CN111613722B - 一种集磁随机存储器、微波振荡器和探测器于一体的纳米自旋电子器件与应用 - Google Patents
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Abstract
一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测这三方面功能；作为非冯若依曼架构的新一类模拟信息处理和存储为一体逻辑自旋器件。纳米微波振荡器和探测器工作频率依赖于磁性材料磁矩的进动频率，可根据器件结构和外加磁场、电流或电压参数进行可控调制。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子器件技术领域，以及此器件在新一代逻辑计算、信息存储，信息处理及信息通信领域的应用，具体涉及到非易失低功耗随机存储器，纳米微波振荡器以及纳米微波探测器等三方面功能的器件、测试、架构设计。
背景技术
随着高磁电阻效应的磁性隧道结（MTJ）与现代芯片集成技术结合而成，磁随机存储器（MRAM）成为了很受半导体芯片领域青睐的一类新型信息存储器件。与目前计算机中广泛使用的动态和静态随机存储器（DRAM/SRAM）及闪存储器（Flash）相比，MRAM兼具非易失、高速度、高密度、低能耗、抗辐射能力远强于半导体材料等各种优良特性于一身，被认为是电子设备中的理想存储器。目前，大型半导体制造工厂都在积极推动第三代自旋转移矩驱动的垂直磁随机存储器（STT-pMRAM）走向量产。MRAM中存储单元的数据写入是由自旋转移矩（STT）驱动其存储层磁矩翻转实现的。同时，基于磁矩在外磁场下的动力学特征，在较大外加磁场或有效磁场下，STT还可以抵消自由层的磁阻尼，驱动磁矩进行高频率的持续性进动，从而产生微波电压信号，成为纳米微波源。另外，电流产生的STT效应也可以增强或放大自由层磁矩对外界微波信号的响应，从而实现能检测微波信号的自旋二极管。这背后的物理机制是纳米尺寸的MTJ在STT驱动下产生的自旋振荡与外界微波信号产生共振现象，同时基于交变磁阻与电流的整流效应，而衍生出与微波信号想对应的直流电压信号。更加重要的是，这些STT驱动的磁矩振荡单元还可以通过各种磁相互作用（如交换耦合、磁偶极场和微波场）进行同步，从而使我们能够利用器件阵列来进一步锁相放大这类器件的微波发射信号或增强其微波检测灵敏度。
发明内容
本发明目的是，根据当前半导体制造工厂开发的第三代自旋转移矩驱动的垂直磁随机存储器（STT-pMRAM）的器件结构和阵列布局不变的前提下，提出一种在当前STT-pMRAM器件架构上实现用于产生微信信号的电流驱动纳米自旋振荡器和用于探测微波信号的纳米自旋二极管以及阵列架构和电路，开发出一款多功能纳米自旋电子器件，同时降低制造和加工成本，提高器件的性价比。
本发明的技术方案：一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，其特征是，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测这三方面功能；
所述圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元直径为20nm-100nm；下电极层为非磁金属Cu，Au，Ti，W，Ru，Ta和Pt，厚度在5-10 nm；钉扎层为各类反铁磁MnFe，MnIr或垂直磁化的人工反铁磁材料[M(0.3-1nm)/Co(0.3-1 nm)]n/Ru(0.9 nm)/[M/Co]n, 其中n为M/Co多层膜重复次数，n取5-10；M为Pt、Pd、Ni或Gd，反铁磁总层厚度在3-10 nm；垂直磁化铁磁极化层为CoFeB，厚度在0.5-1.5 nm；钉扎层与极化层之间非磁间隔耦合层为Ta，厚度在0.3-1nm；MTJ势垒层为厚度在0.8-2 nm的MgO，垂直磁化自由层为厚度为1-1.5 nm的CoFeB或CoFeB(1-1.5 nm)/Ta(0.3-0.6nm)/CoFeB(1-1.5nm)/MgO(0.5-1.5 nm)；上电极层为非磁金属Ta，Pt，Au，Cu，Ti，W，Ru，厚度在5-10nm。
磁随机存储器的应用方法是，在垂直磁化的磁隧道结MTJ上下电极上施加相应的电压VDD，由于自旋转移力矩效应，施加的电压VDD~ 0.5 – 4 V 将产生对应的自旋极化电流驱动MTJ中的自由铁磁层磁矩的翻转，实现信息的“写”操作，同时通过测量MTJ的电阻将能实现信息“读”操作。
垂直磁化纳米微波振荡器的应用是基于所述的垂直磁化MTJ单元，利用电流产生的自旋转移矩激发和稳定纳米尺度MTJ单元中自由铁磁层的磁矩绕外磁场或总有效磁场作高频进动，其进动频率在0.1 GHz - 50 GHz范围内根据外加磁场大小（0.5 - 5 kOe）及角度（0 – 80o）、电流密度大小（1-20 MA/cm2）及方向等参数进行可控调制。具体参考实施案例图3，图4，图5。(具体参数在下面图的介绍中给出)
微波探测器的应用方法是，纳米尺度MTJ单元中的自由铁磁层会吸收空间中的高频微波信号，而诱导铁磁共振现象，同时外加直流电流产生的自旋转移矩不仅会增强这类铁磁共振行为，还会与这高频进动相关的变化电阻产生整流效应，进而对探测微波信号放大和探测；该纳米自旋二极管的微波探测频率在0.1 GHz - 50 GHz范围，并能根据外加磁场进行调整。具体参考实施案例图6。（测量原理已经在P6页中图6实施案例中给出）。
设有三极管连接纳米MTJ阵列，所述的微波振荡器和自旋二极管型微波探测通过外部反馈电路对纳米MTJ阵列进行同步和调制，从而进一步提高输出微波信号的强度或微波检测的灵敏度，具体参考实施案例图7。
有益效果：本发明所设计的自旋转移矩的纳米自旋电子器件可以同时构造用于信息存储和处理的非易失性自旋转移矩型磁随机存储器、用于微波产生和信息传递的纳米自旋微波振荡器和用于微波信号探测的纳米自旋二极管。本发明所提出的自旋转移矩纳米振荡器也是新一类信息处理和存储为一体模拟逻辑自旋器件，能模仿人脑神经元和突触处理和传输信息的功能。纳米微波振荡器和自旋二极管都是与电流导致自旋转移矩效应驱动的磁矩高频进动相关，其激发或探测频率在0.1 GHz ~ 50 GHz范围，同时，可根据器件结构和外加磁场大小和方向、电流大小等参数进行可控调制。本发明还提出了一种电路，能同步或调制上述自旋微波振荡器和自旋二极管阵列，用于微波信号探测时提高微波信号输出的强度和探测的灵敏度及并行处理的能力。
附图说明
图1为自旋转移矩驱动的垂直磁化磁随机存储器单元的薄膜结构示意图；其中，1.1为上电极层，1.2为垂直磁化的自由铁磁层，1.3为MgO间隔层，1.4为垂直磁化的钉扎铁磁层，1.5为反铁磁层，1.6为下电极层。
图2为本发明实施的基于STT-pMRAM结构的自旋微波振荡器及自旋二极管的磁矩进动结构示意图；
图3为本发明实施的纳米自旋电子器件零磁场下电流驱动磁矩翻转相关隧道磁电阻效应图；
图4为本发明实施的纳米自旋微波振荡器在不同直流电流下输出的微波信号；
图5为本发明实施的纳米自旋微波振荡器输出的微波信号随外加磁场大小的关系；
图6为本发明实施的纳米自旋二极管对不同频率微波信号探测响应；
图7为本发明实施的基于STT-pMRAM结构的自旋微波振荡器及自旋二极管阵列的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
在以下具体实施方式中，形成部分参考附图示例了具体实施方式，但应该说明的是，也可以利用其它实施例，并且可在不脱离本公开内容的范围的情况下做出结构或逻辑改变。因此，并不以限制采用以下具体实施方式的广泛意义，并且实施例的范围由所附权利要求及其等效内容加以限定。
本发明涉及的电流驱动自旋电子器件的核心物理单元结构是由圆柱型或椭圆柱型MTJ多层磁性薄膜结构组成。自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ即第三代自旋转移矩驱动的垂直磁随机存储器（STT-pMRAM）的器件结构的具体参考结构 示意图1；包括从上至下依次为1.1磁隧道结上电极层，1.2垂直磁化的自由铁磁层，1.3非磁势垒层；1.4垂直磁化的铁磁极化层；1.5用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；1.6下电极层。
为了提升磁随机存储器的热稳定性（垂直磁各向性），一般在上、下电极层与磁性层之间还会生长钽、铂、钌等过渡层，自由铁磁层用CoFeB/Ta/CoFeB/MgO/Ta这类多层耦合结构。n取5或10均可；同时，为了减小钉扎层或极化铁磁层产生杂散场对上方自由层的影响，诱导其磁矩翻转不对称性，底部的钉扎层或极化层一般也采用多层薄膜结构组成人工反铁磁结构。图1所示电流从上下电极垂直流过器件，也就是说电子从下电极通过极化铁磁层后被该钉扎铁磁层极化为自旋极化电流，该自旋极化电流携带一定自旋角动量经过中间间隔层流入自由铁磁层，并把其携带的自旋角动量以自旋力矩的形式传递给自由铁磁层，使得自由铁磁层中的磁矩克服垂直磁各向异性场相关势垒，从而实现磁矩上下翻转。
图2实施案例显示，在零磁场下，电流驱动这类纳米尺度MTJ中自由层磁矩的翻转索引起磁电阻值变化。自由层与极化层的磁矩同向排列时，MTJ处于低电阻态(~2 kW)；当自由层磁矩被翻转到与极化层磁矩反向排列时，MTJ呈现出高电阻态(~6 kW)。自由层磁矩翻转的电流大小在±0.1mA，对应电流密度在106A/cm2。
图3自由层和极化层磁矩示意图，其中2.1位自由层，黑色箭头代表其磁矩方向；2.2为势垒层MgO；2.3为极化层，黑色箭头表示其磁矩被钉扎在垂直方向。这类圆柱型或椭圆柱型MTJ多层磁性薄膜结构除了实现图2案例中信息存储和逻辑运算（磁随机存储器）外，也可以实现自旋转移矩驱动的自旋微波振荡器。同样的操作过程，其电流从上下电极垂直流过器件，载电电子从下电极通过极化铁磁层后被该钉扎铁磁层极化为自旋极化电流，该自旋极化电流携带一定自旋角动量经过中间间隔层MgO流入自由铁磁层，并把其携带的自旋角动量以自旋力矩的形式传递给自由铁磁层，使得自由铁磁层中的磁矩克服材料自身的阻尼作用项而绕外磁场或有效磁场进行稳定的高频进动，自由层磁矩的进动引起MTJ的磁电阻频率变化，从而产生微波电压信号。
图4实施案例显示，纳米自旋微波振荡器在外磁场H = 1 kOe，并与自由层成θ= 45度面外角下，输出的微波信号随直流电流大小的关系。具体的测试装置如图4中的插图，直流电流通过电感加载到器件的上下电极，而所产生的微波信号经过电容输入到频谱仪中。
图5实施案例显示，纳米自旋微波振荡器在外磁场与自由层成θ= 45度面外角，直流电流大小I = 0.12 mA下，输出的微波信号随外加磁场大小的关系。具体测试方式与图4实施案例相同。
图6实施案例显示，同样的这类自旋转移矩自旋电子器件还可以发展成自旋二极管用于对外界微波的探测。具体的物理机制和测试装置如图6中插图所示，首先通过接收天线把待测微波信号通过电容输入到这类纳米MTJ多层结构中，这类微波信号被其自由铁磁层铁磁共振吸收以后，将在其上下电极之间产生电势差Vdc，该电势差再通过电感被直流电压表测量出了，如果在此电路中再通入直流电流（<0.1 mA）还可以通过整流效应进一步放大电压信号，增强检测的灵敏度。图6实施案例的数据是在不同频率微波信号下，检测电压信号随外加磁场大小的关系。
图7实施案例是提出了一种集成电路图方案。是基于STT-pMRAM结构的自旋微波振荡器及自旋二极管阵列的电路图。图7以自旋转移矩微波振荡器或自旋二极管为连接器件为例，图中三极管的栅极与字线相连，三极管（场效应管）的一源极与位线相连，三极管的另一源极与MTJ元件的底电极相连，MTJ元件的上电极分别通过电感与电压信号线VDD，微波信号线VRF1通过电容分别与MTJ元件的上电极相连，另一条微波信号线VRF2与微波信号线VRF1垂直相连。阵列中的微波振荡器所产生微波信号可以通过微波信号线VRF1和VRF2进行同步或调制，从而构成一个可控的电流驱动微波振荡器阵列，来增强微波信号强度或进行信号调制。对于空间微波探测器（相控雷达）应用而言，自旋二极管产生的直流电压信号可以通过电压信号线VDD进行收集，通过字与位线进行信号选择。
所述圆柱型或椭圆柱型多层磁性薄膜结构直径为20nm-100nm；所述自旋电子器件基本单元MTJ中的下电极层为非磁金属Cu，Au，Ti，W，Ru，Ta和Pt，厚度在5-20 nm；钉扎层为各类反铁磁MnFe，MnIr或人工反铁磁[M/Co]n/Ru/[M/Co]n, M为Pt，Pd，Ni，Gd，总层厚度在3-10 nm；垂直磁化铁磁极化层为CoFeB，厚度在0.5-1.5 nm；钉扎层与极化层之间非磁间隔耦合层为Ta，厚度在0.3-1nm；MTJ势垒层为厚度在0.8-2 nm的MgO，垂直磁化自由层为厚度在1-1.5 nm的CoFeB或CoFeB(1-1.5 nm)/Ta(0.3-0.6nm)/CoFeB(1-1.5nm)/MgO(0.5-1.5nm)；上电极层为非磁金属Ta，Pt，Au，Cu，Ti，W，Ru，厚度在5-20nm。
在所述垂直磁化的磁隧道结MTJ上下电极上施加相应的电压VDD，由于自旋转移力矩效应，施加的电压VDD将产生对应的自旋极化电流驱动MTJ中的自由铁磁层磁矩的翻转，实现信息的“写”操作，同时通过测量MTJ的电阻将能实现信息“读”操作，具体参考实施案例图3。
所述垂直磁化纳米微波振荡器是基于STT-pMRAM中垂直磁化的MTJ单元，利用电流产生的自旋转移矩激发和稳定纳米尺度MTJ单元中自由铁磁层的磁矩绕外磁场或总有效磁场作高频进动，其进动频率在0.1 GHz - 50 GHz范围内可根据外加磁场大小及角度、电流大小及方向等参数进行可控调制，具体参考实施案例图2，图4，图5。
所述垂直磁化纳米自旋二极管也是基于STT-pMRAM中垂直磁化的MTJ单元。纳米尺度MTJ单元中的自由铁磁层会吸收空间中的高频微波信号，而诱导铁磁共振现象，同时外加直流电流产生的自旋转移矩不仅会增强这类铁磁共振行为，还会与这高频进动相关的变化电阻产生整流效应，进而对探测微波信号放大和探测。该纳米自旋二极管的微波探测频率在0.1 GHz - 50 GHz范围，并可根据外加磁场进行调整，具体参考实施案例图6。
上面所述的微波振荡器和自旋二极管还可以通过外部反馈电路对纳米MTJ阵列进行同步和调制，从而进一步提高输出微波信号的强度或微波检测的灵敏度，具体参考实施案例图7。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置、电流和磁场参数等），这些等同变换均属于本发明的保护。
Claims (3)
1.一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，其特征是，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测三方面功能；
所述圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元直径为20nm-100nm；下电极层为非磁金属Cu，Au，Ti，W，Ru，Ta或Pt，厚度在5-10 nm；钉扎层为各类反铁磁 MnFe，MnIr 或垂直磁化的人工反铁磁材料[0.3-1nmM/0.3-1 nmCo]n/0.9 nmRu/[M/Co]n, 其中n为M/Co多层膜重复次数，n取5-10，M为Pt、Pd、Ni或Gd，反铁磁总层厚度在3-10 nm；垂直磁化铁磁极化层为CoFeB，厚度在0.5-1.5 nm；钉扎层与极化层之间非磁间隔耦合层为Ta，厚度在0.3-1nm；MTJ势垒层为厚度在0.8-2 nm的MgO，垂直磁化自由层为厚度为1-1.5 nm的 CoFeB或1-1.5nmCoFeB/0.3-0.6nmTa/1-1.5nmCoFeB/0.5-1.5 nmMgO；上电极层为非磁金属 Ta、Pt、Au、Cu、Ti、W 或 Ru，厚度在5-10nm；
磁随机存储器的应用方法是，在垂直磁化的磁隧道结MTJ上下电极上施加相应的电压VDD，由于自旋转移力矩效应，施加的电压VDD~ 0.5 – 4 V将产生对应的自旋极化电流驱动MTJ中的自由铁磁层磁矩的翻转，实现信息的“写”操作，同时通过测量MTJ的电阻将能实现信息“读”操作；
设有三极管连接纳米MTJ阵列，所述的微波振荡器和自旋二极管型微波探测通过外部反馈电路对纳米MTJ阵列进行同步和调制，从而提高输出微波信号的强度或微波检测的灵敏度：以自旋转移矩微波振荡器或自旋二极管为连接器件时，三极管的栅极与字线相连，三极管的一源极与位线相连，三极管的另一源极与MTJ元件的底电极相连，MTJ 元件的上电极分别通过电感与电压信号线VDD，微波信号线VRF1通过电容分别与MTJ元件的上电极相连，另一条微波信号线VRF2与微波信号线VRF1垂直相连；阵列中的微波振荡器所产生微波信号通过微波信号线VRF1和VRF2 进行同步或调制，从而构成一个可控的电流驱动微波振荡器阵列，来增强微波信号强度或进行信号调制；自旋二极管产生的直流电压信号通过电压信号线VDD进行收集，通过字与位线进行信号选择。
2.根据权利要求1所述的纳米自旋电子器件的应用，其特征是，垂直磁化纳米微波振荡器的应用是基于所述的垂直磁化MTJ单元，利用电流产生的自旋转移矩激发和稳定纳米尺度MTJ单元中自由铁磁层的磁矩绕外磁场或总有效磁场作高频进动，其进动频率在0.1 GHz- 50 GHz范围内根据外加0.5 - 5 kOe 磁场及0 – 80o角度、1-20MA/cm2电流密度及方向参数进行控调。
3.根据权利要求1所述的纳米自旋电子器件的应用，其特征是，微波探测器的应用方法是，纳米尺度MTJ单元中的自由铁磁层会吸收空间中的高频微波信号，而诱导铁磁共振现象，同时外加直流电流产生的自旋转移矩不仅会增强这类铁磁共振行为，还会与这高频进动相关的变化电阻产生整流效应，进而对探测微波信号放大和探测；纳米自旋二极管的微波探测频率在0.1 GHz - 50 GHz 范围，并能根据外加磁场进行调整。
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Citations (7)
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|---|---|---|---|---|
| CN101770804A (zh) * | 2009-01-06 | 2010-07-07 | 中国科学院物理研究所 | 一种磁性随机存储器、磁性逻辑器件和自旋微波振荡器 |
| CN102637939A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-08-15 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 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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|---|---|---|---|---|
| CN101770804A (zh) * | 2009-01-06 | 2010-07-07 | 中国科学院物理研究所 | 一种磁性随机存储器、磁性逻辑器件和自旋微波振荡器 |
| CN102637939A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-08-15 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 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 |
| CN104218035A (zh) * | 2013-05-31 | 2014-12-17 | 华中科技大学 | 一种磁隧道结单元及自旋电子器件 |
| CN104134748A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-11-05 | 北京航空航天大学 | 一种信息传感及存储器件及其制备方法 |
| CN104393169A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-03-04 | 北京航空航天大学 | 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器 |
| CN106207364A (zh) * | 2015-04-29 | 2016-12-07 | 中国科学院物理研究所 | 基于硬磁材料的自旋微波振荡器 |
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