[發明專利]基于自旋霍爾效應及壓控磁各向異性相結合的微波振蕩器

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• 申請號: 201910098090.5
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109920781A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 趙巍勝;魏家琦;張雨;曹凱華
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L23/66
• 分類號: H01L23/66;H01L43/06;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

本發明公開一種基于自旋霍爾效應及壓控磁各向異性相結合的微波振蕩器，包括核心單元及外圍電子元器件，其核心單元從下到上依次由襯底層，非磁性金屬層，第一鐵磁金屬，氧化物，第二鐵磁金屬，反鐵磁金屬混合層，頂端電極共七層構成。特別的，第一鐵磁金屬和第二鐵磁金屬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。非磁性金屬層兩端頂部分別沉積有金屬電極，同垂直磁化磁隧道結中的頂端電極一起構成了三端口器件。本發明擺脫了輸出功率對于隧道結電流以及外加磁場的依賴，在實現高輸出功率的同時保證隧道結的穩定性。本發明可通過隧道結電流以及流經非磁性金屬層的旁路電流對微波輸出信號的功率及頻率分別進行調控。

【技術領域】

本發明涉及一種基于自旋霍爾效應及壓控磁各向異性相結合的微波振蕩器，特別涉及一種將自旋霍爾效應及壓控磁各向異性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。MTJ的核心結構由磁性自由層/隔離層/磁性釘扎層三層組成，根據磁性層磁化方向的不同可分為垂直磁化磁隧道結或面內磁化磁隧道結。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?；谶@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MTJ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，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】

本發明的目的在于提供一種基于自旋霍爾效應及壓控磁各向異性相結合的微波振蕩器，以針對解決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。它彌補了現有STNO的不足，自旋霍爾效應產生的自旋流使得無需直接在MTJ兩端施加大電流。此外，利用壓控磁各向異性(Voltage-ControlledMagnetic Anisotropy,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，從而實現無外加磁場的頻率調制。結合三端結構的優點，微波輸出信號的頻率和功率可以實現分別調制。

本發明的技術方案是，將自旋霍爾效應和壓控磁各向異性效應相結合，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將垂直磁化磁隧道結和產生自旋霍爾效應的非磁性金屬膜層(NM)堆疊在一起。其生產流程是通過傳統的半導體生產后端工藝集成；

本發明的基于自旋霍爾效應及壓控磁各向異性相結合的微波振蕩器，具體結構包括核心單元及外圍電子元器件，其核心單元從下到上依次由襯底、非磁性金屬膜層NM及MTJ構成，即襯底層(厚度0～1mm)，非磁性金屬層(0～6nm)，第一鐵磁金屬(厚度為0～3nm)，氧化物(厚度為0～2nm)，第二鐵磁金屬(厚度為0～3nm)，反鐵磁金屬混合層(厚度為0～20nm)，頂端電極(厚度為10～200nm)共七層構成。特別的，第一鐵磁金屬和第二鐵磁金屬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。非磁性金屬層兩端頂部分別沉積有金屬電極(厚度約10～200nm)，同垂直磁化磁隧道結中的頂端電極一起構成了三端口器件。