后，将导电的前侧触点3施加到后侧触点2的相对侧。第二触点3也可以施加在层序列4上的后侧触点2的同一侧。构造了两个触点2、3中的至少一个，即，前侧触点3和/或后侧触点2。层序列4包括至少一个具有带电畴壁5的层。该层是稀土锰酸盐，例如YMnO

图2a示出了本发明的非易失性阻抗开关1，其具有较低的涡旋7密度的带电畴壁5和占优势的容抗。通过将高振幅的短电压脉冲施加到接触的层序列上，形成具有高涡旋7密度的带电畴壁5。

图2b示出了本发明的非易失性阻抗开关，其具有高密度的带电畴壁5和占优势的感抗。通过将低振幅的长电压脉冲施加到接触的层序列上，形成具有低涡旋7密度的带电畴壁。

图3示出了在1kHz至40MHz频率范围内配置的阻抗开关1的频率相关行为。在施加阈值电压U

图4a和4b示出了本发明的阻抗开关1的阻抗与时间和温度无关，即，可以以非易失性方式设置阻抗特性。

图5a示出了具有带电畴壁5的材料的等效电路，所述带电畴壁5用于对测得的具有占优势的感抗的复阻抗Z进行建模。本质上，建模是通过与电阻Rp串联的电感Lp，以及与之并联的两(Rp，Cp)对(Rp

表1示出了具有带电荷畴壁的LRS中厚度为d＝110nm、160nm和190nm的材料的等效电路的建模值，如图5中的各个图所示。

表一：阻抗和品质因数建模如图5所示。

图6a描述了具有带电畴壁的材料的等效电路，从而对测得的具有占优势的容抗的复阻抗Z进行建模(图6a)。本质上，建模受两(Rp，Cp)对(Rp

表2示出了具有带电荷畴壁的HRS中厚度为d＝110nm、160nm和190nm的材料的等效电路的建模值，如图6中的各个图所示。

表2：阻抗和品质因数建模如图6所示。

通过并联补充的分立电子元件以受控方式设定品质因数和谐振频率。这显示了LRS中具有带电畴壁的材料，其壁厚分别为d＝110nm(图7)、d＝160nm(图8)和d＝190nm(图9)，并且具有不同的外部电容C＝0.47μF(图7b、8b、9b)、C＝1.00μF(图7c、8c、9c)和C＝4.00μF(图7d、8d、9d)。使用在图7a、8a、9a中所示的等效电路，对于在LRS中具有畴壁的材料，通过外部电容C将其标称值输入模型中，从而对使用外部电容C测量的品质因数和阻抗数据进行建模。

对于HRS中具有带电畴壁5的材料也是如此，其壁厚分别为d＝110nm(图10)、d＝160nm(图11)和d＝190nm(图12)，具有外部电感L＝0.10mH(图10b、11b、12b)、L＝0.68mH(图10c、11c、12c)和C＝4.00mH(图10d、11d、12d)。使用在图10a、11a、12a中所示的等效电路，对于在HRS中具有畴壁的材料，通过外部电感L将其标称值输入模型中，从而对使用外部电感L测量的品质因数和阻抗数据进行建模。

在稀土锰酸盐中重构涡旋密度的方法，以及一种非易失性阻抗开关及其用途

1 非易失性阻抗开关

2 第一触点

3 第二触点

4 包括带电畴壁、稀土锰酸盐的层序列

5 带电畴壁

6 基板

7 涡旋

8 绝缘结构

9 加热和/或冷却元件

d 层序列的厚度