【技术领域】
[0001] 本
发明涉及一种基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的微波振荡器，特别涉及一种将自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的三端口微波振荡器，属于纳米微波振荡器技术领域。【背景技术】
[0002] 移动通信技术的迅速发展对无线传输器件的核心——振荡器的体积、功耗等提出了更高的要求，近年来，基于
磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)构建的新一代振荡器引起科研及工业界的高度关注。MTJ的核心结构由磁性自由层/隔离层/磁性钉扎层三层组成，根据磁性层磁化方向的不同可分为垂直磁化
磁隧道结或面内磁化磁隧道结。当一定大小的自旋极化
电流通过时，其带来的自旋转移
力矩(Spin Transfer Torque,STT)会引起自由层磁矩的稳定进动，进而导致
电阻发生高频变化，将输入的直流
信号转换为高频振荡的微波信号。基于这一效应的振荡器，即自旋转移力矩纳米振荡器(Spin Transfer Torque Nano-Oscillator,STNO)被广泛认为有望取代当前的LC振荡器、
晶体振荡器等。STNO不仅体积小、能耗低、宽频可调，而且和当前CMOS工艺有较好的兼容性。
[0003] 利用磁矩进动产生微波信号的关键在于产生自旋极化的
电子以及如何将其作用于磁性自由层。对于典型的STNO而言，电子通过磁性钉扎层时发生自旋极化，进而产生自旋转移力矩。要实现大功率的微波振荡，能否获得较大的自旋转移力矩是一个重要的因素。STT的大小主要取决于电流
密度。由于MTJ电阻较大且击穿
电压在1V左右，所以电流密度受到了较大的限制。此外，微波
输出信号的
频率主要由磁有效场决定，所以对于当前主流的两端STNO器件，频率和功率的大范围独立调制同样需要外加
磁场来实现，这为其实际应用带来了诸多不便。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的微波振荡器，以针对解决上述背景中提到的当前STNO所面临的受限于工作电流无法获得高输出功率以及其对外加磁场的依赖。它弥补了现有STNO的不足，自旋霍尔效应产生的自旋流使得无需直接在MTJ两端施加大电流。此外，利用压控磁各向异性(Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy,VCMA)可以有效调节磁性自由层的磁有效场进而改变磁矩进动频率，从而实现无外加磁场的频率调制。结合三端结构的优点，微波输出信号的频率和功率可以实现分别调制。
[0005] 本发明的技术方案是，将自旋霍尔效应和压控磁各向异性效应相结合，制备一种无需外加磁场即可获得高输出功率且频率宽频可调的纳米微波振荡器件。其核心单元的结构特点是将垂直磁化磁隧道结和产生自旋霍尔效应的非磁性金属膜层(NM)堆叠在一起。其生产流程是通过传统的
半导体生产后端工艺集成；
[0006] 本发明的基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的微波振荡器，具体结构包括核心单元及外围电子元器件，其核心单元从下到上依次由衬底、非磁性金属膜层NM及MTJ构成，即衬底层(厚度0～1mm)，非磁性金属层(0～6nm)，第一
铁磁金属(厚度为0～3nm)，
氧化物(厚度为0～2nm)，第二铁磁金属(厚度为0～3nm)，反铁磁金属混合层(厚度为0～20nm)，顶端
电极(厚度为10～200nm)共七层构成。特别的，第一铁磁金属和第二铁磁金属在制备过程中采用了垂直于膜面的
退火磁场，其
易磁化轴方向均垂直于膜面。非磁性金属层两端顶部分别沉积有金属电极(厚度约10～200nm)，同垂直磁化磁隧道结中的顶端电极一起构成了三端口器件。
[0007] 其中MTJ为微波发生器件，是产生微波输出信号的核心单元，其自由层磁矩可产生高频进动，且具有较强的压控磁各向异性。
[0008] 其中NM是非磁性金属层，可利用自旋霍尔效应产生驱动力矩，进而影响微波信号输出。
[0009] 本发明所述的微波信号发生器件(MTJ)及非磁性金属层的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)，也就是说该微波信号发生器件以及非磁性金属层的形状为正方形、长方形、圆形、及椭圆形中的一种，尺寸可以使
纳米级或微米级；
[0010] 本发明所述的基于自旋霍尔效应及压控磁各项异性相结合的微波振荡器，制备工艺可能包括
磁控溅射、分子束
外延(MBE)、离子束沉积(IBD)、
物理气相沉积(CVD)、
等离子体增强
化学气相沉积(PECVD)，
光刻方式可能包括紫外光刻(UVL)、离子束光刻(EBL)；
刻蚀方式可能包括非金属氧化物或金属硬掩膜、反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀(IBE)、化学机械平坦化(CMP)。需要指出的是，沉积、光刻与刻蚀的工艺方式选自但不限于上述种类，也可以是多种工艺组合使用，具体与磁隧道结及
阻变材料的组成有关；
[0011] 所述氧化物是指氧化镁MgO或三氧化二
铝Al2O3，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；
[0012] 所述第一铁磁金属是指混
合金属材料钴铁CoFe、钴铁
硼CoFeB或镍铁NiFe(即混合金属材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一种)，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
[0013] 所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe(即混合金属材料CoFe、CoFeB及NiFe中的一种)，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
[0014] 所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn、或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层(即混合金属材料CoFeB/NiFe/PtMn或CoFeB/CoFe/PtMn中的一种)；
[0015] 所述顶端电极是指钽Ta、铝Al或
铜Cu(即Ta、Al及Cu中的一种)；
[0016] 所述金属电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu(即Ta、Al及Cu中的一种)；
[0017] 所述衬底层主要由无机材料组成，其中所述无机材料可选自Si、SiO2、蓝
宝石材料中的任意一种或两种以上的组合。
[0018] 所述非磁性金属膜层主要由能产生自旋霍尔效应的金属元素组成，所述金属元素可选自Ta、W、Hf、Pb、Pt、Ir、Ru、Au、Mo、Ag和Cu中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0019] 本发明所述的微波振荡器件的整体结构除了上述核心单元外还包含一系列电子元器件，具体包括：
[0020] T型偏置器，用于分离
电路中的直流偏置信号和高频交流输出信号；
[0021] 第一直流电源，施加于磁性隧道结两端，一方面通过磁性隧道结的电流会产生自旋转移矩，作为微波信号的部分激励源，另一方面，电压调控磁性自由层的磁有效场，可实现输出信号频率的宽频调控，且微波输出的功率和频率可以被分别调制；
[0022] 第二直流电源，施加于金属电极两端，利用自旋霍尔效应在非磁性金属膜层产生自旋流，进而在磁性自由层中产生驱动力矩；
[0023] 低噪声功率
放大器，用于对输出信号进行功率放大。
[0024] 本发明的基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的微波振荡器，其优点及功效在于：本发明摆脱了输出功率对于隧道结电流以及外加磁场的依赖，可以在实现高输出功率的同时保证隧道结的
稳定性。本发明可以通过隧道结电流以及流经非磁性金属层的旁路电流对微波输出信号的功率及频率分别进行调控。使其具有更高的实用性。
附图说明
[0025] 图1为本发明基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的微波振荡器件核心单元结构示意图。
[0026] 图2为本发明基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的微波振荡器件的整体工作示意图。
[0027] 图3(a)、(b)(c)、(d)为本发明基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的三端微波振荡器件的操作时序图。
具体实施方式
[0028] 参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。
[0029] 在此公开了详细的示例性的
实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该
覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
[0030] 如图1、2所示为基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的三端微波振荡器件的结构示意图；包括核心单元以及外围电路。如图1所示，核心单元从下到上依次由衬底-NM-MTJ构成，即衬底层(厚度0～1mm)，非磁性金属层(0～6nm)，第一铁磁金属(厚度为0～3nm)，氧化物(厚度为0～2nm)，第二铁磁金属(厚度为0～3nm)，反铁磁金属混合层(厚度为0～20纳米)，顶端电极(厚度为10～200nm)共七层构成。特别的，第一铁磁金属和第二铁磁金属在制备过程中采用了垂直于膜面的退火磁场，其易磁化轴方向均垂直于膜面。非磁性金属层两端顶面设有金属电极一(厚度约10～200nm)及金属电极二(厚度约10～200nm)。通过采用传统的离子束外延、
原子层沉积、磁控溅射等方法将单元的各层物质按照从下到上的顺序
镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备该单元。
[0031] 外围电路主要包含T型偏置器、直流电压源1、直流电流源2以及低噪声
功率放大器，如图2所示。直流电压源1施加于隧道结两端，用于调控结两端的电压并且产生结电流。直流电流源2施加于金属电极一及金属电极二两端，利用自旋霍尔效应在非磁性金属膜层产生自旋流，进而在磁自由层中产生驱动力矩；低噪声功率放大器用于对输出信号进行功率放大。
[0032] 图3(a)、(b)(c)、(d)为基于自旋霍尔效应及压控磁各向异性相结合的三端微波振荡器件的操作时序图，具体如下：
[0033] 频率调控模式：
[0034] 令流经非磁性金属膜层的电流INM为固定值且不作具体限制，其不同大小对应不同输出功率。VMTJ为顶端电极和地之间的电压，如图3(a)施加一系列电压脉冲VMTJ＝V1、V2、V3、V4，如图3(b)微波输出信号的频率分别对应为f1、f2、f3、f4。
[0035] 功率调控模式：
[0036] 令VMTJ为固定值，改变INM，如图3(c)施加一系列电流脉冲INM＝I1、I2、I3、I4，如图3(d)微波输出信号的功率分别对应为P1、P2、P3、P4。
