[发明专利]一种基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及自旋输运器件技术领域，尤其是应用于无线通信领域的微波振荡器。 

背景技术

随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对器件小型化、集成化的要求越来越迫切。以手机为例，目前每个手机中约有几百个无源电子元件，因此无源电子元件的小型化和集成化对手机产品的轻便化起决定性作用。同时，移动通讯也向高频化和宽频化发展，早期的第一代移动通信所用的频段在800 MHz-900 MHz之间，以数字信号为主要特征的第二代移动通信所用的频段则在900 MHz和1.8 GHz 左右，目前正在研究更高频段的新技术。因此，寻找具有良好的高频特性、宽频可调、以及易于小型化和集成化的新型材料和器件是目前研究开发的一个重要目标，市场需求也非常旺盛。

近来研究发现，利用电子的自旋特性增加器件的功能可能满足上述要求。当自旋极化直流电流垂直通过纳米尺寸的铁磁性多层膜（自由层/隔离层/固定层）时，会产生自旋转移力矩( spin transfer torque, STT) ,在合适的条件下会引起自由层磁化发生磁阻振荡，输出高频信号［S. I. Kiselev, et al., 《Nature》，425, 380 (2003)］。这种通过磁阻振荡将直流输入信号转换为微波输出信号的微波振荡器具有很多优点，例如：结构简单、尺寸小（比现有技术的VCO振荡器小50倍）、微波调制范围宽（达0.1～100 GHz）、易集成、以及工作电压低（< 0.5V）等，近来成为研究的重要热点。

然而，目前，国际上对自旋微波振荡器的制备和应用方面所遇到的“瓶颈”问题是：在绝大部分现有技术中，需要在施加外部磁场条件下才能实现微波输出，这给器件的制作和今后实际应用带来了技术挑战，并且现有技术制作的自旋微波器件的输出功率低。因此，要满足实际应用要求，急需提高器件的输出功率和解决微波输出对磁场的依赖问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于垂直磁化自由层和面内磁化固定层结构的自旋微波振荡器及其制造方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器，包括磁性多层膜以及与所述磁性多层膜连接的电极，所述磁性多层膜包括：

由非磁性金属材料构成的种子层；

形成于种子层上的，具有面内平衡磁化状态的第一磁性层； 

形成于第一磁性层之上的非磁性隔离层；

形成于非磁性隔离层之上的具有垂直磁化的磁性自由层；

以及，形成于自由层之上的保护层。

进一步的讲，所述非磁性隔离层优选采用厚度为1.0nm～6.0 nm的非磁性金属层和/或厚度为0.5 nm～1.0 nm的隧道绝缘层。

所述非磁性隔离层优选采用无机材料绝缘膜和/或有机材料绝缘膜，所述无机材料绝缘膜至少选自金属氧化物绝缘膜、金属氮化物绝缘膜、类金刚石薄膜、EuS薄膜和Ga₂O₃薄膜中的任意一种或两种以上的组合。

所述金属氧化物或金属氮化物是由能构成绝缘层的金属元素经氧化或氮化形成，所述金属元素至少选自Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

所述第一磁性层主要由具有面内平衡磁化状态的磁性材料制成，所述磁性材料优选采用具有磁性的合金和/或化合物。

所述磁性材料至少选自3d过渡族磁性金属或其合金、4f稀土金属或其合金和半金属磁性材料中的任意一种或两种以上的组合；

所述3d过渡族磁性金属或其合金优选选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

所述半金属磁性材料至少选自Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃和Heussler合金中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

所述磁性自由层由具有垂直磁化的铁磁性材料制成，所述铁磁性材料至少选自Fe、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Cu/Ni和TeFeCoAl中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

优选的，所述的自旋微波振荡器还包括反铁磁性层，所述第一磁性层形成于该反铁磁性层之上。

所述反铁磁性层优选由反铁磁合金和/或反铁磁化合物形成；