基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法。该磁性元件包括能够诱导电子产生自旋流的非磁性金属膜层(ML)以及形成在所述非磁性金属膜层(ML)上的、具有平衡磁化的磁性膜层(FL)。该微波振荡器包括该磁性元件，该磁性元件形成在衬底层（SL）上，且该磁性元件上设有金属电极（EL）。该微波振荡器可利用薄膜沉积技术、光刻和/或刻蚀技术等加工形成。本发明的磁性元件结构有助于减少微波振荡器的噪音，器件微波频率在外加电流的作用下可调范围宽，输出微波信号性能优异；而本发明的自旋微波振荡器具有尺寸小、结构简单等特点，制备工艺简单，与传统微纳米加工工艺兼容，易于大批量制备，可作为微波源广泛应用于电子、通信等领域。
【专利说明】基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法
【技术领域】
[0001]本发明特别涉及一种基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法，属于微波振荡器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]微波振荡器是一种将直流信号转化为具有一定频率交流信号的电子元件，在电子工业、医疗、科学研究等方面具有广泛应用。近年来，随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对振荡器件小型化、集成化的要求越来越迫切。同时，移动通讯也向高频化和宽频化发展，目前商用的振荡器主要有LC振荡器、晶体振荡器等。商用LC振荡器的电路设计灵活，成本较低，易做到正弦波输出和可调频率输出。但是这种振荡器的体积大(微米量级)、频率较低(如GPS: 1.6GHz ；GSM:850MHz ;WCDMA: 2GHz)、并且频率调节范围小(〈20%)，随着温度和时间的变化，信号易发生漂移。另一种常用的石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但是频率单一不能调节，故不能简单用于可变调谐电路。而且除了压控晶体振荡器(VCXO)的频率
800MHz)相对较高外，其他类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。另外在GPS等通信系统中需要极低的噪音，即对输出频率的相位噪音要求极高。因此，寻找具有良好的高频特性、宽频可调、低噪音以及易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。
[0003]目前，利用电子自旋而不是电子电荷来构建振荡器时，有望解决上述挑战。在由磁性膜(FMl)/非磁性膜(匪)/磁性膜(FM2)构成的三明治结构中，基于巨磁电阻效应和自旋转移矩原理，被FMl自旋极化的电子穿过匪层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个力矩的作用，当自旋转移力矩恰好能够补偿磁性材料中的阻尼矩时，磁矩产生稳态的进动，由于巨磁电阻效应，进而输出高频振荡的微波信号。基于这种自旋转移力矩原理产生微波振荡的器件称为自旋转移矩振荡器(spin torque oscillators)。在这种器件中，关键的部分是产生自旋极化的电子。一般为了产生自旋电子，常常采用将电子通过磁性材料使电子发生自旋极化。然而利用磁性材料产生的自旋极化电流，受到自旋极化效率的制约，在实现微波振荡的过程中，往往需要较高的电流密度，不仅增大了能耗，同时产生的热噪声影响输出微波信号质量，而且基于自旋极化电流的自旋微波振荡器，制备条件要求较高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的之一在于提供一种基于自旋霍尔效应的磁性元件，以克服现有技术中的不足。
[0005]本发明的目的之二在于提供前述基于自旋霍尔效应的磁性元件在制备电子元件中的应用。
[0006]本发明的目的之三在于提供一种基于自旋霍尔效应的微波振荡器及其制备方法。
[0007]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0008]—种基于自旋霍尔效应的磁性兀件,包括:[0009]能够诱导电子产生自旋流的非磁性金属膜层，
[0010]以及，形成在所述非磁性金属膜层上的、具有平衡磁化的磁性膜层。
[0011]作为较为优选的实施方案之一,所述非磁性金属膜层的厚度为1.0nm?6.0nm。
[0012]进一步的，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、Pt、Pb、W、Hf、Ir、Ru、Au、Ag、Zr、Cu、Re、Os、Mn、Nb、Mo 和 V 中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0013]进一步的，所述磁性膜层包括主要由磁性材料构成的磁性单层膜或磁性多层膜。
[0014]作为较为优选的实施方案之一,所述磁性单层膜厚度为0.5nm?6.0nm。
[0015]作为较为优选的实施方案之一，所述磁性多层膜沿设定方向依次分布的第一磁性层、空间层和第二磁性层。
[0016]进一步的，所述第一磁性层和第二磁性层主要由磁性材料构成；
[0017]所述空间层主要由导体材料或绝缘体材料构成，其中，所述导体材料可选自非磁性金属、碳材料和有机导电材料中的一种或两种以上的组合，所述绝缘体材料可选自金属绝缘氧化物，金属绝缘氮化物、碲化物和硒化物中的一种或两种以上组合，且不限于此。
[0018]进一步的,所述磁性材料可选自3d过渡族金属或其合金、4f稀土金属或其合金、稀磁合金材料、半非金属磁性材料和钇铁石榴石中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0019]其中，所述3d过渡族磁性金属或其合金可选自Fe、Co、N1、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0020]所述4f稀土金属或其合金可选自la、Sm、Nd、Tb、TbFe、TbFeCo和Sm5Co中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0021]所述稀磁合金材料可选自GaMnAs或GeMn的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0022]所述半金属磁性材料可选自Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0023]前述基于自旋霍尔效应的磁性元件在制备电子元件中的应用,所述电子元件包括微波振荡器。
[0024]—种基于自旋霍尔效应的微波振荡器(简称“自旋微波振荡器”)，包括前述磁性兀件，所述磁性元件形成在衬底层上，且所述磁性元件上设有金属电极。
[0025]进一步的，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S1、SiO2,蓝宝石材料中的任意一种或两种以上的组合。
[0026]进一步的,用于形成所述金属电极的材料包括Au、Ag、Cu、Pt、Pb、W和Ta中任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0027]前述微波振荡器的制备方法包括如下步骤:
[0028]S1.利用薄膜沉积技术依次形成非磁性金属膜层(ML)和磁性膜层(FL)；
[0029]S2.利用光刻和/或刻蚀技术对所述非磁性金属膜层(ML)和磁性膜层(FL)进行图形化处理，形成磁性元件结构；
[0030]S3.依次利用薄膜沉积技术和光刻和/或刻蚀技术加工形成金属电极。
[0031 ] 进一步的，所述微波振荡器包括两端自旋微波振荡器或三端自旋微波振荡器。[0032]进一步的，前述两端自旋微波振荡器的制备方法可以包括:
[0033]利用磁控溅射等薄膜沉积技术沉积非磁性金属层和磁性单层膜；
[0034]利用光学曝光或电子束曝光等光刻技术对非磁性金属层、磁性单层膜进行图形的制作，以及离子束刻蚀等刻蚀工艺将光刻图形转移到材料结构中；
[0035]以及，利用薄膜沉积、光刻和刻蚀进行金属电极的制备。
[0036]进一步的，前述三端自旋微波振荡器的制备方法可以包括:利用薄膜沉积、光刻和刻蚀技术等加工形成非磁性金属层、磁性多层膜和金属电极。
[0037]本发明系利用自旋霍尔效应产生自旋流，然后注入到磁性膜层，基于自旋转移力矩原理，自旋流的电子对磁性薄膜的磁矩发生作用，可以引起磁矩的进动或反转。当自旋流产生的转移力矩达到与磁性薄膜的阻尼距相等时，会产生磁矩的稳态进动，基于各向异性磁电阻或巨磁电阻效应，进而输出微波振荡信号，这种基于自旋霍尔效应产生自旋流的方式，有助于减少微波振荡器的噪音，并且器件的微波频率在外加电流的作用下可调范围宽，输出微波信号性能良好。
[0038]综述之，与现有技术相比，本发明至少具有如下优点:
[0039](I)本发明的磁性元件结构有助于减少微波振荡器的噪音，器件的微波频率在外加电流的作用下可调范围宽，输出微波信号性能优异；
[0040](2)本发明的自旋微波振荡器具有尺寸小、结构简单等特点，制备工艺简单，与传统的微纳米加工工艺兼容，易于大批量制备，可作为微波源广泛应用于电子、通信等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本发明基于自旋霍尔效应的磁性元件结构示意图；
[0042]图2a和图2b分别是本发明基于自旋霍尔效应的微波振荡器的结构示意图；
[0043]图3是本发明实施例1中自旋微波振荡器的结构示意图；
[0044]图4是本发明实施例2中自旋微波振荡器的结构示意图；
[0045]图5是本发明实施例3中自旋微波振荡器的结构示意图；
[0046]图6是本发明实施例4中自旋微波振荡器的结构示意图；
[0047]图7是本发明实施例5中自旋微波振荡器的结构示意图；
[0048]图8是本发明实施例6中自旋微波振荡器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0049]概括的讲，本发明的基于自旋霍尔效应的微波振荡器，或者也可称为基于自旋霍尔效应产生的自旋流诱导磁矩进动的自旋微波振荡器包含如下特征结构[ML/FL]，其中ML表不具有诱导电子产生自旋流的非磁性金属层，其厚度在1.0nm?6.0nm之间；FL表不具有平衡磁化的磁性单层膜或磁性多层膜，其中磁性单层膜(FLtl)厚度在0.5nm?6.0nm之间，且其磁化方向在小的外磁场作用下发生变化；
[0050]参阅图1所示，作为本发明自旋微波振荡器的核心结构，其包括一个非磁性金属层ML和一个具有平衡磁化的磁性层FL。在电流流过一到几个纳米厚的非磁金属层ML的平面内时，在自旋霍尔效应的作用下，平面内的电流被转化成垂直膜面的自旋相反的自旋流，自旋流垂直注入到磁性层FL时，诱导磁性层内的磁矩进动。在图1中，J。代表流过非磁金属层的电流，电流方向在非磁性薄膜面内，磁性膜层内的箭头代表磁矩的进动方向。
[0051 ] 在图1中，FL的磁化方向是自由的。当自旋流进入FL并引起磁矩的稳态进动时，磁矩方向的变化引起电阻的变化，磁电阻的变化关系:
[0052]
【权利要求】
1.一种基于自旋霍尔效应的磁性兀件，其特征在于包括: 能够诱导电子产生自旋流的非磁性金属膜层(ML)， 以及，形成在所述非磁性金属膜层(ML)上的、具有平衡磁化的磁性膜层(FL)。
2.根据权利要求1所述的基于自旋霍尔效应的磁性元件，其特征在于，所述非磁性金属膜层(ML)主要由能产生自旋霍尔效应的金属元素组成，所述金属元素包括Ta、Pt、Pb、W、Hf、Ir、Ru、Au、Ag、Zr、Cu、Re、Os、Mn、Nb、Mo和V中的任意一种或两种以上的组合； 其中，所述非磁性金属膜层(ML)的厚度为1.0~6.0nm。
3.根据权利要求1所述的基于自旋霍尔效应的磁性元件，其特征在于，所述磁性膜层(FL)包括主要由磁性材料构成的磁性单层膜或磁性多层膜，所述磁性单层膜厚度为0.5nm ~6.0 nm0
4.根据权利要求3所述的基于自旋霍尔效应的磁性元件，其特征在于，所述磁性多层膜沿设定方向依次分布的第一磁性层、空间层和第二磁性层。
5.如权利要求4所述的基于自旋霍尔效应的磁性元件，其特征在于，所述磁性单层膜、第一磁性层和第二磁性层主要由磁性材料构成； 所述空间层主要由导体材料或绝缘体材料构成， 其中，所述导 体材料包括非磁性金属、碳材料和有机导电材料中的一种或两种以上的组合， 所述绝缘体材料包括金属绝缘氧化物，金属绝缘氮化物、碲化物和硒化物中的一种或两种以上组合。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的基于自旋霍尔效应的磁性元件，其特征在于，所述磁性材料包括3d过渡族金属或其合金、4f稀土金属或其合金、稀磁合金材料、半非金属磁性材料和钇铁石榴石中的任意一种或两种以上的组合； 其中，所述3d过渡族磁性金属或其合金包括Fe、Co、N1、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合； 所述4f稀土金属或其合金包括la、Sm、Nd、Tb、TbFe、TbFeCo和Sm5Co中的任意一种或两种以上的组合； 所述稀磁合金材料包括GaMnAs或GeMn的任意一种或两种以上的组合； 所述半金属磁性材料包括Fe304、CrO2> Laa7Sra3MnO3和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合。
7.权利要求1-6中任一项所述基于自旋霍尔效应的磁性兀件在制备电子兀件中的应用，所述电子元件包括微波振荡器。
8.一种基于自旋霍尔效应的微波振荡器，其特征在于包括权利要求1-6中任一项所述的磁性元件，所述磁性元件形成在衬底层(SL)上，且所述磁性元件上设有金属电极(EL)； 其中，所述衬底层主要由无机材料组成，所述无机材料包括S1、SiO2、蓝宝石材料中的任意一种或两种以上的组合； 其中，用于形成所述金属电极的材料包括Au、Ag、Cu、Pt、Pb、W和Ta中任意一种或两种以上的组合。
9.权利要求8所述基于自旋霍尔效应的微波振荡器的制备方法，其特征在于包括如下步骤:s1.利用薄膜沉积技术依次形成非磁性金属膜层(ML)和磁性膜层(FL)；s2.利用光刻和/或刻蚀技术对所述非磁性金属膜层(ML)和磁性膜层(FL)进行图形化处理，形成磁性元件结构；s3.依次利用薄膜沉积技术和光刻和/或刻蚀技术加工形成金属电极。
10.权利要求9所述基于自旋霍尔效应的微波振荡器的制备方法，其特征在于，所述微波振荡器包括两端自旋微波振荡器或三端自旋微波振荡器。
【文档编号】H01L43/08GK103779495SQ201410028015
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】方彬, 曾中明, 张宝顺 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所