一种基于磁性隧道结的微波探测元件制造技术

本发明专利技术涉及微波探测技术领域，具体为一种基于磁性隧道结的微波探测元件，它可以间接测量微波信号并获得超高的灵敏度；其包括所述微波探测元件的结构由两个圆形的磁性隧道结以及连接两个圆形磁性隧道结的桥区域组成，所述磁性隧道结由磁性自由层、非磁性绝缘层和磁性钉扎层组成，所述非磁性绝缘层夹在磁性自由层和磁性钉扎层之间；两个所述圆形的磁性隧道结的中间圆形区域和桥区域的顶部都设置有接触电极；本发明专利技术的基于磁斯格明子的哑铃型的微波探测元件，充分利用了磁斯格明子在微波电流作用下呼吸运动的特性，以及磁斯格明子对畴壁的排斥力，这样就可以通过探究畴壁的变化实现对微波电流信号的间接探测。微波电流信号的间接探测。微波电流信号的间接探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁性隧道结的微波探测元件


[0001]本专利技术涉及微波探测
，具体为一种基于磁性隧道结的微波探测元件。

技术介绍

[0002]微波探测器具有非接触、速度快、灵敏度高、热稳定性和耐压性好等优点，广泛应用于医疗、工业、农业等领域。由于热力学的限制，目前商用的传统半导体二极管微波探测器的灵敏度难以超过4000mV/mW。除此之外，较大的尺寸也限制了它与CMOS电路的集成。2005年，Tulapurkar等人在磁性隧道结(MTJ)结构中发现了自旋转矩二极管效应，并建议将其用作微波探测器。尽管它在小型化和集成化方面有很大的优势，但它的检测灵敏度非常低(1.4mV/mW)。此后，许多研究小组提出了许多提高灵敏度的方法。例如:在MTJ中引入偏置电流，外加磁场，调整上下磁层磁矩排列的相对角度等。到目前为止，实验报告的基于自旋转矩二极管效应的最大灵敏度在直流偏置电流辅助下达到200000mV/mW。但是上述研究中，自由层的磁矩都是单畴状态。
[0003]磁斯格明子是一种具有拓扑保护特性的自旋结构。与磁畴壁相比，磁斯格明子具有体积小、稳定性高、驱动电流密度小等优点。近年来，磁斯格明子在赛道存储器、自旋纳米振荡器、微波探测器等自旋电子器件中有着巨大的应用潜力。2015年，G.Finocchio等人将磁斯格明子引入磁性隧道结，并提出了一种基于磁斯格明子的微波探测器，但灵敏度仅为2000mV/mW左右，仍需更大的提升。本文中我们引入磁斯格明子到磁性隧道结中，并提出了一种基于磁性隧道结的新型微波探测元件，它可以间接测量微波信号并获得超高的灵敏度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于磁性隧道结的微波探测元件，它可以间接测量微波信号并获得超高的灵敏度。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于磁性隧道结的微波探测元件，其特征在于：所述微波探测元件的结构由两个圆形的磁性隧道结以及连接两个圆形磁性隧道结的桥区域组成，所述磁性隧道结由磁性自由层2、非磁性绝缘层3和磁性钉扎层4组成，所述非磁性绝缘层3夹在磁性自由层2和磁性钉扎层3之间；两个所述圆形的磁性隧道结的中间圆形区域和桥区域的顶部都设置有接触电极1。
[0007]进一步的，两个所述圆形的磁性隧道结的磁性自由层2的中心分别放置有极性分别为1和
‑
1的两个Neel类型的磁斯格明子，因此，在桥的磁性自由层2中会产生一个Neel类型畴壁。
[0008]进一步的，所述磁性钉扎层的磁矩沿z轴正方向。
[0009]进一步的，所述圆形磁性隧道结的直径是100～1000nm，所述磁性自由层2的厚度设置为0.5～3nm，所述非磁性绝缘层3的厚度设置为1～3nm，所述磁性钉扎层4的厚度设置
为0.8～20nm。
[0010]进一步的，两个所述圆形磁性隧道结的直径为100nm时，所述桥区域的长为15～35nm，宽为5～20nm。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)本专利技术的基于磁斯格明子的哑铃型的微波探测元件，充分利用了磁斯格明子在微波电流作用下呼吸运动的特性，以及磁斯格明子对畴壁的排斥力，这样就可以通过探究桥臂部分电阻的变化实现对微波电流信号的间接探测，从而构建了一种全新的微波探测器，而且使得系统的灵敏度值获得极大提升。采用本专利技术的器件可制成高灵敏度的微波探测器。
[0013](2)相较于传统的半导体微波探测器和现有自旋转矩二极管微波探测器，本专利技术所述的哑铃型的基于磁斯格明子的微波探测元件在探测微弱功率微波信号时，具有很高的灵敏度。
[0014](3)本专利技术所述的哑铃型的基于磁斯格明子的微波探测元件具有尺寸小、便于集成的优点。
[0015](4)本专利技术中所述基于磁斯格明子的微波探测元件将对磁斯格明子呼吸运动的探测转化到对桥梁内电阻的探测,避免了直流电流对磁斯格明子的直接影响。
[0016](5)本专利技术所述的哑铃型的基于磁斯格明子的微波探测元件为下一代基于磁斯格明子微波探测器的设计提供了指导。
附图说明
[0017]图1为本专利技术中微波探测元件的剖视图；
[0018]图2为本专利技术中微波探测元件的主视图；
[0019]图3为本专利技术中微波探测元件桥区域畴壁振幅随输入微波电流频率变化的仿真图；
[0020]图4为本专利技术中微波探测元件的灵敏度随输入微波电流频率变化的仿真图；
[0021]图5为本专利技术中微波探测元件的灵敏度随桥区域通入不同直流电流变化的仿真图。
[0022]图中所示：电极1；磁性自由层2，非磁性绝缘层3，磁性钉扎层4。
具体实施方式
[0023]下面实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0024]实施例1：
[0025]如图1和图2所示，图1为本专利技术中微波探测元件的剖视图，图2为本专利技术中微波探测元件的主视图。所述微波探测器的结构由两个圆形的磁性隧道结以及连接两个圆形磁性隧道结的桥区域组成，所述磁性隧道结由磁性自由层2、非磁性绝缘层3和磁性钉扎层4组成，所述非磁性绝缘层3夹在磁性自由层2和磁性钉扎层3之间；两个所述圆形的磁性隧道结的中间圆形区域和桥区域的顶部都设置有接触电极1。
[0026]进一步的，所述圆形磁性隧道结的直径是100nm，所述磁性自由层2的厚度设置为
1nm，所述非磁性绝缘层3的厚度设置为1nm，所述磁性钉扎层4的厚度设置为1.24nm。
[0027]进一步的，所述桥区域的长和宽分别是20nm和10nm。
[0028]所述磁性钉扎层的磁矩沿z轴正方向。
[0029]两个所述圆形的磁性隧道结的磁性自由层2的中心分别放置有极性分别为1和
‑
1的两个Neel类型的磁斯格明子，因此，在桥的磁性自由层2中会产生一个Neel类型畴壁。
[0030]如图2所示，每个夹层纳米盘都可以作为单个磁性隧道结，通过从直径为40nm的电极注入电流来控制。随着微波电流通过接触电极1垂直注入纳米盘，出现了磁斯格明子的呼吸模式(磁斯格明子直径周期性地增加和减小)。同时，桥区域的畴壁在磁斯格明子的排斥力的作用下周期性地左右移动。我们将直流电流输入到电桥中以获得检测电压。
[0031]实施例2：
[0032]如图3所示，图3为本专利技术中微波探测元件桥区域畴壁振幅随输入微波电流频率变化的仿真图。桥区域畴壁的振幅定义为桥区域畴壁运动到最右边和最左边时位置的距离之差。我们在桥区域沿z轴通过电极垂直通入的直流电流，电流密度为3
×
10
11
A/m2。微波电流通过两边圆形电极垂直施加到两边纳米圆盘，电流密度为3
×
10
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A/m2。可以看出，桥区域畴壁的振幅随着微波电流密度的增大而增大，在微波频率5GHz附近达到最大值。这是由于该示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁性隧道结的微波探测元件，其特征在于：所述微波探测元件的结构由两个圆形的磁性隧道结以及连接两个圆形磁性隧道结的桥区域组成，所述磁性隧道结由磁性自由层、非磁性绝缘层和磁性钉扎层组成，所述非磁性绝缘层夹在磁性自由层和磁性钉扎层之间；两个所述圆形的磁性隧道结的中间圆形区域和桥区域的顶部都设置有接触电极。2.根据权利要求1所述的一种基于磁性隧道结的微波探测元件，其特征在于：两个所述圆形的磁性隧道结的磁性自由层的中心分别放置有极性分别为1和
‑
1的两个Neel类型的磁斯格明子，在桥的磁性自由层中会产生一个N...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘青芳，王佳宁，王建波，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：