具有高输出功率的自旋转矩振荡器及其应用的制作方法

文档序号:13426867

本发明总体上涉及自旋电子学领域,更特别地,涉及一种具有高输出功率的自旋转矩振荡器(STO)和包括该自旋转矩振荡器的电子器件。



背景技术:

2003年,Kiselev等人发现当自旋极化的DC电流通过纳米尺寸的巨磁电阻(GMR)多层膜时,会产生自旋转移力矩(spin transfer torque,STT),在合适的条件下其会使自由层磁化发生振荡,从而输出高频信号(参见Kiselev S I,Sankey J C,Kirvorotov I N,et al.Microwave oscillations of ananomagnet driven by a spin-polarized current.Nature,2003,425:380)。利用该现象可以制作自旋转矩振荡器(spin transfer oscillator,STO)。自旋转矩振荡器具有很多优点,例如结构简单,尺寸小(是现有的晶体振荡器的大约五十分之一)、频率调制范围宽(0.1-100GHz)、易集成、工作电压低(<0.5V)等。自旋转矩振荡器良好地解决了传统LC振荡器和晶体振荡器的诸多问题,被认为是下一代振荡器的候选者,因此得到了广泛的研究。

然而,自旋转矩振荡器有其本身的缺陷,即输出功率较低。自旋转矩振荡器的输出功率与磁致电阻的平方成正比,而目前采用具有较高磁致电阻的磁性隧道结(MTJ)制作的自旋转矩振荡器的输出功率一般也在纳瓦(nW)量级,远远低于实用所需的毫瓦(mW)量级。2013年,曾中明等人采用新型的磁性隧道结结构实现了最高63nW的功率输出(参见Zeng Z M,Finocchio G,Zhang B,et al.Ultralow-current-density and bias-field-free spin-transfer nano-oscillator.Sci Rep,2013,3:1426),但这仍与实用级别的输出功率要求相去甚远。



技术实现要素:

本发明的一些实施例提供一种自旋转矩振荡器,其包括:第一参考磁层,其具有固定磁化;进动磁层,其具有能绕初始方向进动的磁化;以及第一势垒层,其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间,并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

在一些示例中,所述第一势垒层由具有立方晶体结构的材料AB形成,其中A为阳离子位,B为阴离子位,A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据,B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

在一些示例中,所述第一势垒层具有4至7个原子层的厚度。

在一些示例中,所述进动磁层的磁化的初始方向平行于所述第一参考磁层的磁化。

在一些示例中,所述自旋转矩振荡器还包括:第二势垒层,其由绝缘材料形成,并且设置在所述进动磁层的与所述第一势垒层相反的一侧;以及第二参考层,其具有固定磁化,并且设置在所述第二势垒层的与所述进动磁层相反的一侧。

在一些示例中,所述第二势垒层由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

在一些示例中,所述第二势垒层具有4至7个原子层的厚度。

在一些示例中,所述第二参考层的磁化在与所述第一参考层的磁化平行的方向上。

本发明的一些实施例提供一种自旋转矩振荡器电路,包括:第一磁性隧道结,其在直流偏置下产生振荡信号,所述第一磁性隧道结包括:第一参考磁层,其具有固定磁化;进动磁层,其具有在所述直流偏置下绕初始方向进动的磁化;以及第一势垒层,其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间,并且由在所述直流偏置下产生负微分电阻的绝缘材料形成;以及至少一个放大电路,其接收并且放大所述第一磁性隧道结产生的振荡信号,所述至少一个放大电路中的每个包括串联连接在电源电压与地电势之间的电阻器和第二磁性隧道结,所述第二磁性隧道结在所述电源电压的偏置下具有负微分电阻,所述振荡信号施加到所述至少一个放大电路的电源电压一侧,并且所述至少一个放大电路在所述电阻器和所述第二磁性隧道结之间的节点处提供放大了的振荡信号。

在一些示例中,所述第二磁性隧道结具有比所述第一磁性隧道结更大的结面积。

在一些示例中,所述第二磁性隧道结本身不产生振荡信号。

在一些示例中,所述第二磁性隧道结具有与所述第一磁性隧道结相同的多层结构。

在一些示例中,所述第一势垒层由具有立方晶体结构的材料AB形成,其中A为阳离子位,B为阴离子位,A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据,B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

在一些示例中,所述第一势垒层具有4至7个原子层的厚度。

在一些示例中,所述第一磁性隧道结还包括:第二势垒层,其由绝缘材料形成,并且设置在所述进动磁层的与所述第一势垒层相反的一侧;以及第二参考层,其具有固定磁化,并且设置在所述第二势垒层的与所述进动磁层相反的一侧。

在一些示例中,所述第二参考层的磁化在与所述第一参考层的磁化平行的方向上。

在一些示例中,所述自旋转矩振荡器电路还包括:滤波器,其设置在所述第一磁性隧道结与所述至少一个放大电路之间以滤除所述第一磁性隧道结产生的振荡信号中的直流分量,而仅提供其交流分量供所述至少一个放大电路放大。

在一些示例中,所述至少一个放大电路包括两个或更多放大电路,所述两个或更多放大电路彼此级联连接以对所述第一磁性隧道结产生的振荡信号依次进行放大。

在一些示例中,彼此级联连接的所述两个或更多放大电路之间还设置有滤波器以滤除每个放大电路的输出信号中的直流成分。

本发明的一些实施例提供一种操作自旋转矩振荡器的方法,所述自旋转矩振荡器包括:第一参考磁层,其具有固定磁化;进动磁层,其具有能绕初始方向进动的磁化;以及第一势垒层,其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间,并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成,所述方法包括:向所述自旋转矩振荡器施加直流偏置,以使得所述自旋转矩振荡器工作在负微分电阻区域;以及从所述自旋转矩振荡器提取振荡信号输出。

在一些示例中,从所述自旋转矩振荡器提取振荡信号输出还包括对所述振荡信号输出进行滤波以滤除其中的直流成分。

在一些示例中,向所述自旋转矩振荡器施加的直流偏置足够大以使得所述进动磁层的磁化绕其初始方向进动。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的自旋转矩振荡器。

图2A和2B示出根据本发明一些实施例的自旋转矩振荡器的电流电压曲线。

图3示出根据本发明一实施例的操作自旋转矩振荡器的方法。

图4示出根据本发明另一实施例的自旋转矩振荡器。

图5示出根据本发明一实施例的自旋转矩振荡器电路。

图6示出根据本发明一实施例的包括自旋转矩振荡器的磁读取头。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。

图1示意性示出根据本发明一实施例的自旋转矩振荡器100。如图1所示,自旋转矩振荡器100包括参考磁层110、进动磁层130、以及夹在参考磁层110和进动磁层130之间的势垒层120。自旋转矩振荡器100具有磁性隧道结结构,因此也可称为磁性隧道结100。

参考磁层110可以由铁磁材料形成,并且具有固定的磁矩,如实线箭头所示。参考磁层110的磁化方向可以通过形成在与势垒层相反一侧的反铁磁钉扎层(未示出)来固定,或者参考磁层110的磁化方向也可以被自钉扎,例如参考磁层110可以由具有较高矫顽力的硬磁材料形成,或者参考磁层110可以形成为具有较大的厚度。可用于形成参考磁层110的铁磁材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni以及包含Fe、Co或Ni的合金,诸如CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeB等。

进动磁层130也可以由铁磁材料形成,并且其磁矩能够在自旋转移力矩的作用下发生进动,因此称为进动磁层。可用于形成进动磁层130的铁磁材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni以及包含Fe、Co或Ni的合金,诸如CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeB等。在一些实施例中,进动磁层130可以具有比参考磁层110更低的矫顽力,例如,进动磁层130可以由软磁材料形成。

势垒层120由绝缘材料形成,因此自旋转矩振荡器100具有磁性隧道结结构。已知的是,磁性隧道结结构具有比自旋阀结构(其中绝缘势垒层被导电层代替)大得多的磁致电阻,进而能产生更大的振荡信号功率输出,因此是优选的。

如图1所示,当向自旋转矩振荡器100施加直流偏置电流IDC时,该电流被参考磁层110极化,产生极化电流。该极化电流在流经进动磁层130时,其自旋力矩会对进动磁层130的磁化产生作用。当偏置电流IDC足够大时,进动磁层130的磁化在自旋转移力矩的作用下发生进动,如图中绕虚线圆旋转的实线箭头所示。进动磁层130的磁化进动会导致磁性隧道结100的电阻的周期变化,从而可以从磁性隧道结100提取出振荡信号输出v0。在图1所示的实施例中,从磁性隧道结100提取的输出信号经电容器102滤除掉直流成分后,产生交流输出v0

研发能够实际使用的自旋转矩振荡器100的一个重要挑战是提高交流输出信号v0的功率。在本发明的实施例中,这是通过选择形成势垒层120的材料来实现的。具体而言,势垒层120由能够产生负微分电阻的绝缘材料形成。负微分电阻是指,当电压增大Δv时,电流反而减小Δi,因此微分电阻Δr=Δv/Δi为负值,称为负微分电阻,有时也简称为负电阻。在现有技术中,负微分电阻一般由半导体器件形成,例如隧道二极管、运算放大器等可具有负微分电阻。

本发明人发现,当势垒层120由某些特定材料形成时,磁性隧道结100可具有负微分电阻。可用于形成势垒层120的这样的材料的示例包括具有立方晶体结构的绝缘材料AB,其中A为阳离子位,B为阴离子位,A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据,B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。此外,势垒层120的厚度应在3至10个原子层厚度的范围,优选4至7个原子层厚度。当势垒层120的厚度太大时,磁性隧道结100不能表现出负微分电阻;当势垒层120的厚度太小时,由于针孔(pin hole)效应,磁性隧道结100的磁致电阻大幅度降低。

图2A和2B示出磁性隧道结100的电流电压曲线,其中图2A示出参考磁层110和进动磁层130彼此平行时的情况,图2B示出参考磁层110和进动磁层130彼此反平行时的情况。在图2A和2B所示的示例中,参考磁层110由金属Fe形成,势垒层120由Al0.673O形成,进动磁层130也由金属Fe形成。如图2A和2B所示,当势垒层120的厚度为6个原子层时,在特定的电压范围中,磁性隧道结100表现出负微分电阻,并且平行状态时磁性隧道结100的表现出负微分电阻的电压范围明显大于反平行状态时磁性隧道结100的表现出负微分电阻的电压范围。因此,在本发明的一些实施例中,磁性隧道结100的参考磁层110和进动磁层130优选处于平行状态。当势垒层120的厚度增大到7个原子层时,负微分电阻明显减弱;当势垒层120的厚度增大到8个原子层时,负微分电阻几乎消失。

磁性隧道结100的负微分电阻能够起到放大交流输出信号v0的效果。下面论述几种典型类型的电阻。对于正常的电阻R=V/I,例如电阻器的电阻,其具有正值,电流I在减小V的方向上流动,该电阻消耗一定的功率。对于电源器件,电流I在增大V的方向上流动,其电阻R=V/I具有负值,该电源器件向外输出一定的功率。而对于上述磁性隧道结100的电阻,其静态电阻R为正值,表明磁性隧道结100消耗一定的直流功率;而其微分电阻Δr=Δv/Δi为负值,表明电流的交流分量Δi在增大Δv的方向上流动,因此磁性隧道结100向外提供交流功率,也就是说,在负微分电阻状态中,磁性隧道结100将一部分直流功率转换为交流功率输出,从而提高了自旋转矩振荡器100的振荡信号输出功率。

例如,参照图2A,当Al0.673O势垒层120的厚度为6个原子层时,磁性隧道结100输出的交流信号的电压幅值可达大约0.8伏,电流密度可达大约3×1011A/m2。假设磁性隧道结100具有边长为100nm的正方形形状,可估算得到磁性隧道结100的交流输出功率P大约为:

P=(1/8)×(100×10-9m)2×3×1011A/m2×0.8V=3×10-4W

负微分电阻下的交流功率放大原理和其计算公式也可以参见维基百科网站关于负电阻(negative resistance)的词条,具体网址为https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_resistance。通过上述估算可以看出,磁性隧道结100的交流输出功率P可达大约0.3毫瓦,其远远大于现有技术中的自旋转矩振荡器的输出功率。当然应理解,这里估算的值仅是理论理想值,磁性隧道结100的实际输出功率取决于直流功率到交流功率的转化效率以及磁性隧道结100和其周围电路的内部耗散而可能大幅度小于上述估算值,但是相信,运行于负微分电阻区域的磁性隧道结100的输出功率仍远远大于常规磁性隧道结的输出功率。

图3示出根据本发明一实施例的操作包括磁性隧道结的自旋转矩振荡器(例如,图1的自旋转矩振荡器100)的方法200的流程图。如图3所示,方法200包括,在框210中,向磁性隧道结施加直流偏置,使得所述磁性隧道结工作在负微分电阻区域中。接下来,在框220中,可以从磁性隧道结提取振荡信号输出。在一些实施例中,从所述磁性隧道结提取振荡信号输出可以包括将所述磁性隧道结的输出信号经滤波器过滤而去除其直流分量,仅输出其交流分量。在一些实施例中,这里描述的滤波器可以是电容器,例如上面参照图1所述的电容器102。应理解,上述步骤可以同时进行,而不限于上面描述的顺序。

图4示出根据本发明另一实施例的自旋转矩振荡器300的示意性结构图。自旋转矩振荡器300与图1所示的自旋转矩振荡器100基本相同,除了其包括双势垒结构之外。因此,相同的元素用相同的附图标记指示,这里将省略对其的详细描述。如图4所示,自旋转矩振荡器300包括第一参考磁层110、第一势垒层120、进动磁层130、第二势垒层140和第二参考磁层150。第一参考磁层110、第一势垒层120和进动磁层130可以分别与前面参照图1描述的层110-130相同,这里不再赘述。

第二势垒层140也由绝缘材料形成,其被夹置在进动磁层130和第二参考磁层150之间,因此自旋转矩振荡器300具有双势垒结构。第二参考磁层150可以由铁磁材料形成,并且具有固定的磁矩,如实线箭头所示。应注意,第二参考磁层150的磁化方向应与第一参考磁层110的磁化方向彼此平行,以确保能产生磁致电阻。第二参考磁层150的磁化方向也可以通过形成在与第二势垒层140相反一侧的反铁磁钉扎层(未示出)来固定,或者第二参考磁层150的磁化方向也可以被自钉扎,例如第二参考磁层150可以由具有较高矫顽力的硬磁材料形成,或者第二参考磁层150可以形成为具有较大的厚度。可用于形成第二参考磁层150的铁磁材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni以及包含Fe、Co或Ni的合金,诸如CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeB等。应理解,第二参考磁层150的形成材料和厚度可以与第一参考磁层110相同或不同。

第二势垒层140可以是能够诱导负微分电阻的势垒层,如前面描述的第一势垒层120那样,但是其也可以是常规的势垒层,即不能诱导负微分电阻的势垒层。当第二势垒层140是常规势垒层时,自旋转矩振荡器300可视为将图1的自旋转矩振荡器100与常规磁性隧道结串联连接在一起所形成的结构。当第二势垒层140是能够诱导负微分电阻的势垒层时,自旋转矩振荡器300可视为将两个图1的自旋转矩振荡器100串联连接在一起所形成的结构,并且这两个自旋转矩振荡器100的振荡信号始终具有相同的相位,因为其取决于同一磁层(进动磁层130)的磁进动。此时,自旋转矩振荡器300可具有更大的输出功率。应理解的是,即使第一势垒层120和第二势垒层140二者均是能诱导负微分电阻的势垒层,它们也可以具有相同或不同的形成材料、厚度等。

与图1所示的单势垒自旋转矩振荡器100相比,图4所示的双势垒自旋转矩振荡器一般具有更大的面积电阻乘积RA,因此与负微分电阻对应的偏置电压一般也更高,有助于提高器件对高压的耐受性。此外,由于自旋转矩振荡器300具有两个势垒层,因此也带来了更大的参数调节灵活性。例如,通过选择这两个势垒层中的一个还是两个为能诱导负微分电阻的势垒层,以及调节负微分电阻势垒层的厚度,可以改变负微分电阻区域的斜率;通过选择每个负微分电阻势垒层的材料,可以调节与负微分电阻对应的偏压范围,等等。因此,通过采用双势垒磁性隧道结结构,可以更容易地制造出符合各种参数要求的负微分电阻器件。

已知的是,常规的半导体负微分电阻器件例如隧道二极管等常用于放大交流信号。在本发明的一些实施例中,上述自旋转矩振荡器100、300输出的振荡信号也可以经具有负微分电阻的磁性隧道结来被进一步放大。图5示出根据本发明一实施例的自旋转矩振荡器电路400的电路图。

如图5所示,自旋转矩振荡器电路400包括自旋转矩振荡器410和放大电路420。自旋转矩振荡器410可以是前面描述的自旋转矩振荡器100或300,这里不再对其进行详细描述。自旋转矩振荡器410的高频输出v0经电容器102滤波之后,被提供给放大电路420以供放大。

放大电路420包括串联连接在电源电压Vdd与地电势之间的电阻器R和磁性隧道结422。可以理解,虽然图5示出了电阻器R设置在电源电压一侧,磁性隧道结422设置在地电势一侧,但是也可以相反地设置,即电阻器R设置在地电势一侧,磁性隧道结422设置在电源电压一侧。自旋转矩振荡器410的高频输出v0可以与电源电压Vdd叠加地施加到放大电路420的一端,从放大电路420中的电阻器R与磁性隧道结422之间的节点提取输出信号v1

这里,磁性隧道结422可以与前面参照图1和4描述的磁性隧道结100和300相同,也是具有负微分电阻的单势垒或双势垒磁性隧道结,并且电源电压Vdd将磁性隧道结422偏置在负微分电阻区域,因此磁性隧道结422可以放大自旋转矩振荡器410的高频输出v0。具体而言,假设磁性隧道结422具有负微分电阻-r,那么从放大电路420中的电阻器R与磁性隧道结422之间的节点提取输出信号v1满足如下公式:

v1=v0r/(r-R)

因为r/(r-R)大于1,所以v1大于v0,放大电路420对自旋转矩振荡器410的高频输出v0有放大作用。

应注意的是,虽然磁性隧道结422与自旋转矩振荡器410一样具有负微分电阻,但是与自旋转矩振荡器410不同的是,磁性隧道结422本身不产生振荡信号,而只是放大自旋转矩振荡器410产生的振荡信号。如果磁性隧道结422本身也产生振荡信号,则很难保证其产生的振荡信号与自旋转矩振荡器410提供的振荡信号能够保持同相。当不同相位的两个振荡信号叠加时,可能导致输出信号的相位紊乱和功率降低。为了避免磁性隧道结422产生振荡信号,可以将其形成为具有较大的结面积,从而流过磁性隧道结的电流密度较小,不会诱发进动磁层的磁化进动,从而不会产生振荡信号。由于磁性隧道结422中的“进动磁层”并不产生磁化进动,因此其可以称为“磁层”,可以理解,该“磁层”可以是磁化可自由旋转的自由磁层,或者是磁化被自钉扎的参考磁层。

在图5所示的实施例中,振荡信号的生成和放大可都由磁性隧道结实现,这些磁性隧道结,例如磁性隧道结410和磁性隧道结420可以通过相同的工艺步骤完成,只是二者的结面积有所不同,而结面积可以在光刻工艺中容易地定义,因此能通过简单的工艺制造图5所示的自旋转矩振荡器电路400。此外,磁性隧道结410和磁性隧道结420可以形成在同一衬底上,这有助于提高器件的集成度,便于器件的进一步小型化。

虽然图5所示的自旋转矩振荡器电路400仅包括一个放大电路420,但是容易理解的是,自旋转矩振荡器电路400也可以包括级联连接的多个放大电路420,例如两个、三个、四个或更多个,其依次对自旋转矩振荡器410的输出信号v0进行放大。此外,在级联连接的多个放大电路420之间还可以设置有滤波器,诸如电容器等,以滤除放大电路420的输出信号中的直流分量。

上面描述的自旋转矩振荡器和自旋转矩振荡器电路可以有许多应用。除了代替常规的振荡器例如压控振荡器、晶体振荡器、LC振荡器等应用于各种电路和器件之外,本发明的自旋转矩振荡器和自旋转矩振荡器电路也可以应用于某些磁器件中,例如用作磁传感器。图6示出应用于磁记录中的磁读头500的示例。如图6所示,磁读取头500可包括自旋转矩振荡器510,其示为具有与图4所示的自旋转矩振荡器300相同的结构,这里不再赘述。在另一些实施例中,自旋转矩振荡器510也可以具有与图1所示的自旋转矩振荡器100相同的结构。磁读取头500的气垫面511基本垂直于自旋转矩振荡器510中的各个层的层平面,并且气垫面511邻近磁记录介质530的上表面,使得磁读取头500可以飞行于磁记录介质530上方,二者之间间隔开预定距离。磁记录介质530上有许多磁记录位,其示为具有垂直磁化,如向上和向下的箭头所示。

自旋转矩振荡器510在直流偏置之下,当没有外磁场时,进动磁层130以基频进动。当自旋转矩振荡器510位于磁记录介质530上方时,磁记录介质530中的磁记录位的磁化作用到进动磁层130上,使得进动磁层130的进动频率从基频偏移。检测器520检测自旋转矩振荡器510的输出频率,即可获得磁记录介质530上的磁记录位的磁化方向,从而读取磁记录介质530上的记录信息。

应理解,本发明的自旋转矩振荡器和自旋转矩振荡器电路可以代替常规的半导体振荡器以及常规的自旋转矩振荡器在电和磁领域有广泛的应用,而不限于上面举例说明的应用。例如,本发明的自旋转矩振荡器和自旋转矩振荡器电路还可以应用于微波辅助磁记录(Microwave Assisted Magnetic Recording,MAMR),其通过用自旋转矩振荡器诱导的微波瞬时降低磁记录材料的矫顽力来提高磁记录头在微磁场条件下的写入能力,进一步提高磁记录密度。在本发明的教导下,这些应用对于本领域技术人员而言是显而易见的,能够通过常规的手段实现,而不需要付出创造性的劳动。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明,但是本发明不限于此。例如,虽然在附图所示的实施例中,各个磁层具有面内磁化,但是本发明的原理也可以应用到垂直磁化的情况。本领域技术人员显而易见的是,在不脱离本发明的范围和思想的情况下,可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。

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