專利名稱：電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型微米、納米自旋電子器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于自旋矩 傳輸原理的對稱納米磁多層結(jié)構(gòu)的微波振蕩器。
背景技術(shù)：
當一個自旋極化的直流電流垂直通過一個非對稱納米磁三明治(柱的直徑 大約100納米，厚的固定層fixed layer、薄的自由層free layer被超薄的中 心非磁夾層spacer layer所隔開)自旋閥結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生自旋傳輸矩(spin transfer torque)并引起自由層磁化方向和大小的改變。它會產(chǎn)生兩個重要的 效應(yīng)電流感應(yīng)磁開關(guān)和自旋傳輸矩振蕩器(spin transfer torque oscillators, ST0)。前者提供了一個新的磁開關(guān)結(jié)構(gòu)，有希望發(fā)展成為新一代的磁隨機存儲 器。后者會產(chǎn)生穩(wěn)定的微波發(fā)射，在片上微波源和移動通信領(lǐng)域有著潛在的應(yīng) 用前景。它的微波頻率可達lOOGHz，線寬最小僅2MHz，而且微波頻率可以方便 地用電流調(diào)節(jié)，具有相當高的頻率調(diào)節(jié)范圍和Q值(品質(zhì)因數(shù))。
有兩個因素限制了STO的發(fā)展首先是STO對外磁場的依賴。由于歷史上對 于電流驅(qū)動磁化翻轉(zhuǎn)(current induced magnetic switching, CIMS)器件的 研究先于ST0，為了使磁開關(guān)穩(wěn)定工作，通常采用了非對稱納米磁三明治結(jié)構(gòu)， 由于固定層和自由層厚度不同，實際上只有自由層的磁化方向可以隨電流改變。 在這種結(jié)構(gòu)中為了獲得大的微波發(fā)射功率就必須維持大角度的穩(wěn)定的磁化矢量 的進動， 一般是用較強的偏置磁場(500 — 20000e)來實現(xiàn)的。目前，有文獻報導(dǎo)采用固定層和自由層磁化方向垂直的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)/無外磁場的自旋波發(fā)射
"fl"o-o c/〃ato^ ", A^ww, (7057, 。其次是提高微波發(fā)射功率
很困難。因為非對稱納米磁三明治結(jié)構(gòu)的固定層和自由層基本是平行的，它們 的易磁化軸的偏角很小， 一般只有幾度。而微波發(fā)射功率決定于磁化矢量偏離 易磁化軸的進動。同時全金屬結(jié)構(gòu)的CIMS器件的電阻變化很小， 一般只有百分 之幾。而且對于STO來說，振蕩器并不引起磁化方向的翻轉(zhuǎn)，則電阻變化更小， 致使這種振蕩器的功率效率小于萬分之一，這就限制了它在實際中的應(yīng)用。當 施加的電流提高到本征臨界電流的數(shù)倍到十倍，自旋波的發(fā)射功率的最佳值一 般也只有0. lnW[^C47777VE1 / A " ai. "Z eWce z'wWc"http://<my 。/ 一"-加"^/fer to^Me"， / Mag". Ma&K，320: "77-7226]，比實用要求的最小微波發(fā)
射功率1微瓦相差10000倍，遠不能滿足實際需要的要求。解決的辦法之一是 采用同步振蕩的納米振蕩器陣列來提高器件振蕩功率，這需要采用比較復(fù)雜的 鎖相技術(shù)，目前，利用耦合自鎖相方法，只實現(xiàn)了兩個磁多層納米柱的同步振 蕩[/C47T/7VEJ"A " <3丄 "Z)ev/ce z'mp/z'c加'om1 o//orgwe"， 《/ Magw. Magw. M^er, M朋，/2/7-/226]，實際應(yīng)用至少需要成千上萬個這樣的振蕩 器同步振蕩。此外，要使各子振蕩器的本征頻率相同也是一個難題，這對器件 性能的一致性要求非常高。第二種解決辦法是設(shè)法提高單個器件的振蕩功率或 振蕩器的效率。對于納米全金屬自旋閥結(jié)構(gòu)，典型的直流功耗為100微瓦，如 果振蕩器的效率提高到百分之幾，微波發(fā)射功率可以達到數(shù)微瓦，基本可以滿 足實際應(yīng)用的要求。但是一般固定層和自由層磁化平行或反平行結(jié)構(gòu)的器件， 由于易磁化軸夾角很小，使振蕩器的效率大為降低，不能滿足以上要求。采用固定層和自由層磁化方向垂直的結(jié)構(gòu)是一種可能的解決舉措，它不需要外加磁
場。在垂直于易磁化軸的平面的自由層磁化矢量的進動振幅為[i ^VM ^ a丄 "5ym柳e^V em謡6/e f/2eo7 一" wave e附/"/wg ^/廠/ve/7 cwrre"/ /" """o c"/e m"g^ef/c附zz/h,/ayer "， C7z/"ese尸/zj^/cs1， 57S("5)]: 二moexp (icot) sinot/2) ，
是自由層磁化矢量的橫向分量，(D為磁化矢量的進動頻率，t為時間。進動振幅
與mz相關(guān)，而mz是在O與nu之間變化，即頻率在0與^之間變化，頻譜的線寬 變得很大，這使振蕩器的品質(zhì)因數(shù)大為降低。提高微波功率的第三種方法是采 用磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)(magnetic tunnel junction, MTJ)，磁電阻變化一般為數(shù)千 歐數(shù)量級，只要1毫安的電流，直流功耗可以達到數(shù)毫瓦的水平，由于此結(jié)構(gòu) 的磁電阻變化可以超過100%，振蕩器效率達到百分之幾并不難，這主要取決于 固定層與自由層磁化之間的夾角，則微波發(fā)射功率可以達到數(shù)十微瓦的數(shù)量級， 完全可以滿足實際應(yīng)用的需要。但是由于它的電阻及電阻比都很大，功耗必然 也大，需要防止過度的溫升使器件失效。不過由于MTJ結(jié)構(gòu)的臨界電流一般比 全金屬結(jié)構(gòu)低一個到兩個數(shù)量級，低的臨界電流可以適當降低功耗至允許的范 圍內(nèi)。但是固定層與自由層磁化之間的夾角是很難控制的，器件性能的一致性 得不到保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的H的在于提供一種新的磁多層納米微波振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖l所示。
它與通常的CIMS器件結(jié)構(gòu)不同CIMS的典型結(jié)構(gòu)主要由兩個鐵磁層組成固定 層和自由層。固定層較厚，它的磁化矢量方向是固定不變的；自由層較薄，它 的磁化矢量方向可以隨電流改變。我們提出的新結(jié)構(gòu)中的兩個鐵磁膜具有相同 厚度，厚度范圍為2-6納米，是一種對稱納米磁三明治自旋閥結(jié)構(gòu)。兩磁層屮間被一薄的非磁層隔開，厚度1-3納米(對非磁金屬層)或0. 5-1. 5納米(對
絕緣層)。納米磁多層柱的上、下都有金屬層作為電極。 一個恒定不變的直流電 流垂直通過磁多層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生自旋極化和自旋矩傳輸，并施加自旋矩于每一磁 層。當電流超過臨界值時，引起兩個磁膜的磁化矢量交替翻轉(zhuǎn)方向，并導(dǎo)致磁 多層電阻的周期性變化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的微波振蕩。
所述的電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器是一種被絕緣層包裹的納米級 柱狀磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，從底層向上到頂層依次含有氧化硅襯底(l)、
底電極層(2)、種子層(3)、第一鐵磁層(4)、隔離層(5)、第二鐵磁層(6)、 保護層(7)、絕緣層(8)以及頂電極層(9)，其中 底電極層(2)，淀積在所述氧化硅襯底(1)上；
種子層(3)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述底電極層(2)上；
第一鐵磁層(4)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述種子層(3)上，
是一層鐵磁膜，厚度范圍為2 6納米；
隔離層(5)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述第一鐵磁層(4)上， 由非磁性材料組成，厚度范圍為4 8納米；
第—鐵磁層(6)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述隔離層(5)上， 是一層鐵磁膜，厚度與所述第一鐵磁層(4)的厚度相同，且磁化方向也相互平 行，在所述生長過程中，加在所述第一鐵磁層(4)和第二鐵磁層(6)上的誘 導(dǎo)磁場是相互平行的；
保護層(7)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述第二鐵磁層(6)上；
絕緣層(8)，利用濺射工藝或化學(xué)氣相淀積工藝生長在由所述種子層(3)、 第一鐵磁層(4)、隔離層(5)、第二鐵磁層(6)、保護層(7)構(gòu)成的對稱磁多層結(jié)構(gòu)周圍，通過剝離工藝形成被絕緣層包裹的磁性納米柱； 頂電極層(9)，淀積在所述保護層(7)和絕緣層(8)上；
所述鐵磁膜是單一的鐵磁金屬層或復(fù)合的磁性金屬層。
所述隔離層(5)是非磁性金屬銅，或絕緣材料Mg0、 A1203。當選用絕緣材 料為Mg0或A1203時，厚度范圍為0. 5 1. 5納米。 所述直流電流的方向是能夠調(diào)節(jié)的。
本發(fā)明的有益效果是新結(jié)構(gòu)的納米微波振蕩器不需要外加磁場，工作電 流必須大于本征臨界電流，振蕩的頻率和功率都可以由電流調(diào)節(jié)，與電流呈線 性關(guān)系，調(diào)節(jié)范圍1-100GHz。微波功率也可以用電流調(diào)節(jié)，范圍在1微瓦-l毫 瓦。振蕩器的效率較高全金屬結(jié)構(gòu)為4%，磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)為30%。此結(jié)構(gòu)可 以用微、納米加工技術(shù)批量制作，可在微波通信應(yīng)用領(lǐng)域作為微波源使用。它 還可以作為片上微波源，與其它元件實現(xiàn)單片集成，形成微型通信系統(tǒng)。


圖1所示為電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器。 圖2所示為新結(jié)構(gòu)振蕩器工作原理，(a)平行，(b)反平行。
具體實施例方式
圖1所示為電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。所述結(jié)構(gòu)是 在氧化硅襯底1上先淀積底電極層2。再采用磁控濺射依次生長種子層3、第 一鐵磁層4、隔離層5、第二鐵磁層6、保護層7。在所述生長過程中，加在第 一鐵磁層4和第二鐵磁層6上的誘導(dǎo)磁場相互平行，且兩層厚度相同。利用光 刻和刻蝕工藝制作出底電極圖形，再利用電子束曝光和離子束刻蝕將多層膜結(jié) 構(gòu)加工為橫向尺寸在100納米左右的柱狀結(jié)構(gòu)，保留光刻膠。利用濺射或化學(xué)氣相淀積等手段在納米柱周圍生長絕緣層8,利用剝離工藝去除光刻膠及其上的 絕緣層，形成被絕緣層包裹的納米柱，只露出和頂電極的接觸。最后淀積頂電 極層9，利用光刻和刻蝕工藝制作出頂電極。
圖2給出器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的示意圖h和F2是厚度相同
100nmx50nm的橢圓鐵磁膜，它們的木征的電流自旋極化系數(shù)分別為iU和n2， 且對于對稱結(jié)構(gòu)nFn"施加的電流由右向左通過磁多層，電子流的方向剛好 相反，且電流的人小滿足lll〉Ic， Ic為本征臨界電流。它們的初始磁化矢量彼此 是平行的。器件的工作不需要外磁場，這樣可以得到平穩(wěn)、對稱的振蕩特性。 電流在F!和F2中引起的凈自旋矩分別正比于112/2和-iu/2，即使R磁化矢量 的z分量增加，F(xiàn)2的減小。由于Fi磁化巳經(jīng)飽和，電流對其無影響。而電流使 F2的磁化減小，直至翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后，F(xiàn),和F2的磁化變?yōu)榉雌叫械?，F(xiàn)2的極化系數(shù) 變?yōu)?n2，此時電流使F2磁化矢量的z分量向反方向增加，而使F,磁化矢量的z 分量減小。由于F2的磁化是反向飽和的，它不受電流的影響。而電流使F,的磁 化減小，直至翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后，F(xiàn)i和F2的磁化又變?yōu)槠叫械模現(xiàn)t的極化系數(shù)變?yōu)?ru。
接著電流又使F2的磁化翻轉(zhuǎn)，周而復(fù)始，形成磁電阻的振蕩，振蕩頻率為 f=l/2"I), t(I)是與電流相關(guān)的磁開關(guān)的開關(guān)時間，它可以通過解鐵磁層磁化 矢量的磁動力學(xué)方程得到。當1/Iq》1時(iF4aVm/(p+27r)/hTi》，鐵磁層動力 學(xué)方程的解為Amz=-yaVms2(p+27u) It/I。，當Amf-ms時磁化方向翻轉(zhuǎn)，此時的 時間t二i(I)，即為磁開關(guān)的開關(guān)時間t(1) 1/ [，ms((3+2兀)(1/1 -a)]，其中 a為經(jīng)驗常數(shù)，它表示當電流I等于臨界電流I。時的開關(guān)時間為無限大，即頻率 近似為O。但是實際上此時開關(guān)過程由熱開關(guān)機理決定。由于熱開關(guān)時間t。是一 個統(tǒng)計值，即開關(guān)是隨機的。此時器件的開關(guān)并沒有確定的頻率。所以一般使器件工作在IM。的范圍，使器件處于穩(wěn)定地振蕩狀態(tài)。根據(jù)磁動力學(xué)理論，此
時器件的振蕩頻率近似為f，ams(p+2:r)a/L,-a)/2。。對于常用的鐵磁材料， Yams(p+27i)—般在數(shù)GHz左右，它的頻譜線寬很小，只由ms的熱起伏決定，初 步估計Q值在1000-3000的范圍。微波振蕩功率P^2AR/2。這里AR是反平行態(tài) 電阻和平行態(tài)電阻的差，近似常數(shù)，等于平均電阻R。乘以有效磁阻rg。有效磁 阻定義為rg=(Rap-Rp)/(Rap+Rp)， Rp為平行態(tài)電阻，Rap為反平行態(tài)電阻，平均電 阻R。二(Rap+Rp)/2。新結(jié)構(gòu)器件的效率提高了 1百倍以上。對于全金屬結(jié)構(gòu)，器件 的典型功耗為100微瓦，器件的振蕩效率可以達到百分之幾，即振蕩功率在數(shù) 微瓦的量級。新結(jié)構(gòu)全金屬器件基本滿足實際應(yīng)用的功率要求。而對于MTJ結(jié) 構(gòu)器件，同樣的功耗，振蕩功率可以達到百微瓦的數(shù)量級。
頻率隨電流增大線性地增長，由公式f，ams((3+2兀)(1/1。-a)/2決定；而功率 隨電流的平方增大，表示為P=I2AR/2= rg R。 I2。如果我們限制電流1/1。比在 a-10的范圍變化，則相對工作電流1。的微波功率和頻率分別為P。、 f。，器件的 振蕩功率的變化為P。-100 Pn，振蕩頻率變化范圍為f。-10f。。對于全金屬結(jié)構(gòu)器 件，P。 l微瓦，對于MTJ結(jié)構(gòu)器件，P。 10微瓦。設(shè)MTJ結(jié)構(gòu)器件的臨界電流 比全金屬結(jié)構(gòu)器件小一個數(shù)量級。微波振蕩器的效率bP/W， W代表平均功耗， 表示為W^2R。。則k二&，即振蕩器的功率效率等于有效磁阻。對于全金屬結(jié)構(gòu)器 件，rg 4%，對于磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)器件，rg 30%。
權(quán)利要求
1.電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器，其特征在于，含有氧化硅襯底(1)、底電極層(2)、種子層(3)、第一鐵磁層(4)、隔離層(5)、第二鐵磁層(6)、保護層(7)、絕緣層(8)以及頂電極層(9)，其中底電極層(2)，淀積在所述氧化硅襯底(1)上；種子層(3)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述底電極層(2)上；第一鐵磁層(4)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述種子層(3)上，是一層鐵磁膜，厚度范圍為2～6納米；隔離層(5)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述第一鐵磁層(4)上，由非磁性材料組成，厚度范圍為4～8納米；第二鐵磁層(6)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述隔離層(5)上，是一層鐵磁膜，厚度與所述第一鐵磁層(4)的厚度相同，且磁化方向也相互平行，在所述生長過程中，加在所述第一鐵磁層(4)和第二鐵磁層(6)上的誘導(dǎo)磁場是相互平行的；保護層(7)，采用超高真空磁控濺射工藝生長在所述第二鐵磁層(6)上；絕緣層(8)，利用濺射工藝或化學(xué)氣相淀積工藝生長在由所述種子層(3)、第一鐵磁層(4)、隔離層(5)、第二鐵磁層(6)、保護層(7)構(gòu)成的對稱磁多層結(jié)構(gòu)周圍，通過剝離工藝形成被絕緣層包裹的磁性納米柱；頂電極層(9)，淀積在所述保護層(7)和絕緣層(8)上；當恒定的直流電流通過所述底電極層(2)和頂電極層(9)垂直加在所述對稱磁多層結(jié)構(gòu)上時，產(chǎn)生自旋極化和自旋矩傳輸，并把自旋矩加到每一個鐵磁層，當所述直流電流超過設(shè)定的臨界值時，引起所述兩個鐵磁膜的磁化矢量交替翻轉(zhuǎn)，使磁多層電阻周期性變化，產(chǎn)生穩(wěn)定的微波震蕩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器，其特征在 于，所述鐵磁膜是單一的鐵磁金屬層或復(fù)合的磁性金屬層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器，其特征在丁-，所述隔離層(5)是非磁性金屬銅，或絕緣材料MgO、 A1203。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器，其特征在 于，所述直流電流的方向是能夠調(diào)節(jié)的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器，其特征在 于，所述隔離層(5)當選用絕緣材料為Mg0或Al203時，厚度范圍為0.5 L5 納米。
全文摘要
電流驅(qū)動對稱磁多層結(jié)構(gòu)微波振蕩器，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于由兩個鐵磁膜組成，具有相同厚度，在2-6納米間，中間被一薄的非磁層隔開，厚度1-3納米(對非磁金屬層)或0.5-1.5納米(對絕緣層)。納米磁多層柱的上、下都有金屬層作為電極。一個恒定不變的直流電流垂直通過該磁多層結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生自旋極化和自旋矩傳輸，并施加自旋矩于每一磁層。當電流超過臨界值時，引起兩個磁膜的磁化矢量交替翻轉(zhuǎn)方向，并導(dǎo)致磁多層電阻的周期性變化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的微波振蕩。振蕩頻率與電流呈線性關(guān)系，在1-100GHz間。微波功率也可以用電流調(diào)節(jié)，在1微瓦-1毫瓦。全金屬結(jié)構(gòu)為4％，磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)為30％。
文檔編號H01S1/00GK101527420SQ20091008157
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者敏 任, 浩 董, 寧 鄧, 陳培毅 申請人:清華大學(xué)