[發明專利]一種利用電壓調控的頻率可調微波振蕩器

在審

• 申請號: 201810669197.6
• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN108987564A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 趙巍勝;龍明直;曾瑯;魏家琦
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明公開一種利用電壓調控的頻率可調微波振蕩器，核心單元結構包括垂直磁化磁隧道結以及引出的三個端口；垂直磁化磁隧道結由下至上為“金屬層/厚氧化層/自由鐵磁金屬層/薄氧化層/固定鐵磁金屬層”；固定鐵磁金屬層，自由鐵磁金屬層，金屬層分別連接電極作為端口；“厚氧化層/自由鐵磁金屬層/薄氧化層/固定鐵磁金屬層”為微波發生器件，是產生微波輸出信號的核心單元，自由鐵磁金屬層磁矩可產生高頻進動，且具有較強的壓控磁各向異性。本發明可在實現高輸出功率的同時保證隧道結的穩定性。可通過隧道結電流及加在自由鐵磁金屬層上的電壓對微波輸出信號的功率及頻率分別進行調控，具有更高的實用性。

【技術領域】

本發明涉及一種利用電壓調控的頻率可調微波振蕩器，特別涉及一種將電壓調控與自旋轉移矩效應相結合的三端口微波振蕩器，屬于納米微波振蕩器技術領域。

【背景技術】

移動通信技術的迅速發展對無線傳輸器件的核心——振蕩器的體積、功耗等提出了更高的要求，近年來，基于磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)構建的新一代振蕩器引起科研及工業界的高度關注。在磁性隧道結結構中(自由層/隔離層/釘扎層)，當一定大小的自旋極化電流通過時，其帶來的自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque,STT)會引起自由層磁矩的穩定進動，進而導致電阻發生高頻變化，將輸入的直流信號轉換為高頻振蕩的微波信號。基于這一效應的振蕩器，即自旋轉移力矩納米振蕩器(Spin TransferTorque Nano-Oscillator,STNO)被廣泛認為有望取代當前的LC振蕩器、晶體振蕩器等。STNO不僅體積小、能耗低、寬頻可調，而且和當前CMOS工藝有較好的兼容性。

利用磁矩進動產生微波信號的關鍵在于產生自旋極化的電子以及如何將其作用于磁性自由層。對于典型的STNO而言，電子通過磁性釘扎層時發生自旋極化，進而產生自旋轉移力矩。要實現大功率的微波振蕩，能否獲得較大的自旋轉移力矩是一個重要的因素。STT的大小主要取決于電流密度。由于磁性隧道結電阻較大且擊穿電壓在1V左右，所以電流密度受到了較大的限制。此外，由于磁矩進動的頻率和幅度具有非線性的關聯且微波輸出信號的頻率主要由磁有效場決定，所以對于當前主流的兩端STNO器件，頻率和功率的大范圍獨立調制同樣需要外加磁場來實現，這為其實際應用帶來了諸多不便。

【發明內容】

針對上述背景中提到的當前STNO所面臨的受限于工作電流無法獲得高輸出功率以及其對外加磁場的依賴，本發明提供了一種利用電壓調控的頻率可調微波振蕩器，電壓調控與自旋轉移矩效應相結合，利用電壓調控磁各向異性(Voltage-Controlled MagneticAnisotropy,VCMA)可以有效調節磁性自由層的磁有效場，進而改變磁矩進動頻率，結合電流對于頻率的調制能力，可實現無外加磁場的頻率調制。它彌補了現有STNO的不足。進一步的，三端結構的優點使得微波輸出信號的頻率和功率可以被分別調制。

本發明的一種利用電壓調控的頻率可調微波振蕩器，將電壓調控和自旋轉移矩效應相結合，制備一種無需外加磁場即可獲得高輸出功率且頻率寬頻可調的納米微波振蕩器件。其核心單元的結構特點是垂直磁化磁隧道結以及引出的三個端口器件。其生產流程是通過傳統的半導體生產后端工藝集成；其中，所述的垂直磁化磁隧道結的結構由下至上為“金屬層/厚氧化層/自由鐵磁金屬層/薄氧化層/固定鐵磁金屬層”；固定鐵磁金屬層，自由鐵磁金屬層，金屬層分別連接電極作為所述的端口，即端口一、端口二、端口三；其中MTJ(即“厚氧化層/自由鐵磁金屬層/薄氧化層/固定鐵磁金屬層”)為微波發生器件，是產生微波輸出信號的核心單元，其自由鐵磁金屬層磁矩可產生高頻進動，且具有較強的壓控磁各向異性。在自由鐵磁金屬層和金屬層之間施加電壓可以調控自由鐵磁金屬層的磁各項異性。

其中，金屬層厚度為10～200nm，厚氧化層厚度0～3mm，自由鐵磁金屬層厚度為0～3nm，薄氧化層厚度為0～2nm，固定鐵磁金屬層厚度為0～3nm。

特別的，自由鐵磁金屬層和固定鐵磁金屬層在制備過程中采用了垂直于膜面的退火磁場，其易磁化軸方向均垂直于膜面。