CN109873044A - 一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光控自旋微波振荡器的低功耗光电转换元件核心单元，有两种实现路径，路径一，采用光敏磁性材料作为自由层制备光可调控磁性隧道结。路径二，将P型N型材料以及传统磁性多层膜通过微纳加工手段集成在一起制备复合型光可调控磁性隧道结。本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，具有将光纤信号直接转换为高频微波电信号的功能。打破了长期以来主流的光信号——电信号——高频射频信号的通讯架构，直接降低了通讯过程中的功耗。本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件吸收了自旋微波振荡器的诸多优点，不仅体积小、功耗低，而且微波输出频率宽频可调，极具应用前景。

Description

一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件
【技术领域】
本发明特别涉及一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，属于纳米微波振荡器技术领域。
【背景技术】
随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。当前物联网通讯架构的主要特点是将远距离通信技术及近距离通信技术相结合。远距离通信技术以光纤通信为核心，光纤通信是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。其优点主要有传输带宽高、抗干扰性强、保密性好；近距离通信的局域网技术主要有WiFi、蓝牙、ZigBee、LoRa等，其优点为功耗低、布置灵活且铺设成本小。其中，远距离通信主要用于上位机对下位机发出命令，下位机通过近距离组网通信技术和各传感节点进行互联。传统的光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平送至下位机。而在实现下位机和多传感节点互联的过程中，微波近距离通信又扮演着重要的角色。因此，光信号——电信号——高频射频信号是实现物联网通讯的主流手段。然而，随着物联网技术应用的大规模普及，如今，低功耗和低成本成为其主要发展方向。通常来说，对于一个物联网系统，通讯模组的功耗常常占总功耗的一半以上，这为其进一步发展提出了严峻的挑战。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，以针对解决上述背景中提到的通讯模块功耗较高的问题，本发明采用特殊材料制备的具有光可调制特性的自旋微波振荡器不仅可以作为光敏元件直接接收光信号，同时自旋微波振荡器的微波特性使其可以将接收到的信息传输出去，从而实现光信号——射频信号的直接转换，相比传统的光信号——电信号——高频射频信号的通讯架构，这种新型光电转换元件不仅简化了通讯模组的硬件结构，结合自旋微波振荡器的优势，还可大幅度降低通讯过程的功耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，该光电转换元件为一种具备无线传输功能的光控自旋微波振荡器；具体是将自旋微波振荡器同光纤通信技术相结合，制作一种基于光控自旋微波振荡器的具备无线传输功能的低功耗光电转换元件。传统光敏元件的核心是半导体PN结，根据光电效应的原理，当光纤传输的信号照射半导体材料构成的PN结，其吸收光能后将产生载流子，因此利用PN结的光电效应，从而将光信号转换成电信号。
本发明一种基于光控自旋微波振荡器的低功耗光电转换元件核心单元有两种实现路径，路径一，采用光敏磁性材料作为自由层制备光可调控磁性隧道结。路径二，将P型N型材料以及传统磁性多层膜通过微纳加工手段集成在一起制备复合型光可调控磁性隧道结。光纤或其它光源信号垂直施加于表面。其生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成；针对两个不同的路径制备光控自旋微波振荡器有两种方案，可以是由下至上为底电极层/反铁磁金属混合层/第一磁性金属/氧化物/光控磁性层/覆盖层/透明顶电极层；亦可以是衬底层/P型(或N型)薄膜层/N型(或P型)薄膜层/反铁磁金属混合层/第一磁性金属/氧化物/第二磁性金属/覆盖层/透明顶电极层。
方案一：该一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，所述的光控自旋微波振荡器为光可调控磁性隧道结为核心单元的微波振荡器，采用光敏磁性材料作为自由层制备光可调控磁性隧道结，该光可调控磁性隧道结从下到上依次为底电极层(厚度0～1mm)，反铁磁金属混合层(厚度为0～20nm)，第一磁性金属(厚度为0～3nm)，氧化物(厚度为0～2nm)，光控磁性层(厚度为0～100nm)，覆盖层(厚度0～10nm)，透明顶电极层(厚度0～1μm)共七层构成。
方案二：该一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，所述的光控自旋微波振荡器，为复合型光可调控磁性隧道结作为核心单元的微波振荡器，该复合型光可调控磁性隧道结具体是将P型N型材料即PN结，以及传统磁性多层膜通过微纳加工集成在一起。加工集成后从下到上依次为底电极层(厚度0～1mm)，P型薄膜层(厚度0～1mm)，N型薄膜层(厚度0～1mm)，反铁磁金属混合层(厚度为0～20纳米)，第一磁性金属(厚度为0～3nm)，氧化物(厚度为0～2nm)，第二磁性金属(厚度为0～3nm)，覆盖层(厚度0～10nm)，透明顶电极层(厚度0～1μm)共九层构成。
本发明所述的具有光控特性的自旋微波振荡器核心单元形状为正方形、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)，也就是说该核心单元的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种，尺寸可以是纳米级或微米级；
本发明所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件制备工艺可能包括磁控溅射、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，具体与磁性隧道结的材料及结构有关。
所述的的底电极层是指钽Ta、铝Al或铜Cu(即Ta、Al及Cu中的一种)
所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层(即混合金属材料CoFeB/NiFe/PtMn及CoFeB/CoFe/PtMn中的一种)；
所述氧化物层的材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选MgO、Al2O3或MgAl2O4等；氧化物层的厚度为0.2-5nm。用于产生隧穿效应来传输自旋信号；
所述第一、第二磁性金属是指混合金属材料CoFe、CoFeB或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；
所述覆盖层材料是指铂Pt、铝Al、镍Ni、铜Cu、钛Ti、金Au、钽Ta、氮化钽TaN、氮化钛TiN或多晶硅(即Pt、Al、Ni、Cu、Ti、Au、Ta、TaN、TiN及多晶硅中的一种)；
所述P型材料是指A-Si(无定性硅)、P-Si(多晶硅)、C-Si(单晶硅)、CdS、CdTe、GaAs、GaN、GaP、InP等无机半导体中的一种，或者是并五苯Pentacene、酞氰铜CuPc、聚唾吩Polythiophene、富勒烯C60等有机半导体中的一种，亦或是TiO2与光敏染料的无机有机复合体系。
所述N型材料是指A-Si(无定性硅)、P-Si(多晶硅)、C-Si(单晶硅)、CdS、CdTe、GaAs、GaN、GaP、InP等无机半导体中的一种，或者是并五苯Pentacene、酞氰铜CuPc、聚唾吩Polythiophene、富勒烯C60等有机半导体中的一种，亦或是TiO2与光敏染料的无机有机复合体系。
所述光控磁性层可以是稀土元素和过渡族元素组成的混合金属材料，其中稀土元素是Gd、Tb、Dy、Ho中的一种材料或几种材料的组合，过渡族元素是Fe,Co或者Fe–Co合金；也可以是铁磁性混合金属材料Co、或者CoPt、或者CoNi，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
所述的覆盖层是指光控磁性层上面的一层金属或者合金材料，以调节垂直磁各向异性、防氧化、降低表面粗糙度；
所述透明顶电极层是指氧化铟锡(ITO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、钛酸锶(STO)中的一种。
本发明所述的基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件整体结构除了上述核心单元外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；
直流电压在方案一中施加于透明顶电极和底电极之间，用来激励微波输出信号；
低噪声功率放大器用于对输出信号进行功率放大。
三、优点及功效
本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件具有将光纤信号直接转换为高频微波电信号的功能。打破了长期以来主流的光信号——电信号——高频射频信号的通讯架构，直接降低了通讯过程中的功耗。
本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件吸收了自旋微波振荡器的诸多优点，不仅体积小、功耗低，而且微波输出频率宽频可调，极具应用前景。
附图说明
图1a、b为本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件核心单元结构示意图。
图2a、b为本发明基一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件的整体工作示意图。
图3为本发明一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件的操作时序图。
图4a～4g为本发明实施例一至实施例七的功率测试结果。
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1a、b所示为基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件的核心单元的两种不同结构，如图所示，方案一是核心单元底电极层(厚度0～1mm)，反铁磁金属混合层(0～20nm)，第一磁性金属(厚度为0～3nm)，氧化物(厚度为0～2nm)，光控磁性层(厚度为0～100nm)，覆盖层(厚度为0～20纳米)，透明顶电极层(厚度为0～1μm)共七层构成,方案二为底电极层(厚度0～1mm)，P型薄膜层(厚度0～1mm)，N型薄膜层(厚度0～1mm)，反铁磁金属混合层(厚度为0～20纳米)，第一磁性金属(厚度为0～3nm)，氧化物(厚度为0～2nm)，第二磁性金属(厚度为0～3nm)，覆盖层(厚度0～10nm)，透明顶电极层(厚度0～1μm)共九层构成。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。
图2a、b所示为一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件在不同方案下的整体工作结构示意图，当核心单元结构为方案一(图2a)时，外围电路主要包含T型偏置器、直流电压源1以及低噪声功率放大器。元件工作由直流电源1供电，其施加于磁性隧道结的两端；T型偏置器用于隔离直流输入信号与交流输出信号；低噪声功率放大器用于对输出信号进行功率放大。当核心单元结构为方案二(图2b)时，外围电路主要包含T型偏置器以及低噪声功率放大器。元件工作依赖于入射光激发而产生的电流；T型偏置器用于隔离直流输入信号与交流输出信号；低噪声功率放大器用于对输出信号进行功率放大。
图3为一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件的操作时序图，操作实例具体如下：
光纤输出信号的通断分别代表1和0，相应的，自旋微波振荡器输出的功率分别为P1和P0，光纤脉冲序列为01001001时，自旋微波振荡器输出功率为P0P1P0P0P1P0P0P1。
实施例一
材料结构：底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)光控磁性层GdFeCo(13nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：圆柱结构，直径200nm
微波发射功率：537纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：0100001011
功率测试结果如图4a所示。
实施例二
材料结构：P型N型薄膜均采用无定型硅(0.5mm)，分别掺杂硼离子及磷离子。底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)第二磁性金属CoFeB(13nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：P型及N型薄膜为正方形1mmX1mm，其上制作圆柱结构磁性隧道结，直径300nm。
微波发射功率：537纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：11000010
功率测试结果如图4b所示。
实施例三
材料结构：底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)光控磁性层Co(0.3nm)/Ni(0.6nm)Co(0.3nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：圆柱结构，直径80nm
微波发射功率：139纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：1110010
功率测试结果如图4c所示。
实施例四
材料结构：底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)光控磁性层Co0.73Tb0.27(20nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：圆柱结构，直径150nm
微波发射功率：169纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：101010
功率测试结果如图4d所示。
实施例五
材料结构：底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)光控磁性层Co(0.6nm)/Pt(5nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：圆柱结构，直径400nm
微波发射功率：286纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：000101
功率测试结果如图4e所示。
实施例六
材料结构：底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)光控磁性层Co0.73Tb0.27(20nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：圆柱结构，直径150nm
微波发射功率：169纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：101000
功率测试结果如图4f所示。
实施例七
材料结构：P型采用酞氰铜CuPc，四羧基苝的衍生物作为电子受体(N型)。底电极层Ta(100nm)，反铁磁金属混合层PtMn(200nm)/CoFe(22nm)/CoFeB(30nm)，第一磁性金属CoFeB(30nm),氧化物层MgO(13.5nm)第二磁性金属CoFeB(13nm)，覆盖层Ta(10nm)透明顶电极层ITO(30nm)。
尺寸：P型及N型薄膜为正方形500μm×500μm，其上制作圆柱结构磁性隧道结，直径100nm。
微波发射功率：458纳瓦
激励源：光纤
光纤序列：101000
功率测试结果如图4g所示。

Claims (13)

1.一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：该光电转换元件为一种具备无线传输功能的光控自旋微波振荡器。
2.根据权利要求1所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述的光控自旋微波振荡器为光可调控磁性隧道结为核心单元的微波振荡器，其中采用光敏磁性材料作为自由层制备光可调控磁性隧道结；具体的，该光可调控磁性隧道结从下到上依次为：底电极层，反铁磁金属混合层，第一磁性金属，氧化物，光控磁性层，覆盖层，透明顶电极层共七层构成。
3.根据权利要求2所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述底电极层厚度0～1mm，所述反铁磁金属混合层厚度为0～20nm，所述第一磁性金属厚度为0～3nm，所述氧化物厚度为0～2nm，所述光控磁性层厚度为0～100nm，所述覆盖层厚度为0～10nm，所述透明顶电极层厚度为0～1μm。
4.根据权利要求2所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述光控磁性层为稀土元素和过渡族元素组成的混合金属材料、或铁磁性混合金属材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述的稀土元素是Gd、Tb、Dy、Ho中的一种材料或几种材料的组合；所述的过渡族元素是Fe,Co或者Fe–Co合金。
6.根据权利要求4所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述的铁磁性混合金属材料是Co、CoNi或者CoPt。
7.根据权利要求2所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述的覆盖层是指光控磁性层上面的一层金属或者合金材料，以调节垂直磁各向异性、防氧化、降低表面粗糙度。
8.根据权利要求2所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述透明顶电极层是指氧化铟锡ITO、铝掺杂的氧化锌AZO、钛酸锶STO中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述的光控自旋微波振荡器，为复合型光可调控磁性隧道结作为核心单元的微波振荡器，，该复合型光可调控磁性隧道结具体是将P型N型材料以及传统磁性多层膜通过微纳加工集成在一起；加工集成后从下到上依次为底电极层，P型薄膜层，N型薄膜层，反铁磁金属混合层，第一磁性金属，氧化物，第二磁性金属，覆盖层，透明顶电极层共九层构成。
10.根据权利要求9所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述的底电极层厚度为0～1mm，P型薄膜层厚度为0～1mm，N型薄膜层厚度为0～1mm，反铁磁金属混合层厚度为0～20纳米，第一磁性金属厚度为0～3nm，氧化物厚度为0～2nm，第二磁性金属厚度为0～3nm，覆盖层厚度为0～10nm，透明顶电极层厚度为0～1μm。
11.根据权利要求9所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述P型材料是指A-Si、P-Si、C-Si、CdS、CdTe、GaAs、GaN、GaP、InP无机半导体中的一种，或者是并五苯Pentacene、酞氰铜CuPc、聚唾吩Polythiophene、富勒烯C60有机半导体中的一种，亦或是TiO2与光敏染料的无机有机复合体系。
12.根据权利要求9所述的一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件，其特征在于：所述N型材料是指A-Si、P-Si、C-Si、CdS、CdTe、GaAs、GaN、GaP、InP无机半导体中的一种，或者是并五苯Pentacene、酞氰铜CuPc、聚唾吩Polythiophene、富勒烯C60有机半导体中的一种，亦或是TiO2与光敏染料的无机有机复合体系。
13.一种基于光控自旋微波振荡器的光电转换元件的光电转换方法，其特征在于：光纤或其它光源信号垂直施加于所述的光电转换元件表面。
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