CN113823733A - 自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法 - Google Patents

自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法 Download PDF

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CN113823733A CN202111044419.3A CN202111044419A CN113823733A CN 113823733 A CN113823733 A CN 113823733A CN 202111044419 A CN202111044419 A CN 202111044419A CN 113823733 A CN113823733 A CN 113823733A
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Abstract

本发明的一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法，包括打造多个PERP‑STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列作为一个基本单元，本发明的先并联数个PERP‑STNO形成的矩形阵列基本单元再将这些基本单元进行桥接式串联或者沿垂直方向堆栈等组合，可实现增大同步的PERP‑STNO数量致使振荡器输出功率有效提高至实用程度；可解决垂直阵列所需的最邻近PERP‑STNO的垂直距离过小不能容纳其他磁层的问题；并且串并联混合电路连接的PERP‑STNO可和输出阻抗相匹配使功率能有效放大；可有效解决水平串联阵列只能沿一维方向延伸并因此被制约了放大信号的能力；能有效解决水平串并联阵列中PERP‑STNO过小间距(小于10纳米)诱导的自由层内部非均匀振荡带来的频率下降的问题。

Description

自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法
技术领域
本发明涉及微波高频辐射源技术领域，具体涉及一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法。
背景技术
纳米自旋力矩振荡器(Spin-torque Nano-oscillator,简称STNO)基本上由三个部分组成:1.铁磁自旋极化层；2.铁磁自由层；3.人工反铁磁信号检出层。其结构有两种，具体如下：
1.纳米柱型自旋阀/磁隧道结型振荡器工作原理简介:
如图1所示，当未自旋极化电子流经过P层(自旋极化层)后会产生沿P层磁化方向的自旋极化电子进入F层(自由层),之后又被F层产生的自旋极化携带了与F层平行的自旋方向。如果P和F层自旋方向不共线,则根据角动量守恒,自由层磁矩会从极化电子获得一个力矩(灰色箭头)使之平行于P层磁矩。另外,在非磁性金属层和F层的界面会产生与F层磁化相反的自旋极化反射电子作用于P层。粗黑色箭头代表辅助振荡起振的磁场h。在合适的电流及磁场作用下,自旋移转力矩与自由层磁矩所受的阻尼力矩相平衡时,可以使自由层磁矩沿着有效磁场所定义的等能量轨道作一恒定进动，其进动频率范围在数个到数十个GHz的微波范围。而后借助自旋阀或磁隧道结中P层(参考层)F层间的巨磁阻(giantmagnetoresistance,简称GMR)或穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,简称TMR)效应可将磁矩振荡转为交流电压或者电流信号。这里,P层既是自旋极化层亦是参考层。
2.自旋霍尔效应型振荡器工作原理简介：
当电子流由底部的重金属层HM(自旋极化层)流过时,通过自旋轨道耦合将电子分成自旋方向平行于膜面且垂直于电子流的上下旋电子,并分别积累于重金属层的上下方界面,然后在界面附近将电子自旋力矩注入到重金属层上方的铁磁自由层FM,进一步激励出自由层磁矩的振荡。为了读出自由层振荡信号,通常在将自由层取代成自旋阀/磁隧道结,然后沿垂直模面方向加上一读取电流(图2b)或直接在纳米接触式的构型上利用各向异性磁阻来读取振荡信号。
所有的STNO都有一个共同缺陷,就是功率输出仅数个纳瓦(nano-watt,简称nw)到数百个nw级别,离实际应用所需的微瓦太远。此外,单个振荡器还有线宽(linewidth)过大等问题。因此本发明这里先选择一个与本发明最相关的单个STNO着手提出相应解决方案,即具有垂直膜面的自旋极化层(Perpendicular-to-plane polarizer,简称PERP)-STNO.其结构如图3a。
PERP-STNO结构是由极化层/单磁域(single domain)自由层/人工反铁磁参考层所组成的纳米圆柱形振荡器,其直径为60纳米。当电流注入时可以诱发出面外(out-of-plane简称OP)磁化进动,接着通过和面内人工反铁参考层间的巨磁阻或穿隧磁阻产生出振荡磁电阻进而诱导出微波振荡电流或者电压。该器件有其他同类器件所不具有的优势:1.无磁场激励；2.双向(正反)电流皆可激励。然而,单个STNO的功率过低(仅数个纳瓦,nano-watt简称nw),已有文章提出可能的解决方案,以自由层间的磁偶极同步多个这类振荡器,如图3.b垂直排列的同步阵列,其中最邻近磁层的磁矩彼此反相排列同步进动,所以参考层亦必须是反相排列才能放大信号(J.Appl.Phys.115 134306(2014))。如图3.c水平排列的同步阵列,其中罗列了两种可能的电流连接方式,分别是串联和并联。水平排列的PERP-STNO信号检出层必须是平行同一方向才可放大信号。该同步器件的设计目前仅限于两个振荡器,远不及能够放大信号功率的目的,但仍有以下优势(Phys.Rev.B93 224410(2016)；SPIN81850013(2018)):1.无磁场激励；2.双向(正反)电流皆可激励；3.水平串联的锁相的强度更稳定且频率和电流关系呈现对称线性分布。4.同步振荡的响应时间仅2-4纳秒(nano-second,简称ns)。
总得来说，现有技术存在以下技术缺点：
1.同步的PERP-STNO数量太少输出功率过低线宽仍大,远不及实用的目标。
2.垂直阵列所需的最邻近PERP-STNO的垂直距离过小不能容纳其他磁层,不易实现。
3.纯粹二维并联阵列会存在与输出阻抗不相匹配致使功率不能有效放大。
4.水平串联阵列因最近邻参考层彼此反方向进动,所以当参考层都是统一方向排列时,串联阵列只能沿一维方向延伸,所以制约了放大信号的潜力。
5.纯粹水平串联的阵列也存在与输出阻抗不相匹配致使功率不能有效放大。
6.水平串并联阵列中PERP-STNO的间距皆不能过小(小于10纳米),否则会诱导自由层内部的非均匀振荡使振荡频率下降。
由此，本发明将上述的三种PERP-STNO的垂直和水平串并联阵列加以结合打造出一个具有大量PERP-STNO的三维,串并联结合的磁偶极同步化阵列,以此来有效改善上面各方案自身存在的各种缺点然后达到可实用化的目的。
发明内容
本发明提出的一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列，具体为一种无磁场辅助可双向电流激发的纳米自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列及制备方法，可解决当前纳米自旋力矩振荡器的功率不足,线宽过大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列的制备方法，包括以下步骤，
打造多个PERP-STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列作为一个基本单元；
每个基本单元的各层的构造自下而上依次为：
第一层：电极层；
第二层：具有垂直磁异向性之铁磁薄膜自旋极化层，其磁化方向垂直于薄膜平面；
第三层：非磁性层一；
第四层：具有水平各向异性的铁磁层一，其薄膜厚度小于其边长，使磁化向量平行于该膜面；
第五层：非磁性层二；
第六层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面的铁性层；
第七层：人工反铁磁复合信号检出层之非磁性金属层；
第八层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面但反平行于下方铁性层的铁磁层二，该层厚度比第六层厚用以抵销第六层对自由层产生的磁偶极散磁场；
第九层：人工反铁磁复合信号检出层之丁扎下方铁磁层磁化方向的金属反铁磁层；
第十层：电极层；
在以上的各层薄膜制作好后，将铁磁层一以上各层刻蚀成矩形排列的数个纳米圆柱，每一个纳米圆柱都是一个独立的PERP-STNO振荡器，它们彼此的电路连接关系是并联。
进一步的，包括多个PERP-STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列作为一个基本单元；
每个基本单元的各层的构造自下而上依次为:
第一层：电极层；
第二层：具有垂直磁异向性之铁磁薄膜自旋极化层，其磁化方向垂直于薄膜平面；
第三层：非磁性层一；
第四层：具有水平各向异性的铁磁层一，其薄膜厚度小于其边长，使磁化向量平行于该膜面；
第五层：非磁性层二；
第六层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面的铁性层；
第七层：人工反铁磁复合信号检出层之非磁性金属层；
第八层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面但反平行于下方铁性层的铁磁层二，该层厚度比第六层厚用以抵销第六层对自由层产生的磁偶极散磁场；
第九层：人工反铁磁复合信号检出层之丁扎下方铁磁层磁化方向的金属反铁磁层；
第十层：电极层；
所述铁磁层一以上各层刻蚀成矩形排列的数个纳米圆柱，每一个纳米圆柱都是一个独立的PERP-STNO振荡器,它们彼此的电路连接关系是并联；
进一步的，所述纳米圆柱半径为60纳米，最邻近圆柱间的边缘间距皆为等距，距离为15-30纳米。
另一方面本发明还公开一种如上述的PERP-STNO振荡器的制备方法，包括以下步骤，
S11、将权利要求2所述的基本单元沿膜面垂直方向堆栈在分离的电极层上，分别形成垂直方向堆栈串联阵列，其自由层间距为60-100纳米；
S12、阵列中在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列；
S13、将设定数量的单元阵列沿水平方向按设定距离排列；然后,在这指定单元阵列最上层加上一共用电极层使其形成一个桥接式串联阵列；
S14、对于这个串并联复合的阵列,电流从左或右边底下的电极层注入。
本发明还公开一种如上述的PERP-STNO振荡器的制备方法，包括以下步骤，
S21、先制作电极层；
S22、制作数个如权利要求2所述的基本单元做桥接式串联；最近邻的基本单元的边缘间距为80-100纳米，并将底部电极层隔开；
S23、在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层；
S24、制作数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联，并将底部电极层隔开，其上下基本单元之自由层间距为60-100纳米；
S25、在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
本发明还公开一种如上述的PERP-STNO振荡器的制备方法，包括以下步骤，
S31、先制作电极层；
S32、制作数个基本单元做桥接式串联,并将底部电极层隔开，最近邻的基本单元的边缘间距约为80-100纳米；
S33、在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层(11)；
S34、制作数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联,并将顶部电极层隔开，其上下基本单元，之自由层间距约为60-100纳米；
S35、在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
同时，本发明还公开一种上述的PERP-STNO振荡器，包括如上述的基本单元沿膜面垂直方向堆栈在分离的电极层上，分别形成垂直方向堆栈串联阵列，其自由层间距为60-100纳米；
其中，阵列中在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列；
包括设定数量的单元阵列沿水平方向按设定距离排列；然后，在这指定单元阵列最上层加上一共用电极层使其形成一个桥接式串联阵列；
对于这个串并联复合的阵列,电流从左或右边底下的电极层注入。
本发明还公开一种如上述的PERP-STNO振荡器，包括以下步骤，包括电极层；
以及数个如权利要求2所述的基本单元做桥接式串联；最近邻的基本单元的边缘间距为80-100纳米，并将底部电极层隔开；
在第一层串联阵列电极上方设置一层绝缘层；
还包括数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联，并将底部电极层隔开，其上下基本单元之自由层间距为60-100纳米；
在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
本发明还公开一种如上述的PERP-STNO振荡器，包括以下步骤，包括电极层；
以及数个基本单元做桥接式串联,并将底部电极层隔开，最近邻的基本单元的边缘间距约为80-100纳米；
在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层；
还包括数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联,并将顶部电极层隔开，其上下基本单,之自由层间距约为60-100纳米；
在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
本发明的先并联数个PERP-STNO形成的矩形阵列基本单元再将这些基本单元进行桥接式串联或者沿垂直方向堆栈等组合。这种设计的有益效果如下：
1.可增大同步的PERP-STNO数量致使振荡器输出功率有效提高至实用程度。
2.解决垂直阵列所需的最邻近PERP-STNO的垂直距离过小不能容纳其他磁层的问题。
3.串并联混合电路连接的PERP-STNO可和输出阻抗相匹配使功率能有效放大。
4.有效解决水平串联阵列只能沿一维方向延伸并因此被制约了放大信号的能力。
5.能有效解决水平串并联阵列中PERP-STNO过小间距(小于10纳米)诱导的自由层内部非均匀振荡带来的频率下降的问题。
附图说明
图1是自旋阀中的产生自由层振荡的装置示意图。黑色P和F分别代表铁磁的极化层和自由层，Ie为电子流，中间白色层为非磁性金属层,用来隔开两磁性金属层；
图2：a.自旋霍尔效应产生自由层振荡的装置示意图；上下层分别为铁磁和重金属层。b.读取自由层振荡信号的自旋阀磁隧道结。c.利用各向异性磁阻输出振荡信号的纳米接触式振荡器；
图3：a.(1)PERP-STNO的装置示意图；PL:自旋极化层,FL:自由层,SAF:人工反铁磁层；(2)稳定动态相图对应电流和垂直磁场的关系。浅灰色标注OP(CW)/OP(CCW)为OP进动模式。b.(1)PERP-STNO垂直串联磁偶极同步阵列,Rl为输出阻抗；(2)自由层反相同步；(3)参考层反相排列；(4)相邻自由层磁化量的反相稳定进动模拟结果；(5)同步以及异步的输出信号频谱；c.一对PERP-STNO水平磁偶极同步；(1)并联；(2)串联；(3)水平并联一致进动模拟结果；(4)水平串联反向进动零锁相角和模拟结果；
图4：(1)由数个PERP-STNO组成的矩形并联阵列,即所谓的基本单元；(2)基本单元中各振荡器自由层的截面和同步磁矩排列方向示意；(3)基本单元中最邻近两个自由层间的边缘间距和各振荡器的圆柱直径；(4)基本单元中各PERP-STNO的电路连接方式；
图5、(1)四个串联的三维桥接式基本单元；(2)水平基本单元中振荡器的自由层截面和同步磁矩排列方向示意,以及水平最近邻基本单元间的边缘间距,虚线上下方分别表示垂直排列的上下方基本单元；(3)各基本单元的电路连接形式；
图6、(1)四个先水平串联后垂直并联的三维桥接式基本单元；(2)各基本单元的电路连接形式；
图7、(1)四个上下层互相串联的三维桥接式基本单元；(2)各基本单元的电路连接形式；
图8、(1)五个并联PERP-STNO的自由层截面和同步磁矩排列示意图；(2)数值模拟的锁相相位角结果；
图9、(1)串联多个STNO的等效电路示意图,以及输出功率和功率放大条件说明；(2)并联多个STNO的等效电路示意图,以及输出功率和功率放大条件说明；(3)先并联后串联多个STNO的等效电路示意图,以及输出功率和功率放大条件说明；
图10、(1)两水平串联的最近邻自由层磁矩锁相排列,相应的检出层磁矩沿振荡器联机方向平行排列以及两层磁矩之间的投影量；(2)两水平串联的最近邻自由层磁矩锁相排列,相应的检出层磁矩不沿振荡器联机方向平行排列以及两层磁矩之间的投影量；
图11、(1)极近间距的一对水平串联PERP-STNO的同步频率和电流的关系；(2)标注极近距离的一对水平串联PERP-STNO的边缘间距大小；(3)极尽距离下水平串联PERP-STNO的微磁学模拟展示的非均匀振荡，其边缘间距为3纳米；
图12、(a)PERP-STNO直接集成地长在外部控制电路MOSFET上方的示意图；(b)图(a)中虚线框内电路的结构细节；(c)单个PERP-STNO结构示意图；(d)最近邻检出层之间磁化量排列的示意图；(e)四个PERP-STNO组成的垂直阵列在室温下输出的同步/异步功率谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图4所示，本实施例所述的自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列，具体为一种无磁场辅助可双向电流激发的纳米自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列及制备方法，包括：
先打造多个PERP-STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列(如:2×2,4×4,…可以不限制上限数目)作为一个基本单元。如图4(1),以4×4矩形阵列垂直截面图为例,其制作方式和各层的构造自下而上为:
1.电极层(Cu)；
2.具有垂直磁异向性之铁磁薄膜自旋极化层(可以是Fe,Co,Ni,或者CoFeB)，其磁化方向垂直于薄膜平面；
3.非磁性层(可以是非磁性金属Cu或者非金属层MgO)；
4.具有水平各向异性的铁磁层(自由层,可以是Fe,Co,Ni,或者CoFeB),其薄膜厚度(3纳米)远小于其边长,使磁化向量平行于该膜面；
5.非磁性层(可以是非磁性金属Cu或者非金属层MgO)；
6.人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面的铁性层(可以是Fe,Co,Ni,或者CoFeB)；
7.人工反铁磁复合信号检出层之非磁性金属层(可以是Ru、Rd或Cr)；
8.人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面但反平行于下方磁层6的铁磁层(可以是Fe,Co,Ni,或者CoFeB),该层厚度较层6略厚用以抵销层6对自由层产生的磁偶极散磁场；
9.人工反铁磁复合信号检出层之丁扎下方铁磁层磁化方向的金属反铁磁层(可以是IrMn)；
10.电极层(Cu)；
在以上的各层薄膜制作好后,将第二铁磁金属层(自由层)以上各层刻蚀成矩形排列的数个纳米圆柱(圆柱半径为60纳米；最邻近圆柱间的距离皆为等距,约15-30纳米,见俯视图4(2)及4(3)),就得到矩形阵列的基本单元,每一个纳米圆柱都是一个独立的PERP-STNO,它们彼此的电路连接关系是并联,见图4(4)。
根据理论分析,这样的矩形并联振荡器振列彼此存在近场瞬时作用的磁偶极相互作用。当电流从电极层10注入时,自由层4会被自旋极化层2产生的自旋转移力矩激发出围绕极化层磁化方向的大角度进动,然后透过磁偶极相互作用,阵列中的所有自由层磁化量彼此会形成一致性的稳定锁相进动,见图4(2)。
在以上制作好的多个PERP-STNO并联的单元基础上,本发明将进一步提供以下三种设计来实现PERP-STNO的串并联结合的三维同步阵列来改进前述关于振荡器的各个主要缺陷。这三种构造都是基于同样的水平/垂直阵列的锁相原理进行扩展,差别主要在于电路的连接方式,以及实际制作的可行性。(本发明的特点就主要体现在构造上,利用水平同步阵列拓展成多个矩形阵列基本单元,并进一步结合了垂直和水平串联的同步化特点构造出三维同步阵列)。
第一种设计构造:
1.见截面图5(1),将以上的基本单元(见图4(1)中的2到9层)沿膜面垂直方向堆栈在分离的电极层上。图5(1)展示了四个基本单元(A,B,C,D)为例。(AC,AD)和(BC,BD)各别形成垂直方向堆栈串联阵列。其自由层间距约为60-100纳米。
2.阵列中在同一水平层的单元(AC,BC)和(AD,BD)所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行。垂直方向的单元(AC,AD)和(BC,BD)的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
3.将两组大阵列(AC,AD)和(BC,BD)沿水平方向排列,中间相隔80纳米,见图5(1)和俯视图5(2)。然后,在这两大阵列最上层加上一共享电极层使这两组形成一个桥接式串联阵列。
4.对于这个串并联复合的阵列,电流可以从左或右边底下的电极层注入,其电路连接关系可见图5(3)。
对于这个复合阵列,根据理论分析,每个基本单元内部的PERP-STNO彼此仍保持平行一致性的同步进动,然而沿垂直方向的单元之间彼此却是保持180度反相同步进动,见图5(2)中的单元AC和AD的磁化量排列,或者单元BC和BD的磁化量排列。对于水平相邻的两组大阵列(AC,AD)和(BC,BD)则因为电流注入的方向相反所以彼此以相反的方向进动并维持稳定的零相位角和锁相。本架构可以在基本矩形并联单元上扩展PERP-STNO的数目(图4),或沿垂直膜面方向复制堆栈多个单元,亦可沿水平方向将桥接串联复制扩展成更多数目振荡器的同步阵列。特别注意的是,随着基本并联单元的矩形阵列数目的增加,垂直方向堆栈单元间的自由层间距可以进一步增大,这样可以保证有充足的垂直距离容纳PERP-STNO其他磁层。同时,沿水平方向扩展的最近邻阵列的间距也可以随之扩大,这样可以更有效地避免距离过近致使PERP-STNO自由层内部磁化出现非均匀进动的缺点。
第二种设计构造:
1.见截面图6(1),先制作电极层。
2.制作数个基本单元(图4(1))做桥接式串联。最近邻的基本单元(AC,BC)和(AD,BD)的边缘间距约为80-100纳米。并将底部电极层隔开。
3.在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层(11)。
4.制作数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联。并将底部电极层隔开。其上下基本单元(AC,AD)和(BC,BD)之自由层间距约为60-100纳米。
5.人工反铁磁复合信号检出层的方向排列和第一种设计完全相同。
对于这个复合阵列,电流分别从上下方的桥接式串联阵列的底部电极层注入,所以电路连接形式为并联上下桥接式阵列,见图6(2)。当电流注入后,阵列中的所有自由层磁化量皆如图5(2)般同步进动。本结构和第一个结构一样可扩展基本单元的PERP-STNO数目,亦可沿垂直膜面方向扩展桥接式串联阵列数目,以及亦可沿水平的桥接方向增加桥接基本单元的数目。注意,本结构中的桥接串联方式的邻近单元间距和上下邻近单元间的自由层间距可随基本单元数目的扩增下增加,这样可以更有效地避免上下自由层间距过近不能容纳其他层的缺点以及距离过近致使PERP-STNO自由层内部磁化出现非均匀进动的缺点。
第三种设计构造:
1.见截面图7(1),先制作电极层。
2.制作数个基本单元(图4(1))做桥接式串联,并将底部电极层隔开。最近邻的基本单元(AC,BC)和(AD,BD)的边缘间距约为80-100纳米。
3.在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层(11)。
4.制作数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联,并将顶部电极层隔开。其上下基本单元(AC,AD)和(BC,BD)之自由层间距约为60-100纳米。
5.人工反铁磁复合信号检出层的方向排列和第一种设计完全相同。
本设计中,驱动电流先从下方的桥接式串联阵列的底部电极层注入(可以从左边注入也可以从右边注入),然后电流再从上方桥接式串联阵列的顶部电极层注入。所以整体电路连接形式为串联上下桥接式阵列,见图7(2)。当电流注入后,阵列中的所有自由层磁化量皆如图5(2)般同步进动。本结构和第一个结构一样可扩展基本单元的PERP-STNO数目,亦可沿垂直膜面方向扩展桥接式串联阵列数目,以及亦可沿水平桥接方向增加桥接基本单元的数目。注意,本结构中的桥接串联方式的邻近单元间距和上下邻近单元间的自由层间距解可以在基本单元数目的扩增下增加,这样可以更有效地避免上下自由层间距过进步能容纳其他层的缺点以及距离过近形成的PERP-STNO自由层内部磁化出现非均匀进动的缺点。
以下是本发明方案有益效果的具体推到过程：
1.基本单元(图4(1))中采用数个PERP-STNO共享一个自旋极化层可以简化刻蚀柱型振荡器的工艺。
2.基本单元中的所有振荡器的自由层磁化量一致进动,所以无论振荡器数目有多少以及各种水平排列型式(三角形,矩形,..),其稳定锁相解只有同相(in-phase)。因此,水平并联阵列非常易于推广,且信号检出层的磁化量排列完全平行。
理由：见图8(1),通过理论以及模拟分析,同向电流(并联)注入的五个水平排列PERP-STNO在磁偶极相互作用的影响下进行稳定的一致进动(图8(2))。
3.解决垂直阵列所需的最邻近PERP-STNO的垂直距离过小不能容纳其他磁层的问题。
理由：因为当矩形基本单元(图4(1))的振荡器数目增加时,在磁偶极耦合作用下,整个矩形单元中的所有自由层磁化量形成完全平行的一致进动(图4(2))。这相当于形成一个有效体积放大的自由层磁化量,在这种情况下,上下矩形单元间的自由层磁矩的有效磁偶极相互作用强度在相同距离下被进一步提高(磁偶极强度Adisc(r)＝V/(4πr3),V为体积,r为上下自由层间的垂直距离),由此可以增加上下矩形单元自由层之间的垂直距离。
4.串并联混合电路连接的PERP-STNO可和输出阻抗相匹配使功率能有效放大。
理由：见图9,根据对已同步的自旋振荡器阵列电路连接的理论评估结果可以发现为了最大限度实现功率放大串/并联振荡器阵列(图9(1)和(2))的阻抗匹配都过于极端而无法实现。例如:并联阵列必须使单个振荡器的阻抗远大于负载(天线)阻抗乘上阵列中振荡器的数目。因此,只有采用串并联混合型连接才能获得实际可行的阻抗匹配(图9(3))。所以,本发明设计就是选用了先并联后串联的混和连接形式。
5.有效解决水平串联阵列只能沿一维方向延伸并因此被制约了放大信号的能力。
理由：见图10(1),从两颗水平串联排列的PERP-STNO稳定锁相来看,当检出层磁化量的排列和两振荡器间的连线平行时,这两个自由层磁化量在检出层上将具有相同的投影量,也就是说,这两个振荡器透过巨磁阻或穿隧磁阻输出的振荡信号振幅将完全同步,经迭加后可以有效放大信号。然而,如果两振荡器间的连线和检出层磁化方向不一致时,则自由层磁化量在检出层上的投影将不一致,导致输出的振荡信迭加后不能有效放大,甚至出现互相抵销的情况,见图10(2)。因此,PERP-STNO的水平串联只能沿固定方向做一维排列,才有最简单的平行检出层磁化量排列。因此,本方案先构造数个PERP-STNO并联的矩形基本单元再对数个单元进行桥接式串联则有效地弥补了水平串联PERP-STNO只能沿一维方向扩展的局限。
6.能有效解决水平串并联阵列中PERP-STNO过小间距(小于10纳米)诱导的自由层内部非均匀振荡带来的频率下降问题。
理由：当两个PERP-STNO的边缘间距过小时(图11(1)和(2)),同步的频率在某个电流区域不随电流强度的增加而上升。这个原因从微磁模拟来看是因为过近的距离产生的非均匀磁偶极场诱发出的自由层磁化量内部非均匀共振效应(图11(3)),致使注入的自旋转移力矩将部分能量浪费在非均匀的共振上并进一步拉低同步频率。因此,本发明中采用的先并联数个PERP-STNO的矩形单元(图4(1))后再采用桥接式串联这接基本单元,就相当于放大单个振荡器自由层的有效截面积(或者半径),如此整个一致进动的基本单元所辐射出的磁偶极场在空间分布上比起单个振荡器辐射的磁偶极场更加均匀,同时在强度上也更强。因此,在本设计中,桥接式串联中的相邻基本单元的边缘间距可以远大于一对串联PERP-STNO的边缘间距,并且每个基本单元中的振荡器可以忽略受到来自其他单元振荡器辐射场的非均匀性带来的频率下降问题。
7.线宽随同步阵列中的PERP-STNO数目的增加而有效下降。
理由：见图12(a)-(d),数值仿真四个频率略有差异的垂直串联PERP-STNO并加上室温的噪声影响,当磁偶极相互作用打开时(图12(e)左子图)其线宽明显小于没有相互作用的情况(图12(e)右子图)。因此,这明显说明同步数量越大线宽越窄,输出信号的质量因子越佳。
8.以上三种基于基本单元扩展的设计方案,从实际制作的角度来说第二和第三种方案的垂直方向层不需要做更深更多层的一次性刻蚀,因此较易被实现。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
打造多个PERP-STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列作为一个基本单元；
每个基本单元的各层的构造自下而上依次为：
第一层：电极层(1)；
第二层：具有垂直磁异向性之铁磁薄膜自旋极化层(2)，其磁化方向垂直于薄膜平面；
第三层：非磁性层一(3)；
第四层：具有水平各向异性的铁磁层一(4)，其薄膜厚度小于其边长，使磁化向量平行于该膜面；
第五层：非磁性层二(5)；
第六层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面的铁性层(6)；
第七层：人工反铁磁复合信号检出层之非磁性金属层(7)；
第八层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面但反平行于下方铁性层(6)的铁磁层二(8)，该层厚度比第六层厚用以抵销第六层对自由层产生的磁偶极散磁场；
第九层：人工反铁磁复合信号检出层之丁扎下方铁磁层磁化方向的金属反铁磁层(9)；
第十层：电极层(10)；
在以上的各层薄膜制作好后，将铁磁层一(4)以上各层刻蚀成矩形排列的数个纳米圆柱，每一个纳米圆柱都是一个独立的PERP-STNO振荡器，它们彼此的电路连接关系是并联。
2.一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列，其特征在于：包括多个PERP-STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列作为一个基本单元；
每个基本单元的各层的构造自下而上依次为:
第一层：电极层(1)；
第二层：具有垂直磁异向性之铁磁薄膜自旋极化层(2)，其磁化方向垂直于薄膜平面；
第三层：非磁性层一(3)；
第四层：具有水平各向异性的铁磁层一(4)，其薄膜厚度小于其边长，使磁化向量平行于该膜面；
第五层：非磁性层二(5)；
第六层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面的铁性层(6)；
第七层：人工反铁磁复合信号检出层之非磁性金属层(7)；
第八层：人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向平行于膜面但反平行于下方铁性层(6)的铁磁层二(8)，该层厚度比第六层厚用以抵销第六层对自由层产生的磁偶极散磁场；
第九层：人工反铁磁复合信号检出层之丁扎下方铁磁层磁化方向的金属反铁磁层(9)；
第十层：电极层(10)；
所述铁磁层一(4)以上各层刻蚀成矩形排列的数个纳米圆柱，每一个纳米圆柱都是一个独立的PERP-STNO振荡器,它们彼此的电路连接关系是并联。
3.根据权利要求2的一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列，其特征在于：
所述纳米圆柱半径为60纳米，最邻近圆柱间的边缘间距皆为等距，距离为15-30纳米。
4.一种如权利要求1所述的PERP-STNO振荡器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S11、将权利要求2所述的基本单元沿膜面垂直方向堆栈在分离的电极层上，分别形成垂直方向堆栈串联阵列，其自由层间距为60-100纳米；
S12、阵列中在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列；
S13、将设定数量的单元阵列沿水平方向按设定距离排列；然后,在这指定单元阵列最上层加上一共用电极层使其形成一个桥接式串联阵列；
S14、对于这个串并联复合的阵列,电流从左或右边底下的电极层注入。
5.一种如权利要求1所述的PERP-STNO振荡器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S21、先制作电极层；
S22、制作数个如权利要求2所述的基本单元做桥接式串联；最近邻的基本单元的边缘间距为80-100纳米，并将底部电极层隔开；
S23、在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层(11)；
S24、制作数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联，并将底部电极层隔开，其上下基本单元之自由层间距为60-100纳米；
S25、在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
6.一种如权利要求1所述的PERP-STNO振荡器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S31、先制作电极层；
S32、制作数个基本单元做桥接式串联,并将底部电极层隔开，最近邻的基本单元的边缘间距约为80-100纳米；
S33、在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层(11)；
S34、制作数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联,并将顶部电极层隔开，其上下基本单元之自由层间距约为60-100纳米；
S35、在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
7.一种如权利要求1所述的PERP-STNO振荡器，其特征在于：
包括如权利要求2所述的基本单元沿膜面垂直方向堆栈在分离的电极层上，分别形成垂直方向堆栈串联阵列，其自由层间距为60-100纳米；
其中，阵列中在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列；
包括设定数量的单元阵列沿水平方向按设定距离排列；然后,在这指定单元阵列最上层加上一共用电极层使其形成一个桥接式串联阵列；
对于这个串并联复合的阵列,电流从左或右边底下的电极层注入。
8.一种如权利要求1所述的PERP-STNO振荡器，其特征在于：包括以下步骤，
包括电极层；
以及数个如权利要求2所述的基本单元做桥接式串联；最近邻的基本单元的边缘间距为80-100纳米，并将底部电极层隔开；
在第一层串联阵列电极上方设置一层绝缘层(11)；
还包括数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联，并将底部电极层隔开，其上下基本单元之自由层间距为60-100纳米；
在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
9.一种如权利要求1所述的PERP-STNO振荡器，其特征在于：包括以下步骤，
包括电极层；
以及数个如权利要求2所述的基本单元做桥接式串联,并将底部电极层隔开，最近邻的基本单元的边缘间距约为80-100纳米；
在第一层串联阵列电极上方加上一层绝缘层(11)；
还包括数个对齐下方基本单元的基本单元做桥接式串联,并将顶部电极层隔开，其上下基本单，之自由层间距约为60-100纳米；
在同一水平层的单元所有PERP-STNO的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此平行；垂直方向的单元的人工反铁磁复合信号检出层之磁化量方向彼此反向排列。
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