專利名稱：一種自旋電流驅動的新型微波振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明屬于自旋輸運器件領域，特別涉及一種基于自旋轉移效應的新型微波器件的結構 和制備方法。該器件可用于微波通信和鎖相技術等領域。
背景技術：
近年來，自旋電子學以其豐富的物理內涵和廣闊的器件應用前景已成為凝聚態物理的熱 點領域。1996年，科學家從理論上預言了一種納米尺度下的新的自旋相關效應一自旋轉移效 應，為這一領域注入了新的活力。通過注入的自旋極化電流與鐵磁層局域電子之間的自旋轉 移扭矩(spin transfer torque)作用，可使鐵磁層的磁矩產生周期性改變，從而導致器件 的磁電阻隨時間變化，產生交變電壓，得到受電流調制的頻率穩定的微波功率輸出。利用該 效應構建的器件有望用作高頻微波發射源和微波諧振器，具有結構簡單、體積小，對溫度不敏 感，電路組成簡單等優點，具有誘人的應用前景。目前文獻報道的基于自旋轉移效應的微波振 蕩器的調制范圍可以達到1 200 GHz，品質因數可達4000以上[尸/ i5Z^ K S " s丄
iW 7, 4^9-50 .]，但是在實用化之前，還有一些關鍵問題尚待解決。首先，微波發射
功率較低，只有納瓦量級，尚不能滿足實用的要求；其次，產生微波發射的效率太低，需要較 大的注入電流和外加磁場。
發明內容
本發明的目的在于提供一種自旋極化電流驅動的新型微波振蕩器的結構和制備方法。該 器件的基本結構是"固定層(鐵磁)/隔離層(非磁)/自由層(鐵磁)"的多層膜，通過使 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，實現在較小 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。
我們對該結構中的自旋輸運過程和自由層磁矩的磁動力學過程進行了理論研究，發現外 磁場并非產生微波發射的必要條件，當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，自由層的磁矩將發生周期性的改變，產生微波發射。
微波發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。當固定 層和自由層初始磁化方向的夾角為九十度時，自由層可獲得最大的橫向自旋注入。基于該研 究，我們提出一種用自旋電流驅動的新型微波振蕩器件。
本發明中的自旋電流驅動的微波振蕩器件是一種納米級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；
第六層為保護層，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，橢圓形的長軸長度為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，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。
本發明所述的一種自旋電流驅動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鐵磁性的鈷鐵合金作為固定層，在生長
過程中加誘導磁場，誘導磁場方向在膜平面內；
步驟(4)，在所述固定層上用磁控濺射工藝生長金屬銅作為隔離層，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鈷鐵合金作為自由層，在生長過程中 加誘導磁場，誘導磁場方向和所述固定層的誘導磁場方向垂直，且在膜平面內； 步驟(6)，在所述的自由層上用磁控濺射工藝生長金屬鉭作為保護層； 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)形成的多層膜結構加工為橫向尺寸為100士50納米的納米柱結構，并保留光刻膠； 步驟(9)，利用濺射或化學氣相淀積工藝在所述納米柱周圍生長絕緣層； 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，從而產生大幅度的自旋 進動，實現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。器件具有 結構簡單、無須外加磁場、容易集成等特點，在現代通信領域具有廣闊的應用前景。
圖1所示為自旋電流驅動的微波器件的結構示意圖。
圖2所示為自旋電流驅動的微波器件的制備方法的工藝流程圖。
具體實施例方式
圖2為本發明所述制備方法的工藝流程圖。所述結構是在氧化硅襯底1上先淀積底電極 層2;再采用美國LESKER公司的CMS—A六靶磁控濺射系統依次生長種子層3、固定層4、 隔離層5、自由層6、保護層7，其中固定層4和自由層6在生長的過程中，利用磁控濺射設 備自帶的部件施加誘導磁場，誘導磁場方向在膜平面內且互相垂直；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上的多層膜結構加工為橫向 尺寸在100±50納米的柱狀結構，保留光刻膠8;采用濺射或化學氣相淀積等手段在納米柱 周圍生長絕緣層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。
權利要求
1.一種自旋電流驅動的微波振蕩器，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；第六層為保護層，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，且相互垂直，自旋極化電流垂直于膜平面。
2. 根據權利要求1所述的一種自旋電流驅動的微波振蕩器，其特征在于，所述橢圓形的 長軸長度為100士50納米。
3. 根據權利要求1所述的一種自旋電流驅動的微波振蕩器，其特征在于，所述底電極層為金屬銅。
4. 根據權利要求1所述的一種自旋電流驅動的微波振蕩器，其特征在于，所述的隔離層 是一層絕緣層。
5. 根據權利要求4所述的一種自旋電流驅動的微波振蕩器，其特征在于，所述的絕緣層 是1納米 2納米厚的氧化鎂。
6. 根據權利要求1所述的一種自旋電流驅動的微波振蕩器，其特征在于，所述第二層到 第六層形成一個納米柱，且被氧化硅或氮化硅的絕緣層所包圍。
7. —種自旋電流驅動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鐵磁性的鈷鐵合金作為固定層，在生長 過程中加誘導磁場，誘導磁場方向在膜平面內； 步驟(4)，在所述固定層上用磁控濺射工藝生長金屬銅作為隔離層；步驟(5)，在所述的隔離層上用磁控濺射工藝生長鈷鐵合金作為自由層，在生長過程中 加誘導磁場，誘導磁場方向和所述固定層的誘導磁場方向垂直，且在膜平面內； 步驟(6)，在所述的自由層上用磁控濺射工藝生長金屬鉭作為保護層； 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)形成的多層膜結構加工為橫向尺寸為100土50納米的納米柱結構，并保留光刻膠；步驟(9),利用濺射或化學氣相淀積工藝在所述納米柱周圍生長絕緣層；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.根據權利要求7所述的一種自旋電流驅動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動的微波振蕩器件結構和制備方法，屬于自旋輸運器件技術領域。其特征在于，采用氧化硅襯底，通過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)”的多層膜結構，再通過電子束曝光、Ar離子束刻蝕、正膠剝離等微電子工藝將多層膜結構加工為橫向尺寸在100±50納米的柱狀結構。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。本發明的優點在于固定層和自由層的初始磁化方向都位于膜平面內，且相互垂直，可以使自由層獲得最大的橫向自旋注入，從而產生大幅度的自旋進動，有利于獲得大的微波功率輸出，并且不需要外加磁場。
文檔編號H01P7/00GK101359761SQ20081022302
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者敏 任, 磊 張, 浩 董, 寧 鄧, 陳培毅 申請人:清華大學