一种利用电压调控的频率可调微波振荡器的制作方法

本发明涉及一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，特别涉及一种将电压调控与自旋转移矩效应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】

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(magnetictunneljunction,mtj)构建的新一代振荡器引起科研及工业界的高度关注。在磁性隧道结结构中(自由层/隔离层/钉扎层)，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(spintransfertorque,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(spintransfertorquenano-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。

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。由于磁性隧道结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，由于磁矩进动的频率和幅度具有非线性的关联且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。

技术实现要素：

针对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，本发明提供了一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，电压调控与自旋转移矩效应相结合，利用电压调控磁各向异性(voltage-controlledmagneticanisotropy,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，结合电流对于频率的调制能力，可实现无外加磁场的频率调制。它弥补了现有stno的不足。进一步的，三端结构的优点使得微波输出信号的频率和功率可以被分别调制。

本发明的一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，将电压调控和自旋转移矩效应相结合，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垂直磁化磁隧道结以及引出的三个端口器件。其生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成；其中，所述的垂直磁化磁隧道结的结构由下至上为“金属层/厚氧化层/自由铁磁金属层/薄氧化层/固定铁磁金属层”；固定铁磁金属层，自由铁磁金属层，金属层分别连接电极作为所述的端口，即端口一、端口二、端口三；其中mtj(即“厚氧化层/自由铁磁金属层/薄氧化层/固定铁磁金属层”)为微波发生器件，是产生微波输出信号的核心单元，其自由铁磁金属层磁矩可产生高频进动，且具有较强的压控磁各向异性。在自由铁磁金属层和金属层之间施加电压可以调控自由铁磁金属层的磁各项异性。

其中，金属层厚度为10～200nm，厚氧化层厚度0～3mm，自由铁磁金属层厚度为0～3nm，薄氧化层厚度为0～2nm，固定铁磁金属层厚度为0～3nm。

特别的，自由铁磁金属层和固定铁磁金属层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。

本发明所述的微波发生器件(mtj)及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)，也就是说该微波发生器件以及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；

本发明所述的一种利用电压调控的频率可调微波振荡器的制备工艺包括磁控溅射、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；

所述薄氧化层和厚氧化层中氧化物是指氧化镁mgo或三氧化二铝al2o3，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；

所述自由铁磁金属层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；

所述固定铁磁金属层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；

所述金属层是指钽ta、铝al或铜cu(即ta、al及cu)中的一种。

本发明一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，进一步还包含一系列电子元器件，其中：

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；

直流电流源施加于端口一和端口二两端，当电流从固定铁磁金属层流向自由铁磁金属层时会产生的自旋极化电子，进而在自由铁磁金属层中产生驱动力矩；直流电压源施加于端口二和端口三两端用于施加电压调控自由铁磁金属层的磁各项异性，结合电流对于频率的调节能力可实现对输出信号频率的宽频调控；

低噪声功率放大器用于对输出信号进行功率放大。

本发明一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，其优点及功效在于：基于电压调控及自旋转移矩效应相结合的三端微波振荡器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加在自由铁磁金属层上的电压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】

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明的整体工作示意图。

图3为本发明调频说明图。

【具体实施方式】

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。

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。

如图1所示为本发明一种利用电压调控的频率可调微波振荡器的结构示意图；包括核心单元以及外围三端口。如图所示，核心单元从下到上依次由金属层及mtj构成，即金属层(厚度10～200mm)，厚氧化层(0～3nm)，自由铁磁金属层(厚度为0～3nm)，薄氧化层(厚度为0～2nm)，固定铁磁金属层(厚度为0～3nm)，共五层构成。特别的，固定铁磁金属层和自由铁磁金属层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。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。

本发明的一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，进一步还包含一系列电子元器件以及频率检测电路，其中：

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；

如图2所示，直流电流源施加于第一端口和第二端口两端，当电流从固定铁磁金属层流向自由铁磁金属层时会产生的自旋极化电子，产生自旋电流转移矩，进而在自由铁磁金属层中产生驱动力矩；直流电压源施加于端口二和端口三两端用于施加电压调控自由铁磁金属层的磁各项异性，结合电流对于频率的调节能力可实现对输出信号频率的宽频调控；

低噪声功率放大器用于对输出信号进行功率放大。

频率检测电路通过第一端口和第二端口检测mtj的震荡频率。

图3(a)(b)为基于电压调控及自旋转移矩效应相结合的三端微波振荡器件调频说明图，具体如下：

频率调控模式：

(a)固定电流调节电压

令流经本发明的频率可调微波振荡器的电流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)施加一系列电压值vmtj＝v1、v2、v3、v4，微波输出信号的频率分别对应为f1、f2、f3、f4。

(b)固定电压调节电流

令施加在自由铁磁金属层上的电压vmtj为固定值且不作具体限制，其不同大小对应不同输出功率。inm为流经器件的电流，如图3(b)施加一系列电流值inm＝i1、i2、i3、i4，微波输出信号的频率分别对应为f1、f2、f3、f4。