一种基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器及其制造方法。该自旋微波振荡器包括磁性多层膜以及与其连接的电极，磁性多层膜包括：种子层；形成于种子层上的，具有面内平衡磁化状态的第一磁性层；形成于第一磁性层之上的非磁性隔离层；形成于非磁性隔离层之上的具有垂直磁化的磁性自由层；以及形成于自由层之上的保护层。其制造方法为：采用磁控溅射方法在衬底上依次形成磁性多层膜，再通过微电子工艺将磁性多层膜加工为纳米柱状或点接触结构，并在磁性多层膜上设置上、下电极，形成目标产物。该自旋微波振荡器可获得大的微波功率输出，亦无需外加磁场，同时还具有尺寸小、结构简单、宽频可调和易集成等特点，且易于制备，成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及自旋输运器件
，尤其是应用于无线通信领域的微波振荡器。
技术介绍
随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对器件小型化、集成化的要求越来越迫切。以手机为例，目前每个手机中约有几百个无源电子元件，因此无源电子元件的小型化和集成化对手机产品的轻便化起决定性作用。同时，移动通讯也向高频化和宽频化发展，早期的第一代移动通信所用的频段在800 MHz-900 MHz之间，以数字信号为主要特征的第二代移动通信所用的频段则在900 MHz和1.8 GHz左右，目前正在研究更高频段的新技术。因此，寻找具有良好的高频特性、宽频可调、以及易于小型化和集成化的新型材料和器件是目前研究开发的一个重要目标，市场需求也非常旺盛。近来研究发现，利用电子的自旋特性增加器件的功能可能满足上述要求。当自旋极化直流电流垂直通过纳米尺寸的铁磁性多层膜(自由层/隔离层/固定层)时，会产生自旋转移力矩(spin transfer torque, STT)，在合适的条件下会引起自由层磁化发生磁阻振荡，输出高频信号。这种通过磁阻振荡将直流输入信号转换为微波输出信号的微波振荡器具有很多优点，例如结构简单、尺寸小(比现有技术的VCO振荡器小50倍)、微波调制范围宽(达O. I 100 GHz)、易集成、以及工作电压低(〈O. 5V)等，近来成为研究的重要热点。然而，目前，国际上对自旋微波振荡器的制备和应用方面所遇到的“瓶颈”问题是在绝大部分现有技术中，需要在施加外部磁场条件下才能实现微波输出，这给器件的制作和今后实际应用带来了技术挑战，并且现有技术制作的自旋微波器件的输出功率低。因此，要满足实际应用要求，急需提高器件的输出功率和解决微波输出对磁场的依赖问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于垂直磁化自由层和面内磁化固定层结构的自旋微波振荡器及其制造方法，以克服现有技术中的不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案一种基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，包括磁性多层膜以及与所述磁性多层膜连接的电极，所述磁性多层膜包括由非磁性金属材料构成的种子层；形成于种子层上的，具有面内平衡磁化状态的第一磁性层；形成于第一磁性层之上的非磁性隔离层；形成于非磁性隔离层之上的具有垂直磁化的磁性自由层；以及，形成于自由层之上的保护层。进一步的讲，所述非磁性隔离层优选采用厚度为I. Onm 6. O nm的非磁性金属层和/或厚度为O. 5 nm I. O nm的隧道绝缘层。所述非磁性隔离层优选采用无机材料绝缘膜和/或有机材料绝缘膜，所述无机材料绝缘膜至少选自金属氧化物绝缘膜、金属氮化物绝缘膜、类金刚石薄膜、EuS薄膜和Ga2O3薄膜中的任意一种或两种以上的组合。所述金属氧化物或金属氮化物是由能构成绝缘层的金属元素经氧化或氮化形成，所述金属元素至少选自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。所述第一磁性层主要由具有面内平衡磁化状态的磁性材料制成，所述磁性材料优选采用具有磁性的合金和/或化合物。 所述磁性材料至少选自3d过渡族磁性金属或其合金、4f稀土金属或其合金和半金属磁性材料中的任意一种或两种以上的组合；所述3d过渡族磁性金属或其合金优选选自Fe、Co、Ni、CoFe, NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。所述半金属磁性材料至少选自Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。所述磁性自由层由具有垂直磁化的铁磁性材料制成，所述铁磁性材料至少选自Fe、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。优选的，所述的自旋微波振荡器还包括反铁磁性层，所述第一磁性层形成于该反铁磁性层之上。所述反铁磁性层优选由反铁磁合金和/或反铁磁化合物形成；所述反铁磁合金至少选自Pt-Μη、Pd-Mn> Fe-Mn> Ir-Mn和Rh-Mn中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。所述电极包括由非磁性金属层构成的上、下电极，所述非磁性金属优选采用CuN坐寸ο所述磁性多层膜为横向尺寸在100±50 nm的柱状结构或直径为50 nm左右的点接触结构。如上所述自旋微波振荡器的制造方法采用磁控溅射方法在衬底上自下而上依次形成种子层、第一磁性层、非磁性隔离层、磁性自由层及保护层，再通过微电子工艺将形成的磁性多层膜加工为横向尺寸在100±50纳米的柱状或点接触结构(尤其优选采用直径为50 nm左右的)，其后在磁性多层膜上设置上、下电极，形成目标产物。所述衬底优选采用Si/Si02衬底。所述微电子工艺包括依次进行的电子束曝光、紫外曝光、薄膜沉淀以及剥离工序。与现有技术相比，本专利技术的优点在于该自旋微波振荡器中固定层的初始磁化方向位于膜平面内，而自由层的初始磁化方向垂直于膜平面，两个磁性层的磁化方向呈90°，有利于获得大的微波功率输出，亦不需要外加磁场，同时还具有尺寸小、结构简单、宽频可调和易集成等特点，此外，该自旋微波振荡器制备方法简单，易于实施，成本低廉。附图说明图I是本专利技术自旋微波振荡器中磁性多层膜的结构示意 图2是本专利技术中基于纳米柱方案的自旋微波振荡器的结构示意 图3是本专利技术中基于纳米点接触方案的自旋微波振荡器的结构示意 图4是本专利技术实施例2中自旋微波振荡器的结构示意 图5是本专利技术实施例3中自旋微波振荡器的结构示意图。图6是本专利技术实施例3中自旋微波振荡器的零磁场下在不同外加直流电流下的微波输出曲线。 图7是本专利技术实施例4中自旋微波振荡器的结构示意图。具体实施例方式概括的讲，参阅图1，本专利技术的基于垂直磁化自由层和面内磁化固定层的自旋微波振荡器包括如下核心薄膜结构具有面内平衡磁化的铁磁性层或半金属磁性层1(第一磁性层)，且其磁化方向相对固定；形成于前述磁性层之上的非磁性隔离层2，当隔离层为非磁性金属层时，其厚度在I. O 6. O nm之间，而当隔离层为隧道绝缘层时，其典型厚度在O. 5nm I. 5 nm之间以满足有足够大的电流通过纳米磁性隧道结；以及形成于隔离层之上的第二磁性层3 (磁性自由层)，其平衡磁化方向垂直于膜平面且其磁化方向可在小的外磁场作用下发生变化。一个稳定的直流电流垂直通过所述纳米磁性多层结构产生自旋转移力矩效应，引起自由层的磁矩矢量发生振荡导致磁电阻的周期性变化，从而产生稳定的微波振荡。参阅图2所示，作为本专利技术的典型实施方式之一，该自旋微波振荡器包括一个具有面内磁化的铁磁性层或半金属磁性层(如Co4ciFe4tlB2tl 2 nm)和一个具有垂直磁化的铁磁性层(如Co2ciFe6ciB2ci I. 2 nm，当该材料的厚度比较薄时其平衡磁化方向为垂直膜面)，在两磁性层之间夹有厚度为一到几个纳米的非磁性金属层或绝缘势垒层(如MgO 0.8 nm)。所述振荡器还包括上、下两层非磁性金属层(如CuN)充当上、下电极。进一步的，所述磁性多层膜还可采用微电子加工技术制备磁性纳米柱(通常尺寸在100 nm左右)的结构。一个稳定的直流电流垂直通过所述纳米柱，当电流在一定值时由于自旋转移力矩效应引起自由层的磁矩矢量发生振荡，并导致磁性多层电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾中明，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：