CN102637939A

CN102637939A - 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

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Publication number: CN102637939A
Application number: CN2012101297340A
Authority: CN
Inventors: 曾中明; 张宝顺
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-04-28
Also published as: CN102637939B

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明一般涉及自旋输运器件技术领域，尤其是应用于无线通信领域的微波振荡器。

背景技术

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［S. I. Kiselev, et al., 《Nature》，425, 380 (2003)］。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0.1～100 GHz）、易集成、以及工作电压低（< 0.5V）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。

发明内容

本发明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。

为实现上述发明目的，本发明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1.0nm～6.0 nm的非磁性金属层和/或厚度为0.5 nm～1.0 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Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃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-Mn、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等。

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/SiO₂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，本发明的优点在于：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1是本发明自旋微波振荡器中磁性多层膜的结构示意图；

图2是本发明中基于纳米柱方案的自旋微波振荡器的结构示意图；

图3是本发明中基于纳米点接触方案的自旋微波振荡器的结构示意图；

图4是本发明实施例2中自旋微波振荡器的结构示意图；

图5是本发明实施例3中自旋微波振荡器的结构示意图。

图6是本发明实施例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是本发明实施例4中自旋微波振荡器的结构示意图。

具体实施方式

概括的讲，参阅图1，本发明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1.0～6.0 nm之间，而当隔离层为隧道绝缘层时，其典型厚度在0.5 nm～1.5 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，作为本发明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Co₄₀Fe₄₀B₂₀ 2 nm）和一个具有垂直磁化的铁磁性层（如Co₂₀Fe₆₀B₂₀ 1.2 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，并导致磁性多层电阻的周期性变化，从而产生稳定的微波振荡。这种方法称之为纳米柱结构方案［S. I. Kiselev, et al., Nature 425, 380 (2003)］。

参阅图3所示，作为本发明的典型实施方式之二，该振荡器的磁性多层膜结构与实施方式一类似。采用微电子加工技术制备纳米点接触，其磁性多层膜保持完整，点接触的直径优选在50 nm左右（图中氧化铝层10起绝缘作用，以使电流只有通过点接触注入到磁性多层膜中）。直流电流通过纳米点接触垂直注入到磁性多层膜中，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，并导致磁性多层电阻的周期性变化，从而产生稳定的微波振荡。这种方法称之为纳米点接触方案［W. H. Rippard, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 027201 (2004)］。

以下结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1 参阅图2，该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结构如下：首先在基片上形成一个CuN种子层9; 然后在CuN种子层上形成一个下部铁磁性Co₄₀Fe₄₀B₂₀层，其厚度为2 nm，且该层的磁化方向平行于薄膜表面的；一个形成于铁磁性Co₄₀Fe₄₀B₂₀层之上的隔离层，即厚度0.8 nm的MgO势垒层; 一个形成于隔离层之上的另一个磁性Co₂₀Fe₆₀B₂₀层以及一个形成于第二铁磁性层之上的CuN保护层。Co₂₀Fe₆₀B₂₀层的磁化方向垂直于薄膜平面，与第一个磁性材料层在没有磁场作用下大约成90度角，Co₂₀Fe₆₀B₂₀层的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。然后通过电子束曝光、离子束刻蚀、剥离等微电子加工技术制备磁性纳米柱器件。

应当注意到，前述种子层也可由Ta、Ru、Cu等非磁性金属构成; 前述隔离层也可由Au、Cu和Cr等非磁性金属、或金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS等材料构成。第一磁性层也可选自于3d过渡族铁磁性金属或4f稀土金属及其合金，如：Fe、CoFe、CoFeB、Heusler合金; 第二磁性层也可由Fe、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni、TeFeCoAl等具有垂直磁化的材料构成; 保护层也可由Au、Pt等金属材料构成。

实施例2 在前述实施例中，第一磁性层的平衡磁化方向由材料的面内磁化决定，其方向是相对固定的。但当其矫顽力较小时，其磁化方向在可以在较小的外场作用发生翻转，进而影响微波振荡器的微波性能。针对上述问题，本实施例进一步提出一种属于钉扎型微波振荡器，其结构如图4所示，即：首先在基片上形成一个种子层; 然后在种子层上形成一个反铁磁性层，在反铁磁性层之上形成下部铁磁性层或半金属层（参考层），参考层的平衡磁化方向由于反铁磁性的钉扎作用而相对固定的;一个形成于参考层之上的非磁性隔离层; 一个形成于非磁性隔离层之上的另一个铁磁性层（敏感层）以及一个形成于敏感层之上的保护层。敏感层的磁化方向垂直于薄膜平面，与第一个磁性材料层在没有磁场作用下大约成90度角。采用电子束曝光、薄膜沉淀、剥离等微电子加工技术制作成纳米柱或纳米点接触型的自旋微波振荡器。

本实施例中的种子层4、下部磁性层1、隔离层2、磁性层3和保护层5的材料与第一实施例相似，故省略其描述。前述反铁磁性层4由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn、Rh-Mn或NiO等反铁磁合金构成。

实施例3 在前述实施例2中，反铁磁性层4钉扎铁磁性或半金属层1也可由反铁磁性层4与铁磁性层/非磁性金属层/铁磁性层（FM/NM/FM）复合多层膜构成，其中FM/NM/FM复合多层膜形成人工反铁磁性耦合层，从而使磁性层1的磁化方向固定。这里FM与实施例1中的下部磁性层1材料类似，NM由Ru、Cu、Ag等非磁性金属构成，其厚度在0.8 nm左右，满足FM/NM/FM复合多层膜形成人工反铁磁性耦合的条件，其基本结构如图5所示。这里给出一个具体材料的实施例，在Si/SiO₂衬底上，通过磁控溅射方法自而下依次沉淀种子层（3 nm Ta /10 nm CuN /5 nm Ta）、反铁磁性层4（15 nm IrMn）、人工反铁磁耦合层FM/NM/NM（2.5 nm Co₇₀Fe₃₀/0.85 nm Ru /2.5 nm Co₂₀Fe₆₀B₂₀）、非磁性隔离层2（0.8 nm MgO）、铁磁性自由层（1.6 nm Co₂₀Fe₆₀B₂₀）以及保护层（10 nm Cu/5 nm Ta）。然后通过电子束曝光、紫外曝光、薄膜沉淀、以及剥离等微电子加工技术制成椭圆形的纳米柱（150 nm × 60 nm）器件。这种纳米磁性隧道结器件具有80％的磁电阻变化率。图6示出了零磁场下在不同外加直流电流下的微波输出曲线，微波输出频率在1GHz左右，并且微波频率可通过电流进行调制。其输出功率在30 nW左右，可以进一步采用若干个这样的微波振荡串联来实现同步振荡来实现高功率输出。

实施例4在以上实施例中给出的均只有一个非磁性隔离层和一个固定层，称之为单自旋阀结构。也可设计成双自旋阀结构，如图7所示：在自由层3之再形成一层非磁性隔离层6，另一面内磁化固定层7形成于非磁性隔离层6之上，以及第二层反铁磁性形成于固定层7之上。这里，非磁性隔离层6与非磁性隔离层2类似; 固定层7的材料与固定层1相似，反铁磁性层8与反铁磁性层4类似。

本实施例中的种子层、下部磁性层1、非磁性隔离层2、铁磁性层3、反铁磁性层4、保护层5的材料与第一实施例相似，故省略其描述。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一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，其特征在于，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（1）；

形成于第一磁性层（1）之上的非磁性隔离层(2) ；

形成于非磁性隔离层（2）之上的具有垂直磁化的磁性自由层（3）；

以及，形成于自由层（3）之上的保护层。

2.如权利要求1所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，所述非磁性隔离层优选采用厚度为1.0nm～6.0 nm的非磁性金属层和/或厚度为0.5 nm～1.0 nm的隧道绝缘层。

3.如权利要求1或2所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，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。

4.如权利要求3所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，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。

5.如权利要求1所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，所述第一磁性层(1) 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。

6.如权利要求5所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，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至少选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合；

所述半金属磁性材料至少选自Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合。

7.如权利要求1所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，所述磁性自由层（L2）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。

8.如权利要求1所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，它还包括反铁磁性层，所述第一磁性层（1）形成于该反铁磁性层之上。

9.如权利要求8所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，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-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn和Rh-Mn中的任意一种或两种以上的组合。

10.如权利要求1所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，所述电极包括由非磁性金属层构成的上、下电极。

11.如权利要求1所述的基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，其特征在于，所述磁性多层膜为横向尺寸在100±50 nm的柱状结构或点接触结构。

12.如权利要求1所述基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器的制造方法，其特征在，该方法为：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（1）、非磁性隔离层（2）、磁性自由层（3）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 nm的柱状或50 nm左右的点接触结构，其后在磁性多层膜上设置上、下电极，形成目标产物。

13.如权利要求12所述基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器的制造方法，其特征在于，所述衬底优选采用Si/SiO₂衬底。

14.如权利要求12所述基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器的制造方法，其特征在于，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。