TW201349734A - 奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列及其製造方法與操作方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列製造方法及操作方法。一基本奈米自旋力矩震盪器單元包含一釘紮層、一自由層及一參考層。另各有一電極設於釘紮層及參考層上。直流電流通過釘紮層後產生自旋極化，並藉由自旋動量轉移效應與自由層之磁化單元產生耦合而使自由層之磁化單元產生震盪並輸出一震盪訊號。為使震盪訊號能更增強，本發明提出一種利用相鄰兩磁偶極交互作用而使震盪訊號產生同步進而能放大震盪訊號之奈米自旋力矩震盪器串聯及並聯陣列。

Description

奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列及其製造方法與操作方法

一種奈米自旋力矩震盪器陣列、其製造方法及其操作方法，尤其是指一種利用磁偶極交互作用而使震盪訊號放大之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列、其製造方法及其操作方法。

磁性物質震盪器是近年來頗受學界及產業界關注的題材之一。由於其產生震盪所需能量小，且為使磁交互作用能有效運用，其元件體積多半屬於奈米等級，加之其使用現今之積體電路製程技術就可以製作出來，因此能與固態電路做很好整合從而使整個電子元件體積能更縮小。

自旋角動量轉移效應於西元1996年被提出。兩磁性物質之間的交互作用發生於一厚度較厚且磁化單元被固定住的第一磁性物質與厚度較薄且磁化單元為自由狀態的第二磁性物質間。於兩磁性物質間可加入一導電金屬層或可加入一絕緣穿隧層。輸入一直流電流通過第一磁性物質，第一磁性物質的磁異向性使直流電流的傳導電子產生自旋極化。自旋極化的電子通過第二磁性物質後，產生一自旋力矩作用於第二磁性物質的磁化單元，此即自旋角動量轉移效應(Spin-Torque Transfer Effect)。透過此角動量轉移效應，第二磁性物質之磁化單元產生離開平面(Out-Of-Plane)之進動(Precession)而產生陀螺磁震盪(Gyromagnetic Oscillation)。此震盪產生一震盪頻 率，此頻率可到達GHz範圍，故此種磁性物質震盪器可為微波元件。

雖然此種磁震盪器單一個組成即可發出頻率，但其訊號太微弱且容易受到外界雜訊干擾。如何增強其震盪訊號是一重要發展方向。

因此，本發明是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法、結構及操作方法。

為達成本發明目的，本發明之方法態樣之第一實施方式，是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法。首先形成複數個奈米自旋力矩震盪器單元。每個奈米自旋力矩震盪器單元，依序包含一底層電極、一釘紮層、一自由層、一參考層及一頂層電極。釘紮層形成於底層電極上，其中釘紮層具有垂直磁異向性而使釘紮層之磁化單元方向垂直於該釘紮層平面。自由層形成於釘紮層上，其中自由層之最小邊長遠大於自由層之厚度而使自由層具有水平磁異向性進而使自由層之磁化單元方向平行於自由層平面。參考層形成於自由層上。最後，頂層電極形成於參考層上。將複數個奈米自旋力矩震盪器單元其中之一奈米自旋力矩震盪器單元之頂層電極與另一奈米自旋力矩震盪器單元之底層電極依序連接而形成一串聯陣列。

本發明之方法態樣之第一實施方式，各相鄰兩奈米自旋 力矩震盪器單元之參考層具有反平行方向之磁化單元。

本發明之方法態樣之第一實施方式，奈米自旋力矩震盪 器單元之釘紮層及自由層材質可為鐵磁性材料。另外，奈米自旋力矩震盪器單元之參考層材質可為反鐵磁性材料。

本發明之結構態樣之第一實施方式，是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列。奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列包含複數個奈米自旋力矩震盪器單元，其中每一奈米自旋力矩震盪器單元包含一底層電極、一釘紮層形成於底層電極上、一自由層形成於釘紮層上、一參考層形成於自由層上及一頂層電極形成於參考層上。複數個奈米自旋力矩震盪器單元其中之一奈米自旋力矩震盪器單元之頂層電極與另一奈米自旋力矩震盪器單元之底層電極依序連接而形成一串聯陣列。

本發明之結構態樣之第一實施方式，其中各奈米自旋力矩震盪器單元之釘紮層與自由層之間及自由層與參考層之間具有一非磁性介面層。且磁性介面層可為導電金屬層或穿隧絕緣層。

本發明之方法態樣之第二實施方式，是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列的操作方法。其包含：輸入一直流電流，直流電流方向為由各奈米自旋力矩震盪器單元之釘紮層流向自由層。直流電流通過該釘紮層後，傳導電子產生自旋極化。自旋極化電子通過該自由層時，基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩並作用於該自由層之該磁化單元上。在自由層平面上之磁化單元受此自旋力矩影響而由起始之平行於自由層平面方向開始產生環繞著自由層平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪並產生一震盪訊號。各相鄰兩奈米自旋力矩震盪器單元透過磁偶極交 互作用產生同步而使各自旋力矩震盪器單元產生之震盪訊號放大。

本發明之方法態樣之第二實施方式。各相鄰兩奈米自旋力矩震盪器單元之自由層之間可保持一定距離以使訊號能同步放大且不會影響單一個奈米自旋力矩震盪器單元。

本發明之方法態樣之第三實施方式，是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法。首先形成一第一陣列單元，其步驟包含：形成一第一底層電極。形成一第一參考層於第一底層電極上，形成一第一自由層及一第二自由層。其中第一自由層及第二自由層平行設置於第一參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙。形成一第一釘紮層及一第二釘紮層，其中第一釘紮層設於第一自由層上，第二釘紮層設於第二自由層上。形成一第一反鐵磁層於第二釘紮層上，最後形成一第一頂層電極於第一反鐵磁層上。接著形成一第二陣列單元，其步驟包含：形成一第二底層電極。形成一第二參考層於第二底層電極上。形成一第三自由層及一第四自由層，其中第三自由層及第四自由層平行設置於第二參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙。形成一第三釘紮層及一第四釘紮層，其中第三釘紮層設於第三自由層上，第四釘紮層設於第四自由層上。形成一第二反鐵磁層於第四釘紮層上。最後形成一第二頂層電極於第二反鐵磁層上。將第一陣列單元與第二陣列單元間隔平行排列形成一並聯陣列，其中第一陣列單元與第 二陣列單元間具有一間隙。

本發明之方法態樣之第三實施方式，其中第一釘紮層 之磁化單元與第二釘紮層之磁化單元方向為反平行。另外，第三釘紮層之磁化單元與第四釘紮層之磁化單元方向為反平行。

本發明之方法態樣之第三實施方式，其中於第一自由層與第二自由層間之間隙、第三自由層與第四自由層間之間隙及第一陣列單元與第二陣列單元間之間隙填入非導體化合物以為隔離之用。另外，第一釘紮層、第一自由層、第二釘紮層、第二自由層、第三釘紮層、第三自由層、第四釘紮層及第四自由層材質可為鐵磁性材料。

本發明之結構態樣之第二實施方式，是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列。其包含一第一陣列單元及一第二陣列單元。第一陣列單元包含：一第一底層電極；一第一參考層設於第一底層電極上；一第一自由層及一第二自由層平行設置於該第一參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙；一第一釘紮層設於第一自由層上，一第二釘紮層設於第二自由層上；一第一反鐵磁層，設於第二釘紮層上及一第一頂層電極，設於第一反鐵磁層上。第二陣列單元包含：一第二底層電極；一第二參考層設於第二底層電極上；一第三自由層及一第四自由層平行設置於第二參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙；一第三釘紮層設於第三自由層上，一第四釘紮層設於第四自由層上；一第二反鐵磁層，設於第四釘紮層上及一第二頂層電極，設於第二反鐵磁層上。第一陣列單元與第二陣列單元間隔平行排列形成一並聯陣列，其中第一陣列單元與第二陣列單元間具有一間隙。

本發明之結構態樣之第二實施方式，其中第一參考層與第一自由層、第一自由層與第一釘紮層、第一參考層與第二自由層及第二自由層與第二釘紮層之間皆有一非磁性介面層。另外，第二參考層與第三自由層、第三自由層與第三釘紮層、第二參考層與第四自由層及第四自由層與第四釘紮層之間皆有一非磁性介面層。

本發明之結構態樣之第二實施方式，其中非磁性介面層為一金屬導電層或為一絕緣穿隧層。

本發明之結構態樣之第二實施方式，其中第一參考層更包含一第一鐵磁層、一非磁性介面層、一第二鐵磁層及一第三反鐵磁層。另外，第二參考層更包含一第三鐵磁層、一非磁性介面層、一第四鐵磁層及一第四反鐵磁層。

本發明之方法態樣之第四實施方式，是在提供一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列的操作方法，其步驟包含：將第一陣列單元之第一頂層電極與該第二陣列單元之該第二底層電極連接，並將第二陣列單元之第二頂層電極與第一陣列單元之該第一底層電極連接而形成一串聯迴路。輸入一直流電流，直流電流方向不論對第一陣列單元或是第二陣列單元而言，皆為由釘紮層流向自由層。先以第一陣列單元說明之，透過第一釘紮層及第二釘紮層，使直流電流之傳導電子產生自旋極化。自旋極化電子基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩並作用於第一自由層之磁化單元及第二自由層之磁化單元上。在第一自由層平面之磁化單元及第二自由層平面上之磁化單元受此自旋力矩影響而由起始之平行於第一自由層平面方向及第二自由 層平面方向開始產生環繞著第一自由層平面垂直軸及第二自由層平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪並各自產生一震盪訊號。透過第一反鐵磁層的影響使位於第一陣列單元之第二釘紮層之磁化單元方向與第一釘紮層之磁化單元方向反平行，進而使得第一自由層之磁化單元與第二自由層之磁化單元產生反向之震盪而使第一自由層與第二自由層透過磁偶極交互作用產生同步而使震盪訊號放大。第二陣列單元操作方法同於第一陣列單元，並透過第一陣列單元與第二陣列單元並聯而使第一陣列單元與第二陣列單元產生磁偶極交互作用進而使各自產生之震盪訊號能更放大。

本發明提供一種以一基本之奈米自旋力矩震盪器單元進行串聯或並聯的製造方法、結構及操作方法。本發明之奈米自旋力矩震盪器單元結構中，自由層最小邊長遠大於自由層厚度而使自由層具有非常強烈之水平磁異向性，使自由層之磁化單元起始方向平行於自由層平面。如此使自由層之磁化單元位於能量最小位置。此使本發明之奈米自旋力矩震盪器不須外加場且只需要小電流就可使震盪產生，而使本發明之利用性大為增加。透過本發明之奈米自旋力矩震盪器串聯陣列，可使串聯陣列其中之一奈米自旋力矩震盪器單元與另一奈米自旋力矩震盪器單元透過磁偶極交互作用產生耦合而使震盪訊號放大。並且利用本發明之奈米自旋力矩震盪器並聯結構，先使一奈米自旋力矩震盪器與另一與其並聯之奈米自旋力矩震盪器產生磁偶極交互作用而將訊號放大，再利用兩陣列單元先並聯後串聯方式而使訊號能更放大。

請參照第1圖，第1圖為一基本奈米自旋力矩震盪器單元100的結構圖。一第一電極110上設有一釘紮層120。釘紮層120包含一磁性層121及一極化增益層122。釘紮層120之磁性層121及極化增益層122具有非常強的垂直磁異向性。極化增益層122目的為加強電子自旋極化之用。釘紮層120上設有一非磁性介面層130。一自由層140設於非磁性介面層130上。非磁性介面層130為一導電但不導磁之金屬導電層，或是一極薄之絕緣層穿隧層。自由層140上設有一第二電極150。

請繼續參照第2圖，第2圖為單一奈米自旋力矩震盪器單元N操作方法示意圖。由第一電極110注入一直流電流I。直流電流I通過具強烈垂直磁異向性之釘紮層120，使傳導電子產生自旋極化。透過自旋角動量轉移效應，一自自旋力矩(Spin Torque)產生並作用於自由層140之磁化單元m1上。自由層140之磁化單元m1起始方向為在自由層140平面上並平行於自由層140平面(In-Plane)。當磁化單元m1受到自旋力矩作用時，將產生離開平面(Out-of-plane)之陀螺磁震盪。參考層200包含一第一鐵磁層221、一第二鐵磁層223及一反鐵磁層230。反鐵磁層230與自由層140產生交互作用造成磁阻變化之增益而讀取出震盪訊號。第一鐵磁層221和第二鐵磁層223具有反平行磁化方向，此能抵消來自於漏磁場的干擾而使自由層140之磁化單元m1形成之陀螺磁震盪能更加穩定。

請參照第3圖。第3圖為本發明之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列300示意圖。一奈米自旋力矩震盪器單元310包含：一第一電極311、一釘紮層312、一自由層314、一參考層316及一第二電極317。另在釘紮層312與自由層314之間及自由層314與參考層316之間各具有一非磁性介面層313和非磁性介面層315。另一奈米自旋力矩震盪器單元320包含：一第一電極321、一釘紮層322、一自由層324、一參考層326及一第二電極327。另在釘紮層322與自由層324之間及自由層324與參考層326之間各具有一非磁性介面層323和非磁性介面層325。奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列300形成方式為將奈米自旋力矩震盪器單元310之第二電極317與奈米自旋力矩震盪器單元320之第一電極321而形成一串聯結構。

請繼續參照第4圖，第4圖為本發明之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列400示意圖。奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列400係由一第一陣列單元A及一第二陣列單元B並聯而成。首先，第一陣列單元A結構說明如後。一第一參考層410設於第一底層電極401上，其中第一參考層410更包含一第一鐵磁層412、一非磁性介面層413、一第二鐵磁層414及一第三反鐵磁層411。第一參考層410上平行設有一第一自由層403及一第二自由層408。第一釘紮層406設於第一自由層403上，第二釘紮層416設於第二自由層408上，其中第一釘紮層406及第二釘紮層416下各設有一磁性增益層405及磁性增益層415，目的為加強第一釘紮層406及第二釘紮層416之磁異向性之用。另 在第二釘紮層416上設有一第一反鐵磁層417。一第一頂層電極418設於第一反鐵磁層417上。402、404、407、409皆為非磁性介面層，其可為金屬導電層或絕緣穿隧層。然後，第二陣列單元B結構說明如後。一第二參考層420設於第二底層電極419上，其中第二參考層420更包含一第三鐵磁層424、一非磁性介面層423、一第四鐵磁層422及一第四反鐵磁層421。第二參考層420上平行設有一第三自由層426及一第四自由層431。第三釘紮層429設於第三自由層426上，第四釘紮層434設於第四自由層431上，其中第三釘紮層429及第四釘紮層434下各設有一磁性增益層428及磁性增益層433，目的為加強第三釘紮層429及第四釘紮層434之磁異向性之用。另在第四釘紮層434上設有一第二反鐵磁層435。一第二頂層電極436設於第二反鐵磁層435上。425、427、430、432皆為非磁性介面層，其可為金屬導電層或絕緣穿隧層。第一陣列單元A及第二陣列單元B平行間隔排列形成一並聯陣列。

請繼續參照第5圖。第5圖為奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列300操作方法示意圖。輸入一直流電流I，直流電流I方向為由奈米自旋力矩震盪器單元310之釘紮層312流向自由層314，對奈米自旋力矩震盪器單元320而言，則是由釘紮層322流向自由層324。直流電流I通過釘紮層312及釘紮層322時，傳導電子產生自旋極化。自旋極化電子通過自由層314及自由層324時，基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩並作用於自由層314之磁化單元m3及自由層324之磁化單元m5上。磁化單元m3及 磁化單元m5受此自旋力矩影響而由起始之平行於自由層314平面方向及平行於自由層324平面方向開始產生環繞著自由層314平面垂直軸及自由層324平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪並各自產生一震盪訊號。奈米自旋力矩震盪器單元310及奈米自旋力矩震盪器單元320透過磁偶極交互作用產生同步而使各自之震盪訊號放大。其中，根據交互作用型式，奈米自旋力矩震盪器單元310之自由層314及奈米自旋力矩震盪器單元320之自由層324會以反平行相差進行同步進動，所以參考層316之磁化單元m3及參考層326之磁化單元m6必須為反平行方向才能使訊號有效放大。

請繼續參照第6圖，第6圖為奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列400操作方法示意圖。將第一陣列單元A之第一頂層電極418與第二陣列單元B之第二底層電極415連接，並將第二陣列單元B之第二頂層電極436與第一陣列單元A之第一底層電極401連接而形成一串聯迴路。輸入一直流電流I，直流電流I方向不論對第一陣列單元A或是第二陣列單元B而言，皆為由釘紮層流向自由層。先以第一陣列單元A說明之，透過第一釘紮層406及第二釘紮層416，使直流電流I之傳導電子產生自旋極化；自旋極化電子基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩並作用於第一自由層403之磁化單元m8及第二自由層408之磁化單元m9上；在第一自由層403平面之磁化單元m8及第二自由層408平面上之磁化單元m9受此自旋力矩影響而由起始之平行於第一自由層403平面方向及第二自由層408平 面方向開始產生環繞著第一自由層403平面垂直軸及第二自由層408平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪並各自產生一震盪訊號；透過第一反鐵磁層417的影響使位於第一陣列單元A之第二釘紮層416之磁化單元m12方向與第一釘紮層406之磁化單元m13方向反平行，進而使得第一自由層403之磁化單元m8與第二自由層408之磁化單元m9產生反向之震盪而使第一自由層403與第二自由層408透過磁偶極交互作用產生同步而使震盪訊號放大。第二陣列單元B操作方法同於第一陣列單元A，並透過第一陣列單元A與第二陣列單元B並聯而使第一陣列單元A與第二陣列單元B產生磁偶極交互作用進而使各自產生之震盪訊號能更放大。

本發明的奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列，利用單一奈米自旋力矩震盪器單元串聯或並聯的方法，使原本單一奈米自旋力矩震盪器的震盪訊號能藉由磁偶極交互作用而能更放大。並且本發明所使用之奈米自旋力矩震盪單元之自由層之磁化單元起始方向平行於自由層平面，因此使奈米自旋力矩震盪器單元不須外加場且只需小電流就可以產生震盪。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧奈米自旋力矩震盪器單元

110‧‧‧第一電極

120‧‧‧釘紮層

121‧‧‧磁性層

122‧‧‧極化增益層

130‧‧‧非磁性介面層

140‧‧‧自由層

150‧‧‧第二電極

200‧‧‧參考層

210‧‧‧非磁性介面層

221‧‧‧第一鐵磁層

222‧‧‧非磁性介面層

223‧‧‧第二鐵磁層

230‧‧‧反鐵磁層

300‧‧‧奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列

310‧‧‧奈米自旋力矩震盪器單元

311‧‧‧第一電極

312‧‧‧釘紮層

313‧‧‧非磁性介面層

314‧‧‧自由層

315‧‧‧非磁性介面層

316‧‧‧參考層

317‧‧‧第二電極

320‧‧‧奈米自旋力矩震盪器單元

321‧‧‧第一電極

322‧‧‧釘紮層

323‧‧‧非磁性介面層

324‧‧‧自由層

325‧‧‧非磁性介面層

326‧‧‧參考層

327‧‧‧第二電極

400‧‧‧奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列

401‧‧‧第一底層電極

402‧‧‧非磁性介面層

403‧‧‧第一自由層

404‧‧‧非磁性介面層

405‧‧‧極化增益層

406‧‧‧第一釘紮層

407‧‧‧非磁性介面層

408‧‧‧第二自由層

409‧‧‧非磁性介面層

410‧‧‧第一參考層

411‧‧‧第三反鐵磁層

412‧‧‧第一鐵磁層

413‧‧‧非磁性介面層

414‧‧‧第二鐵磁層

415‧‧‧極化增益層

416‧‧‧第二釘紮層

417‧‧‧第一反鐵磁層

418‧‧‧第一頂層電極

419‧‧‧第二底層電極

420‧‧‧第二參考層

421‧‧‧第四反鐵磁層

422‧‧‧第一鐵磁層

423‧‧‧非磁性介面層

424‧‧‧第二鐵磁層

425‧‧‧非磁性介面層

426‧‧‧第三自由層

427‧‧‧非磁性介面層

428‧‧‧極化增益層

429‧‧‧第三釘紮層

430‧‧‧非磁性介面層

431‧‧‧第四自由層

432‧‧‧非磁性介面層

433‧‧‧極化增益層

434‧‧‧第四釘紮層

435‧‧‧第二反鐵磁層

436‧‧‧第二頂層電極

A‧‧‧第一陣列單元

B‧‧‧第二陣列單元

m1‧‧‧磁化單元

m2‧‧‧磁化單元

m3‧‧‧磁化單元

m4‧‧‧磁化單元

m5‧‧‧磁化單元

m6‧‧‧磁化單元

m7‧‧‧磁化單元

m8‧‧‧磁化單元

m8‧‧‧磁化單元

m9‧‧‧磁化單元

m10‧‧‧磁化單元

m11‧‧‧磁化單元

m12‧‧‧磁化單元

I‧‧‧直流電流

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為一基本奈米自旋力矩震盪器單元的結構圖。

第2圖為單一奈米自旋力矩震盪器單元操作方法示意圖。

第3圖為本發明之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列示意圖。

第4圖為本發明之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列示意圖。

第5圖為奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列操作方法示意圖。

第6圖為奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列操作方法示意圖。

400‧‧‧奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列

401‧‧‧第一底層電極

402‧‧‧非磁性介面層

403‧‧‧第一自由層

404‧‧‧非磁性介面層

405‧‧‧極化增益層

406‧‧‧第一釘紮層

407‧‧‧非磁性介面層

408‧‧‧第二自由層

409‧‧‧非磁性介面層

410‧‧‧第一參考層

411‧‧‧第三反鐵磁層

412‧‧‧第一鐵磁層

413‧‧‧非磁性介面層

414‧‧‧第二鐵磁層

415‧‧‧極化增益層

416‧‧‧第二釘紮層

417‧‧‧第一反鐵磁層

418‧‧‧第一頂層電極

419‧‧‧第二底層電極

420‧‧‧第二參考層

421‧‧‧第四反鐵磁層

422‧‧‧第一鐵磁層

423‧‧‧非磁性介面層

424‧‧‧第二鐵磁層

425‧‧‧非磁性介面層

426‧‧‧第三自由層

427‧‧‧非磁性介面層

428‧‧‧極化增益層

429‧‧‧第三釘紮層

430‧‧‧非磁性介面層

431‧‧‧第四自由層

432‧‧‧非磁性介面層

433‧‧‧極化增益層

434‧‧‧第四釘紮層

435‧‧‧第二反鐵磁層

436‧‧‧第二頂層電極

A‧‧‧第一陣列單元

B‧‧‧第二陣列單元

Claims (23)

1. 一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其包含：形成複數個奈米自旋力矩震盪器單元，各該奈米自旋力矩震盪器單元包含：形成一底層電極；形成一釘紮層於該底層電極上，其中該釘紮層具有垂直磁異向性而使該釘紮層之磁化單元方向垂直於該釘紮層平面；形成一自由層於該釘紮層上，其中該自由層之最小邊長遠大於該自由層之厚度而使該自由層具有水平磁異向性進而使該自由層之磁化單元方向平行於該自由層平面；形成一參考層於該自由層上；及形成一頂層電極於該參考層上；以及將該複數個奈米自旋力矩震盪器單元其中之一奈米自旋力矩震盪器單元之該頂層電極與另一奈米自旋力矩震盪器單元之該底層電極依序連接而形成一串聯陣列。
2. 如請求項1所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其中各該相鄰兩奈米自旋力矩震盪器單元之參考層具有反平行方向之磁化單元。
3. 如請求項1所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦 合陣列的製造方法，其中該奈米自旋力矩震盪器單元之該釘紮層及該自由層材質為鐵磁性材料。
4. 如請求項1所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其中該奈米自旋力矩震盪器單元之該參考層材質為反鐵磁性材料。
5. 一種以請求項1所述之製造方法製造而成之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列，其包含：複數個奈米自旋力矩震盪器單元，其中各該奈米自旋力矩震盪器單元包含：一底層電極；一釘紮層，形成於該底層電極上；一自由層，形成於該釘紮層上；一參考層，形成於該自由層上；及一頂層電極，形成於該參考層上；以及該複數個奈米自旋力矩震盪器單元其中之一奈米自旋力矩震盪器單元之該頂層電極與另一奈米自旋力矩震盪器單元之該底層電極依序連接而形成一串聯陣列。
6. 如請求項5所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列，其中各該奈米自旋力矩震盪器單元之該釘紮層與該自由層之間及該自由層與該參考層之間具有一非磁性介面層。
7. 如請求項6所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列，其中該非磁性介面層為一金屬導電層。
8. 如請求項6所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列，其中該非磁性介面層為一絕緣穿隧層。
9. 一種如請求項5所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串聯陣列的操作方法，其包含：輸入一直流電流，該直流電流方向為由各該奈米自旋力矩震盪器單元之該釘紮層流向該自由層；該直流電流通過該釘紮層後，傳導電子產生自旋極化；該自旋極化電子通過該自由層時，基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩並作用於該自由層之該磁化單元上；在該自由層平面上之該磁化單元受此自旋力矩影響而由起始之平行於該自由層平面方向開始產生環繞著該自由層平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪並產生一震盪訊號；以及各該相鄰兩奈米自旋力矩震盪器單元透過磁偶極交互作用產生同步而使各該自旋力矩震盪器單元產生之震盪訊號放大。
10. 如請求項9所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極串 聯陣列的操作方法，其中各該相鄰兩奈米自旋力矩震盪器單元之該自由層之間須保持一定距離以使訊號能同步放大且不會影響單一個奈米自旋力矩震盪器單元。
11. 一種奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其包含：形成一第一陣列單元，其包含：形成一第一底層電極；形成一第一參考層於該第一底層電極上；形成一第一自由層及一第二自由層，其中該第一自由層及該第二自由層平行設置於該第一參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙；形成一第一釘紮層及一第二釘紮層，其中該第一釘紮層設於該第一自由層上，該第二釘紮層設於該第二自由層上；形成一第一反鐵磁層，設於該第二釘紮層上；形成一第一頂層電極於該第一反鐵磁層上；形成一第二陣列單元，其包含：形成一第二底層電極；形成一第二參考層於該第二底層電極上；形成一第三自由層及一第四自由層，其中該第三自由層及該第四自由層平行設置於該第二參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙；形成一第三釘紮層及一第四釘紮層，其中該第三 釘紮層設於該第三自由層上，該第四釘紮層設於該第四自由層上；形成一第二反鐵磁層，設於該第四釘紮層上；及形成一第二頂層電極於該第二反鐵磁層上；以及將該第一陣列單元與該第二陣列單元間隔平行排列形成一並聯陣列，其中該第一陣列單元與該第二陣列單元間具有一間隙。
12. 如請求項11所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其中該第一釘紮層之磁化單元與該第二釘紮層之磁化單元方向為反平行。
13. 如請求項11所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其中該第三釘紮層之磁化單元與該第四釘紮層之磁化單元方向為反平行。
14. 如請求項11所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其中於該第一自由層與該第二自由層間之間隙、該第三自由層與該第四自由層間之間隙及該第一陣列單元與該第二陣列單元間之間隙填入非導體化合物以為隔離之用。
15. 如請求項11所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極耦合陣列的製造方法，其中該第一釘紮層、該第一自由層、該第二釘紮層、該第二自由層、該第三釘紮層、該第三自 由層、該該第四釘紮層及該第四自由層材質為鐵磁性材料。
16. 一種以請求項11所述之製造方法製造而成之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其包含：一第一陣列單元，其包含：一第一底層電極；一第一參考層設於該第一底層電極上；一第一自由層及一第二自由層，其中該第一自由層及該第二自由層平行設置於該參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙；一第一釘紮層及一第二釘紮層，其中該第一釘紮層設於該第一自由層上，該第二釘紮層設於該第二自由層上；一第一反鐵磁層，設於該第二釘紮層上；一第一頂層電極於該第一反鐵磁層上；一第二陣列單元，其包含：一第二底層電極；一第二參考層於該第二底層電極上；一第三自由層及一第四自由層，其中該第三自由層及該第四自由層平行設置於該第二參考層之同一平面上且彼此間具有一間隙；一第三釘紮層及一第四釘紮層，其中該第三釘紮層設於該第三自由層上，該第四釘紮層設於該第四自由層上； 一第二反鐵磁層，設於該第四釘紮層上；及一第二頂層電極於該第二反鐵磁層上；以及該第一陣列單元與該第二陣列單元間隔平行排列形成一並聯陣列組，其中該第一陣列單元與該第二陣列單元間具有一間隙。
17. 如請求項16所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其中該第一參考層與該第一自由層之間、該第一自由層與該第一釘紮層之間、該第一參考層與該第二自由層之間及該第二自由層與該第二釘紮層之間皆有一非磁性介面層。
18. 如請求項16所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其中該第二參考層與該第三自由層之間、該第三自由層與該第三釘紮層之間、該第二參考層與該第四自由層之間及該第四自由層與該第四釘紮層之間皆有一非磁性介面層。
19. 如請求項17或請求項18所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其中該非磁性介面層為一金屬導電層。
20. 如請求項17或請求項18所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其中該非磁性介面層為一絕緣穿隧層。
21. 如請求項16所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其中該第一參考層更包含一第一鐵磁層、一非磁性介面層、一第二鐵磁層及一第三反鐵磁層。
22. 如請求項16所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列，其中該第二參考層更包含一第三鐵磁層、一非磁性介面層、一第四鐵磁層及一第四反鐵磁層。
23. 一種如請求項16所述之奈米自旋力矩震盪器磁偶極並聯陣列的操作方法，其包含：將該第一陣列單元之該第一頂層電極與該第二陣列單元之該第二底層電極連接，並將該第二陣列單元之該第二頂層電極與該第一陣列單元之該第一底層電極連接而形成一串聯迴路。輸入一直流電流，該直流電流方向不論對該第一陣列單元或是該第二陣列單元而言，皆為由該釘紮層流向該自由層；先以該第一陣列單元說明之，透過該第一釘紮層及該第二釘紮層，使該直流電流之傳導電子產生自旋極化；該自旋極化電子基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩並作用於該第一自由層之該磁化單元及該第二自由層之該磁化單元上；在該第一自由層平面之該磁化單元及該第二自由層平面上之該磁化單元受此自旋力矩影響而由起始之平行於該 第一自由層平面方向及該第二自由層平面方向開始產生環繞著該第一自由層平面垂直軸及該第二自由層平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪並各自產生一震盪訊號；透過該第一反鐵磁層的影響使位於該第一陣列單元之該第二釘紮層之磁化單元方向與該第一釘紮層之該磁化單元方向反平行，進而使得該第一自由層之該磁化單元與該第二自由層之該磁化單元產生反向之震盪而使該第一自由層與該第二自由層透過磁偶極交互作用產生同步而使震盪訊號放大；以及該第二陣列單元操作方法同於該第一陣列單元，並透過該第一陣列單元與該第二陣列單元並聯而使該第一陣列單元與該第二陣列單元產生磁偶極交互作用進而使各自產生之震盪訊號能更放大。