RU2690217C1 - Спинтронное устройство генерирования сверхвысокочастотных колебаний - Google Patents
Спинтронное устройство генерирования сверхвысокочастотных колебаний Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690217C1 RU2690217C1 RU2018118058A RU2018118058A RU2690217C1 RU 2690217 C1 RU2690217 C1 RU 2690217C1 RU 2018118058 A RU2018118058 A RU 2018118058A RU 2018118058 A RU2018118058 A RU 2018118058A RU 2690217 C1 RU2690217 C1 RU 2690217C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spin
- layer
- frequency divider
- phase detector
- current source
- Prior art date
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 46
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 abstract 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 3
- 230000005418 spin wave Effects 0.000 description 3
- 229910000521 B alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Co] Chemical compound [B].[Fe].[Co] ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001313 Cobalt-iron alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
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
- 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
Landscapes
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам генерирования и формирования СВЧ радиосигналов. Технический результат - увеличение мощности и стабильности выходных колебаний. Для этого в устройство генерирования СВЧ колебаний, содержащее спин-трансферный генератор 1, состоящий из последовательно закрепленных друг на друге первого электрода 11, адгезионного слоя 12, антиферромагнитного слоя 13, первого ферромагнитного слоя 14, изолирующего слоя 15, второго ферромагнитного слоя 16, промежуточного слоя 17, свободного слоя 18 и второго электрода 19, введены усилитель мощности 2, мост 3, первый делитель частоты 4, фазовый детектор 5, фильтр 6, источник тока 7, опорный кварцевый генератор 8 и второй делитель частоты 9. При этом спин-трансферный генератор 1 через последовательно соединенные усилитель мощности 2, мост 3 и первый делитель частоты 4 подключен к фазовому детектору 5. К фазовому детектору 5 через второй делитель частоты 9 подключен опорный кварцевый генератор 8. При этом выход фазового детектора 5 через последовательно подключенные фильтр 6 и источник тока 7 подключен к спин-трансферному генератору 1. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам генерирования и формирования СВЧ радиосигналов и может быть использовано, например, в качестве перестраиваемого генератора в синтезаторах частот.
Известно устройство спин-трансферный генератор [1], состоящее из трех слоев: ферромагнитного слоя с фиксированной намагниченностью, промежуточного немагнитного слоя и ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью. Протекающий через это устройство постоянный ток высокой плотности за счет эффекта спинового переноса момента поляризуется по спину и приводит к прецессии намагниченности ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью. Прецессия намагниченности за счет эффекта гигантского магнетосопротивления приводит к осцилляциям сопротивления трехслойной структуры в СВЧ диапазоне.
Недостаток этого устройства заключается в низкой мощности колебаний, вызванной низким переменным сопротивлением спин-трансферного генератора. Мощность составляет порядка нескольких нановатт.
Известно также спин-волновое устройство [2], которое содержит первый электрод, адгезионный слой, антиферромагнитный слой, первый ферромагнитный слой, изолирующий слой, второй ферромагнитный слой, промежуточный слой, свободный слой и второй электрод. Дополнительные слои необходимы для повышения сопротивления спин-волнового устройства.
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Первый недостаток этого устройства заключается в низкой мощности колебаний. Максимальная мощность может достигать нескольких микроватт.
Второй недостаток заключается в низкой стабильности колебаний, вызванных неравномерной плотностью тока, протекающего через спин-трансферный генератор.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в увеличении мощности и стабильности выходных колебаний.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройство генерирования СВЧ колебаний, содержащее спин-трансферный генератор, состоящий из последовательно закрепленных друг на друге первого электрода, адгезионного слоя, антиферромагнитного слоя, первого ферромагнитного слоя, изолирующего слоя, второго ферромагнитного слоя, промежуточного слоя, свободного слоя и второго электрода, введены усилитель мощности, мост, первый делитель частоты, фазовый детектор, фильтр низких частот, источник тока, опорный кварцевый генератор и второй делитель частоты. При этом спин-трансферный генератор через последовательно соединенные усилитель мощности, мост и первый делитель частоты подключен к фазовому детектору. К фазовому детектору через второй делитель частоты подключен опорный кварцевый генератор. При этом выход фазового детектора через последовательно подключенные фильтр низких частот и источник тока подключен к спин-трансферному генератору.
Существует вариант, в котором в качестве источника тока используют прецизионный источник тока с малым шагом перестройки.
Существует вариант, в котором перестроечная характеристика источника тока соответствует нелинейной регулировочной характеристике спин-трансферного генератора. Устройство генерирования СВЧ колебаний содержит спин-трансферный генератор 1 (фиг. 1), который включен в цепь фазовой автоподстройки с усилителем мощности 2, состоящей из моста 3, первого делителя частоты 4, фазового детектора 5, фильтра низких частот 6, источника тока 7, опорного кварцевого генератора 8 и второго делителя частоты 9. Первый делитель частоты 4 и второй делитель частоты 9 могут представлять собой микросхемы, выполненные по технологии ТТЛ КМОП, с задающимися оператором коэффициентами деления [3]. Опорный кварцевый генератор 8 термокомпенсирован или термостатирован, его частота может быть выбрана порядка 10 МГц [4]. Выход опорного кварцевого генератора 8 через второй делитель частоты 9 подключен к фазовому детектору 5, который представляет собой комбинацию умножающих и смешивающих диодов, реализованных в виде одной микросхемы [3]. Выход фазового детектора 5 подключен к фильтру низких частот 6, который является фильтром нижних частот. Выход фильтра 6 подключен к источнику тока 7. Источник тока 7 подключен к спин-трансферному генератору 1, который через усилитель мощности 2, мост 3 и первый делитель частоты 4 подключен к фазовому детектору 5. Усилитель мощности 2 представляет собой трехкаскадную схему усиления с высоким входным сопротивлением, выполненной по технологии КМОП. Мост 3 содержит два выхода, первый подключен к входу фазового детектора 5, второй служит для подключения полезной нагрузки. Спин-трансферный генератор 1, представляющий собой многослойную структуру типа «наностолб» с диаметром 50-200 нм [5], состоит из последовательно закрепленных друг на друге первого электрода 11 (фиг. 2), адгезионного слоя 12, антиферромагнитного слоя 13, первого ферромагнитного слоя 14, изолирующего слоя 15, второго ферромагнитного слоя 16, промежуточного слоя 17, свободного слоя 18, второго электрода 19. К первому электроду 11 подключается выход источника тока 7, второй электрод 20 подключается к входу усилителя мощности 2. Первый электрод 11 и второй электрод 20 выполнены из проводящего материала, например, меди. Толщина электродов 10-100 нм, площадь неограниченна. Адгезионный слой 12 имеет толщину 1-5 нм и выполнен, например из тантала. Антиферромагнитный слой 13 выполнен из сплава платины с марганцом (PtMn) или иридия с марганцем (IrMn). Его толщина составляет 10-30 нм. Первый ферромагнитный слой 14 и второй ферромагнитный слой 16 имеют толщину 10-20 нм. Первый ферромагнитный слой 14 выполнен из сплава кобальта с железом (CoFe), второй ферромагнитный слой 16 выполнен из сплава кобальт-железо-бор (CoFeB). Изолирующий слой 15 имеет толщину 1-5 нм и выполнен из немагнитного материала, например рутения (Ru). Промежуточный слой 17 выполнен из оксида магния (MgO), его толщина составляет 1-5 нм. Свободный слой 18 выполнен из ферромагнитного материала, например сплава кобальт-железо-бор, его толщина составляет от 3 до 15 нм. Спин-трансферный генератор 1 получают методом напыления, травления, литографии и планаризации.
Устройство работает следующим образом. Включают источник тока 7, при этом на вход спин-трансферного генератора 1 поступает постоянный ток. Таким образом, задается рабочая точка спин-трансферного генератора 1. В спин-трансферном генераторе 1 за счет эффекта гигантского магнетосопротивления и эффекта спинового переноса тока генерируются СВЧ колебания, обладающие малой стабильностью. Эти колебания попадают на вход усилителя мощности 2, где происходит усиление их мощности. Далее колебания попадают на вход моста 3, где сигнал делится на две равные части. Первая является полезным выходным сигналом, а вторая попадает на вход первого делителя частоты 4, где через заданный оператором коэффициент деления приводится к частоте сравнения, равной частоте колебаний опорного кварцевого генератора 8, деленной на значение коэффициента деления во втором делителе частоты 9. В фазовом детекторе 5 происходит сравнение текущих фаз двух колебаний на частоте сравнения - колебаний опорного кварцевого генератора 8 и колебаний спин-трансферного генератора 1. На выходе фазового детектора 5 создается постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз опорного кварцевого генератора 8 и спин-трансферного генератора 1. Зависимость выходного напряжения от разности фаз определена типом детекторной характеристики фазового детектора 5. Подключенный к фазовому детектору 5 фильтр низких частот 6 блокирует все высокочастотные составляющие напряжения. Источник тока 7 по заданной характеристике (фиг. 3) преобразует входное напряжение в выходной ток, который может быть больше, или меньше тока в рабочей точке. Новое значение тока попадает на вход спин-трансферного генератора 1 и меняет его частоту (фиг. 4). Таким образом, происходит подстройка частоты спин-трансферного генератора 1 к частоте опорного кварцевого генератора 8. Это приводит к увеличению стабильности выходного колебания.
Введение цепи фазовой автоподстройки с усилителем позволяет перераспределить энергию выходных колебаний спин-трансферного генератора и максимизировать ее значение на выбранной частоте. Перераспределение энергии также приводит к увеличению стабильности колебаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США 8,174,798 Spin-torque oscillator, a magnetic sensor and a magnetic recording system (аналог)
2. Патент США 8,476,724 Spin wave device (прототип)
3. Л.А. Белов. Радиоэлектроника. Формирование стабильных частот и сигналов. - М.: Издательство Юрайт.2018. - 242 с.
4. Л.А. Белов. Опорные генераторы. Электроника: наука, технология, бизнес.2010. №6. С. 38-44.
5. Т. Chen Т., R.K. Dumas, A. Eklund, Р.K. Muduli, A. Houshang, А.A. Awad, 
, В.G. Malm, A. Rusu, and 
. Spin-torque and spin-hall nano-oscillators // Proc. of IEEE. 2016. Vol. 104. No. 10. pp. 1919-1945.
Claims (3)
1. Устройство генерирования СВЧ колебаний, содержащее спин-трансферный генератор, состоящий из последовательно закрепленных друг на друге первого электрода, адгезионного слоя, антиферромагнитного слоя, первого ферромагнитного слоя, изолирующего слоя, второго ферромагнитного слоя, промежуточного слоя, свободного слоя и второго электрода, отличающееся тем, что в устройство введены усилитель мощности, мост, первый делитель частоты, фазовый детектор, фильтр низких частот, источник тока, опорный кварцевый генератор и второй делитель частоты, при этом спин-трансферный генератор через последовательно соединенные усилитель мощности, мост и первый делитель частоты подключен к фазовому детектору, к которому через второй делитель частоты подключен опорный кварцевый генератор, при этом выход фазового детектора через последовательно подключенные фильтр низких частот и источник тока подключен к спин-трансферному генератору.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника тока используют прецизионный источник тока с малым шагом перестройки.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перестроечная характеристика источника тока соответствует нелинейной регулировочной характеристике спин-трансферного генератора.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018118058A RU2690217C1 (ru) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Спинтронное устройство генерирования сверхвысокочастотных колебаний |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018118058A RU2690217C1 (ru) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Спинтронное устройство генерирования сверхвысокочастотных колебаний |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2690217C1 true RU2690217C1 (ru) | 2019-05-31 |
Family
ID=67037678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018118058A RU2690217C1 (ru) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Спинтронное устройство генерирования сверхвысокочастотных колебаний |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2690217C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU310202A1 (ru) * | И. А. Дерюгин, Г. А. Мелков , М. А. Сигал | ЗО--СОЮ ЗНАЯ Я>& Г:КТН? TCIi^-iMHi^MA»ь^^лно гкА I | ||
| US4758800A (en) * | 1987-04-02 | 1988-07-19 | Raytheon Company | Low noise magnetically tuned resonant circuit |
| US7764136B2 (en) * | 2005-03-18 | 2010-07-27 | Japan Science And Technology Agency | Microwave transmission line integrated microwave generating element and microwave transmission line integrated microwave detecting element |
| US8174798B2 (en) * | 2008-09-30 | 2012-05-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Spin-torque oscillator, a magnetic sensor and a magnetic recording system |
| US8476724B2 (en) * | 2010-09-14 | 2013-07-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Spin wave device |
-
2018
- 2018-05-16 RU RU2018118058A patent/RU2690217C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU310202A1 (ru) * | И. А. Дерюгин, Г. А. Мелков , М. А. Сигал | ЗО--СОЮ ЗНАЯ Я>& Г:КТН? TCIi^-iMHi^MA»ь^^лно гкА I | ||
| US4758800A (en) * | 1987-04-02 | 1988-07-19 | Raytheon Company | Low noise magnetically tuned resonant circuit |
| US7764136B2 (en) * | 2005-03-18 | 2010-07-27 | Japan Science And Technology Agency | Microwave transmission line integrated microwave generating element and microwave transmission line integrated microwave detecting element |
| US8174798B2 (en) * | 2008-09-30 | 2012-05-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Spin-torque oscillator, a magnetic sensor and a magnetic recording system |
| US8476724B2 (en) * | 2010-09-14 | 2013-07-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Spin wave device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9461586B2 (en) | Spintronic oscillator, and use thereof in radiofrequency devices | |
| Chen et al. | Spin-torque and spin-Hall nano-oscillators | |
| Villard et al. | A GHz spintronic-based RF oscillator | |
| Mistral et al. | Current-driven microwave oscillations in current perpendicular-to-plane spin-valve nanopillars | |
| Grollier et al. | Synchronization of spin-transfer oscillators driven by stimulated microwave currents | |
| Rippard et al. | Direct-current induced dynamics in C o 90 F e 10/N i 80 F e 20 point contacts | |
| Tamaru et al. | Extremely coherent microwave emission from spin torque oscillator stabilized by phase locked loop | |
| US8598957B2 (en) | Oscillators and methods of manufacturing and operating the same | |
| US20100308923A1 (en) | Magnetic voltage controlled oscillator | |
| US8577320B2 (en) | Oscillation detector | |
| Williame et al. | Chaotic dynamics in a macrospin spin-torque nano-oscillator with delayed feedback | |
| US8583073B2 (en) | Mixer and frequency converting apparatus | |
| JP4551973B1 (ja) | 周波数変換装置 | |
| US20120268214A1 (en) | Synthesizer of an oscillating signal | |
| JP5233201B2 (ja) | 磁気デバイス及び周波数検出器 | |
| US20130057356A1 (en) | Magnetoresistive radiofrequency oscillator and method for generating an oscillating signal | |
| JP2021504963A (ja) | 周波数センサ | |
| Albertsson et al. | A magnetic field-to-digital converter employing a spin-torque nano-oscillator | |
| Tomasello et al. | Dynamical properties of three terminal magnetic tunnel junctions: Spintronics meets spin-orbitronics | |
| US20130057357A1 (en) | Magnetoresistive radiofrequency oscillator and method for generating an oscillating signal | |
| RU2690217C1 (ru) | Спинтронное устройство генерирования сверхвысокочастотных колебаний | |
| US20120049966A1 (en) | Oscillators and method of operating the same | |
| Chen et al. | Synchronization of spin torque nano-oscillators through dipolar interactions | |
| Chen et al. | Synchronization of spin-torque nano-oscillators from an induced corrugated attractor | |
| Artemchuk et al. | Measurement of microwave signal frequency by a pair of spin-torque microwave diodes |