專利名稱：一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的新型微波振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自旋輸運(yùn)器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)的新型微波器件的結(jié)構(gòu) 和制備方法。該器件可用于微波通信和鎖相技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，自旋電子學(xué)以其豐富的物理內(nèi)涵和廣闊的器件應(yīng)用前景已成為凝聚態(tài)物理的熱 點(diǎn)領(lǐng)域。1996年，科學(xué)家從理論上預(yù)言了一種納米尺度下的新的自旋相關(guān)效應(yīng)一自旋轉(zhuǎn)移效 應(yīng)，為這一領(lǐng)域注入了新的活力。通過(guò)注入的自旋極化電流與鐵磁層局域電子之間的自旋轉(zhuǎn) 移扭矩(spin transfer torque)作用，可使鐵磁層的磁矩產(chǎn)生周期性改變，從而導(dǎo)致器件 的磁電阻隨時(shí)間變化，產(chǎn)生交變電壓，得到受電流調(diào)制的頻率穩(wěn)定的微波功率輸出。利用該 效應(yīng)構(gòu)建的器件有望用作高頻微波發(fā)射源和微波諧振器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，對(duì)溫度不敏 感，電路組成簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有誘人的應(yīng)用前景。目前文獻(xiàn)報(bào)道的基于自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)的微波振 蕩器的調(diào)制范圍可以達(dá)到1 200 GHz，品質(zhì)因數(shù)可達(dá)4000以上[尸/ i5Z^ K S " s丄
iW 7, 4^9-50 .]，但是在實(shí)用化之前，還有一些關(guān)鍵問(wèn)題尚待解決。首先，微波發(fā)射
功率較低，只有納瓦量級(jí)，尚不能滿足實(shí)用的要求；其次，產(chǎn)生微波發(fā)射的效率太低，需要較 大的注入電流和外加磁場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種自旋極化電流驅(qū)動(dòng)的新型微波振蕩器的結(jié)構(gòu)和制備方法。該 器件的基本結(jié)構(gòu)是"固定層(鐵磁)/隔離層(非磁)/自由層(鐵磁)"的多層膜，通過(guò)使 固定層和自由層的初始磁化方向相互垂直，使自由層得到最大的橫向自旋注入，實(shí)現(xiàn)在較小 的注入電流下獲得較大的微波功率輸出，并且不需要外加磁場(chǎng)。
我們對(duì)該結(jié)構(gòu)中的自旋輸運(yùn)過(guò)程和自由層磁矩的磁動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)外 磁場(chǎng)并非產(chǎn)生微波發(fā)射的必要條件，當(dāng)自由層有自旋極化電流注入，且固定層的磁化方向與 自由層的初始磁化方向存在一定夾角時(shí)，自由層的磁矩將發(fā)生周期性的改變，產(chǎn)生微波發(fā)射。
微波發(fā)射的效率與自旋注入的橫向(垂直于自由層易磁化軸的方向)分量密切相關(guān)。當(dāng)固定 層和自由層初始磁化方向的夾角為九十度時(shí)，自由層可獲得最大的橫向自旋注入?；谠撗?究，我們提出一種用自旋電流驅(qū)動(dòng)的新型微波振蕩器件。
本發(fā)明中的自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器件是一種納米級(jí)柱狀磁性多層膜體系，其特征在 于，采用了依次由鐵磁性的固定層、非磁性的隔離層、磁化方向和所述固定層相互垂直的自 由層疊加而成的多層膜，由此形成的微波振蕩器從底層向上到頂層依次含有-
第一層為底電極層，是150納米 250納米厚的金屬鉑；
第二層為種子層，是3納米 5納米厚的金屬鉭；
第三層為固定層，是15納米 25納米厚的鐵磁性的鈷鐵合金，磁矩固定；
第四層為隔離層，是4納米 6納米厚的金屬銅；
第五層為自由層，是4納米 5納米厚的鈷鐵合金，磁矩能自由翻轉(zhuǎn)；
第六層為保護(hù)層，是3納米 5納米厚的金屬鉭；
第七層為頂電極層，是150納米 250納米厚的金屬鉑；
其中第二層到第六層形成一個(gè)納米柱，且被氧化硅或氮化硅的絕緣層所包圍。從第二層 到第六層的橫截面形狀為橢圓，橢圓形的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為100土50納米。所述固定層和自由層的 初始磁化方向都在膜平面內(nèi)，且相互垂直，自旋極化電流垂直于膜平面。其中第四層也可以 是1納米 2納米厚的氧化鎂絕緣層。
本發(fā)明所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器的制備方法，其特征在于，所述方法依次
含有以下步驟
步驟(1)，在氧化硅襯底上淀積以金屬鉑為材料的底電極層；
步驟(2)，在所述底電極層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)金屬鉭作為種子層；
步驟(3)，在所述種子層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)鐵磁性的鈷鐵合金作為固定層，在生長(zhǎng)
過(guò)程中加誘導(dǎo)磁場(chǎng)，誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向在膜平面內(nèi)；
步驟(4)，在所述固定層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)金屬銅作為隔離層，所述的隔離層也可 用氧化鎂絕緣層代替；
步驟(5)，在所述的隔離層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)鈷鐵合金作為自由層，在生長(zhǎng)過(guò)程中 加誘導(dǎo)磁場(chǎng)，誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向和所述固定層的誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直，且在膜平面內(nèi)； 步驟(6)，在所述的自由層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)金屬鉭作為保護(hù)層； 步驟(7)，采用光刻和刻蝕工藝制作出所述底電極的圖形；
步驟(8)，利用電子束曝光和Ar離子束刻蝕工藝把位于所述底電極上的由步驟(2)到 步驟(6)形成的多層膜結(jié)構(gòu)加工為橫向尺寸為100士50納米的納米柱結(jié)構(gòu)，并保留光刻膠； 步驟(9)，利用濺射或化學(xué)氣相淀積工藝在所述納米柱周圍生長(zhǎng)絕緣層； 步驟(10)，利用剝離工藝去除在步驟(8〉中保留的所述光刻膠，以及位于所述光刻膠
上步驟(9)中產(chǎn)生的絕緣層，形成被絕緣層包裹的所述納米柱，只露出和將在步驟(11)中
制作的頂電極接觸的部位；
步驟(11)，在步驟(6)制作的保護(hù)層上淀積金屬鉑，用光刻和刻蝕工藝制作出頂電極圖形。
本發(fā)明的有益效果是可以使自由層得到最大的橫向自旋注入，從而產(chǎn)生大幅度的自旋 進(jìn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在較小的注入電流下獲得較大的微波功率輸出，并且不需要外加磁場(chǎng)。器件具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須外加磁場(chǎng)、容易集成等特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1所示為自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2所示為自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波器件的制備方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖2為本發(fā)明所述制備方法的工藝流程圖。所述結(jié)構(gòu)是在氧化硅襯底1上先淀積底電極 層2;再采用美國(guó)LESKER公司的CMS—A六靶磁控濺射系統(tǒng)依次生長(zhǎng)種子層3、固定層4、 隔離層5、自由層6、保護(hù)層7，其中固定層4和自由層6在生長(zhǎng)的過(guò)程中，利用磁控濺射設(shè) 備自帶的部件施加誘導(dǎo)磁場(chǎng)，誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向在膜平面內(nèi)且互相垂直；利用光刻和刻蝕工藝制 作出底電極圖形，再利用電子束曝光和Ar離子束刻蝕將底電極2上的多層膜結(jié)構(gòu)加工為橫向 尺寸在100±50納米的柱狀結(jié)構(gòu)，保留光刻膠8;采用濺射或化學(xué)氣相淀積等手段在納米柱 周圍生長(zhǎng)絕緣層9，利用剝離工藝去除光刻膠8及光刻膠8上的絕緣層，形成被絕緣層9包 裹的納米柱，只露出和頂電極的接觸；最后淀積頂電極層IO，利用光刻和刻蝕工藝制作出頂 電極圖形。
權(quán)利要求
1.一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器，其特征在于，采用了依次由鐵磁性的固定層、非磁性的隔離層、磁化方向和所述固定層相互垂直的鐵磁性的自由層疊加而成的多層膜，由此形成的微波振蕩器從底層向上到頂層依次含有第一層為底電極層，是150納米～250納米厚的金屬鉑；第二層為種子層，是3納米～5納米厚的金屬鉭；第三層為固定層，是15納米～25納米厚的鐵磁性的鈷鐵合金，磁矩固定；第四層為隔離層，是4納米～6納米厚的金屬銅；第五層為自由層，是4納米～5納米厚的鈷鐵合金，磁矩能自由翻轉(zhuǎn)；第六層為保護(hù)層，是3納米～5納米厚的金屬鉭；第七層為頂電極層，是150納米～250納米厚的金屬鉑；其中從第二層到第六層的橫截面形狀為橢圓，所述固定層和自由層的初始磁化方向都在膜平面內(nèi)，且相互垂直，自旋極化電流垂直于膜平面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器，其特征在于，所述橢圓形的 長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為100士50納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器，其特征在于，所述底電極層為金屬銅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器，其特征在于，所述的隔離層 是一層絕緣層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器，其特征在于，所述的絕緣層 是1納米 2納米厚的氧化鎂。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器，其特征在于，所述第二層到 第六層形成一個(gè)納米柱，且被氧化硅或氮化硅的絕緣層所包圍。
7. —種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器的制備方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟(1)，在氧化硅襯底上淀積以金屬鉑為材料的底電極層；步驟(2)，在所述底電極層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)金屬鉭作為種子層；步驟(3)，在所述種子層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)鐵磁性的鈷鐵合金作為固定層，在生長(zhǎng) 過(guò)程中加誘導(dǎo)磁場(chǎng)，誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向在膜平面內(nèi)； 步驟(4)，在所述固定層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)金屬銅作為隔離層；步驟(5)，在所述的隔離層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)鈷鐵合金作為自由層，在生長(zhǎng)過(guò)程中 加誘導(dǎo)磁場(chǎng)，誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向和所述固定層的誘導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直，且在膜平面內(nèi)； 步驟(6)，在所述的自由層上用磁控濺射工藝生長(zhǎng)金屬鉭作為保護(hù)層； 步驟(7)，采用光刻和刻蝕工藝制作出所述底電極的圖形；步驟(8)，利用電子束曝光和Ar離子束刻蝕工藝把位于所述底電極上的由步驟(2)到 步驟(6)形成的多層膜結(jié)構(gòu)加工為橫向尺寸為100土50納米的納米柱結(jié)構(gòu)，并保留光刻膠；步驟(9),利用濺射或化學(xué)氣相淀積工藝在所述納米柱周圍生長(zhǎng)絕緣層；步驟(10)，利用剝離工藝去除在步驟(8)中保留的所述光刻膠，以及位于所述光刻膠 上步驟(9)中產(chǎn)生的絕緣層，形成被絕緣層包裹的所述納米柱，只露出和將在步驟(11)中 制作的頂電極接觸的部位；步驟(11)，在步驟(6)制作的保護(hù)層上淀積金屬鉑，用光刻和刻蝕工藝制作出頂電極 圖形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種自旋電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器的制備方法，其特征在于，所 述的隔離層用氧化鎂絕緣層代替。
全文摘要
一種自旋極化電流驅(qū)動(dòng)的微波振蕩器件結(jié)構(gòu)和制備方法，屬于自旋輸運(yùn)器件技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，采用氧化硅襯底，通過(guò)超高真空磁控濺射制備的一種“固定層(鐵磁)/隔離層(非磁)/自由層(鐵磁)”的多層膜結(jié)構(gòu)，再通過(guò)電子束曝光、Ar離子束刻蝕、正膠剝離等微電子工藝將多層膜結(jié)構(gòu)加工為橫向尺寸在100±50納米的柱狀結(jié)構(gòu)。分別在多層膜的頂層和底層膜面制作出上下電極，使注入電流方向垂直于金屬多層膜平面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于固定層和自由層的初始磁化方向都位于膜平面內(nèi)，且相互垂直，可以使自由層獲得最大的橫向自旋注入，從而產(chǎn)生大幅度的自旋進(jìn)動(dòng)，有利于獲得大的微波功率輸出，并且不需要外加磁場(chǎng)。
文檔編號(hào)H01P7/00GK101359761SQ20081022302
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者敏 任, 磊 張, 浩 董, 寧 鄧, 陳培毅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)