一种集磁随机存储器、微波振荡器和探测器于一体的纳米自旋电子器件与应用制造技术

一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测这三方面功能；作为非冯若依曼架构的新一类模拟信息处理和存储为一体逻辑自旋器件。纳米微波振荡器和探测器工作频率依赖于磁性材料磁矩的进动频率，可根据器件结构和外加磁场、电流或电压参数进行可控调制。

【技术实现步骤摘要】
一种集磁随机存储器、微波振荡器和探测器于一体的纳米自旋电子器件与应用
本专利技术涉及自旋电子器件
，以及此器件在新一代逻辑计算、信息存储，信息处理及信息通信领域的应用，具体涉及到非易失低功耗随机存储器，纳米微波振荡器以及纳米微波探测器等三方面功能的器件、测试、架构设计。
技术介绍
随着高磁电阻效应的磁性隧道结(MTJ)与现代芯片集成技术结合而成，磁随机存储器(MRAM)成为了很受半导体芯片领域青睐的一类新型信息存储器件。与目前计算机中广泛使用的动态和静态随机存储器(DRAM/SRAM)及闪存储器(Flash)相比，MRAM兼具非易失、高速度、高密度、低能耗、抗辐射能力远强于半导体材料等各种优良特性于一身，被认为是电子设备中的理想存储器。目前，大型半导体制造工厂都在积极推动第三代自旋转移矩驱动的垂直磁随机存储器(STT-pMRAM)走向量产。MRAM中存储单元的数据写入是由自旋转移矩(STT)驱动其存储层磁矩翻转实现的。同时，基于磁矩在外磁场下的动力学特征，在较大外加磁场或有效磁场下，STT还可以抵消自由层的磁阻尼，驱动磁矩进行高频率的持续性进动，从而产生微波电压信号，成为纳米微波源。另外，电流产生的STT效应也可以增强或放大自由层磁矩对外界微波信号的响应，从而实现能检测微波信号的自旋二极管。这背后的物理机制是纳米尺寸的MTJ在STT驱动下产生的自旋振荡与外界微波信号产生共振现象，同时基于交变磁阻与电流的整流效应，而衍生出与微波信号想对应的直流电压信号。更加重要的是，这些STT驱动的磁矩振荡单元还可以通过各种磁相互作用(如交换耦合、磁偶极场和微波场)进行同步，从而使我们能够利用器件阵列来进一步锁相放大这类器件的微波发射信号或增强其微波检测灵敏度。
技术实现思路
：本专利技术目的是，根据当前半导体制造工厂开发的第三代自旋转移矩驱动的垂直磁随机存储器(STT-pMRAM)的器件结构和阵列布局不变的前提下，提出一种在当前STT-pMRAM器件架构上实现用于产生微信信号的电流驱动纳米自旋振荡器和用于探测微波信号的纳米自旋二极管以及阵列架构和电路，开发出一款多功能纳米自旋电子器件，同时降低制造和加工成本，提高器件的性价比。本专利技术的技术方案：一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，其特征是，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测这三方面功能；所述圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元直径为20nm-100nm；下电极层为非磁金属Cu，Au，Ti，W，Ru，Ta和Pt，厚度在5-10nm；钉扎层为各类反铁磁MnFe，MnIr或垂直磁化的人工反铁磁材料[M(0.3-1nm)/Co(0.3-1nm)]n/Ru(0.9nm)/[M/Co]n,其中n为M/Co多层膜重复次数，n取5-10；M为Pt、Pd、Ni或Gd，反铁磁总层厚度在3-10nm；垂直磁化铁磁极化层为CoFeB，厚度在0.5-1.5nm；钉扎层与极化层之间非磁间隔耦合层为Ta，厚度在0.3-1nm；MTJ势垒层为厚度在0.8-2nm的MgO，垂直磁化自由层为厚度为1-1.5nm的CoFeB或CoFeB(1-1.5nm)/Ta(0.3-0.6nm)/CoFeB(1-1.5nm)/MgO(0.5-1.5nm)；上电极层为非磁金属Ta，Pt，Au，Cu，Ti，W，Ru，厚度在5-10nm。磁随机存储器的应用方法是，在垂直磁化的磁隧道结MTJ上下电极上施加相应的电压VDD，由于自旋转移力矩效应，施加的电压VDD～0.5–4V将产生对应的自旋极化电流驱动MTJ中的自由铁磁层磁矩的翻转，实现信息的“写”操作，同时通过测量MTJ的电阻将能实现信息“读”操作。垂直磁化纳米微波振荡器的应用是基于所述的垂直磁化MTJ单元，利用电流产生的自旋转移矩激发和稳定纳米尺度MTJ单元中自由铁磁层的磁矩绕外磁场或总有效磁场作高频进动，其进动频率在0.1GHz-50GHz范围内根据外加磁场大小(0.5-5kOe)及角度(0–80o)、电流密度大小(1-20MA/cm2)及方向等参数进行可控调制。具体参考实施案例图3，图4，图5。(具体参数在下面图的介绍中给出)微波探测器的应用方法是，纳米尺度MTJ单元中的自由铁磁层会吸收空间中的高频微波信号，而诱导铁磁共振现象，同时外加直流电流产生的自旋转移矩不仅会增强这类铁磁共振行为，还会与这高频进动相关的变化电阻产生整流效应，进而对探测微波信号放大和探测；该纳米自旋二极管的微波探测频率在0.1GHz-50GHz范围，并能根据外加磁场进行调整。具体参考实施案例图6。(测量原理已经在P6页中图6实施案例中给出)。设有三极管连接纳米MTJ阵列，所述的微波振荡器和自旋二极管型微波探测通过外部反馈电路对纳米MTJ阵列进行同步和调制，从而进一步提高输出微波信号的强度或微波检测的灵敏度，具体参考实施案例图7。有益效果：本专利技术所设计的自旋转移矩的纳米自旋电子器件可以同时构造用于信息存储和处理的非易失性自旋转移矩型磁随机存储器、用于微波产生和信息传递的纳米自旋微波振荡器和用于微波信号探测的纳米自旋二极管。本专利技术所提出的自旋转移矩纳米振荡器也是新一类信息处理和存储为一体模拟逻辑自旋器件，能模仿人脑神经元和突触处理和传输信息的功能。纳米微波振荡器和自旋二极管都是与电流导致自旋转移矩效应驱动的磁矩高频进动相关，其激发或探测频率在0.1GHz～50GHz范围，同时，可根据器件结构和外加磁场大小和方向、电流大小等参数进行可控调制。本专利技术还提出了一种电路，能同步或调制上述自旋微波振荡器和自旋二极管阵列，用于微波信号探测时提高微波信号输出的强度和探测的灵敏度及并行处理的能力。附图说明图1为自旋转移矩驱动的垂直磁化磁随机存储器单元的薄膜结构示意图；其中，1.1为上电极层，1.2为垂直磁化的自由铁磁层，1.3为MgO间隔层，1.4为垂直磁化的钉扎铁磁层，1.5为反铁磁层，1.6为下电极层。图2为本专利技术实施的基于STT-pMRAM结构的自旋微波振荡器及自旋二极管的磁矩进动结构示意图；图3为本专利技术实施的纳米自旋电子器件零磁场下电流驱动磁矩翻转相关隧道磁电阻效应图；图4为本专利技术实施的纳米自旋微波振荡器在不同直流电流下输出的微波信号；图5为本专利技术实施的纳米自旋微波振荡器输出的微波信号随外加磁场大小的关系；图6为本专利技术实施的纳米自旋二极管对不同频率微波信号探测响应；图7为本专利技术实施的基于STT-pMRAM结构的自旋微波振荡器及自旋二极管阵列的电路图。具体实施方案：下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术。在以下具体实施方式中，形成部分参考附图示例了具体实施方式，但应该说明的是，也可以利用其它实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，其特征是，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测这三方面功能；/n所述圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元直径为20nm-100nm；下电极层为非磁金属Cu，Au，Ti，W，Ru，Ta和Pt，厚度在5-10nm；钉扎层为各类反铁磁MnFe，MnIr或垂直磁化的人工反铁磁材料[M(0.3-1nm)/Co(0.3-1nm)]n/Ru(0.9nm)/[M/Co]n,其中n为M/Co多层膜重复次数，n取5-10，M为Pt、Pd、Ni或Gd，反铁磁总层厚度在3-10nm；垂直磁化铁磁极化层为CoFeB，厚度在0.5-1.5nm；钉扎层与极化层之间非磁间隔耦合层为Ta，厚度在0.3-1nm；MTJ势垒层为厚度在0.8-2nm的MgO，垂直磁化自由层为厚度为1-1.5nm的CoFeB或CoFeB(1-1.5nm)/Ta(0.3-0.6nm)/CoFeB(1-1.5nm)/MgO(0.5-1.5nm)；上电极层为非磁金属Ta，Pt，Au，Cu，Ti，W，Ru，厚度在5-10nm。/n...

【技术特征摘要】
1.一种集磁随机存储器、微波振荡器和微波探测器一体的纳米自旋电子器件，所述自旋电子器件基本单元即高磁电阻效应的磁性隧道结MTJ，其特征是，所述纳米自旋电子器件为圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元，从上至下依次为磁隧道结上电极层，垂直磁化的自由铁磁层，非磁势垒层，垂直磁化的铁磁极化层，用于钉扎的反铁磁层或人工反铁磁；下电极层；实现随机信息存储、微波产生和微波探测这三方面功能；
所述圆柱型或椭圆柱型垂直磁化多层结构单元直径为20nm-100nm；下电极层为非磁金属Cu，Au，Ti，W，Ru，Ta和Pt，厚度在5-10nm；钉扎层为各类反铁磁MnFe，MnIr或垂直磁化的人工反铁磁材料[M(0.3-1nm)/Co(0.3-1nm)]n/Ru(0.9nm)/[M/Co]n,其中n为M/Co多层膜重复次数，n取5-10，M为Pt、Pd、Ni或Gd，反铁磁总层厚度在3-10nm；垂直磁化铁磁极化层为CoFeB，厚度在0.5-1.5nm；钉扎层与极化层之间非磁间隔耦合层为Ta，厚度在0.3-1nm；MTJ势垒层为厚度在0.8-2nm的MgO，垂直磁化自由层为厚度为1-1.5nm的CoFeB或CoFeB(1-1.5nm)/Ta(0.3-0.6nm)/CoFeB(1-1.5nm)/MgO(0.5-1.5nm)；上电极层为非磁金属Ta，Pt，Au，Cu，Ti，W，Ru，厚度在5-10nm。


2.根据权利要求1所述的纳米自旋电子器件的应用，其特征是，磁随机存储器的应用方法是，在垂直磁化的磁隧道结MTJ上下电极上施加相应的电压VDD，由于自旋转移力矩效应，施加的电压VDD～0.5–4V将产生对应的自旋极化电流驱动MTJ中的自由铁磁层磁矩的翻转，实现信息的“写”操作，同时通过测量MTJ的电阻将能实现信息“读”操作。


3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽娜，刘荣华，徐永兵，都有为，孟皓，刘波，
申请(专利权)人：南京大学，浙江驰拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32