EP2580766A1 - Oscillateur a transfert de spin - Google Patents

Oscillateur a transfert de spin

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Publication number
EP2580766A1
EP2580766A1 EP11726745.0A EP11726745A EP2580766A1 EP 2580766 A1 EP2580766 A1 EP 2580766A1 EP 11726745 A EP11726745 A EP 11726745A EP 2580766 A1 EP2580766 A1 EP 2580766A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
magnetic
oscillating
oscillator
inhomogeneities
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP11726745.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claire Baraduc
Bernard Dieny
Christophe Thirion
Nicolas De Mestier Du Bourg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2580766A1 publication Critical patent/EP2580766A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B28/00—Generation of oscillations by methods not covered by groups H03B5/00 - H03B27/00, including modification of the waveform to produce sinusoidal oscillations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259—Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance

Definitions

  • the present invention belongs to the field of radio-frequency spin-transfer oscillators, called STO oscillator ("Spin Torque Oscillator").
  • STO oscillators are intended to operate in frequency ranges between a few hundred MHz and a few GHz.
  • oscillator refers to a physical system of which at least one of the properties varies periodically or quasi-periodically in time.
  • the role of an oscillator is to serve as a reference for time and frequency.
  • VCO type oscillators for "Voltage Controlled Oscillator” are known for example: these devices are based on a resonant electronic circuit comprising a resistor R, an inductance L and a capacitance C, all forming an RLC circuit. VCO oscillators not only use this RLC architecture but also have a bias voltage to vary the values of L and C and thus change the frequency
  • VCOs The electronics of new telecommunications products (mobile phones, for example) must be able to work over very wide frequency ranges.
  • the VCOs must be capable of transmitting over several frequency ranges. For example, today's mobile phones have three or four frequency bands.
  • nomadic technologies imposes additional constraints in terms of compactness of products.
  • the first solution is the most suitable but can not be envisaged with a single VCO that has too little agility.
  • the current solution involves the use of several VCOs, which poses a problem of congestion and adds interference phenomena between the different VCOs.
  • a known solution capable of responding to the problems mentioned above is to turn to radiofrequency oscillators based on spintronic devices called STO oscillators.
  • GMR giant magnetoresistance effects
  • TMR Magnetoresistance Tunnel MagnetoResistance
  • These structures consist of a stack of magnetic layers, the nature and arrangement of which are such that when an electric current passes through them, it is possible to obtain a variable resistance as a function of the applied magnetic field and / or the spin polarized current flowing through them.
  • a device consists of the stack of two ferromagnetic layers (a magnetic layer called “trapped” whose magnetization is fixed direction and a so-called “free” layer whose magnetization is variable) separated by a non-magnetic layer (no magnetic) conventionally referred to as a spacer, made of metal for spin or oxide valves for magnetic tunnel junctions.
  • spin electronics use the spin of electrons as an additional degree of freedom to generate new effects.
  • the spin of electrons is at the origin of magnetoresistive phenomena in magnetic multi-layers, such as in particular giant magnetoresistance or tunnel magnetoresistance.
  • the operating principle of the STO (Spin Torque Oscillator) consists in using the spin transfer torque to trigger a sustained precession of the magnetization.
  • this precession causes an oscillation of the resistance and therefore the generation of an alternating voltage in the GHz range.
  • the major advantage of STO oscillators is their high frequency agility since the resonant frequency changes over a very wide band depending on the polarization applied to the spintronic device.
  • the main technical problem posed by the STOs remains the spectral purity of these oscillators, the linewidth typically being a few tens of MHz in the best case (see for example, Miizushima et al., Appl Phys Lett. 94, 152501, 2009, Georges et al., Phys Rev B 80, 060404 (R), 2009).
  • This large line width is due to instabilities of the trajectory of the magnetization. This problem is not only related to thermal fluctuations but is also present at low temperature (see Georges et al., Phys Rev B 80, 060404 (R), 2009).
  • the synchronization reduces the frequency tunability of all coupled oscillators.
  • the powers emitted by these STOs are relatively low (at most a few thousand nV 2 / Hz - see, for example, Houssameddine et al., Appl Phys., Lett., 93, 022505, 2008 ).
  • the principle described in this document is to take advantage of large current densities in the vicinity of the conductive bridges to locally generate oscillations of the magnetization without risking reversing the magnetization of the soft layer. Indeed, in the areas separating the conductive bridges, the current densities being much lower, the magnetization of these zones is not subjected to spin transfer torques and therefore remains almost at rest. Thus, the excitations generated at each conductive bridge are coupled together via spin waves. But, between each conductor bridge, there remains an intermediate zone in which the magnetization is not generally excited. These zones can be traversed by spin waves originating from neighboring conductive bridges but do not undergo magnetic excitations of great amplitude.
  • the object of the present invention is to provide a spin-transfer oscillator having, compared with existing STOs, an increased transmitted power, a good quality factor, a very high spectral purity (ie a line width of narrow fundamental frequency), a reduced phase noise and the possibility of exploiting a plurality of harmonics in order to be able to exploit higher frequencies.
  • the invention proposes a spin transfer oscillator comprising:
  • a magnetic stack including at least two magnetic layers, of which at least one of said two magnetic layers, said oscillating layer, has a magnetization of variable direction;
  • current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of said magnetic stack
  • said magnetic stack comprising means capable of generating current inhomogeneities at the surface of said oscillating layer, said oscillator being characterized in that the intensity of current supplied by said supply means is chosen so that the magnetization said oscillating layer has a coherent magnetic configuration, said magnetic configuration oscillating as a whole at the same fundamental frequency.
  • coherent magnetic configuration is meant a configuration close to the magnetic mono-domain or having magnetization rotations on a scale of length comparable to the lateral dimension of the surface of the oscillating layer: it may be a configuration of the type magnetic vortex, magnetic anti-vortex, multivortex or "C-state” or a combination of these configurations (for example several vortex or one or more vortex-vortex pair (s)).
  • coherent micromagnetic configurations are described in the article "Stability of magnetic vortices in flat submicron permalloy cylinders" (M. Schneider et al., Journ.Appl.Phys.92 (2002) 1466). In the remainder of the description, we will speak of a vortex configuration for this coherent magnetic configuration, but the person skilled in the art can implement the invention for other types of coherent magnetic configurations.
  • the oscillating layer may be a ferromagnetic single layer but also a synthetic antiferromagnetic layer comprising two ferromagnetic soft layers, possibly of different thicknesses, separated by an antiferromagnetic coupling layer.
  • the oscillator according to the invention is based on the dynamics of collective and coherent excitations of the magnetization of the entire device (for example the dynamics of a magnetic vortex) induced by the spin transfer torque in a magnetic structure exhibiting strong lateral inhomogeneities in the current distribution passing through the structure via means capable of generating current inhomogeneities at the surface of the oscillating layer: these inhomogeneities may for example be created in a non-limiting manner by a set of nanowires which are conductive to through an insulating barrier that allow the localization of current lines. Typically, these inhomogeneities result in fluctuations of more than a factor 10 of conductivity between the most conductive zones and the less conductive zones.
  • the present invention differs from the prior art (and in particular document US7504898) in that the inhomogeneous current structure is not used to generate magnetization precessions on localized zones interacting with each other by means of spin waves; on the contrary, surprisingly, the Applicant has found that a current intensity greater than a threshold determined as a function of the magnetic structure used to trigger a collective excitation of the whole magnetization of the oscillating layer of the oscillator, such as a vortex-type dynamic, whose frequency damentale is generally at a lower frequency (of the order of a few hundred MHz) than the fundamental frequency of known STOs.
  • a threshold determined as a function of the magnetic structure used to trigger a collective excitation of the whole magnetization of the oscillating layer of the oscillator, such as a vortex-type dynamic, whose frequency damentale is generally at a lower frequency (of the order of a few hundred MHz) than the fundamental frequency of known STOs.
  • the magnetization evolves over the entire surface of the excited layer of the oscillator (oscillating layer) causing a complete stirring of the magnetization of this layer.
  • the present invention does not seek at all to avoid the reversal of the magnetization of the excited layer unlike the US7504898 patent but on the contrary to induce a collective motion of excitation of the coherent magnetic pattern of magnetization.
  • the excited layer of the oscillator encompassing the entire surface thereof.
  • the invention is therefore based on the use of the spin transfer torque generated by the inhomogeneous current distribution which, by an average effect due to the exchange interactions inside the oscillating layer, collectively excites the entire of the magnetization of this oscillating layer.
  • the principle of the invention therefore consists in using an inhomogeneous current structure to simultaneously generate:
  • the first effect can occur alone for a lower current intensity; we then have a static coherent magnetic configuration; by increasing the intensity of the current beyond a threshold intensity, the two effects are observed simultaneously (dynamic coherent magnetic configuration).
  • the oscillating motion of the coherent magnetic configuration results in a cyclic temporal change in the average magnetization, and hence in a resistance oscillation due to the magnetoresistive effect. It is thus possible to generate an alternating voltage across the terminals of the device, sensing an intense fundamental mode (typically between 300 and 500 MHz) and many harmonics (typically 12 to 15).
  • the oscillator according to the invention can operate either with a fixed magnetization layer (trapped layer) and a variable magnetization layer (oscillating layer) or with two oscillating layers (with or without a reference layer), the only condition being that the magnetic stack comprises at least two magnetic layers, one of which is an oscillating layer with a variable direction magnetization.
  • the invention makes it possible to produce a frequency tunable oscillator, but of high power (several hundreds of thousands of nV 2 / Hz, ie one to two orders of magnitude greater than the known STO) and having a very high spectral purity (Q> 300, ⁇ ⁇ 2 ⁇ ).
  • the fundamental frequency is typically between a few hundred MHz and a few GHz.
  • the device according to the invention also makes it possible to generate a large series of harmonics (typically at least four harmonics whose amplitude remains lower than that of the fundamental frequency but sufficient to be largely exploitable): thus, according to the intended application, it will be possible to use the emitted fundamental frequency or some of the harmonics generated by the oscillator to increase in frequency.
  • the oscillator according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • said means capable of generating current inhomogeneities at the surface of said oscillating layer are formed by a layer having strong inhomogeneities of conductivity able to generate in said oscillating layer strong lateral inhomogeneities of current;
  • said layer having strong inhomogeneities of conductivity capable of generating in said oscillating layer strong lateral inhomogeneities of current is a layer characterized by fluctuations of more than a factor of conductivity between its most conductive zones and its zones the less conductive; said layer having high conductivity inhomogeneities is an insulating layer incorporating metal paths;
  • said layer having high conductivity inhomogeneities is a tunnel junction integrating conductive paths obtained by exposing said junction to a suitable voltage (i.e. the voltage must be high enough to locally generate electrical breakdown phenomena);
  • said layer having high inhomogeneities of conductivity is made based on a mixture of two materials having different conductivities and able to demix under the effect of annealing to form locally more conductive paths than on the rest of the layer ; in other words, said layer having high inhomogeneities of conductivity is made based on a mixture of two immiscible materials and having different electrical conductivities so as to form strong inhomogeneities of electrical conductivity under the effect of a annealing causing the demixing of the two constituent materials;
  • said layer having high inhomogeneities of conductivity has a ratio greater than or equal to 10 conductivity between its most conductive zones and its less conductive zones; said layer having high conductivity inhomogeneities comprises in contact with at least one of its faces a nonmagnetic metal layer;
  • said means capable of generating current inhomogeneities at the surface of said oscillating layer are formed by a plurality of nanocontacts
  • said coherent magnetic configuration is a magnetic vortex, magnetic vortex, multivortex or "C-state” configuration or a combination of these configurations;
  • said magnetic stack has a pillar shape whose section has one of the following forms:
  • the diameter in the case of a circular, annular or flower-shaped section is the larger of the two diameters; in the case of a cell of elliptical shape, it is between 10 nm and 500 nm and preferably between 100 and 500 nm;
  • said oscillating layer has a substantially circular section of radius R and a thickness L, the ratio L / R being chosen according to the operating frequency of the oscillator, if necessary iteratively using micromagnetic simulation software to determine the corresponding frequency at a given value of L / R;
  • said magnetic stack comprises successively:
  • said magnetic stack successively comprises two magnetic sub-stacks separated by a magnetic decoupling layer, each of the two sub-stacks integrating:
  • said magnetic stack comprises a magnetic sub-stack successively including:
  • said means capable of generating current inhomogeneities at the surface of said oscillating layer being located outside said sub-stack;
  • said magnetic stack comprises two magnetic sub-stacks, each sub-stack including successively:
  • said two sub-stacks being separated by a layer having high conductivity inhomogeneities
  • said magnetic stack comprises two oscillating ferromagnetic layers of variable magnetization direction separated by said means capable of generating current inhomogeneities at the surface of said oscillating layers;
  • said magnetic stack comprises:
  • a magnetic sub-stacking successively including:
  • a second oscillating magnetic layer of variable magnetization direction A second oscillating magnetic layer of variable magnetization direction
  • first means capable of generating current inhomogeneities at the surface of said first oscillating layer
  • FIGS. 1 to 3 illustrate the evolution of the magnetic configuration of the oscillating layer of the oscillator according to the invention as a function of the current injected into the oscillator;
  • FIG. 4 illustrates a first embodiment of an oscillator according to the invention
  • FIG. 5 illustrates a second embodiment of an oscillator according to the invention
  • FIG. 6 illustrates a third embodiment of an oscillator according to the invention
  • FIG. 7 illustrates a fourth embodiment of an oscillator according to the invention.
  • FIG. 8 represents the excitation spectrum as a function of frequency for an oscillator according to the invention.
  • FIG. 9 illustrates a fifth embodiment of an oscillator according to the invention.
  • FIG. 10 illustrates a sixth embodiment of an oscillator according to the invention.
  • FIG. 11 illustrates a seventh embodiment of an oscillator according to the invention
  • FIG. 12 illustrates an eighth embodiment of an oscillator according to the invention.
  • FIG. 13 illustrates a ninth embodiment of an oscillator according to the invention illustrates a fourth embodiment of an oscillator according to the invention
  • FIG. 14 illustrates a tenth embodiment of an oscillator according to the invention
  • FIG. 15 illustrates a particular section of an oscillator according to the invention.
  • FIG. 4 schematically represents a first embodiment of an oscillator 30 according to the invention.
  • Oscillator 30 comprises a magnetic stack E successively including:
  • a ferromagnetic reference layer 34 with a fixed magnetization direction (here located in the plane of the reference layer), called a trapped layer;
  • This stack E formed by the above set of layers is inserted between two electrodes 31 and 35 current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 31 and 35 form current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • This stack E has the shape of a pillar that can have different shapes of sections: circular, elliptical, annular, even more complex shapes such as flowers with 3 or 4 petals (see below about Figure 15).
  • the characteristic diameter of the device is typically from a few tens to a few hundred nm (typically ⁇ 500 nm).
  • the reference layer 34 may be a single layer made from an alloy based on Co, Fe, Ni, for example a CoFe layer of 3 nm.
  • the reference layer 34 may also be a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two ferromagnetic layers antiparallelly coupled through a thin antiparallel coupling layer, for example ruthenium of thickness 0.6 nm to 0.8 nm.
  • This synthetic antiferromagnetic layer may itself be trapped by interaction with an antiferromagnetic spacer layer (for example ruthenium); an example of a synthetic antiferromagnetic entrapped layer is CoFe 2nm / Ru 0.6nm / CoFe 2.5 nm.
  • the layer 33 with strong lateral inhomogeneities of electrical conductivity is a layer having in its plane strong lateral inhomogeneities of electrical conductivity (typically characterized by fluctuations of more than a conductivity factor of 10 between the most conductive zones and the least conductors of layer 33).
  • This layer 33 with high lateral inhomogeneity electrical conductivity can be achieved by using an insulating layer pierced with small metal conductive holes 36 (called “pinholes” in English).
  • the advantage of this separating layer is to allow confinement of the current lines at the nanoconstrictions.
  • This layer structure 33 is called “confined current path” (CCP) for "Confined Current Path” ("current screen layer” in English).
  • CCP confined current path
  • This particular separating layer can be made for example by depositing an AlCu alloy with a few% copper which is then oxidized to form an alumina layer containing some metal clusters which will form the pinholes 36.
  • the pinholes 36 typically have a size from 0.5nm to ten nanometers in diameter.
  • the insulating layer containing the pinholes 36 may be formed by oxidation, nitriding or oxynitriding an initially metallic layer containing at least one element in the following group: Al, Hf, Zr, Ta, Ti, Mo, W, Nb, Si, mg. It typically has a thickness between 0.8 and 3.5nm.
  • Pinholes 36, for their part, which may be non-magnetic or magnetic, comprise at least one of Cu, Ag, Au, Co, Fe or Ni elements.
  • This insulating barrier 33 pierced with conducting holes 36 is most often made by depositing a layer of metal alloys comprising two elements having a strong difference in affinity for oxygen, for example of composition AI95Cu5. This layer is then oxidized as a tunnel barrier by natural oxidation or plasma oxidation. Due to the difference in oxygen affinity of aluminum and copper, aluminum oxidizes to alumina while copper coalesces in the form of copper aggregates to form conductive bridges across the aluminum layer. alumina.
  • the current densities in the zones of high conductivity can be very important. (10 9 to 10 11 A / cm 2 ) so that spin transfer effects can be locally very significant in normal operation.
  • Spin transfer is the reciprocal effect of spin filtering implemented in giant magnetoresistances. In the magnetoresistance phenomena, an electric current can be controlled by acting on the relative orientation of the magnetizations of the magnetic layers, according to a filtering effect analogous to a polarizer-optical analyzer assembly.
  • the spin transfer effect corresponds to the interaction of the current on the filter: the spin polarized current, if sufficiently intense, can modify the orientation of the magnetization of the oscillating layer 32.
  • the oscillating layer 32 is for example formed by a layer of Co or alloys Permalloy (Ni80Fe20) or alloys of Co and Fe rich in Co, for example Co90Fe10.
  • the invention advantageously uses the current inhomogeneity created by the layer 33 to simultaneously generate a double effect at the level of the oscillating layer 32:
  • This coherent micromagnetic configuration can for example be of the vortex, multivortex, vortex, or "C-state" type or a combination of these configurations;
  • the coherent micromagnetic configuration of the magnetization is influenced by the ampere field induced by the current flowing through the structure.
  • This inhomogeneous field favors the appearance of one or more vortices, or vortex-antivortex (or vortex or "C-state") pair (s).
  • This confi- The particular magnetization configuration is obtained when the external magnetic field applied in the plane of the layers is low (typically ⁇ 20mT), provided that the structure has been magnetically prepared in a state where the oscillating layer is saturated under a field ( Typically 60mT) of opposite sign.
  • the magnetic stack E constituting the active part of the device is of intermediate size, not too small for the vortex to have room to form, nor too large for that the dynamics of this vortex keeps its coherence (typically one dimension, the diameter in the case of the cylindrical form of the stack E, from 100 to 500 nm).
  • the shape has a substantially cylindrical symmetry if one seeks to exploit the fundamental signal of excitations. But other forms are possible if one seeks to amplify the amplitude of the harmonic signals it will be as explained further with reference to FIG.
  • FIGS. 1 to 3 respectively showing the magnetic configuration of the oscillating layer 32 with a zero intensity of current flowing through the zero structure (FIG. 1), an intermediate current intensity (FIG. current l 2 greater than h ( Figure 3).
  • FIG. 1 shows the magnetic configuration 1 of the oscillating layer 32 in the absence of current flowing through the structure 30.
  • This configuration 1 (the magnetization vectors are represented by arrows) has a magnetization having substantially the shape of ribs of sheet with a right magnetization 2 in the center of the layer 32 along a diameter of the layer 32 and a magnetization 3 slightly curved and symmetrical on either side of the magnetization 2 followed by a magnetization 4 always symmetrical on the one hand and other of the magnetization 2 and whose curvature is accentuated towards the edge of the layer 32 to follow the circular shape of the layer 32.
  • Vortex core there is also a singularity in the center of the vortex 10 in a zone 1 1 called "vortex core" in which the magnetization can no longer rotate.
  • the magnetization tends to come out of the plane of the layer, but this does not play a significant role in the context of this invention.
  • the vortex core 1 1 coincides with the center C of the oscillating layer 32.
  • a static coherent micromagnetic configuration appears beyond a threshold current I V ortex_static-
  • a current of intensity greater than an intensity of the order of 5 mA will generate a static vortex for an oscillator according to the invention with a diameter of the order of 300 nm.
  • the threshold current appearance of a coherent static micromagnetic configuration the V ort e x_statiq Ue is typically between 4 and 5 mA.
  • the spin transfer effect can destabilize the magnetic configuration 10 and cause a cyclic vortex movement.
  • a current of intensity greater than 17 mA will generate a dynamic vortex (ie set in motion the vortex).
  • the threshold threshold of appearance of the vortex cyclic motion V ort e x_dynamic Ue is typically between 17 and 20 mA. It should be noted that the movement of the vortex then persists when the current is lowered below this threshold current: typically the vortex oscillation is triggered with an intensity greater than 17 mA and it then persists when the current is down to 6mA.
  • the coherent magnetic configuration appearing above the first critical current is not a vortex of perfect cylindrical symmetry but a distorted vortex structure for example because of the magnetostatic field radiated by the magnetization of the reference layer. on the magnetization of the oscillating layer.
  • this state of coherent magnetization has a magnetization which according to the magnetic history of the sample may be closer to the parallel orientation or closer to the antiparallel orientation with respect to the magnetization of the magnetization layer. reference.
  • the resistance of the oscillator 30 in the coherent micromagnetic configuration is closer to the resistance of the antiparallel state AP (ie the average magnetization of the oscillating layer 32 is closer to the antiparallel state AP than to the parallel state P with respect to the magnetization of the reference layer), it is necessary that the current flows from the oscillating layer 32 to the reference layer 34 (ie that the electrons flow from the reference layer 34 to the oscillating layer 32 ).
  • the spin transfer effect favors the parallel alignment of the magnetizations and destabilizes the AP state
  • the resistance of the oscillator 30 in the coherent micromagnetic configuration is closer to the resistance of the state P (ie the average magnetization of the oscillating layer 32 is closer to the parallel state than to the antiparallel state compared to the magnetization of the reference layer)
  • the current must flow from the reference layer 34 to the oscillating layer 32 (ie the electrons flow from the oscillating layer 32 to the reference layer 34).
  • the spin transfer effect favors the antiparallel alignment of the magnetizations and destabilizes the P state.
  • the initial micromagnetic state has a quasi-zero mean magnetization because of its cylindrical symmetry (case of the symmetrical vortex of FIG. 2), the polarity of the current does not matter.
  • the cyclic movement of the vortex thus obtained results in a cyclic temporal modification of the average magnetization, and consequently in a resistance oscillation because of the magnetoresistive effect. It is thus possible to generate an alternating voltage across the oscillator 30, having an intense fundamental mode (typically between 300 and 500 MHz) and numerous harmonics (typically from 12 to 15).
  • the amplitude of the fundamental mode is very high (> 500 000 nV 2 / Hz) and the line width of the order of 1 MHz.
  • the amplitude of the harmonics decreases as the frequency increases; the amplitude of the harmonics 2f 0 and 3f 0 represents approximately 10% of the amplitude of the fundamental and the amplitude of the harmonic 4f 0 some% of the amplitude of the fundamental.
  • FIG. 8 represents the excitation spectrum as a function of frequency: a fundamental mode power is observed at f 0 (400 MHz) of the order of 500 000 nV 2 / Hz, a thousand times higher than that obtained with the STO of the state of the art, for a power injected by the direct current only two to three times greater .
  • 5f 0 2 GHz 3500 nV 2 / Hz 20 MHz
  • the frequency of the vortex translation mode corresponding to an orbital movement of the vortex core, is directly related to the ratio L / R, where L is the thickness of the oscillating layer 32 and R is the radius of this oscillating layer.
  • L is the thickness of the oscillating layer 32
  • R is the radius of this oscillating layer.
  • the natural frequency of the translation mode increases almost linearly with this geometric ratio. It is thus possible to envisage reaching frequencies of 1 to 2 GHz on nanometric samples in which the oscillating layer would have a thickness of 60 nm.
  • the choice of materials can also make it possible to increase the fundamental frequency.
  • the orbital motion of the vortex can be understood as the effect resulting on the one hand from the spin transfer torque that tends to cause a centrifugal movement of the vortex core and on the other hand the Amperian field which tends to create a attractive potential at the contacts of the layer 33 CCP. All the parameters allowing to reduce the size of the orbit make it possible to increase the frequency: this is why the frequency increases for example with the applied current.
  • the frequency will increase with Gilbert's damping (see Mistral et al., Phys Rev. Lett 100, 257201, 2008). Now it is possible to increase the Gilbert damping by doping the ferromagnetic material used for the oscillating layer 32 with rare earth impurities such as Dy or Tb, for example.
  • Layer 33 with high lateral inhomogeneity of conductivity based on pinhole structure (CCP) is only one exemplary embodiment.
  • the layer 33 with high lateral inhomogeneity of conductivity is a layer having in its plane strong lateral inhomogeneities of electrical conductivity (typically characterized by fluctuations of more than a conductivity factor of 10 between the most conductors and the least conductive areas of layer 33).
  • FIG. 5 illustrates a second embodiment of an oscillator 50 according to the invention.
  • the oscillator 50 of FIG. 5 is identical to the oscillator 30 of FIG. 4 (the common elements have the same reference numbers), the only difference relating to the layer 53 with strong lateral inhomogeneities of different electrical conductivity of the layer 33 of Figure 4.
  • the layer 53 with strong lateral inhomogeneities of electrical conductivity able to induce in the oscillating layer 32 strong current inhomogeneities are obtained starting from a magnetic tunnel junction to which is subjected to an electrical stress close to electrical breakdown of the junction.
  • tunnel barriers of alumina or MgO with a thickness between 1 and 2 nm electrically clash under voltages of the order of 1 to 2V.
  • the breakdown voltage depends in fact on the duration and the number of voltage taps and mainly the cumulative time during which the junction is exposed to the high voltage. It is known that before slamming completely irreversibly, the tunnel barrier can degrade locally under the effect of electrical stress leading to the appearance of "hot spots" 56 in the junction.
  • hot spots 56 can be followed by measuring the electrical resistance of the junction, which is traversed by a current perpendicular to the interfaces.
  • a total breakdown of the barrier leads to a fall in the electrical resistance of the barrier typically by a factor of 10 to 100 (for example a resistance drop of 5KiloOhms to a few hundred or tens of Ohms).
  • pinhole primers hot spots
  • the hot spots 56 thus formed can thus play the same role as the pinholes 36 of the CCP structure (FIG. 4).
  • a more general way of creating layers generating strong lateral inhomogeneities of current consists in using alloys or composites of at least two materials having very different electrical conductivities and tending to demix. This is the case, for example, of certain semiconductor / metal alloys such as GeCu which, during annealing, tend to form conductive Cu 3 Ge clusters in a semiconductor Ge matrix. This is also the case of some diluted semiconductors (for example ZnOCo) tending to form clusters rich in Co in a matrix of ZnO. This is also the case for materials such as GeMn which tend to form conducting nanochannels of alloys rich in Mn, parallel to the direction of growth, embedded in a weakly conductive semiconductive matrix.
  • semiconductor / metal alloys such as GeCu which, during annealing, tend to form conductive Cu 3 Ge clusters in a semiconductor Ge matrix.
  • some diluted semiconductors for example ZnOCo
  • materials such as GeMn which tend to form conducting nanochannels of alloys rich in Mn, parallel to the direction
  • the inhomogeneity of the current can be created by performing top-down techniques of microelectronics or nanoindentation nanocontacts of size and position distributed at the base or at the top of the magnetoresistive pillar in the immediate vicinity of the surface of the oscillating layer. It can be seen that in this case, the means capable of generating current inhomogeneities at the surface of the oscillating layer are not created by a layer (CCP, layer with hot spots, etc.) but by a plurality of nanocontacts on the surface of the oscillating layer.
  • the electrons may or may not have the capacity to maintain their spin during the crossing of these means.
  • the electrons may keep a significant spin polarization at the crossing of the layer.
  • the spin polarization is maintained as the electrons pass through this laterally inhomogeneous electrically conductive layer then this layer may be located between the reference layer and the oscillating layer.
  • this layer In cases where the spin polarization of the electrons is destroyed during the crossing of this inhomogeneous lateral conductivity layer (case of GeMn, ZnOCo, CuGe layers), then this layer must be located outside the zone giving rise to the magnetoresistance of the structure, that is to say the zone comprising all or part of the oscillating layer, the spacer and all or part of the reference layer so as not to degrade the magnetoresistance signal of the structure.
  • FIG. 6 schematically represents a third embodiment of an oscillator 40 according to FIG. the invention wherein the layer 42 with high lateral conductivity inhomogeneities is outside the area 48 giving rise to the magnetoresistance.
  • the oscillator 40 comprises a magnetic stack E successively including:
  • a ferromagnetic reference layer 45 having a fixed magnetization direction (here located in the plane of the reference layer), called a trapped layer;
  • a non-magnetic (non-magnetic) decoupling layer 44 conventionally known as a spacer, for example an oxide
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 41 and 46 of current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 41 and 46 form current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the layer 42 of high lateral conductivity inhomogeneity is placed not between the reference layer 45 and the oscillating layer 43 but at another location, here at the back of the oscillating layer 43 is that is to say on the side of the oscillating layer 43 opposite the spacer 44 between the oscillating layer 43 and the reference layer 45.
  • the layer 42 of high lateral conductivity inhomogeneity is placed not between the reference layer 45 and the oscillating layer 43 but at another location, here at the back of the oscillating layer 43 is that is to say on the side of the oscillating layer 43 opposite the spacer 44 between the oscillating layer 43 and the reference layer 45.
  • nanocontacts on the back of the oscillating layer 45 or integrate the layer of strong lateral inhomogeneity of conductivity inside the oscillating layer.
  • the electrons it is not necessary for the electrons to retain a large part of their spin polarization while passing through the layer 42 of high lateral conductivity inhomogeneity because they then repolarize while passing through the oscillating layer 43 or the layer. 45 (depending on the side on which was placed the layer 42 with high conductivity inhomogeneity) which allows the magnetoresistance to remain important.
  • the spacer 44 separating the oscillating layer 43 from the reference layer 45 must ensure good magnetic decoupling between the oscillating layer 43 and the reference layer 45. This spacer 44 must retain a large part of the polarization spin electrons so that the magnetoresistance of the oscillator 40 is important.
  • FIG. 7 schematically illustrates a fourth embodiment of an oscillator 100 according to the invention.
  • Oscillator 100 comprises a magnetic stack E including:
  • An antiferromagnetic trapping layer 107 An antiferromagnetic trapping layer 107;
  • a ferromagnetic reference layer 106 with a fixed magnetization direction here located in the plane of the reference layer, called a trapped layer; this layer 106 is here by way of example a synthetic antiferromagnetic layer that is to say consisting of two ferromagnetic layers 106C and 106A antiparallelly coupled through a thin antiparallel coupling layer 106B; the reference layer 106 is here trapped by the antiferromagnetic layer 107;
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 101 and 108 of current supply allowing circulating an electric current of intensity I perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 101 and 108 form current supply means capable of circulating a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack.
  • the layer 104 with high lateral conductivity inhomogeneity comprises on each side (it will be noted that this could only on one side or the other) one or more non-magnetic metal layers (for example copper) 103 and 105 respectively separating the layer 104 with a high conductivity inhomogeneity of the oscillating ferromagnetic 102 or reference 106 layers.
  • These additional non-magnetic layers 103 and 105 make it possible to increase the magnetic decoupling between the oscillating and reference layers and can It will be appreciated that the oscillating layer 102 may also be formed of a combination of magnetic layers such as, for example, CoFe1 nm / NiFe 2nm.
  • FIG. 9 schematically illustrates a fifth embodiment of an oscillator 200 according to the invention.
  • Oscillator 200 comprises a magnetic stack E successively including:
  • a first magnetic stack E1 successively comprising:
  • second magnetic stack E2 successively comprising: o an oscillating ferromagnetic layer 204 of variable magnetization direction and having a magnetic configuration in accordance with the explanations given with reference to FIGS. 1 to 3
  • ferromagnetic reference layer 202 of fixed magnetization direction.
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 201 and 209 of current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicularly to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 201 and 209 form current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the structure 200 comprises several oscillating layers (two in this case) and several layers with high lateral inhomogeneity conductivity (two in this case).
  • the two oscillating ferromagnetic layers 206 and 204 are separated by the spacer 205 for reducing the magnetic coupling between the two oscillating ferromagnetic layers.
  • the two layers with high conductivity lateral inhomogeneity 207 and 203 each respectively separate an oscillating ferromagnetic layer 206 and 204 from a ferromagnetic reference layer 208 and 202.
  • the magnetoresistance comes from the two stacks E1 and E2.
  • the layers with high conductivity inhomogeneity 207 and 203 retain the spin of the electrons so that the magnetoresistance is important.
  • one of the oscillating layers 206 or 204 may be replaced by a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two ferromagnetic soft layers separated by an antiferromagnetic coupling layer (for example ruthenium with a thickness of 0.6 nm as is well known to the human being). job).
  • a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two ferromagnetic soft layers separated by an antiferromagnetic coupling layer (for example ruthenium with a thickness of 0.6 nm as is well known to the human being). job).
  • This sixth embodiment is illustrated in FIG. 10; in this case, the oscillator 300 comprises a magnetic stack E successively including:
  • a first magnetic stack E1 successively comprising:
  • a synthetic antiferromagnetic oscillating layer 312 having a magnetic configuration in accordance with the explanations given with reference to FIGS. 1 to 3 and comprising two ferromagnetic soft layers 308 and 306 separated by an antiferromagnetic coupling layer 307;
  • a second magnetic stack E2 successively comprising:
  • ferromagnetic reference layer 302 of fixed magnetization direction a ferromagnetic reference layer 302 of fixed magnetization direction.
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 301 and 31 1 of current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicularly to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 301 and 31 1 form current supply means capable of circulating a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the thicknesses of the two ferromagnetic layers 308 and 306 constituting the resulting oscillating layer may then be advantageous. advantageously unsymmetrized so that the effect of the resulting amperene field acting on the ferromagnetic layer 308 in contact with the layer with high lateral conductivity inhomogeneity 309 has the right sign for the oscillations to be triggered in the ferromagnetic layer in contact with the layer to strong lateral inhomogeneity of current.
  • the vortices that form in both layers 306 and 308 have opposite chirality because these two layers are antiferromagnetically coupled through layer 307 (i.e., a vortex rotates clockwise and the other turns in the opposite direction).
  • the Amperian field created by the current enhances the formation of one of these two vortices but tends to prevent the formation of the other. So if the thicknesses of the two layers 306 and 308 are equal, the vortex will hardly form. It is therefore desirable that the layer in which the vortex has the common sense with respect to the amperian field be thicker than that in which the vortex is opposed to the amperian field so that the effect of the "good" layer (ie the layer in which the vortex has good sense compared to the ampere field) prevails.
  • FIG. 11 illustrates a seventh embodiment of an oscillator 400 according to the invention.
  • the two oscillating layers are each replaced by a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two soft ferromagnetic layers separated by an antiferromagnetic coupling layer.
  • the oscillator 400 comprises a magnetic stack E successively including:
  • a first magnetic stack E1 successively comprising: a ferromagnetic reference layer 412 of fixed magnetization direction
  • a synthetic antiferromagnetic oscillating layer 414 having a magnetic configuration in accordance with the explanations given with reference to FIGS. 1 to 3 and comprising two ferromagnetic soft layers 410 and 408 separated by an antiferromagnetic coupling layer 409;
  • a second magnetic stack E2 successively comprising:
  • a synthetic antiferromagnetic oscillating layer 415 having a magnetic configuration in accordance with the explanations given with reference to FIGS. 1 to 3 and comprising two ferromagnetic soft layers 406 and 404 separated by an antiferromagnetic coupling layer 405;
  • ferromagnetic reference layer 402 of fixed magnetization direction.
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 401 and 413 of current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 401 and 413 form current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the thicknesses of the two ferromagnetic layers (respectively 410 and 408 and 406 and 404) constituting the synthetic antiferromagnetic sandwich may advantageously be unsymmetrized so that the effect of the resulting amperial field acting on the layer ferromagnetic (respectively 410 and 404) in contact with the layer with high lateral inhomogeneity conductivity (respectively 41 1 and 403) has the right sign for the oscillations are triggered in the ferromagnetic layer in contact with the layer with high lateral inhomogeneity of current .
  • FIG. 12 illustrates an eighth embodiment of an oscillator 500 according to the invention.
  • Oscillator 500 comprises a magnetic stack E successively including:
  • a first sub-stack E1 successively comprising:
  • a first ferromagnetic reference layer 508 of fixed magnetization direction (here located in the plane of the reference layer), called the trapped layer;
  • a first non-magnetic layer 507 (non-magnetic) decoupling conventionally called spacers, for example oxide;
  • a second sub-stack E2 successively comprising:
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 501 and 509 of current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 501 and 509 form current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the two oscillating ferromagnetic layers 506 and 504 are separated by the layer 505 with high inhomogeneity of conductivity.
  • One and / or the other of the ferromagnetic layers can be replaced by a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two ferromagnetic layers coupled antiferromagnetically.
  • the oscillator according to the invention can also operate with two oscillating layers without a reference layer, the only condition being that the magnetic stack comprises at least two magnetic layers, one of which is an oscillating layer with a magnetization of variable direction.
  • FIG. 13 represents an oscillator 600 according to a ninth embodiment of the invention.
  • the oscillator 600 comprises a magnetic stack E successively including:
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 601 and 606 current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicularly to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 601 and 606 form current supply means able to circulate a current of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the stack E comprises at least two oscillating layers 604 and 602 but no longer includes a reference layer.
  • the electrons polarize by crossing a first oscillating layer and exert a spin transfer on the magnetization of the second oscillating layer through it.
  • the oscillations result from a competition between the amperian field created by the current traversing the structure and spin transfer from one oscillating layer to the other.
  • the stack E further comprises a spacer 603 consisting of a layer with a high lateral inhomogeneity of conductivity.
  • the buffer layer 605 (for example of Ta, NiFeCr or CuN) is a layer intended to promote good growth of the stack E.
  • the cover layer 607 is one or a set of functional layers necessary for the preparation and the engraving of the magnetoresistive pillar.
  • FIG. 14 represents a tenth embodiment of an oscillator 700 according to the invention which constitutes a variant of the embodiment illustrated in FIG.
  • Oscillator 700 comprises a magnetic stack E successively including:
  • This stack E formed by the set of layers above is inserted between two electrodes 701 and 709 current supply for circulating an electric current of intensity I perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the two electrodes 701 and 709 form current supply means able to circulate a neck. of electrons perpendicular to the plane of the magnetic stack E.
  • the stack E comprises again at least two oscillating layers 706 and 704 but no longer has a reference layer.
  • the electrons polarize by crossing an oscillating layer and exert a spin transfer on the magnetization of the other oscillating layer by crossing it.
  • the oscillations result from a competition between the amperian field created by the current traversing the structure and spin transfer from one oscillating layer to the other.
  • the high conductivity inhomogeneity layers 707 and 703 are located not between the two oscillating layers 706 and 704 but outside the oscillating ferromagnetic layers on the opposite side with respect to the magnetic decoupling spacer 705 separating them; it will be noted that the layers with a high conductivity inhomogeneity 707 and 703 could also be located inside the oscillating layers.
  • one or more of the oscillating layers may also be synthetic antiferromagnetic layers.
  • the shape of the oscillator according to the invention has a substantially cylindrical symmetry if one seeks to exploit the fundamental excitation signal. But other forms are possible if one seeks to amplify the signals of the harmonics.

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Abstract

La présente invention concerne un oscillateur (30) à transfert de spin comportant un empilement magnétique (E) incluant au moins deux couches magnétiques (32,34) dont au moins une desdites deux couches magnétiques, dite couche oscillante (32), a une aimantation de direction variable et des moyens d'alimentation (31, 35) en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan dudit empilement magnétique (E). L'empilement magnétique (E) comportant des moyens (33) aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante et l'intensité de courant fourni par lesdits moyens d'alimentation (31, 35) est choisie de sorte l'aimantation de ladite couche oscillante présente une configuration magnétique cohérente, ladite configuration magnétique oscillant dans son ensemble à une même fréquence fondamentale.

Description

OSCILLATEUR A TRANSFERT DE SPIN
La présente invention appartient au domaine des oscillateurs radio- fréquence à transfert de spin, dit oscillateur STO (« Spin Torque Oscilla- tor »).
Ces oscillateurs STO sont destinés à fonctionner dans des gammes de fréquences comprises entre quelques centaines de MHz et quelques GHz.
Le terme d'oscillateur désigne un système physique dont au moins l'une des propriétés varie de manière périodique ou quasi-périodique dans le temps. Le rôle d'un oscillateur est de servir de référence de temps et de fré- quence.
Les oscillateurs sont en particulier très largement utilisés dans le domaine des télécommunications. On connaît par exemple des oscillateurs de type VCO pour « Voltage Controlled Oscillator » : ces dispositifs sont basés sur un circuit électronique résonant comportant une résistance R, une inductance L et une capacité C, le tout formant un circuit RLC. Les oscillateurs VCO utilisent non seulement cette architecture RLC mais disposent en plus d'une tension de polarisation permettant de faire varier les valeurs de L et C et de modifier ainsi la fréquence
L'électronique des nouveaux produits de télécommunications (télé- phones mobiles par exemple) doit être capable de travailler sur des gammes de fréquences très larges. Ainsi, les VCO doivent être capables d'émettre sur plusieurs gammes de fréquences. Par exemple, les téléphones portables actuels disposent de trois ou quatre bandes de fréquences. En outre, le développement des technologies nomades impose des contraintes supplémen- taires en termes de compacité des produits.
Dès lors, pour répondre à ces demandes, il faut disposer soit d'un oscillateur à grande accordabilité ou agilité en fréquence pour couvrir toutes les gammes de fréquences soit utiliser plusieurs oscillateurs. La première solution est la plus adaptée mais n'est pas envisageable avec un VCO unique qui dispose d'une trop faible agilité. En conséquence, la solution actuelle implique l'utilisation de plusieurs VCO, ce qui pose un problème d'encombrement et ajoute des phénomènes d'interférences entre les différents VCO.
Une solution connue susceptible de répondre aux problèmes mentionnés ci-dessus consiste à se tourner vers des oscillateurs radiofréquence à base de dispositifs spintroniques dits oscillateurs STO.
Le fonctionnement de ces STO est basé sur les effets de magnétoré- sistance géante GMR (« Giant MagnetoResistance »), comme pour les vannes de spin, et sur les effets de magnétorésistance tunnel TMR (« Tunnel MagnetoResistance »), comme pour les jonctions tunnel magnétiques JTM.
Ces structures consistent en un empilement de couches magnétiques, dont la nature et l'arrangement sont réalisés de telle manière que lorsqu'un courant électrique les traverse, il est possible d'obtenir une résistance variable en fonction du champ magnétique appliqué et/ou du courant polarisé en spin qui les traverse. Un tel dispositif est constitué de l'empilement de deux couches ferromagnétiques (une couche magnétique dite « piégée » dont l'aimantation est à direction fixe et une couche dite « libre » dont l'aimantation est variable) séparées par une couche amagnétique (non magnétique) classiquement dénommée espaceur, réalisé en métal pour les vannes de spin ou en oxyde pour les jonctions tunnel magnétiques.
De manière connue, lorsque l'orientation de l'aimantation des deux couches ferromagnétiques est identique, on parle alors d'orientations parallèles, le dispositif est dans l'état de basse résistance. Corollairement, lorsque l'orientation des deux couches ferromagnétiques est antiparallèle, le dispositif se trouve dans l'état dit de haute résistance.
L'électronique de spin utilise le spin des électrons comme degré de liberté supplémentaire, afin de générer des effets nouveaux. Le spin des électrons est à l'origine de phénomènes magnétorésistifs dans les multi- couches magnétiques, tels que notamment la magnétorésistance géante ou la magnétorésistance tunnel.
On a en effet pu montrer qu'en faisant passer un courant polarisé en spin à travers une couche mince magnétique et en fonction de l'amplitude dudit courant, on pouvait induire deux effets distincts : - Tout d'abord, un renversement de son aimantation en l'absence de tout champ magnétique externe ; ce phénomène peut d'ailleurs être mis en œuvre comme moyen d'écriture de l'information dans le cadre de la réalisation de mémoires magnétiques à accès aléatoire, également dénommées MRAM ;
- mais également, l'excitation d'états de précession entretenue du moment magnétique de la couche: c'est ce phénomène qui est utilisé dans les STO.
Ainsi, le principe de fonctionnement des STO (Spin Torque Oscillateur) consiste à utiliser le couple de transfert de spin pour déclencher une précession entretenue de l'aimantation. Dans un dispositif magnétorésistif, cette précession provoque une oscillation de la résistance et donc la génération d'une tension alternative dans la gamme du GHz. L'avantage majeur des oscillateurs STO est leur grande agilité en fréquence puisque la fréquence de résonnance évolue sur une très large bande en fonction de la polarisation appliquée sur le dispositif spintronique.
Le problème technique principal posé par les STO reste la pureté spectrale de ces oscillateurs, la largeur de raie étant typiquement de quelques dizaines de MHz dans le meilleur des cas (voir par exemple, Mi- zushima et al., Appl. Phys. Lett. 94, 152501 , 2009 ; Georges et al., Phys. Rev. B 80, 060404(R),2009). Cette grande largeur de raie est due à des instabilités de la trajectoire de l'aimantation. Ce problème n'est pas seulement lié à des fluctuations thermiques mais est également présent à basse température (cf. Georges et al., Phys. Rev. B 80, 060404(R), 2009).
Une des solutions envisagée pour augmenter la puissance, et éventuellement réduire la largeur de raie, de ces oscillateurs STO est de les coupler, soit physiquement sur le même dispositif (cf. Kaka et al., Nature 437, 389, 2005), soit électriquement en les reliant entre eux (cf. Georges et al., Appl. Phys. Lett. 92, 232504, 2008). Ces méthodes montrent effectivement un couplage des oscillateurs sur une certaine gamme de fréquence.
Une telle solution pose toutefois certaines difficultés. En effet, pour que ce couplage conduise à une synchronisation des oscillateurs, il faut que ces derniers aient au départ des propriétés très voisines ce qui n'est pas facile à réaliser d'un point de vue technologique.
En outre, la synchronisation réduit l'accordabilité en fréquence de l'ensemble des oscillateurs couplés.
On notera par ailleurs qu'actuellement, les puissances émises par ces STO sont relativement faibles (au maximum de quelques milliers de nV2/Hz - cf. par exemple, Houssameddine et al., Appl. Phys. Lett. 93, 022505, 2008).
Une solution connue permettant d'augmenter la puissance de signal radiofréquence produit par les oscillateurs à transfert de spin est décrite dans le brevet US7504898. Ce document propose d'utiliser une couche séparatrice de type CCP-GMR (pour « Current-Confined-Paths-GMR »). Les structures CCP-GMR se caractérisent par une couche isolante (parfois ap- pelée « current screen layer ») percée de petits trous ou ponts conducteurs (désignés également par la terminologie « pinholes »), située au centre de l'empilement magnétique, généralement entre la couche douce libre de la structure GMR et la couche de référence piégée. Le principe décrit dans ce document est de tirer partie des grandes densités de courant au voisinage des ponts conducteurs pour générer localement des oscillations de l'aimantation sans pour autant risquer de renverser l'aimantation de la couche douce. En effet, dans les zones séparant les ponts conducteurs, les densités de courant étant beaucoup plus faibles, l'aimantation de ces zones n'est pas soumise à des couples de transfert de spin et reste donc quasi- ment au repos. Ainsi, les excitations générées au niveau de chaque pont conducteur se couplent entre elles par l'intermédiaire d'ondes de spin. Mais, entre chaque pont conducteur, subsiste une zone intermédiaire dans laquelle l'aimantation n'est pas globalement excitée. Ces zones peuvent être traversées par des ondes de spin issues des ponts conducteurs voisins mais ne subissent pas d'excitations magnétiques de grande amplitude.
Une telle solution présente également certains inconvénients. Ainsi, malgré une augmentation de puissance, les puissances émises par des dispositifs STO tels que décrits dans le document US7504898 resteront relativement faibles.
En outre, le régime de fonctionnement d'un tel dispositif fournira très peu de fréquences harmoniques (qui peuvent être utilisées en plus de la fréquence fondamentale).
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un oscillateur à transfert de spin présentant, par rapport aux STO existants, une puissance émise accrue, un bon facteur de qualité, une très grande pureté spectrale (i.e. une largeur de raie de la fréquence fondamentale étroite), un bruit de phase réduit et la possibilité d'exploiter une pluralité d'harmoniques afin de pouvoir exploiter des fréquences plus élevées.
A cette fin, l'invention propose un oscillateur à transfert de spin comportant :
- un empilement magnétique incluant au moins deux couches magnétiques dont au moins une desdites deux couches magnétiques, dite couche oscillante, a une aimantation de direction variable ;
- des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan dudit empilement ma- gnétique ;
ledit empilement magnétique comportant des moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante, ledit oscillateur étant caractérisé en ce que l'intensité de courant fourni par lesdits moyens d'alimentation est choisie de sorte que l'aimantation de ladite couche oscillante présente une configuration magnétique cohérente, ladite configuration magnétique oscillant dans son ensemble à une même fréquence fondamentale.
On entend par configuration magnétique cohérente une configuration proche du mono-domaine magnétique ou présentant des rotations d'aimantation sur une échelle de longueur comparable à la dimension latérale de la surface de la couche oscillante : il peut s'agir d'une configuration de type vortex magnétique, anti-vortex magnétique, multivortex ou « C- state » ou une combinaison de ces configurations (par exemple plusieurs vortex ou une ou plusieurs paire(s) vortex-antivortex). A titre d'exemples, de telles configurations micromagnétiques cohérentes sont décrites dans l'article « Stability of magnetic vortices in flat submicron permalloy cylin- ders » (M.Schneider et al, Journ.Appl. Phys.92(2002)1466). Dans la suite de la description, nous parlerons de configuration vortex pour cette configuration magnétique cohérente mais l'homme du métier pourra mettre en œuvre l'invention pour d'autres types de configurations magnétiques cohérentes.
On notera que la couche oscillante peut être une couche simple ferromagnétique mais également une couche antiferromagnétique synthétique comportant deux couches douces ferromagnétiques, éventuellement d'épaisseurs différentes, séparées par une couche de couplage antiferromagnétique.
L'oscillateur selon invention est basé sur la dynamique d'excitations collectives et cohérentes de l'aimantation de l'ensemble du dispositif (par exemple la dynamique d'un vortex magnétique) induite par le couple de transfert de spin dans une structure magnétique présentant de fortes inhomogénéités latérales dans la distribution de courant traversant la structure via des moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de la couche oscillante : ces inhomogénéités peuvent par exemple être créées de façon non limitative par un ensemble de nanoponts conducteurs à travers une barrière isolante qui permettent de concentrer localement les lignes de courant. Typiquement, ces inhomogénéités se traduisent par des fluctuations de plus d'un facteur 1 0 de conductivité entre les zones les plus conductrices et les zones les moins conductrices.
La présente invention se démarque de l'art antérieur (et en particulier document US7504898) en ce que la structure à courant inhomogène n'est pas utilisée pour générer des précessions de l'aimantation sur des zones localisées interagissant les unes avec les autres par des ondes de spin ; au contraire, de façon surprenante, la demanderesse s'est rendu compte qu'une intensité de courant supérieure à un seuil déterminé en fonction de la structure magnétique permettait de déclencher une dynamique d'excitation collective de toute l'aimantation de la couche oscillante de l'oscillateur, comme par exemple une dynamique de type vortex, dont la fréquence fon- damentale se situe généralement à plus basse fréquence (de l'ordre de quelques centaines de MHz) que la fréquence fondamentale des STO connus. Ainsi dans la présente invention, l'aimantation évolue sur toute la surface de la couche excitée de l'oscillateur (couche oscillante) entraînant un brassage complet de l'aimantation de cette couche. En d'autres termes, la présente invention ne cherche pas du tout à éviter le retournement de l'aimantation de la couche excitée contrairement au brevet US7504898 mais au contraire à induire un mouvement collectif d'excitation de la configuration magnétique cohérente d'aimantation de la couche excitée de l'oscillateur englobant toute la surface de celle-ci. L'invention est donc basée sur l'utilisation du couple de transfert de spin généré par la distribution de courant inhomogène qui par un effet de moyenne dû aux interactions d'échange à l'intérieur de la couche oscillante excite de façon collective l'ensemble de l'aimantation de cette couche oscillante. Cet état, que les simulations met- tent en évidence, se voit physiquement confirmé par ses conséquences comme le nombre élevé d'harmoniques. C'est là une différence essentielle avec le document US7504898 dans lequel l'excitation de l'aimantation de la couche douce se produit aux voisinages des pinholes, tandis que l'aimantation entre les pinholes n'est pas excitée ou seulement faiblement. Dans le mode de fonctionnement de l'invention, un grand nombre d'harmoniques est observé ce qui n'est pas le cas dans le régime de fonctionnement du brevet US7504898. Ainsi, selon l'invention, on observe au moins quatre harmoniques d'amplitude exploitable contrairement au régime de fonctionnement du brevet US7504898.
Comme nous le verrons en détails par la suite, le principe de l'invention consiste donc à utiliser une structure à courant inhomogène pour générer simultanément :
- une configuration micromagnétique cohérente de l'aimantation résultant de l'équilibre entre le champ ampérien produit par le courant tra- versant la structure, les effets de champ démagnétisant de la structure et les interactions d'échange au sein de la couche oscillante ;
- un effet de transfert de spin intense localisé essentiellement au niveau des points de forte densité de courant mais produisant une exci- tation collective de l'aimantation sur toute la surface de la couche oscillante du fait des interactions d'échange existantes à l'intérieur de la couche oscillante.
On notera que le premier effet (apparition d'une configuration magné- tique cohérente) peut intervenir seul pour une intensité du courant inférieure ; on a alors une configuration magnétique cohérente statique ; en augmentant l'intensité du courant au-delà d'une intensité seuil, on observe les deux effets simultanément (configuration magnétique cohérente dynamique).
L'utilisation de systèmes à courants fortement inhomogènes permet de se placer dans une situation intermédiaire entre celle d'empilements tout métalliques (vanne de spin avec introduction du courant perpendiculairement au plan des couches) et celles de jonctions tunnel magnétiques. L'avantage de la présente invention par rapport aux empilements tout métal- liques est d'offrir un plus grand produit résistance*surface et corrélativement une plus forte magnétorésistance absolue et donc de plus forts signaux RF générés par les excitations causées par le transfert de spin. Par ailleurs, l'avantage de la présente invention par rapport aux jonctions tunnels magnétiques et de permettre de faire passer plus de courant à travers la structure, à section égale, conduisant à un champ ampérien supérieur et ainsi la possibilité de générer une configuration de type vortex possédant une dynamique cohérente, chose que l'on ne pourrait pas obtenir avec une jonction tunnel. En effet dans une jonction tunnel, la densité de courant est limitée par le claquage électrique de la jonction. En conséquence la seule façon d'augmenter le courant total à travers une jonction tunnel est d'augmenter sa section mais ceci conduit à une perte de cohérence de la dynamique d'aimantation.
Le mouvement oscillant de la configuration magnétique cohérente (typiquement le mouvement cyclique du vortex) ainsi obtenu se traduit par une modification temporelle cyclique de l'aimantation moyenne, et par conséquent par une oscillation de résistance à cause de l'effet magnétorésistif. On peut ainsi générer une tension alternative aux bornes du dispositif, pré- sentant un mode fondamental intense (typiquement entre 300 et 500 MHz) et de nombreuses harmoniques (typiquement de 12 à 15).
On notera que l'oscillateur selon l'invention peut fonctionner soit avec une couche d'aimantation fixe (couche piégée) et une couche d'aimantation variable (couche oscillante) soit avec deux couches oscillantes (avec ou sans couche de référence), la seule condition étant que l'empilement magnétique comporte au moins deux couches magnétiques dont une est une couche oscillante avec une aimantation de direction variable.
L'invention permet de réaliser un oscillateur accordable en fréquence, mais de forte puissance (plusieurs centaines de milliers de nV2/Hz soit un à deux ordres de grandeurs supérieurs aux STO connus) et ayant une très grande pureté spectrale (Q>300, Δί<2ΜΗζ). La fréquence fondamentale est typiquement comprise entre quelques centaines de MHz et quelques GHz. Le dispositif selon l'invention permet également de générer une grande série d'harmoniques (typiquement au moins quatre harmoniques dont l'amplitude reste inférieure à celle de la fréquence fondamentale mais suffisante pour être largement exploitable) : ainsi, selon l'application envisagée, on pourra utiliser la fréquence fondamentale émise ou certains des harmoniques générés par l'oscillateur pour monter en fréquence.
L'oscillateur selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- lesdits moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante sont formés par une couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité apte à générer dans ladite couche oscillante de fortes inhomogénéités latérales de courant ;
- ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité apte à générer dans ladite couche oscillante de fortes inhomogénéi- tés latérales de courant est une couche caractérisée par des fluctuations de plus d'un facteur 10 de conductivité entre ses zones les plus conductrices et ses zones les moins conductrices ; ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est une couche isolante intégrant des chemins métalliques ;
ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est une jonction tunnel intégrant des chemins conducteurs obtenus par exposition de ladite jonction à une tension adaptée (i.e. la tension doit être suffisamment forte pour générer localement des phénomènes de claquage électrique) ;
ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est réalisée à base d'un mélange de deux matériaux ayant des conducti- vités différentes et aptes à démixer sous l'effet d'un recuit pour former localement des chemins plus conducteurs que sur le reste de la couche ; en d'autres termes, ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est réalisée à base d'un mélange de deux matériaux non miscibles et ayant des conductivités électriques différentes de façon à former de fortes inhomogénéités de conductivité électrique sous l'effet d'un recuit provoquant la démixtion des deux matériaux constituants ;
ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité présente un rapport supérieur ou égal à 10 de conductivité entre ses zones les plus conductrices et ses zones les moins conductrices ; ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité comporte en contact avec au moins l'une de ses faces une couche non magnétique métallique ;
lesdits moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante sont formés par une pluralité de nanocontacts ;
ladite configuration magnétique cohérente est une configuration de type vortex magnétique, anti-vortex magnétique, multivortex ou « C- state » ou une combinaison de ces configurations ;
ledit empilement magnétique a une forme de pilier dont la section possède l'une des formes suivantes :
o circulaire ;
o elliptique ; o annulaire ;
o forme à symétrie axiale comportant au moins trois lobes ;
le diamètre dans le cas d'une section circulaire, annulaire ou en forme de fleur est le plus grand des deux diamètres ; dans le cas d'une cellule de forme elliptique, il est compris entre 10 nm et 500 nm et préférentiellement compris entre 100 et 500 nm ;
ladite couche oscillante présente une section sensiblement circulaire de rayon R et une épaisseur L, le rapport L/R étant choisi en fonction de la fréquence de travail de l'oscillateur, au besoin itérativement en utilisant des logiciels de simulation micromagnétique pour déterminer la fréquence correspondant à une valeur donnée de L/R;
ledit empilement magnétique comporte successivement :
o une couche magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique ;
o ladite couche magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
ledit empilement magnétique comporte successivement deux sous- empilements magnétiques séparés par une couche de découplage magnétique, chacun des deux sous-empilements intégrant :
o une couche magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique ;
o une couche magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
ledit empilement magnétique comporte un sous-empilement magnétique incluant successivement :
o une couche magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
o une couche amagnétique de découplage ; o ladite couche magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
lesdits moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante étant localisés à l'extérieur dudit sous-empilement ;
- ledit empilement magnétique comporte deux sous-empilements magnétiques, chaque sous-empilement incluant successivement :
o une couche magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
o une couche amagnétique de découplage ;
o une couche magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
lesdits deux sous-empilements étant séparés par une couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité ;
- ledit empilement magnétique comporte deux couches ferromagnétiques oscillantes de direction d'aimantation variable séparées par lesdits moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface desdites couches oscillantes ;
- ledit empilement magnétique comporte :
o un sous-empilement magnétique incluant successivement :
• une première couche magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
• une couche amagnétique de découplage ;
• une deuxième couche magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
o des premiers moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite première couche oscillante ;
o des deuxièmes moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite deuxième couche oscillante ;
lesdits premiers et deuxièmes moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant étant localisés à l'extérieur dudit sous-empilement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- les figures 1 à 3 illustrent l'évolution de la configuration magnétique de la couche oscillante de l'oscillateur selon l'invention en fonction du courant injecté dans l'oscillateur ;
- la figure 4 illustre un premier mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 5 illustre un second mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 6 illustre un troisième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 7 illustre un quatrième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 8 représente le spectre d'excitation en fonction de la fréquence pour un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 9 illustre un cinquième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 10 illustre un sixième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 1 1 illustre un septième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 12 illustre un huitième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 13 illustre un neuvième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention illustre un quatrième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 14 illustre un dixième mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention ;
- la figure 15 illustre une section particulière d'un oscillateur selon l'invention.
La figure 4 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un oscillateur 30 selon l'invention. L'oscillateur 30 comporte un empilement magnétique E incluant successivement :
- une couche ferromagnétique de référence 34 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence), dite couche piégée ;
- une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 33 ;
- une couche ferromagnétique oscillante 32 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique sur laquelle nous reviendrons en référence aux figures 1 à 3.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 31 et 35 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 31 et 35 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Cet empilement E a la forme d'un pilier pouvant avoir différentes formes de sections : circulaire, elliptique, annulaire, voire des formes plus complexes comme des fleurs à 3 ou 4 pétales (voir plus loin à propos de la Figure 15). Le diamètre caractéristique du dispositif est typiquement de quelques dizaines à quelques centaines de nm (typiquement <500nm).
La couche de référence 34 peut être une couche simple réalisée à partir d'un alliage à base de Co, Fe, Ni, par exemple une couche de CoFe de 3nm.
La couche de référence 34 peut être aussi une couche antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches ferromagnétiques couplées antiparallèlement à travers une fine couche de couplage antiparallèle, par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à 0.8nm. Cette couche antifer- romagnétique synthétique peut elle-même être piégée par interaction avec une couche antiferromagnétique espaceur (par exemple en ruthénium) ; un exemple de couche piégée antiferromagnétique synthétique est CoFe 2nm/ Ru 0.6nm /CoFe 2.5 nm. La couche 33 à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique est une couche présentant dans son plan de fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique (typiquement caractérisée par des fluctuations de plus d'un facteur 10 de conductivité entre les zones les plus conductrices et les zones les moins conductrices de la couche 33).
Cette couche 33 à forte inhomogénéité latérale de conductivité électrique peut être réalisée en utilisant une couche isolante percée de petits trous conducteurs métalliques 36 (dits « pinholes » en anglais). L'avantage de cette couche séparatrice est de permettre le confinement des lignes de courant au niveau des nanoconstrictions. Cette structure de couche 33 est dite « à chemins de courant confiné » CCP (pour « Confined Current Path » ou « current screen layer » en anglais). Cette couche séparatrice particulière peut être réalisée par exemple en déposant un alliage AlCu avec quelques % de cuivre que l'on oxyde ensuite afin de former une couche d'alumine contenant quelques clusters métalliques qui formeront les pinholes 36. Les pinholes 36 ont typiquement une taille de 0.5nm à une dizaine de nano- mètres de diamètre. La couche isolante contenant les pinholes 36 peut être formée par oxydation, nitruration ou oxynitruration d'une couche initialement métallique contenant au moins un élément dans le groupe suivant : Al, Hf, Zr, Ta, Ti, Mo, W, Nb, Si, Mg. Elle a typiquement une épaisseur entre 0.8 et 3.5nm. Les pinholes 36, quant à eux, qui peuvent être non-magnétiques ou magnétiques, comportent au moins un des éléments Cu, Ag, Au, Co, Fe ou Ni.
Cette barrière isolante 33 percée de trous conducteurs 36 est le plus souvent réalisée en déposant une couche d'alliages métalliques comprenant deux éléments présentant une forte différence d'affinité pour l'oxygène, par exemple de composition AI95Cu5. Cette couche est ensuite oxydée comme une barrière tunnel par oxydation naturelle ou oxydation plasma. Du fait de la différence d'affinité pour l'oxygène de l'aluminium et du cuivre, l'aluminium s'oxyde en alumine tandis que le cuivre coalesce sous forme d'agrégats de cuivre formant alors des ponts conducteurs à travers la couche d'alumine.
Dans une telle structure à conductivité latérale inhomogène, les densités de courant dans les zones de forte conductivité peuvent être très im- portantes (109 à 1011 A/cm2) de sorte que les effets de transfert de spin peuvent être localement très significatifs en fonctionnement normal. Le transfert de spin est l'effet réciproque du filtrage de spin mis en œuvre dans les ma- gnétorésistances géantes. Dans les phénomènes de magnétorésistance, on peut contrôler un courant électrique en agissant sur l'orientation relative des aimantations des couches magnétiques, selon un effet de filtrage analogue à un montage polariseur-analyseur en optique. L'effet de transfert de spin correspond à l'action réciproque du courant sur le filtre : le courant polarisé en spin, s'il est suffisamment intense, peut modifier l'orientation de l'aimantation de la couche oscillante 32.
La couche oscillante 32 est par exemple formée par une couche de Co ou d'alliages Permalloy (Ni80Fe20) ou d'alliages de Co et de Fe riche en Co par exemple Co90Fe10.
L'invention utilise avantageusement l'inhomogénéité de courant créé par la couche 33 pour générer simultanément un double effet au niveau de la couche oscillante 32 :
- tout d'abord une configuration micromagnétique cohérente de l'aimantation de la couche oscillante 32 résultant de l'équilibre entre le champ ampérien produit par le courant traversant la structure 30, les effets de champ démagnétisant de la structure 30 et les interactions d'échange au sein de la couche oscillante 32. Cette configuration micromagnétique cohérente peut être par exemple de type vor- tex, multivortex, antivortex, ou « C-state » ou une combinaison de ces configurations ;
- un effet de transfert de spin intense localisé essentiellement au niveau des points de forte densité de courant produisant une excitation collective de l'aimantation sur toute la surface de la couche oscillante 32 du fait des interactions d'échange existantes à l'intérieur de la couche oscillante 32.
La configuration micromagnétique cohérente de l'aimantation est influencée par le champ ampérien induit par le courant circulant à travers la structure. Ce champ inhomogène favorise l'apparition d'un ou plusieurs vor- tex, ou paire(s) vortex-antivortex (ou antivortex ou « C-state »). Cette confi- guration particulière de l'aimantation est obtenue quand le champ magnétique externe appliqué dans le plan des couches est faible (typiquement <20mT), à condition d'avoir préalablement préparé magnétiquement la structure dans un état où la couche oscillante est saturée sous un champ (typi- quement de 60mT) de signe opposé.
Pour obtenir un état magnétique de type vortex présentant une dynamique cohérente, il faut que l'empilement magnétique E constituant la partie active du dispositif soit de dimension intermédiaire, ni trop petite pour que le vortex ait la place de se former, ni trop grande pour que la dynamique de ce vortex garde sa cohérence (typiquement une dimension, le diamètre dans le cas de la forme cylindrique de l'empilement E, de 100 à 500 nm).
Par ailleurs, il est préférable que la forme ait une symétrie sensiblement cylindrique si on cherche à exploiter le signal fondamental d'excitations. Mais d'autres formes sont possibles si on cherche à amplifier l'amplitude des signaux harmoniques cela sera comme expliqué plus loin en référence à la figure 15.
Ce double effet est illustré sur les figures 1 à 3 montrant respectivement la configuration magnétique de la couche oscillante 32 avec une intensité nulle de courant traversant la structure 30 nul (figure 1 ), une intensité de courant intermédiaire (figure 2) et une intensité de courant l2 supérieure à h (figure 3).
La figure 1 représente la configuration magnétique 1 de la couche oscillante 32 en l'absence de courant traversant la structure 30. Cette configuration 1 (les vecteurs d'aimantation sont représentés par des flèches) pré- sente une aimantation ayant sensiblement la forme de nervures de feuille avec une aimantation droite 2 au centre de la couche 32 suivant un diamètre de la couche 32 puis une aimantation 3 légèrement courbée et symétrique de part et d'autre de l'aimantation 2 suivie d'une aimantation 4 toujours symétrique de part et d'autre de l'aimantation 2 et dont la courbure s'accentue vers le bord de la couche 32 pour suivre la forme circulaire de la couche 32.
L'injection d'un courant d'intensité supérieure à une valeur seuil lvor- tex_statique (figure 2) créée un champ ampérien inhomogène favorisant l'apparition d'un état vortex magnétique 10. La couche 32 dans l'état vortex 10 possède une configuration magnétique spatialement inhomogène (i.e. l'aimantation a une orientation différente selon le point où l'on se trouve), l'aimantation se trouve dans le plan de la couche 32 et tourne soit dans le sens horaire soit dans le sens contra-horaire (le sens horaire est ici repré- senté par les flèches 12), le comportement circulaire de l'aimantation s'expliquant par la minimisation spontanée du champ de fuite. On observe par ailleurs une singularité au centre du vortex 10 dans une zone 1 1 appelée « cœur de vortex » dans laquelle l'aimantation ne peut plus tourner. En général, au niveau du cœur, l'aimantation a tendance à sortir hors du plan de la couche mais ceci ne joue pas de rôle significatif dans le cadre de cette invention. Sur la figure 2, le cœur de vortex 1 1 est confondu avec le centre C de la couche oscillante 32. On a donc ici une configuration micromagnétique cohérente statique apparaissant au-delà d'un courant seuil lVortex_statique- Ainsi, un courant d'intensité supérieure à une intensité de l'ordre de 5 mA va générer un vortex statique pour un oscillateur selon l'invention avec un diamètre de l'ordre de 300 nm. Dans le cas d'un diamètre de l'ordre de 300 nm, le courant seuil d'apparition d'une configuration micromagnétique cohérente statique lVortex_statiqUe est typiquement compris entre 4 et 5 mA.
Selon la figure 3, pour une intensité de courant supérieure à une in- tensité seuil lVortex_dynamiqUe (supérieure à lVortex_statiqUe), on observe alors le double effet mentionné plus haut au niveau de la couche oscillante 32, c'est- à-dire une configuration cohérente magnétique 10 de type vortex décalée par rapport à la configuration magnétique 10 de la figure 2 : le cœur 1 1 de vortex est translaté d'une distance T par rapport au centre C de la couche 32 et le vortex 10 subit un mouvement circulaire autour du centre C de la couche oscillante 32 (i.e. le cœur de vortex 1 1 décrit un trajectoire sensiblement circulaire selon un cercle de rayon T et de centre C). On observe donc une sorte de mouvement planétaire du vortex 10 autour du centre C de la couche oscillante 32.
Ainsi, au-delà d'une intensité seuil de courant lVortex_dynamiqUe, et pour une polarité de courant choisie, l'effet de transfert de spin peut déstabiliser la configuration magnétique 10 et provoquer un mouvement cyclique du vortex. Toujours dans le cas d'un oscillateur selon l'invention avec un diamètre de l'ordre de 300 nm, un courant d'intensité supérieure à 17 mA va générer un vortex dynamique (i.e. mettre en mouvement le vortex). Dans le cas d'un diamètre de l'ordre de 300 nm, le courant seuil d'apparition du mouvement cyclique du vortex lVortex_dynamiqUe est typiquement compris entre 17 et 20 mA. Il convient de noter que le mouvement du vortex persiste ensuite quand on baisse le courant en dessous de ce courant seuil : typiquement on déclenche l'oscillation du vortex avec une intensité supérieure à 17 mA et elle persiste ensuite quand le courant est baissé jusqu'à 6mA.
Dans beaucoup de cas pratiques, la configuration magnétique cohérente apparaissant au dessus du premier courant critique n'est pas un vortex de parfaite symétrie cylindrique mais une structure de vortex distordu par exemple du fait du champ magnétostatique rayonné par l'aimantation de la couche de référence sur l'aimantation de la couche oscillante. Dans ce cas, cet état d'aimantation cohérente possède une aimantation qui suivant l'histoire magnétique de l'échantillon peut être plus proche de l'orientation parallèle ou plus proche de l'orientation antiparallèle par rapport à l'aimantation de la couche de référence. Dans ce cas, pour obtenir l'effet de précession, il est préférable de choisir la polarité de courant qui peut permettre de déstabiliser l'état d'équilibre, grâce au transfert de spin. Autrement dit :
- si la résistance de l'oscillateur 30 dans la configuration micromagnétique cohérente est plus proche de la résistance de l'état antiparallèle AP (i.e. l'aimantation moyenne de la couche oscillante 32 est plus proche de l'état antiparallèle AP que de l'état parallèle P par rapport à l'aimantation de la couche de référence), il faut que le courant circule de la couche oscillante 32 vers la couche de référence 34 (i.e. que les électrons circulent de la couche de référence 34 vers la couche oscillante 32). Dans ce cas, l'effet de transfert de spin favorise l'alignement parallèle des aimantations et déstabilise l'état AP ;
- si la résistance de l'oscillateur 30 dans la configuration micromagnétique cohérente est plus proche de la résistance de l'état P (i.e. l'aimantation moyenne de la couche oscillante 32 est plus proche de l'état parallèle que de l'état antiparallèle par rapport à l'aimantation de la couche de référence), il faut que le courant circule de la couche de référence 34 vers la couche oscillante 32 (i.e. que les électrons circulent de la couche oscillante 32 vers la couche de référence 34). Dans ce cas, l'effet de transfert de spin favorise l'alignement antiparallèle des aimantations et déstabilise l'état P.
Si l'état micromagnétique de départ a une aimantation moyenne quasi nulle du fait de sa symétrie cylindrique (cas du vortex symétrique de la figure 2), la polarité du courant n'a pas d'importance.
Le mouvement cyclique du vortex ainsi obtenu se traduit par une modification temporelle cyclique de l'aimantation moyenne, et par conséquent par une oscillation de résistance à cause de l'effet magnétorésistif. On peut ainsi générer une tension alternative aux bornes de l'oscillateur 30, présentant un mode fondamental intense (typiquement entre 300 et 500 MHz) et de nombreuses harmoniques (typiquement de 12 à 15). L'amplitude du mode fondamental est très élevée (>500 000 nV2/Hz) et la largeur de raie de l'ordre de 1 MHz. L'amplitude des harmoniques décroît au fur et à mesure que la fréquence augmente ; l'amplitude des harmoniques 2f0 et 3f0 représente environ 10% de l'amplitude du fondamental et l'amplitude de l'harmonique 4f0 quelques % de l'amplitude du fondamental. La largeur de raie augmente d'une raie à la suivante typiquement d'un facteur 2. Ce phénomène est illustré sur la figure 8 qui représente le spectre d'excitation en fonction de la fréquence : on observe une puissance du mode fondamental à f0 (400 MHz) de l'ordre de 500 000 nV2/Hz, soit mille fois plus élevée que celle obtenue avec les STO de l'état de la technique, pour une puissance injectée par le courant continu seulement deux à trois fois plus grande.
Le tableau ci-dessous résume les valeurs typiques qu'on peut obtenir avec cet oscillateur à vortex. On constate que ses performances pour les 4 premières raies sont bien meilleures que les oscillateurs STO de l'état de l'art. Fréquence Amplitude Largeur de raie
fo = 400 MHz 500 000 nV /Hz 1 .2 MHz
2f0 = 800 MHz 50 000 nV2/Hz 2.4 MHz
3f0 = 1 .2 GHz 50 000 nV /Hz 5 MHz
4f0 = 1 .6 GHz 10 000 nV /Hz 10 MHz
5f0 = 2 GHz 3500 nV2/Hz 20 MHz
Tableau 1 .
On notera qu'il est possible d'augmenter la fréquence fondamentale de l'oscillateur 30 en jouant sur les matériaux et la géométrie de l'empilement magnétique E formant la partie active du dispositif.
Ainsi, la fréquence du mode de translation du vortex, correspondant à un mouvement orbital du cœur du vortex, est directement liée au rapport L/R, où L est l'épaisseur de la couche oscillante 32 et R le rayon de cette couche oscillante. La fréquence propre du mode de translation augmente quasi-linéairement avec ce rapport géométrique. On peut ainsi envisager d'atteindre des fréquences de 1 à 2 GHz sur des échantillons nanométriques dans lesquels la couche oscillante posséderait une épaisseur de 60 nm.
Par ailleurs, le choix des matériaux peut également permettre d'augmenter la fréquence fondamentale. En effet, le mouvement orbital du vortex peut être compris comme l'effet résultant d'une part du couple de transfert de spin qui tend à provoquer un mouvement centrifuge du cœur de vortex et d'autre part du champ ampérien qui tend à créer un potentiel attractif au niveau des contacts de la couche 33 CCP. Tous les paramètres permettant de réduire la taille de l'orbite permettent d'augmenter la fréquence : c'est pourquoi la fréquence augmente par exemple avec le courant appliqué. De même, la fréquence va augmenter avec l'amortissement de Gilbert (cf. Mistral et al., Phys. Rev. Lett. 100, 257201 , 2008). Or il est possible d'augmenter cet amortissement de Gilbert en dopant le matériau ferromagnétique utilisé pour la couche oscillante 32 avec des impuretés de terres rares comme Dy ou Tb, par exemple.
Enfin, réduire l'anisotropie planaire va contribuer à faciliter la formation d'un vortex et permettre d'atteindre des fréquences plus élevées. C'est pourquoi il pourrait être judicieux de bien maîtriser l'oxydation de la barrière d'alumine et/ou le recuit de l'empilement (cf. Monso et al. Appl. Phys. Lett. 80, 4157, 2002 ; Rodmacq et al. Phys. Rev. B 79, 024423, 2009). En effet il a été montré dans les articles cités ici qu'une importante énergie d'anisotropie interfaciale peut être créée à l'interface entre un métal de tran- sition ferromagnétique et une couche d'oxyde, lorsque l'interface entre la couche ferromagnétique et la couche d'oxyde possède des terminaisons oxygène, permettant l'hybridation électronique de certaines orbitales d du métal ferromagnétique avec les orbitales sp de l'oxygène. Du point de vue énergétique, la terminaison oxygène est bien souvent la plus favorable (par exemple pour Fe/MgO ou Co/Alumine). Un recuit approprié permet donc de favoriser la migration de l'oxygène vers l'interface pour favoriser le développement de cette anisotropie perpendiculaire. Cette anisotropie perpendiculaire ne doit pas faire sortir l'aimantation de la couche oscillante hors du plan mais réduit son anisotropie « plan facile » ou en d'autre terme augmente sa susceptibilité hors du plan.
La couche 33 à forte inhomogénéité latérale de conductivité basée sur une structure à pinholes (CCP) n'est qu'un exemple de mode de réalisation. Comme mentionné plus haut, la couche 33 à forte inhomogénéité latérale de conductivité est une couche présentant dans son plan de fortes in- homogénéités latérales de conductivité électrique (typiquement caractérisée par des fluctuations de plus d'un facteur 10 de conductivité entre les zones les plus conductrices et les zones les moins conductrices de la couche 33).
Ainsi, il est tout à fait possible d'utiliser d'autres moyens permettant de générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de la couche oscillante. A titre d'exemple, la figure 5 illustre un second mode de réalisation d'un oscillateur 50 selon l'invention.
L'oscillateur 50 de la figure 5 est identique à l'oscillateur 30 de la figure 4 (les éléments communs portent les mêmes numéros de référence), la seule différence concernant la couche 53 à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique différente de la couche 33 de la figure 4.
Dans le cas de la figure 5, la couche 53 à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique apte à induire dans la couche oscillante 32 de fortes inhomogénéités de courant est obtenue en partant d'une jonction tunnel magnétique à laquelle on fait subir un stress électrique proche du claquage électrique de la jonction. Par exemple, des barrières tunnel d'alumine ou de MgO d'épaisseur entre 1 et 2nm claquent électriquement sous des tensions de l'ordre de 1 à 2V. Pour une jonction donnée, la tension de claquage dépend en fait de la durée et du nombre des puises de tension et principalement du temps cumulé pendant lequel la jonction est exposé à la forte tension. Il est connu qu'avant de claquer de façon complètement irréversible, la barrière tunnel peut se dégrader localement sous l'effet du stress électrique conduisant à l'apparition de « points chauds » 56 dans la jonction. L'apparition de ces points chauds 56 peut être suivie en mesurant la résistance électrique de la jonction, celle-ci étant traversé par un courant perpendiculaire aux interfaces. Un claquage total de la barrière conduit à une chute de la résistance électrique de la barrière typiquement d'un facteur 10 à 100 (par exemple une chute de résistance de 5KiloOhms à quelques centaines ou dizaines d'Ohms). Mais avant d'atteindre ce stade de claquage total, il est possible en augmentant graduellement la tension d'atteindre des valeurs de résistance intermédiaire entre la valeur initiale et typiquement un quart ou un dixième de la valeur initiale. Dans ces situations, on a créé des amorces de pinholes (des points chauds) mais une partie significative du courant continue de passer par effet tunnel à travers la barrière. Les points chauds 56 ainsi formés peuvent ainsi jouer le même rôle que les pinholes 36 de la structure CCP (figure 4).
Une façon plus générale de créer des couches générant de fortes in- homogénéités latérales de courant consiste à utiliser des alliages ou composites d'au moins deux matériaux ayant des conductivités électriques très différentes et tendant à démixer. C'est le cas par exemple de certains alliages semiconducteur/métal comme par exemple GeCu qui, lors de recuits, tendent à former des clusters de Cu3Ge conducteurs dans une matrice de Ge semiconductrice. C'est le cas aussi de certains semiconducteurs dilués (par exemple ZnOCo) tendant à former des clusters riches en Co dans une matrice de ZnO. C'est également le cas de matériaux comme GeMn qui tendent à former des nanocolonnes conductrices d'alliages riches en Mn, parallèles à la direction de croissance, noyées dans une matrice semicon- ductrice faiblement conductrice.
Selon une autre alternative, l'inhomogénéité du courant peut être créée en réalisant par des techniques top-down de la microélectronique ou par nanoindentation des nanocontacts de taille et position distribuées à la base ou au sommet du pilier magnétorésistif au voisinage immédiat de la surface de la couche oscillante. On voit que dans ce cas, les moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de la couche oscillante ne sont pas créés par une couche (CCP, couche avec points chauds, ...) mais par une pluralité de nanocontacts sur la surface de la couche oscillante.
Dans les différents exemples cités ci-dessus pour la réalisation des moyens permettant de générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de la couche oscillante, les électrons peuvent avoir ou non la ca- pacité de conserver leur spin lors de la traversée de ces moyens. Dans le cas de structures CCP (figure 4) avec pinholes de métal non-magnétique (comme le cuivre), les électrons gardent une polarisation en spin significative à la traversée de la couche. Il en est de même pour les jonctions tunnel partiellement dégradées à points chauds (figure 5). Dans ces cas où la pola- risation en spin est conservée lorsque les électrons traversent cette couche à conductivité électrique latéralement inhomogène alors cette couche peut être située entre la couche de référence et la couche oscillante. La conservation en spin des électrons lors de la traversée de cette couche permet en effet de garder une amplitude de magnétorésistance importante. Dans les cas où la polarisation en spin des électrons est détruite lors de la traversée de cette couche à conductivité latérale inhomogène (cas de couches de GeMn, de ZnOCo, de CuGe), alors cette couche doit être située hors de la zone donnant naissance à la magnétorésistance de la structure, c'est-à-dire de la zone comprenant tout ou partie de la couche oscillante, l'espaceur et tout ou partie de la couche de référence afin de ne pas dégrader le signal de magnétorésistance de la structure.
Afin d'illustrer ce dernier paragraphe, la figure 6 représente de manière schématique un troisième mode de réalisation d'un oscillateur 40 selon l'invention dans lequel la couche 42 à fortes inhomogénéités latérales de conductivité est hors de la zone 48 donnant naissance à la magnétorésis- tance.
Plus précisément, l'oscillateur 40 comporte un empilement magné- tique E incluant successivement :
- une couche ferromagnétique de référence 45 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence), dite couche piégée ;
- une couche amagnétique 44 (non magnétique) de découplage, clas- siquement dénommée espaceur, par exemple en oxyde ;
- une couche ferromagnétique oscillante 43 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3
- une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité élec- trique 42.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 41 et 46 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 41 et 46 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Dans ce troisième mode de réalisation, la couche 42 de forte inhomogénéité latérale de conductivité est placée non pas entre la couche de réfé- rence 45 et la couche oscillante 43 mais à un autre endroit, ici au dos de la couche oscillante 43 c'est-à-dire du côté de la couche oscillante 43 opposé à l'espaceur 44 entre la couche oscillante 43 et la couche de référence 45. On notera que l'on pourrait également utiliser des nanocontacts au dos de la couche oscillante 45 ou intégrer la couche de forte inhomogénéité latérale de conductivité à l'intérieur de la couche oscillante. On pourrait également avoir une couche à forte inhomogénéité latérale de conductivité qui soit située dans la couche de référence ou au dos de celle-ci. Dans ce troisième mode de réalisation, il n'est pas nécessaire que les électrons conservent une grande partie de leur polarisation en spin en traversant la couche 42 de forte inhomogénéité latérale de conductivité car ils se repolarisent ensuite en traversant la couche oscillante 43 ou la couche de référence 45 (suivant le côté sur lequel a été placée la couche 42 à forte inhomogénéité de conductivité) ce qui permet à la magnétorésistance de rester importante. Dans ce mode de réalisation, l'espaceur 44 séparant la couche oscillante 43 de la couche de référence 45 doit assurer un bon découplage magnétique entre la couche oscillante 43 et la couche de référence 45. Cet espaceur 44 doit conserver une grande partie de la polarisation en spin des électrons pour que la magnétorésistance de l'oscillateur 40 soit importante.
La figure 7 illustre de manière schématique un quatrième mode de réalisation d'un oscillateur 100 selon l'invention.
L'oscillateur 100 comporte un empilement magnétique E incluant:
- Une couche antiferromagnétique de piégeage 107 ;
- une couche ferromagnétique de référence 106 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence), dite couche piégée ; cette couche 106 est ici à titre d'exemple une couche antiferromagnétique synthétique c'est-à-dire constituée de deux couches ferromagnétiques 106C et 106A couplées antiparallè- lement à travers une fine couche de couplage antiparallèle 106B ; la couche de référence 106 est ici piégée par la couche antiferromagnétique 107 ;
- une couche métallique non magnétique 105
- une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 104 ;
- une couche métallique non magnétique 103 ;
- une couche ferromagnétique oscillante 102 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 101 et 108 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 101 et 108 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique
E.
Selon ce quatrième mode de réalisation, la couche 104 à forte inhomogénéité latérale de conductivité comporte de chaque coté (on notera que cela pourrait uniquement d'un côté ou de l'autre) une ou des couches non magnétiques métalliques (par exemple en cuivre) 103 et 105 séparant res- pectivement la couche 104 à forte inhomogénéité de conductivité des couches ferromagnétiques oscillante 102 ou de référence 106. Ces couches non magnétiques additionnelles 103 et 105 permettent d'augmenter le découplage magnétique entre les couches oscillantes et de référence et peuvent s'avérer utiles du point de vue de la croissance de l'empilement E. On notera que la couche oscillante 102 peut aussi être formée d'une association de couches magnétiques comme par exemple CoFe1 nm/NiFe 2nm.
La figure 9 illustre de manière schématique un cinquième mode de réalisation d'un oscillateur 200 selon l'invention.
L'oscillateur 200 comporte un empilement magnétique E incluant suc- cessivement :
- un premier empilement magnétique E1 comportant successivement :
o une couche ferromagnétique de référence 208 de direction d'aimantation fixe
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 207 ;
o une couche ferromagnétique oscillante 206 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3 ;
espaceur de découplage magnétique 205 ;
deuxième empilement magnétique E2 comportant successivement : o une couche ferromagnétique oscillante 204 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 203 ;
o une couche ferromagnétique de référence 202 de direction d'aimantation fixe.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 201 et 209 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 201 et 209 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Selon ce cinquième mode de réalisation, la structure 200 comporte plusieurs couches oscillantes (deux dans le cas présent) et plusieurs couches à forte inhomogénéité latérale de conductivité (deux dans le cas présent). Les deux couches ferromagnétiques oscillantes 206 et 204 sont séparées par l'espaceur 205 destiné à réduire le couplage magnétique entre les deux couches ferromagnétiques oscillantes. Les deux couches à forte inhomogénéité latérale de conductivité 207 et 203 séparent chacune respectivement une couche ferromagnétique oscillante 206 et 204 d'une couche ferromagnétique de référence 208 et 202. Dans ce mode de réalisation, la magnétorésistance provient des deux empilements E1 et E2. Préférentielle- ment, les couches à forte inhomogénéité de conductivité 207 et 203 conservent le spin des électrons pour que la magnétorésistance soit importante.
On notera qu'une des couches oscillantes 206 ou 204 peut être remplacée par une couche antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches douces ferromagnétiques séparées par une couche de couplage antiferromagnétique (par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm comme bien connu de l'homme du métier). Ce sixième mode de réalisation est illustré en figure 10 ; dans ce cas, l'oscillateur 300 comporte un empilement magnétique E incluant successivement :
- un premier empilement magnétique E1 comportant successivement :
o une couche ferromagnétique de référence 310 de direction d'aimantation fixe
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 309 ;
o une couche oscillante antiferromagnétique synthétique 312 présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3 et comportant deux couches douces ferromagnétiques 308 et 306 séparées par une couche de couplage antiferromagnétique 307 ;
- un espaceur de découplage magnétique 305 ;
- un deuxième empilement magnétique E2 comportant successivement :
o une couche ferromagnétique oscillante 304 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 303 ;
o une couche ferromagnétique de référence 302 de direction d'aimantation fixe.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 301 et 31 1 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 301 et 31 1 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Les épaisseurs des deux couches ferromagnétiques 308 et 306 constitutives de la couche oscillante résultante pourront alors être avanta- geusement disymétrisées de sorte que l'effet du champ ampérien résultant agissant sur la couche ferromagnétique 308 au contact avec la couche à forte inhomogénéité latérale de conductivité 309 ait le bon signe pour que les oscillations se déclenchent dans la couche ferromagnétique au contact avec la couche à forte inhomogénéité latérale de courant. Les vortex qui se forment dans les deux couches 306 et 308 ont des chiralités opposées car ces deux couches sont couplées antiferromagnétiquement à travers la couche 307 (c'est-à-dire qu'un vortex tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre tourne dans le sens opposé). Ainsi, le champ ampérien créé par le courant renforce la formation d'un de ces deux vortex mais a tendance à empêcher la formation de l'autre. Donc si les épaisseurs des deux couches 306 et 308 sont égales, les vortex vont difficilement se former. Il est donc souhaitable que la couche dans laquelle le vortex a le bon sens par rapport au champ ampérien soit plus épaisse que celle dans laquelle le vortex s'oppose au champ ampérien de sorte que l'effet de la « bonne » couche (i.e. la couche dans laquelle le vortex a le bon sens par rapport au champ ampérien) l'emporte.
La figure 1 1 illustre un septième mode de réalisation d'un oscillateur 400 selon l'invention. Ici, les deux couches oscillantes sont chacune rem- placées par une couche antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches douces ferromagnétiques séparées par une couche de couplage antiferromagnétique.
L'oscillateur 400 comporte un empilement magnétique E incluant successivement :
- un premier empilement magnétique E1 comportant successivement : o une couche ferromagnétique de référence 412 de direction d'aimantation fixe
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 41 1 ;
o une couche oscillante antiferromagnétique synthétique 414 présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3 et comportant deux couches douces ferromagnétiques 410 et 408 séparées par une couche de couplage antiferromagnétique 409 ;
- un espaceur de découplage magnétique 407 ;
- un deuxième empilement magnétique E2 comportant successivement :
o une couche oscillante antiferromagnétique synthétique 415 présentant une configuration magnétique conforme aux explications données en référence aux figures 1 à 3 et comportant deux couches douces ferromagnétiques 406 et 404 séparées par une couche de couplage antiferromagnétique 405 ;
o une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 403 ;
o une couche ferromagnétique de référence 402 de direction d'aimantation fixe.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 401 et 413 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 401 et 413 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Comme pour le mode de réalisation de la figure 10, les épaisseurs des deux couches ferromagnétiques (respectivement 410 et 408 et 406 et 404) constitutives du sandwich antiferromagnétique synthétique pourront être avantageusement disymétrisées de sorte que l'effet du champ ampérien résultant agissant sur la couche ferromagnétique (respectivement 410 et 404) au contact avec la couche à forte inhomogénéité latérale de conductivité (respectivement 41 1 et 403) ait le bon signe pour que les oscillations se déclenchent dans la couche ferromagnétique au contact avec la couche à forte inhomogénéité latérale de courant.
La figure 12 illustre un huitième mode de réalisation d'un oscillateur 500 selon l'invention. L'oscillateur 500 comporte un empilement magnétique E incluant successivement :
- un premier sous-empilement E1 comprenant successivement :
o une première couche ferromagnétique de référence 508 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence), dite couche piégée ;
o une première couche amagnétique 507 (non magnétique) de découplage, classiquement dénommée espaceur, par exemple en oxyde ;
o une première couche ferromagnétique oscillante 506 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3 ;
- une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 505 ;
- un deuxième sous-empilement E2 comprenant successivement :
o une deuxième couche ferromagnétique oscillante 504 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3 ; o une deuxième couche amagnétique 503 (non magnétique) de découplage, classiquement dénommée espaceur ; o une deuxième couche ferromagnétique de référence 502 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence), dite couche piégée.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 501 et 509 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 501 et 509 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Selon ce dernier mode de réalisation, les deux couches ferromagnétiques oscillante 506 et 504 sont séparées par la couche 505 à forte inhomogénéité de conductivité. L'une et/ou l'autre des couches ferromagné- tiques peuvent être remplacées par une couche antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches ferromagnétiques couplées antiferroma- gnétiquement.
Comme nous l'avions mentionné plus haut, l'oscillateur selon l'invention peut également fonctionner avec deux couches oscillantes sans couche de référence, la seule condition étant que l'empilement magnétique comporte au moins deux couches magnétiques dont une est une couche oscillante avec une aimantation de direction variable. Une telle configuration est illustrée en figure 1 3 qui représente un oscillateur 600 selon un neu- vième mode de réalisation de l'invention.
L'oscillateur 600 comporte un empilement magnétique E incluant successivement :
- une couche tampon 605 ;
- une première couche ferromagnétique oscillante 604 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3 ;
- une couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 603 ;
- une deuxième couche ferromagnétique oscillante 602 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3 ;
- une couche de couverture 607.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 601 et 606 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 601 et 606 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Selon ce neuvième mode de réalisation, l'empilement E comporte au moins deux couches oscillantes 604 et 602 mais ne comporte plus de couche de références. Les électrons se polarisent en traversant une première couche oscillante et exerce un transfert de spin sur l'aimantation de la seconde couche oscillante en la traversant. Les oscillations résultent d'une compétition entre champ ampérien créé par le courant traversant la structure et transfert de spin d'une couche oscillante sur l'autre. L'empilement E comprend en outre un espaceur 603 constitué d'une couche à forte inhomogé- néité latérale de conductivité. La couche tampon 605 (par exemple en Ta, NiFeCr ou CuN) est une couche destinée à promouvoir une bonne croissance de l'empilement E. La couche de couverture 607 est une ou un ensemble de couches fonctionnelles nécessaires à l'élaboration et à la gravure du pilier magnétorésistif.
La figure 14 représente un dixième mode de réalisation d'un oscillateur 700 selon l'invention qui constitue une variante du mode de réalisation illustré en figure 1 3.
L'oscillateur 700 comporte un empilement magnétique E incluant successivement :
- une couche tampon 708 ;
- une première couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 707 ;
- une première couche ferromagnétique oscillante 706 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3 ;
- une couche amagnétique espaceur de découplage magnétique 705;
- une deuxième couche ferromagnétique oscillante 704 de direction d'aimantation variable et présentant une configuration magnétique telle que déjà décrites en référence aux figures 1 à 3 ;
- une deuxième couche à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique 703 ;
- une couche de couverture 702.
Cet empilement E formé par l'ensemble de couches ci-dessus est inséré entre deux électrodes 701 et 709 d'amenée de courant permettant de faire circuler un courant électrique d'intensité I perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques. Les deux électrodes 701 et 709 forment des moyens d'alimentation en courant aptes à faire circuler un cou- rant d'électrons perpendiculairement au plan de l'empilement magnétique E.
Comme pour le mode de réalisation précédent, l'empilement E comporte à nouveau au moins deux couches oscillantes 706 et 704 mais ne comporte plus de couche de références. Les électrons se polarisent en traversant une couche oscillante et exerce un transfert de spin sur l'aimantation de l'autre couche oscillante en la traversant. Les oscillations résultent d'une compétition entre champ ampérien créé par le courant traversant la structure et transfert de spin d'une couche oscillante sur l'autre. Les couches à forte inhomogénéité de conductivité 707 et 703 sont situées non pas entre les deux couches oscillantes 706 et 704 mais à l'extérieur des couches ferromagnétiques oscillantes du côté opposé par rapport à l'espaceur 705 de découplage magnétique les séparant ; on notera que les couches à forte inhomogénéité de conductivité 707 et 703 pourraient également se situées à l'intérieur des couches oscillantes.
Dans ces deux derniers modes de réalisation (figures 13 et 14), l'une ou plusieurs des couches oscillantes peuvent aussi être des couches antiferromagnétiques synthétiques.
Comme nous l'avons vu précédemment, il est préférable que la forme de l'oscillateur selon l'invention ait une symétrie sensiblement cylindrique si on cherche à exploiter le signal fondamental d'excitation. Mais d'autres formes sont possibles si on cherche à amplifier les signaux des harmoniques.
Ainsi, il est possible d'augmenter l'amplitude de certains harmoniques en réalisant une structure de section non pas sensiblement circulaire, mais de type elliptique, ou ayant au moins 3 lobes et une symétrie axiale, formant ainsi une fleur à 3, 4 pétales (forme 800 illustrée en figure 1 5) ou plus afin d'amplifier les non-uniformités du mouvement du cœur de vortex. Lorsque la section de la structure n'est pas circulaire mais présente des parties plus al- longées (comme les pétales d'une fleur), le cœur du vortex va s'accrocher dans ces parties allongées plus longtemps. Ainsi, au lieu d'effectuer une rotation uniforme, le vortex va plutôt sauter d'un pétale à l'autre renforçant ainsi les harmoniques correspondant au nombre de « pétales ». Cela conduit à une amplification d'harmoniques supérieures permettant ainsi de travailler à des fréquences significativement plus élevées que le mode fondamental.
Bien entendu, l'oscillateur selon l'invention n'est pas limité aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre indicatif et nullement limitatif en référence aux figures.

Claims

REVENDICATIONS
Oscillateur (30) à transfert de spin comportant :
un empilement magnétique (E) incluant au moins deux couches magnétiques (32,34) dont au moins une desdites deux couches magnétiques, dite couche oscillante (32), a une aimantation de direction variable ;
des moyens d'alimentation (31 , 35) en courant aptes à faire circuler un courant d'électrons perpendiculairement au plan dudit empilement magnétique (E) ;
ledit empilement magnétique (E) comportant des moyens (33) aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante, ledit oscillateur (30) étant caractérisé en ce que l'intensité de courant (lVortex_dynamiqUe) fourni par lesdits moyens d'alimentation (31 , 35) est choisie de sorte que l'aimantation de ladite couche oscillante présente une configuration magnétique cohérente (10), ladite configuration magnétique (10) oscillant dans son ensemble à une même fréquence fondamentale.
Oscillateur (30, 50) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante sont formés par une couche (33, 53) présentant de fortes inhomogénéités de conductivité apte à générer dans ladite couche oscillante (32) de fortes inhomogénéités latérales de courant.
Oscillateur (30, 50) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite couche (33, 53) présentant de fortes inhomogénéités de conductivité apte à générer dans ladite couche oscillante (32) de fortes inhomogénéités latérales de courant est une couche caractérisée par des fluctuations de plus d'un facteur 10 de conductivité entre ses zones les plus conductrices et ses zones les moins conductrices. Oscillateur (30) selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que ladite couche (33) présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est une couche isolante intégrant des chemins métalliques (36).
Oscillateur (50) selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que ladite couche (53) présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est une jonction tunnel intégrant des chemins conducteurs (56) obtenus par exposition de ladite jonction à une tension adaptée.
Oscillateur selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité est réalisée à base d'un mélange de deux matériaux ayant des conductivités différentes et aptes à démixer sous l'effet d'un recuit pour former localement des chemins plus conducteurs que sur le reste de la couche.
Oscillateur selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que ladite couche présentant de fortes inhomogénéités de conductivité présente un rapport supérieur ou égal à 10 de conductivité entre ses zones les plus conductrices et ses zones les moins conductrices.
Oscillateur (100) selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que ladite couche (104) présentant de fortes inhomogénéités de conductivité comporte en contact avec au moins l'une de ses faces une couche (103, 105) non magnétique métallique.
Oscillateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante sont formés par une pluralité de nanocontacts.
10. Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ladite configuration magnétique cohérente est une configuration de type vortex magnétique, anti-vortex magnétique, multivortex ou « C- state » ou une combinaison de ces configurations.
1 1 . Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 1 0 caractérisé en ce que ledit empilement magnétique a une forme de pilier dont la section possède l'une des formes suivantes :
- circulaire ;
- elliptique ;
- annulaire ;
- forme à symétrie axiale comportant au moins trois lobes. 1 2. Oscillateur selon la revendication précédente caractérisé en ce que le diamètre dans le cas d'une section circulaire, annulaire ou en forme de fleur et le plus grand des deux diamètres dans le cas d'une cellule de forme elliptique est compris entre 1 0 nm et 500 nm et préférentiel- lement compris entre 1 00 et 500 nm.
13. Oscillateur (30) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite couche oscillante (32) présente une section sensiblement circulaire de rayon R et une épaisseur L, le rapport L/R étant choisi en fonction de la fréquence de travail de l'oscillateur.
14. Oscillateur (30) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit empilement magnétique (E) comporte successivement :
- une couche (34) magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
- une couche (33) à fortes inhomogénéités latérales de conductivité électrique ; - ladite couche magnétique oscillante (32) de direction d'aimantation variable.
15. Oscillateur (200) selon la revendication 14 caractérisé en ce que ledit empilement magnétique (E) comporte successivement deux sous- empilements magnétiques (E1 , E2) séparés par une couche de découplage magnétique (205), chacun des deux sous-empilements (E1 , E2) intégrant :
- une couche (208, 202) magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
- une couche (207, 203) à fortes inhomogénéités latérales de conduc- tivité électrique ;
- une couche (206, 204) magnétique oscillante de direction d'aimantation variable.
16. Oscillateur (40) selon l'une des revendications 1 à 1 3 caractérisé en ce que ledit empilement (E) magnétique comporte un sous- empilement magnétique (48) incluant successivement :
- une couche (45) magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ;
- une couche (44) amagnétique de découplage ;
- ladite couche magnétique oscillante (43) de direction d'aimantation variable ;
lesdits moyens (42) aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite couche oscillante (43) étant localisés à l'extérieur dudit sous-empilement (48).
17. Oscillateur (500) selon l'une des revendications 1 à 1 3 caractérisé en ce que ledit empilement magnétique (E) comporte deux sous- empilements magnétiques (E1 , E2), chaque sous-empilement (E1 ,
E2) incluant successivement :
- une couche (508, 502) magnétique de référence de direction d'aimantation fixe ; une couche (507, 503) amagnétique de découplage ;
une couche (506, 504) magnétique oscillante de direction d'aimantation variable ;
lesdits deux sous-empilements (E1 , E2) étant séparés par une couche (505) présentant de fortes inhomogénéités de conductivité.
18. Oscillateur (600) selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que ledit empilement magnétique (E) comporte deux couches (602, 604) ferromagnétiques oscillantes de direction d'aimantation va- riable séparées par lesdits moyens (603) aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface desdites couches oscillantes (602, 604).
19. Oscillateur (700) selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que ledit empilement (E) magnétique comporte :
- un sous-empilement magnétique (E1 ) incluant successivement :
o une première couche magnétique oscillante (706) de direction d'aimantation variable ;
o une couche (705) amagnétique de découplage ;
o une deuxième couche magnétique oscillante (704) de direction d'aimantation variable ;
- des premiers moyens (707) aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite première couche oscillante (706) ;
- des deuxièmes moyens (703) aptes à générer des inhomogénéités de courant au niveau de la surface de ladite deuxième couche oscillante (704) ;
lesdits premiers et deuxièmes moyens (707, 703) aptes à générer des inhomogénéités de courant étant localisés à l'extérieur dudit sous- empilement (E1 ).
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