CN111030637A - 一种5g通信用多频谱集成自旋纳米振荡器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，属于高频通信电子设备技术领域。所述多频谱集成自旋纳米振荡器包括两层以上不同磁性的磁性薄膜组成的耦合薄膜和位于耦合薄膜之上的非磁性重金属薄膜；其中，所述耦合薄膜中的磁性薄膜具有两种以上的饱和磁化强度，或者具有两种以上的有效磁各向异性场；所述自旋纳米振荡器在任意一个偏置磁场下，均具有两个以上的振荡频谱，振荡器输出频率范围在1～50GHz可调，满足5G通信用小型化信号源的需求。本发明自旋纳米振荡器具有结构简单、功耗低、多频点输出、器件体积小、易于CMOS集成等优势。

Description

一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器及其制备方法

技术领域

本发明属于高频通信电子设备技术领域，具体涉及一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器及其制备方法。

背景技术

在现代移动通信中，目前商用的微波源振荡器主要有压控LC振荡器和晶体振荡器等。商用压控LC振荡器的电路设计灵活，成本较低，易做到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％)。另一种常用的石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但频率单一不能调节。

目前，也有人提出了基于自旋转矩效应的自旋微波振荡器，其基本结构是由钉扎铁磁薄膜(FM1)/非磁性膜/自由铁磁薄膜(FM2)构成的自旋阀或隧道结结构，被钉扎层自旋极化的电子穿过NM层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个自旋转移力矩的作用。当自旋转移力矩与阻尼相关力矩抵消时，自由层中的磁矩会发生一致自发进动，进动频率达到微波频段，该器件需要较高的电流密度，输出信号功率与电流密度和磁电阻的变化率有关，产生的热噪声影响输出微波信号质量。此外，在铁磁/非磁金属双层薄膜中，基于自旋霍尔转矩的纳米振荡源已实现，例如NiFe/Pt、钇铁石榴石(YIG)/Pt等。对于直径250nmNiFe/Pt单元，在外加磁场500～2000Oe范围内实现自发进动频率6～14GHz调节。但是，现有技术实现的自旋纳米振荡器都是单频点输出，即在固定驱动电流和外偏置磁场下，输出的微波频谱是单一频率点。

因此，随着5G移动通信和高频卫星通信的迅速发展，电磁波振荡器朝着小型化、集成化、高频化、多频谱输出方向发展。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种结构简单、成本低廉、易与CMOS技术兼容的具有多频谱输出的5G通信用集成自旋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5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，其特征在于，所述多频谱集成自旋纳米振荡器包括两层以上不同磁性的磁性薄膜组成的耦合薄膜和位于耦合薄膜之上的非磁性重金属薄膜；其中，所述耦合薄膜中的磁性薄膜具有两种以上的饱和磁化强度，或者具有两种以上的有效磁各向异性场；所述自旋纳米振荡器在任意一个偏置磁场下，均具有两个以上的振荡频谱，振荡器输出频率范围在1～50GHz可调，满足5G通信用小型化信号源的需求。

其中，所述集成自旋纳米振荡器的磁矩自发振荡由自旋相关转矩驱动，自旋纳米振荡器的输出频率可通过改变磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场、层间耦合类型和外偏置磁场进行调节。

具体的，当耦合薄膜中，不同磁性的磁性薄膜的磁矩呈现平行排列时，磁矩表现为声学支共振模式，其输出频率为几个GHz，具体输出频率大小与磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场和外偏置磁场有关；当耦合薄膜中，不同磁性的磁性薄膜的磁矩呈现反平行排列时，磁矩存在光学支共振模式，其输出频率为20GHz以上，具体输出频率大小与磁性薄膜的厚度、饱和磁化强度、层间耦合类型和外偏置磁场有关。

进一步地，所述集成自旋纳米振荡器可以进行阵列化，以提高输出功率。所述集成自旋纳米振荡器可以为矩形、菱形、环形或圆形等形状，可以是单个单元，也可以是多个单元组成的阵列。

进一步地，所述耦合薄膜中的磁性薄膜可以为铁磁性薄膜、亚铁磁性薄膜或者反铁磁性薄膜中两种以上种类的薄膜组成，需具有两种以上的饱和磁化强度或者具有两种以上的有效磁各向异性场。其中，所述铁磁性薄膜为镍铁、钴铁、钴铁硼、铁铂、钴铂等薄膜，所述亚铁磁性薄膜为钇铁石榴石(YIG)、镍锌铁氧体、稀土元素取代的铁氧体等薄膜，所述反铁磁性薄膜为氧化亚镍、铱锰、铁锰等薄膜。

进一步地，所述非磁性重金属薄膜为具有强自旋轨道耦合强度的金属及其合金薄膜，具体为铂(Pt)金属薄膜、钽(Ta)金属薄膜、钨(W)金属薄膜或者拓扑绝缘体碲化铋(Bi₂Te₃)薄膜等。

进一步地，所述两层以上磁性薄膜组成的耦合薄膜的总厚度为5nm～2μm，所述非磁性重金属薄膜厚度为1nm～50nm。

一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、依次在基片上生长两层以上不同磁性的薄膜和非磁性重金属薄膜，得到多层薄膜结构；

步骤2、采用微电子光刻工艺，对步骤1得到的多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，形成自旋纳米振荡器的微纳图形；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的微纳图形上生长导电电极；

步骤4、采用微电子光刻工艺，对步骤3得到的导电电极进行光刻和刻蚀，即完成所述多频谱集成自旋纳米振荡器的制备。

本发明提供的一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，在电流通过导电电极流过非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过自旋霍尔效应将平面内电荷流转换为纯自旋流，所产生的自旋流可以向多层耦合磁性薄膜中的磁矩施加自旋转移力矩作用，该力矩抵消磁矩阻尼力矩时，磁矩将保持进动，其进动频率可通过改变磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场、层间耦合类型和外偏置磁场进行调节。本发明的多层耦合磁性薄膜具有两种以上的饱和磁化强度，或者具有两种以上的有效磁各向异性场，由于不同磁性薄膜层间存在耦合作用，使得集成自旋纳米振荡器的进动频率有两个以上，选择不同的磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场、层间耦合类型和外偏置磁场可使该振荡器的频率覆盖1GHz至50GHz，满足5G通信用小型化信号源的需求。具体的，当多层耦合磁性薄膜的磁矩呈现平行排列时，多层耦合磁性薄膜磁矩表现为声学支共振模式，其输出频率为几个GHz，具体输出频率大小与磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场和外偏置磁场有关；当多层耦合磁性薄膜的磁矩呈现反平行排列时，多层耦合磁性薄膜磁矩存在光学支共振模式，其输出频率为20GHz以上，具体输出频率大小与磁性薄膜的厚度、饱和磁化强度、层间耦合类型和外偏置磁场有关。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，通过两层或多层磁性薄膜间的耦合，使得振荡器具有两个以上的振荡输出频谱，频率范围1～50GHz可调；且输出频率可根据应用频率的需求，通过改变磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场、层间耦合类型和外偏置磁场进行调节。本发明自旋纳米振荡器具有结构简单、功耗低、多频点输出、器件体积小、易于CMOS集成等优势。

附图说明

图1为本发明提供的一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器的结构示意图；

图2为图1所示器件的输出频谱图；

图3为本发明提供的一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器的制备方法流程图。

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。

一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，如图1所示，所述多频谱集成自旋纳米振荡器包括不同磁性的磁性薄膜1和磁性薄膜2，两者具有不同的饱和磁化强度M1和M2，以及非磁性重金属薄膜层3和位于非磁性重金属薄膜3之上的导电电极。

其中，所述集成自旋纳米振荡器可以为矩形、菱形、环形或圆形等形状，可以是单个单元，也可以是多个单元组成的阵列。

本发明提供的一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，在电流通过导电电极流过纳米级非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转换为纯自旋流，所产生的自旋流可以对不同磁性多层薄膜的磁矩施加自旋转移力矩作用，超过一定的临界电流密度时，自旋转移力矩可以完全抵消磁矩进动阻尼力矩，进而输出高频振荡信号。本发明的多层耦合磁性薄膜具有两种以上的饱和磁化强度，或者具有两种以上的有效磁各向异性场，振荡器将输出多个频谱，其频率可通过磁性薄膜的饱和磁化强度、有效磁各向异性场、层间耦合类型和外偏置磁场进行调节。

实施例1

本实施例中，磁性薄膜1为具有面内各向异性的钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂，YIG)单晶薄膜，厚度为200nm，晶体取向(111)，饱和磁化强度1748Gs；磁性薄膜2为Ni₁₉Fe₈₁薄膜，厚度为30nm，饱和磁化强度10.2kGs；非磁性重金属薄膜为Pt，厚度为10nm。YIG/Ni₁₉Fe₈₁/Pt(10nm)器件单元为圆形，直径50微米。在外偏置磁场大小为2100Oe的条件下，向导电电极中通电流密度5×10⁸A/m²的电荷流，Pt中产生自旋流通过自旋转移力矩在YIG和Ni₁₉Fe₈₁中分别产生磁矩的高频进动，对外辐射不同频率的电磁波(YIG对应f_YIG＝7.6GHz，Ni₁₉Fe₈₁对应f_NiFe＝13.2GHz)，由于存在YIG和Ni₁₉Fe₈₁的交换耦合，还存在交换耦合相关的频率，数值介于f_YIG和f_NiFe之间。

如图3所示，为一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器的制备方法流程图，包括以下步骤：

步骤1、在钆镓石榴石GGG(111)单晶基片上，采用液相外延生长单晶YIG薄膜，作为磁性薄膜1；然后采用磁控溅射法在YIG薄膜上依次生长铁磁合金Ni₁₉Fe₈₁薄膜和非磁性重金属Pt薄膜，得到YIG/Ni₁₉Fe₈₁/Pt多层薄膜结构；

步骤2、采用微电子光刻工艺，对步骤2得到的YIG/Ni₁₉Fe₈₁/Pt多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，在所述YIG/Ni₁₉Fe₈₁/Pt多层薄膜结构上光刻出多频谱集成自旋纳米振荡器的微纳图形；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的多频谱集成自旋纳米振荡器图形上生长Ti/Au导电电极；

步骤4、对得到的Ti/Au电极进行光刻，对Ti/Au电极进行压焊和器件封装，完成所述多频谱集成自旋纳米振荡器的制备。

实施例2

本实施例中，磁性薄膜1为具有面外各向异性的铋取代钇铁石榴石(Bi₂YFe₅O₁₂，Bi:YIG)薄膜，Bi:YIG单晶薄膜的厚度为30nm，饱和磁化强度1400Gs；磁性薄膜2为具有面外各向异性的[Co/Pt]n多层膜，[Co/Pt]n多层膜中Co厚度0.4～2nm，Pt厚度0.3～2nm，周期数n≥3；非磁性重金属薄膜为Pt，厚度为10nm。Bi:YIG/[Co/Pt]₅/Pt(10nm)单元为圆形，直径20微米。在外偏置磁场大小为3kOe的条件下，向导电电极中通电流密度5×10⁸A/m²的电荷流，Pt中产生自旋流通过自旋转移力矩在Bi:YIG和[Co(1.5nm)/Pt(2nm)]₅中分别产生磁矩的高频进动，[Co(1.5nm)/Pt(2nm)]₅饱和磁化强度＝8kGs，对外辐射不同频率的电磁波(Bi:YIG对应f_Bi:YIG＝10.2GHz，[Co/Pt]₅对应f_[Co/Pt]5＝16.8GHz)。

一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在钆镓石榴石GGG(111)单晶基片上采用激光脉冲沉积生长单晶Bi₂YFe₅O₁₂薄膜，作为磁性薄膜1；然后采用磁控溅射法在Bi₂YFe₅O₁₂薄膜上依次生长铁磁合金[Co(1.5nm)/Pt(2nm)]₅多层膜和非磁性重金属Pt薄膜，得到Bi:YIG/[Co/Pt]₅/Pt(10nm)多层薄膜结构；

步骤2、采用微电子光刻工艺，对步骤2得到的Bi:YIG/[Co/Pt]₅/Pt(10nm)多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，在所述Bi:YIG/[Co/Pt]₅/Pt(10nm)多层薄膜结构上光刻出多频谱集成自旋纳米振荡器的微纳图形；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的多频谱集成自旋纳米振荡器图形上生长Ti/Au导电电极；

步骤4、对得到的Ti/Au电极进行光刻，对Ti/Au电极进行压焊和器件封装，完成所述多频谱集成自旋纳米振荡器的制备。

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5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，其特征在于，所述多频谱集成自旋纳米振荡器包括两层以上磁性薄膜组成的耦合薄膜和位于耦合薄膜之上的非磁性重金属薄膜；其中，所述耦合薄膜中的磁性薄膜具有两种以上的饱和磁化强度，或者具有两种以上的有效磁各向异性场；所述自旋纳米振荡器在任意一个偏置磁场下，均具有两个以上的振荡频谱。

2.根据权利要求1所述的5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，其特征在于，所述耦合薄膜中的磁性薄膜为铁磁性薄膜、亚铁磁性薄膜或者反铁磁性薄膜。

3.根据权利要求2所述的5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，其特征在于，所述铁磁性薄膜为镍铁、钴铁、钴铁硼、铁铂或钴铂薄膜，所述亚铁磁性薄膜为钇铁石榴石、镍锌铁氧体或稀土元素取代的铁氧体薄膜，所述反铁磁性薄膜为氧化亚镍、铱锰或铁锰薄膜。

4.根据权利要求1所述的5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜为铂金属薄膜、钽金属薄膜、钨金属薄膜或者拓扑绝缘体碲化铋薄膜。

5.根据权利要求1所述的5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器，其特征在于，所述两层以上磁性薄膜组成的耦合薄膜的总厚度为5nm～2μm，所述非磁性重金属薄膜厚度为1nm～50nm。

6.一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器阵列，其特征在于，包括多个权利要求1-5所述的振荡器单元阵列排列。

7.根据权利要求6所述的5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器阵列，其特征在于，所述振荡器单元为矩形、菱形、环形或圆形。

8.一种5G通信用多频谱集成自旋纳米振荡器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、依次在基片上生长两层以上不同磁性的薄膜和非磁性重金属薄膜，得到多层薄膜结构；

步骤2、采用微电子光刻工艺，对步骤1得到的多层薄膜结构进行光刻和刻蚀，形成自旋纳米振荡器的微纳图形；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的微纳图形上生长导电电极；

步骤4、采用微电子光刻工艺，对步骤3得到的导电电极进行光刻和刻蚀，即完成所述多频谱集成自旋纳米振荡器的制备。

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