CN109437087B - 基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器及制备方法 - Google Patents

基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，属于微波电子设备技术领域。所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器中，磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率；同时，通过调节电流强度可实现不同功率的高频微波输出，输出微波信号性能良好，且结构简单，功耗低，与CMOS工艺相兼容，易于集成。

Description

基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器及制备方法
技术领域
本发明属于微波电子设备技术领域，具体涉及一种基于面外磁各向异性材料的自旋霍尔纳米振荡器及其制备方法。
背景技术
现代移动通信中常用的微波源振荡器主要有压控LC振荡器和晶体振荡器等。其中，压控LC振荡器的电路设计灵活，成本低，易实现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)，且频率调节范围小(<20％)。而石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但其使用频率单一，无法调节。
近年来，有研究者提出了基于自旋转矩效应的自旋微波振荡器，这类振荡器的基本结构为磁性膜(FM1)/非磁性膜(NM)/磁性膜(FM2)形成的三明治结构，被FM1层自旋极化的电子穿过NM层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个力矩的作用，但其受到自旋极化率的制约，在实现微波振荡的过程中往往需要较高的电流密度，这不仅增大了能耗，产生的噪声也会影响输出的微波信号的质量。因此，随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对微波振荡器件的小型化、集成化、低功耗和高频可调的要求越来越迫切。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出了一种结构简单、成本低廉、易与CMOS技术集成的基于面外磁各向异性材料的自旋霍尔纳米振荡器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。
进一步地，所述磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率。
进一步地，所述磁性薄膜层为铥铁石榴石(Tm3Fe5O12)、铋掺杂的铥铁石榴石((TmBi)3(FeGa)5O12)或溴化铬等具有面外磁各向异性的磁性薄膜层。
进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为强自旋轨道耦合材料，具体为钽(Ta)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)或Bi2Te3等。
进一步地，所述磁性薄膜层的厚度为1nm～50μm，优选为1nm～1μm。
进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为1nm～50nm。
本发明还提供了一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、清洗基片；
步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用薄膜沉积工艺形成厚度为1nm～50μm的磁性薄膜层；
步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的磁性薄膜层上形成厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层，得到磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层双层异质结构；
步骤4、采用刻蚀工艺在步骤3得到的异质结构上制作振荡器图形和电极，得到所述纳米振荡器。
进一步地，步骤3所述非磁性重金属薄膜层的制备过程具体为：首先，在10-5Pa量级的真空环境下，以5～80SCCM的流量向真空室内通入氩气，直至背底真空度达到0.1～0.8Pa；然后，打开磁控溅射电源，在10～100W的直流功率下进行溅射处理，得到厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层。
本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，该器件是一种基于自旋霍尔效应的、由纯自旋电流驱动微波信号发生的微纳尺度器件，所述微纳尺度器件在电流流过非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜层中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转化为垂直膜面的纯自旋流，所产生的自旋流可以对磁性薄膜层的磁矩施加自旋转移力矩作用，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩则可以完全补偿局部的磁矩进动阻尼，进而输出微波振荡信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器中，磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率。
2、本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，通过调节电流强度可实现不同功率的高频微波输出，输出微波信号性能良好，且结构简单，功耗低，与CMOS工艺相兼容，易于集成。
3、本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其激发电流密度为10-8A/cm2以下，相对于面内各向异性磁性膜得到的振荡器具有更小的激发电流密度。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备工艺流程图。
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1
如图1所示，为本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的结构示意图；包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，以及依次形成于GGG基片之上的单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜和铂层。
在电流流过铂层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜层中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转化为垂直膜面的纯自旋流，所产生的自旋流可以对磁性薄膜层的磁矩施加自旋转移力矩作用，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩则可以完全补偿局部的磁矩进动阻尼，进而输出微波振荡信号。
本实施例中，单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜的厚度为490nm，铂层的厚度为10nm；在不同的直流电流密度下，计算TmIG(490nm)/Pt(10nm)异质结器件输出微波信号的功率谱密度，结果为：在8×10-7A/cm2电流密度下产生的微波振荡频率为3GHz，微波信号的功率谱密度为0.16fW/MHz；且微波信号输出功率随直流电流密度的增大而线性提高。
如图2所示，为实施例提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：
步骤1、选取钆镓石榴石(GGG)单晶基片作为基底，清洗后，采用磁控溅射法在单晶基片上生长厚度为490nm的单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的薄膜上生长厚度为10nm的铂层，得到TmIG(490nm)/Pt(10nm)双层异质结构；具体过程为：首先，在10-5Pa量级的真空环境下，以40SCCM的流量向真空室内通入氩气，直至背底真空度达到0.3Pa；然后，打开磁控溅射电源，在90W的直流功率下进行重金属靶材的溅射；打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有单晶铥铁石榴石(TmIG)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，得到TmIG(490nm)/Pt(10nm)双层异质结构；
步骤3、采用刻蚀工艺在步骤2得到的异质结构上制作微纳图形；
步骤4、对步骤3得到的带微纳图形的异质结构再次进行光刻处理，形成导电电极，即可得到所述纳米振荡器。
实施例2
本实施例中，基片为钆镓石榴石(GGG)单晶基片；磁性薄膜层为铋掺杂的铥铁石榴石((TmBi)3(FeGa)5O12)，厚度为1μm；非磁性重金属薄膜层为钽(Ta)，厚度为8nm。
实施例2提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：
步骤1、选取钆镓石榴石(GGG)单晶基片作为基底，清洗后，采用磁控溅射法在单晶基片上生长厚度为1μm的铋掺杂的铥铁石榴石薄膜；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的薄膜上生长厚度为8nm的钽层，得到TmBiIG/Ta双层异质结构；具体过程为：首先，在10-5Pa量级的真空环境下，以60SCCM的流量向真空室内通入氩气，直至背底真空度达到0.6Pa；然后，打开磁控溅射电源，在50W的直流功率下进行重金属靶材的溅射；打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有铋掺杂的铥铁石榴石薄膜的基片，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，得到TmBiIG/Ta双层异质结构；
步骤3、采用刻蚀工艺在步骤2得到的异质结构上制作微纳图形，如纳米圆盘；
步骤4、对步骤3得到的带微纳图形的异质结构再次进行光刻处理，形成导电电极，即可得到所述自旋霍尔纳米振荡器。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于：磁性薄膜层为溴化铬，溴化铬的厚度为200-300nm；其余与实施例2相同。
本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，包括基片、以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。该器件是一种基于自旋霍尔效应的、由纯自旋电流驱动微波信号发生的微纳尺度器件，所述微纳尺度器件在电流流过非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜层中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转化为垂直膜面的纯自旋流，所产生的自旋流可以对磁性薄膜层的磁矩施加自旋转移力矩作用，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩则可以完全补偿局部的磁矩进动阻尼，进而输出微波振荡信号。本发明自旋霍尔纳米振荡器中，磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率。
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 (6)

1.一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层，所述磁性薄膜层为铥铁石榴石、铋掺杂的铥铁石榴石或溴化铬。
2.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层为强自旋轨道耦合材料，具体为钽、铂、金、钨或Bi2Te3。
3.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述磁性薄膜层的厚度为1nm～50μm。
4.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层为1nm～50nm。
5.一种如权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、清洗基片；
步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用薄膜沉积工艺形成厚度为1nm～50μm的磁性薄膜层；
步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的磁性薄膜层上形成厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层，得到磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层双层异质结构；
步骤4、采用刻蚀工艺在步骤3得到的异质结构上制作振荡器图形和电极，得到所述纳米振荡器。
6.根据权利要求5所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备方法，其特征在于，步骤3所述非磁性重金属薄膜层的制备过程具体为：首先，在10-5Pa量级的真空环境下，以5～80SCCM的流量向真空室内通入氩气，直至背底真空度达到0.1～0.8Pa；然后，打开磁控溅射电源，在10～100W的直流功率下进行溅射处理，得到厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层。
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