[發明專利]一種基于垂直磁化自由層的自旋微波振蕩器及其制造方法

有效

• 申請號: 201210129734.0
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN102637939A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 曾中明;張寶順
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01P7/00
• 分類號: H01P7/00;H01P11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明一般涉及自旋輸運器件技術領域，尤其是應用于無線通信領域的微波振蕩器。?

背景技術

隨著移動通信和衛星通信的迅速發展，對器件小型化、集成化的要求越來越迫切。以手機為例，目前每個手機中約有幾百個無源電子元件，因此無源電子元件的小型化和集成化對手機產品的輕便化起決定性作用。同時，移動通訊也向高頻化和寬頻化發展，早期的第一代移動通信所用的頻段在800?MHz-900?MHz之間，以數字信號為主要特征的第二代移動通信所用的頻段則在900?MHz和1.8?GHz?左右，目前正在研究更高頻段的新技術。因此，尋找具有良好的高頻特性、寬頻可調、以及易于小型化和集成化的新型材料和器件是目前研究開發的一個重要目標，市場需求也非常旺盛。

近來研究發現，利用電子的自旋特性增加器件的功能可能滿足上述要求。當自旋極化直流電流垂直通過納米尺寸的鐵磁性多層膜（自由層/隔離層/固定層）時，會產生自旋轉移力矩(?spin?transfer?torque,?STT)?,在合適的條件下會引起自由層磁化發生磁阻振蕩，輸出高頻信號［S.?I.?Kiselev,?et?al.,?《Nature》，425,?380?(2003)］。這種通過磁阻振蕩將直流輸入信號轉換為微波輸出信號的微波振蕩器具有很多優點，例如：結構簡單、尺寸小（比現有技術的VCO振蕩器小50倍）、微波調制范圍寬（達0.1～100?GHz）、易集成、以及工作電壓低（<?0.5V）等，近來成為研究的重要熱點。

然而，目前，國際上對自旋微波振蕩器的制備和應用方面所遇到的“瓶頸”問題是：在絕大部分現有技術中，需要在施加外部磁場條件下才能實現微波輸出，這給器件的制作和今后實際應用帶來了技術挑戰，并且現有技術制作的自旋微波器件的輸出功率低。因此，要滿足實際應用要求，急需提高器件的輸出功率和解決微波輸出對磁場的依賴問題。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于垂直磁化自由層和面內磁化固定層結構的自旋微波振蕩器及其制造方法，以克服現有技術中的不足。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

一種基于垂直磁化自由層的自旋微波振蕩器，包括磁性多層膜以及與所述磁性多層膜連接的電極，所述磁性多層膜包括：

由非磁性金屬材料構成的種子層；

形成于種子層上的，具有面內平衡磁化狀態的第一磁性層；?

形成于第一磁性層之上的非磁性隔離層；

形成于非磁性隔離層之上的具有垂直磁化的磁性自由層；

以及，形成于自由層之上的保護層。

進一步的講，所述非磁性隔離層優選采用厚度為1.0nm～6.0?nm的非磁性金屬層和/或厚度為0.5?nm～1.0?nm的隧道絕緣層。

所述非磁性隔離層優選采用無機材料絕緣膜和/或有機材料絕緣膜，所述無機材料絕緣膜至少選自金屬氧化物絕緣膜、金屬氮化物絕緣膜、類金剛石薄膜、EuS薄膜和Ga₂O₃薄膜中的任意一種或兩種以上的組合。

所述金屬氧化物或金屬氮化物是由能構成絕緣層的金屬元素經氧化或氮化形成，所述金屬元素至少選自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。

所述第一磁性層主要由具有面內平衡磁化狀態的磁性材料制成，所述磁性材料優選采用具有磁性的合金和/或化合物。

所述磁性材料至少選自3d過渡族磁性金屬或其合金、4f稀土金屬或其合金和半金屬磁性材料中的任意一種或兩種以上的組合；

所述3d過渡族磁性金屬或其合金優選選自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。

所述半金屬磁性材料至少選自Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃和Heussler合金中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。

所述磁性自由層由具有垂直磁化的鐵磁性材料制成，所述鐵磁性材料至少選自Fe、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。

優選的，所述的自旋微波振蕩器還包括反鐵磁性層，所述第一磁性層形成于該反鐵磁性層之上。

所述反鐵磁性層優選由反鐵磁合金和/或反鐵磁化合物形成；