CN106990284A - 一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波电子设备技术领域，提供一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法，该基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括微纳尺度器件，该微纳尺度器件包括由磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，非磁性重金属薄膜层是在磁性薄膜层上生长所得；微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到非磁性重金属薄膜层中，在逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系，该探测器结构简单，降低探测器制作成本，测试频率范围宽，测试微波功率的线性度高，应用范围广。

Description

一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微波电子设备技术领域，具体为一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法。
背景技术
随着无线通信技术和应用的高速发展，环境电磁波呈现越来越复杂的趋势，对人体和环境的影响也愈显突出。人们需要价格低廉且有效的微波功率探测器来实现对环境电磁波的探测。此外，在一些雷达成像和雷达测速等应用方面，微波功率探测器也成为必不可少的核心元器件，应用数量极大。
传统的微波探测器基于半导体的肖特基二极管器件，探测微波的频率和功率范围不够大。
目前，市面上也存在基于自旋电子的磁隧道结(MTJ)的微波探测器，其利用的是自由层/隧道层/钉扎层多层膜的巨磁电阻效应，在微波辐照时，自由层磁矩进动产生磁阻变化探测微波场的功率。这种方法具有很高的灵敏度，达到75400mV/mW，而且体积也较小，但是磁隧道结器件光刻工艺复杂，由于隧穿层厚度在1nm左右，往往导致磁隧道结器件的一致性较差。
发明内容
为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、成本低廉、测量范围广的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，所述基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括微纳尺度器件，所述微纳尺度器件包括由磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，所述非磁性重金属薄膜层是在所述磁性薄膜层上生长所得；
所述微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到所述非磁性重金属薄膜层中，在所述逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系。
作为一种改进的方案，所述逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的线性度所满足的比例为99.5％。
作为一种改进的方案，所述磁性薄膜层是钇铁石榴石等磁性绝缘体薄膜，或，镍铁磁性薄膜层，或，钴铁磁性薄膜层，或，钴铁硼磁性薄膜层。
作为一种改进的方案，所述非磁性重金属薄膜层是铂Pt金属薄膜层，或，钽Ta金属薄膜层，或钨W金属薄膜层。
作为一种改进的方案，所述磁性薄膜层的厚度为1nm至50μm，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm至50nm。
本发明的另一目的在于提供一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
在单晶基片上生长得到磁性薄膜层；
利用薄膜制备手段，在所述磁性薄膜层上生长得到纳米厚度的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构；
采用微电子光刻工艺，对所述异质结构进行光刻和刻蚀，在所述异质结构上制作出微纳图形；
对具有所述微纳图形的异质结构再次进行光刻操作，在所述异质结构上制备出导电电极，制得微纳尺度器件。
作为一种改进的方案，所述利用薄膜制备手段，在所述磁性薄膜层生长得到纳米厚度的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构的步骤具体包括下述步骤：
在10-5Pa量级的真空环境下，以5-80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1-0.8Pa；
在0.1-0.8Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10-100W的直流功率进行重金属靶材的溅射；
打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有磁性薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得异质结构。
作为一种改进的方案，所述在单晶基片上生长得到磁性薄膜层的步骤具体包括下述步骤：
在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长单晶钇铁石榴石YIG薄膜。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括微纳尺度器件，该微纳尺度器件包括由磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，非磁性重金属薄膜层是在磁性薄膜层上生长所得；微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到非磁性重金属薄膜层中，在逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系，该探测器结构简单，降低探测器制作成本，测试频率范围宽，测试微波功率的线性度高，应用范围广。
附图说明
图1是本发明提供的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的结构示意图；
图2是本发明提供的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的制备方法的工艺流程图；
图3是本发明提供的利用薄膜制备手段，在所述磁性薄膜层上生长得到纳米厚度的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构的实现工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
实施例一
如图1所示，基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括微纳尺度器件，所述微纳尺度器件包括由磁性薄膜层1和非磁性重金属薄膜层2组成的异质结构，所述非磁性重金属薄膜层2是在所述磁性薄膜层1上生长所得；
所述微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到所述非磁性重金属薄膜层2中，在所述逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系。
在图1中，H表达的是偏置外磁场，M为微波能量，V是反自旋霍尔电压(VISHE)，N处表达的是泵浦自旋流。
其中，该逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率数值的线性度大于99.5％，当然也可以采用其他数值，在此不再赘述。
在该实施例中，以单晶钇铁石榴石(YIG)和铂(Pt)为例，使用在不同微波脉冲功率下，计算YIG(490nm)/Pt(10nm)异质结器件的逆自旋霍尔电压VISHE曲线的面积S，其中，微波频率固定在7GHz，例如在3mW的微波功率下，产生的逆自旋霍尔电压VISHE约为2.93微伏，积分面积S为18.55；随着功率的线性增加到199.5mW，测得的逆自旋霍尔电压为52.27微伏，积分面积增加到588.92，线性率高达99.5％。
在本发明实施例中，上述磁性薄膜层是钇铁石榴石等磁性绝缘体薄膜，或，镍铁磁性薄膜层，或，钴铁磁性薄膜层，或，钴铁硼磁性薄膜层；当然也可以采用其他材料，在此不再赘述；
其中，该磁性薄膜层的厚度为1nm至50μm。
在本发明实施例中，上述非磁性重金属薄膜层是铂Pt金属薄膜层，或，钽Ta金属薄膜层，或钨W金属薄膜层；
其中，非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm至50nm。
图2示出了本发明提供的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的制备方法的工艺流程图，其具体包括下述步骤：
在步骤S101中，在单晶基片上生长得到磁性薄膜层。
在该步骤中，可以采用下述方式实现：在钆镓石榴石(GGG)单晶基片上生长单晶钇铁石榴石(YIG)薄膜。
在步骤S102中，利用薄膜制备手段，在所述磁性薄膜层上生长得到纳米厚度的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构。
在步骤S103中，采用微电子光刻工艺，对所述异质结构进行光刻和刻蚀，在所述异质结构上制作出微纳图形。
在步骤S104中，对具有所述微纳图形的异质结构再次进行光刻操作，在所述异质结构上制备出导电电极，制得微纳尺度器件。
在本发明实施例中，如图3所示，上述步骤S102具体包括下述步骤：
在步骤S201中，在10-5Pa量级的真空环境下，以5-80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1-0.8Pa。
在步骤S202中，在0.1-0.8Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10-100W的直流功率进行重金属靶材的溅射。
在步骤S203中，打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有磁性薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得异质结构。
实施例二
基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括在磁性YIG薄膜上生长纳米厚度的非磁性重金属铂(Pt)，制得“YIG/Pt”异质结构，经过光刻工艺制成的微纳尺度器件，测试反自旋霍尔电压(VISHE)，计算逆自旋霍尔电压的磁场积分数值S。
其中，磁性YIG薄膜厚度范围1nm-50μm，Pt薄膜厚度为1-20nm。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：在钆镓石榴石(GGG)单晶基片上生长单晶钇铁石榴石(YIG)薄膜；
步骤2：将步骤1中的磁性YIG薄膜装在真空设备中，采用磁控溅射等薄膜制备手段生长纳米厚度的Pt金属薄膜，得到YIG/Pt异质结薄膜；
步骤3：采用标准微电子光刻工艺，对YIG/Pt异质结薄膜进行光刻和刻蚀，制作出适当的微纳图形，例如霍尔条状等图形；
步骤4：对步骤3中图形化的YIG/Pt异质结构，通过再次光刻制备出导电电极，完成微波功率探测器的制作。
优选的，步骤2的具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以5-80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1-0.8Pa；
(2)在0.1-0.8Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10-100W的直流功率进行Pt靶材的溅射；
(3)打开Pt靶材的挡板，匀速旋转长有YIG薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和Pt靶材的挡板，得到所述的YIG/Pt异质结薄膜。
实施例三
基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括在磁性YIG薄膜上生长纳米厚度的非磁性重金属钽(Ta)，制得“YIG/Ta”异质结构，经过光刻工艺制成的微纳尺度器件，测试反自旋霍尔电压(VISHE)，计算逆自旋霍尔电压的磁场积分数值S。
磁性YIG薄膜厚度范围1nm-50μm，Ta薄膜厚度为1-20nm。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：在钆镓石榴石(GGG)单晶基片上生长单晶钇铁石榴石(YIG)薄膜；
步骤2：将步骤1中的磁性YIG薄膜装在真空设备中，采用磁控溅射等薄膜制备手段生长纳米厚度的Ta金属薄膜，得到YIG/Ta异质结薄膜；
步骤3：采用标准微电子光刻工艺，对YIG/Ta异质结薄膜进行光刻和刻蚀，制作出适当的微纳图形，例如霍尔条状等图形；
步骤4：对步骤3中图形化的YIG/Ta异质结构，通过再次光刻制备出导电电极，完成微波功率探测器的制作。
其中，上述步骤2的具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以5-80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1-0.8Pa；
(2)在0.1-0.8Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10-100W的直流功率进行Ta靶材的溅射；
(3)打开Ta靶材的挡板，匀速旋转长有YIG薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和Ta靶材的挡板，得到所述的YIG/Ta异质结薄膜。
实施例四
基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括在磁性NiFe薄膜上生长纳米厚度的非磁性重金属铂(Pt)，制得“NiFe/Pt”异质结构，经过光刻工艺制成的微纳尺度器件，测试反自旋霍尔电压(VISHE)，计算逆自旋霍尔电压的磁场积分数值S。
磁性NiFe薄膜厚度范围1nm-200nm，Pt薄膜厚度为1-20nm。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1：在Si基片上生长NiFe薄膜；
步骤2：将步骤1中的磁性NiFe薄膜装在真空设备中，采用磁控溅射等薄膜制备手段生长纳米厚度的Pt金属薄膜，得到NiFe/Pt异质结薄膜；
步骤3：采用标准微电子光刻工艺，对NiFe/Pt异质结薄膜进行光刻和刻蚀，制作出适当的微纳图形，例如霍尔条状等图形；
步骤4：对步骤3中图形化的NiFe/Pt异质结构，通过再次光刻制备出导电电极，完成微波功率探测器的制作。
优选的，上述步骤2的具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以5-80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1-0.8Pa；
(2)在0.1-0.8Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10-100W的直流功率进行Pt靶材的溅射；
(3)打开Pt靶材的挡板，匀速旋转长有NiFe薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和Pt靶材的挡板，得到所述的NiFe/Pt异质结薄膜。
实施例五
本实施例与实施例二的区别为：
步骤2中，非磁性重金属材料为钨(W)，钨的厚度为1-20nm。其余步骤与实施例二相同。
实施例六
本实施例与实施例二的区别为：
步骤2中的非磁性重金属材料为铜铋(CuBi)，铜铋的厚度为1-50nm。其余步骤与实施例二相同。
实施例七
本实施例与实施例二的区别为：
步骤1中磁性材料为钴铁氧体薄膜，钴铁氧体薄膜为5nm-10μm。其余步骤与实施例二相同。
在本发明实施例中，基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括微纳尺度器件，该微纳尺度器件包括由磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，非磁性重金属薄膜层是在磁性薄膜层上生长所得；微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到非磁性重金属薄膜层中，在逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系，该探测器结构简单，降低探测器制作成本，测试频率范围宽，测试微波功率的线性度高，应用范围广。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，其特征在于，所述基于自旋泵浦效应的微波功率探测器包括微纳尺度器件，所述微纳尺度器件包括由磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，所述非磁性重金属薄膜层是在所述磁性薄膜层上生长所得；
所述微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到所述非磁性重金属薄膜层中，在所述逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系。
2.根据权利要求1所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，其特征在于，所述逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率数值的线性度大于99.5％。
3.根据权利要求1所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，其特征在于，所述磁性薄膜层是钇铁石榴石等磁性绝缘体薄膜，或，镍铁磁性薄膜层，或，钴铁磁性薄膜层，或，钴铁硼磁性薄膜层。
4.根据权利要求3所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层是铂Pt金属薄膜层，或，钽Ta金属薄膜层，或钨W金属薄膜层。
5.根据权利要求4所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，其特征在于，所述磁性薄膜层的厚度为1nm至50μm，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm至50nm。
6.一种基于权利要求1所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
在单晶基片上生长得到磁性薄膜层；
利用薄膜制备手段，在所述磁性薄膜层上生长得到纳米厚度的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构；
采用微电子光刻工艺，对所述异质结构进行光刻和刻蚀，在所述异质结构上制作出微纳图形；
对具有所述微纳图形的异质结构再次进行光刻操作，在所述异质结构上制备出导电电极，制得微纳尺度器件。
7.根据权利要求6所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的制备方法，其特征在于，所述利用薄膜制备手段，在所述磁性薄膜层上生长得到纳米厚度的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构的步骤具体包括下述步骤：
在10-5Pa量级的真空环境下，以5-80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1-0.8Pa；
在0.1-0.8Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10-100W的直流功率进行重金属靶材的溅射；
打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有磁性薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得异质结构。
8.根据权利要求6所述的基于自旋泵浦效应的微波功率探测器的制备方法，其特征在于，所述在单晶基片上生长得到磁性薄膜层的步骤具体包括下述步骤：
在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长单晶钇铁石榴石YIG薄膜。
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