具有高输出功率的自旋转矩振荡器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及具有高输出功率的自旋转矩振荡器及其应用。一种自旋转矩振荡器可包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

【技术实现步骤摘要】
具有高输出功率的自旋转矩振荡器及其应用
本专利技术总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种具有高输出功率的自旋转矩振荡器(STO)和包括该自旋转矩振荡器的电子器件。
技术介绍
2003年，Kiselev等人发现当自旋极化的DC电流通过纳米尺寸的巨磁电阻(GMR)多层膜时，会产生自旋转移力矩(spintransfertorque，STT)，在合适的条件下其会使自由层磁化发生振荡，从而输出高频信号(参见KiselevSI,SankeyJC,KirvorotovIN,etal.Microwaveoscillationsofananomagnetdrivenbyaspin-polarizedcurrent.Nature,2003,425:380)。利用该现象可以制作自旋转矩振荡器(spintransferoscillator，STO)。自旋转矩振荡器具有很多优点，例如结构简单，尺寸小(是现有的晶体振荡器的大约五十分之一)、频率调制范围宽(0.1-100GHz)、易集成、工作电压低(<0.5V)等。自旋转矩振荡器良好地解决了传统LC振荡器和晶体振荡器的诸多问题，被认为是下一代振荡器的候选者，因此得到了广泛的研究。然而，自旋转矩振荡器有其本身的缺陷，即输出功率较低。自旋转矩振荡器的输出功率与磁致电阻的平方成正比，而目前采用具有较高磁致电阻的磁性隧道结(MTJ)制作的自旋转矩振荡器的输出功率一般也在纳瓦(nW)量级，远远低于实用所需的毫瓦(mW)量级。2013年，曾中明等人采用新型的磁性隧道结结构实现了最高63nW的功率输出(参见ZengZM,FinocchioG,ZhangB,etal.Ultralow-current-densityandbias-field-freespin-transfernano-oscillator.SciRep,2013,3:1426)，但这仍与实用级别的输出功率要求相去甚远。
技术实现思路
本专利技术的一些实施例提供一种自旋转矩振荡器，其包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。在一些示例中，所述第一势垒层由具有立方晶体结构的材料AB形成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。在一些示例中，所述第一势垒层具有4至7个原子层的厚度。在一些示例中，所述进动磁层的磁化的初始方向平行于所述第一参考磁层的磁化。在一些示例中，所述自旋转矩振荡器还包括：第二势垒层，其由绝缘材料形成，并且设置在所述进动磁层的与所述第一势垒层相反的一侧；以及第二参考层，其具有固定磁化，并且设置在所述第二势垒层的与所述进动磁层相反的一侧。在一些示例中，所述第二势垒层由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。在一些示例中，所述第二势垒层具有4至7个原子层的厚度。在一些示例中，所述第二参考层的磁化在与所述第一参考层的磁化平行的方向上。本专利技术的一些实施例提供一种自旋转矩振荡器电路，包括：第一磁性隧道结，其在直流偏置下产生振荡信号，所述第一磁性隧道结包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有在所述直流偏置下绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由在所述直流偏置下产生负微分电阻的绝缘材料形成；以及至少一个放大电路，其接收并且放大所述第一磁性隧道结产生的振荡信号，所述至少一个放大电路中的每个包括串联连接在电源电压与地电势之间的电阻器和第二磁性隧道结，所述第二磁性隧道结在所述电源电压的偏置下具有负微分电阻，所述振荡信号施加到所述至少一个放大电路的电源电压一侧，并且所述至少一个放大电路在所述电阻器和所述第二磁性隧道结之间的节点处提供放大了的振荡信号。在一些示例中，所述第二磁性隧道结具有比所述第一磁性隧道结更大的结面积。在一些示例中，所述第二磁性隧道结本身不产生振荡信号。在一些示例中，所述第二磁性隧道结具有与所述第一磁性隧道结相同的多层结构。在一些示例中，所述第一势垒层由具有立方晶体结构的材料AB形成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。在一些示例中，所述第一势垒层具有4至7个原子层的厚度。在一些示例中，所述第一磁性隧道结还包括：第二势垒层，其由绝缘材料形成，并且设置在所述进动磁层的与所述第一势垒层相反的一侧；以及第二参考层，其具有固定磁化，并且设置在所述第二势垒层的与所述进动磁层相反的一侧。在一些示例中，所述第二参考层的磁化在与所述第一参考层的磁化平行的方向上。在一些示例中，所述自旋转矩振荡器电路还包括：滤波器，其设置在所述第一磁性隧道结与所述至少一个放大电路之间以滤除所述第一磁性隧道结产生的振荡信号中的直流分量，而仅提供其交流分量供所述至少一个放大电路放大。在一些示例中，所述至少一个放大电路包括两个或更多放大电路，所述两个或更多放大电路彼此级联连接以对所述第一磁性隧道结产生的振荡信号依次进行放大。在一些示例中，彼此级联连接的所述两个或更多放大电路之间还设置有滤波器以滤除每个放大电路的输出信号中的直流成分。本专利技术的一些实施例提供一种操作自旋转矩振荡器的方法，所述自旋转矩振荡器包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成，所述方法包括：向所述自旋转矩振荡器施加直流偏置，以使得所述自旋转矩振荡器工作在负微分电阻区域；以及从所述自旋转矩振荡器提取振荡信号输出。在一些示例中，从所述自旋转矩振荡器提取振荡信号输出还包括对所述振荡信号输出进行滤波以滤除其中的直流成分。在一些示例中，向所述自旋转矩振荡器施加的直流偏置足够大以使得所述进动磁层的磁化绕其初始方向进动。附图说明图1示出根据本专利技术一实施例的自旋转矩振荡器。图2A和2B示出根据本专利技术一些实施例的自旋转矩振荡器的电流电压曲线。图3示出根据本专利技术一实施例的操作自旋转矩振荡器的方法。图4示出根据本专利技术另一实施例的自旋转矩振荡器。图5示出根据本专利技术一实施例的自旋转矩振荡器电路。图6示出根据本专利技术一实施例的包括自旋转矩振荡器的磁读取头。具体实施方式下面将参照附图来描述本专利技术的示例性实施例。图1示意性示出根据本专利技术一实施例的自旋转矩振荡器100。如图1所示，自旋转矩振荡器100包括参考磁层110、进动磁层130、以及夹在参考磁层110和进动磁层130之间的势垒层120。自旋转矩振荡器100具有磁性隧道结结构，因此也可称为磁性隧道结100。参考磁层110可以由铁磁材料形成，并且具有固定的磁矩，如实线箭头所示。参考磁层110的磁化方向可以通过形成在与势垒层相反一侧的反铁磁钉扎层(未示出)来固定，或者参考磁层110的磁化方向也可以被自钉扎，例如参考磁层110可以由具有较高矫顽力的硬磁材料形成，或者参考磁层110可以形成为具有较大的厚度。可用于形成参考磁层110的铁磁材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋转矩振荡器，包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

【技术特征摘要】
1.一种自旋转矩振荡器，包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。2.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，其中，所述第一势垒层由具有立方晶体结构的材料AB形成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。3.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，其中，所述第一势垒层具有4至7个原子层的厚度。4.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，还包括：第二势垒层，其由绝缘材料形成，并且设置在所述进动磁层的与所述第一势垒层相反的一侧；以及第二参考层，其具有固定磁化，并且设置在所述第二势垒层的与所述进动磁层相反的一侧。5.如权利要求4所述的自旋转矩振荡器，其中，所述第二势垒层由能产生负微分电阻的绝缘材料形成，且其中，所述第二势垒层具有4至7个原子层的厚度。6.一种自旋转矩振荡器电路，包括：第一磁性隧道结，其在直流偏置下产生振荡信号，所述第一磁性隧道结包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有在所述直流偏置下绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由在所述直流偏置下产生负微分电阻的绝缘材料形成；以及至少一个放大电路，其接收并...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏红祥，丰家峰，张晓光，刘厚方，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11