[发明专利]一种利用电压调控的频率可调微波振荡器

说明书

本发明公开一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，核心单元结构包括垂直磁化磁隧道结以及引出的三个端口；垂直磁化磁隧道结由下至上为“金属层/厚氧化层/自由铁磁金属层/薄氧化层/固定铁磁金属层”；固定铁磁金属层，自由铁磁金属层，金属层分别连接电极作为端口；“厚氧化层/自由铁磁金属层/薄氧化层/固定铁磁金属层”为微波发生器件，是产生微波输出信号的核心单元，自由铁磁金属层磁矩可产生高频进动，且具有较强的压控磁各向异性。本发明可在实现高输出功率的同时保证隧道结的稳定性。可通过隧道结电流及加在自由铁磁金属层上的电压对微波输出信号的功率及频率分别进行调控，具有更高的实用性。

【技术领域】

本发明涉及一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，特别涉及一种将电压调控与自旋转移矩效应相结合的三端口微波振荡器，属于纳米微波振荡器技术领域。

【背景技术】

移动通信技术的迅速发展对无线传输器件的核心——振荡器的体积、功耗等提出了更高的要求，近年来，基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)构建的新一代振荡器引起科研及工业界的高度关注。在磁性隧道结结构中(自由层/隔离层/钉扎层)，当一定大小的自旋极化电流通过时，其带来的自旋转移力矩(Spin Transfer Torque,STT)会引起自由层磁矩的稳定进动，进而导致电阻发生高频变化，将输入的直流信号转换为高频振荡的微波信号。基于这一效应的振荡器，即自旋转移力矩纳米振荡器(Spin TransferTorque Nano-Oscillator,STNO)被广泛认为有望取代当前的LC振荡器、晶体振荡器等。STNO不仅体积小、能耗低、宽频可调，而且和当前CMOS工艺有较好的兼容性。

利用磁矩进动产生微波信号的关键在于产生自旋极化的电子以及如何将其作用于磁性自由层。对于典型的STNO而言，电子通过磁性钉扎层时发生自旋极化，进而产生自旋转移力矩。要实现大功率的微波振荡，能否获得较大的自旋转移力矩是一个重要的因素。STT的大小主要取决于电流密度。由于磁性隧道结电阻较大且击穿电压在1V左右，所以电流密度受到了较大的限制。此外，由于磁矩进动的频率和幅度具有非线性的关联且微波输出信号的频率主要由磁有效场决定，所以对于当前主流的两端STNO器件，频率和功率的大范围独立调制同样需要外加磁场来实现，这为其实际应用带来了诸多不便。

【发明内容】

针对上述背景中提到的当前STNO所面临的受限于工作电流无法获得高输出功率以及其对外加磁场的依赖，本发明提供了一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，电压调控与自旋转移矩效应相结合，利用电压调控磁各向异性(Voltage-Controlled MagneticAnisotropy,VCMA)可以有效调节磁性自由层的磁有效场，进而改变磁矩进动频率，结合电流对于频率的调制能力，可实现无外加磁场的频率调制。它弥补了现有STNO的不足。进一步的，三端结构的优点使得微波输出信号的频率和功率可以被分别调制。

本发明的一种利用电压调控的频率可调微波振荡器，将电压调控和自旋转移矩效应相结合，制备一种无需外加磁场即可获得高输出功率且频率宽频可调的纳米微波振荡器件。其核心单元的结构特点是垂直磁化磁隧道结以及引出的三个端口器件。其生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成；其中，所述的垂直磁化磁隧道结的结构由下至上为“金属层/厚氧化层/自由铁磁金属层/薄氧化层/固定铁磁金属层”；固定铁磁金属层，自由铁磁金属层，金属层分别连接电极作为所述的端口，即端口一、端口二、端口三；其中MTJ(即“厚氧化层/自由铁磁金属层/薄氧化层/固定铁磁金属层”)为微波发生器件，是产生微波输出信号的核心单元，其自由铁磁金属层磁矩可产生高频进动，且具有较强的压控磁各向异性。在自由铁磁金属层和金属层之间施加电压可以调控自由铁磁金属层的磁各项异性。

其中，金属层厚度为10～200nm，厚氧化层厚度0～3mm，自由铁磁金属层厚度为0～3nm，薄氧化层厚度为0～2nm，固定铁磁金属层厚度为0～3nm。

特别的，自由铁磁金属层和固定铁磁金属层在制备过程中采用了垂直于膜面的退火磁场，其易磁化轴方向均垂直于膜面。