具有毫瓦級輸出的自旋微波振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及自旋微波振蕩器。一種自旋微波振蕩器包括：磁性多層膜結構，其配置為在直流偏置下生成振蕩信號；以及三級放大器，其配置為接收并且放大所述振蕩信號，其中，所述三級放大器的每個級包括：NPN型晶體管，其基極用于接收輸入信號，其集電極用于提供經放大的輸出信號；負載電阻器，其連接到所述晶體管的集電極；以及偏置電阻器，其連接在所述晶體管的集電極與基極之間。本發明的自旋微波振蕩器能提供毫瓦級別的功率輸出，因此能實際應用于各種電子設備中。
【專利說明】
具有毫瓦級輸出的自旋微波振蕩器
技術領域
[0001]本發明總體上涉及振蕩器，更特別地，涉及一種具有毫瓦級輸出的自旋微波振蕩器。
【背景技術】
[0002]目前常用的微波振蕩器包括LC振蕩器和晶體振蕩器等。LC振蕩器的輸出頻率較低，一般低于吉赫茲(GHz)，而且調頻范圍較窄。此外，LC振蕩器所包括的電感器和電容器等無源元件的進一步小型化存在困難，因此難以適用于下一代電子設備。晶體振蕩器的輸出頻率一般在200MHz以下，個別能達到GHz的水平，因此通常也還需要進一步的頻率處理電路。而且，晶體振蕩器的輸出頻率范圍較窄，存在調頻困難。最重要的是，晶體振蕩器的尺寸一般在毫米量級以上，給半導體集成造成很大的困難，而且功耗也較大。
[0003]2003年，Kiselev等人發現當自旋極化的DC電流通過納米尺寸的巨磁電阻(GMR)多層膜時，會產生自旋轉移力矩(spin transfer torque，STT)，在合適的條件下會使自由層磁化發生磁阻振蕩，輸出高頻信號(參見Kiselev S I, Sankey J C, Kirvorotov I N, etal.Microwave oscillat1ns of a nanomagnet driven by a spin-polarized current.Nature, 2003，425:380)。這種自旋納米振蕩器(spin transfer nano-oscillator, STN0)(也稱為自旋微波振蕩器)具有很多優點，例如結構簡單，尺寸小(是現有的晶體振蕩器的尺寸的五十分之一)、頻率調制范圍寬(0.Ι-lOOGHz)、易集成、工作電壓低(〈0.5V)等。自旋微波振蕩器的出現良好地解決了傳統的LC振蕩器和晶體振蕩器的諸多問題，被認為是下一代振蕩器的候選者，因此得到了廣泛的研究。
[0004]然而，自旋微波振蕩器有其本身的缺陷，即輸出功率較低，一般在納瓦(nW)量級，而實用級別的輸出功率要求在毫瓦(mW)量級。2013年，曾中明等人采用新型的磁性隧道結結構實現了最高63nW的功率輸出(參見Zeng Z M, Finocch1 G, Zhang B, etal.Ultralow-current-density and bias-field-free spin—transfer nano-osciIlator.Sci Rep, 2013，3:1426)，這仍與實用級別的功率輸出相去甚遠。
【發明內容】
[0005]本發明的一個方面在于提供一種自旋微波振蕩器，其能夠提供毫瓦級別的功率輸出，因此能夠投入實際應用中。
[0006]根據本發明一實施例，一種自旋微波振蕩器可包括:磁性多層膜結構，其配置為在直流偏置下生成振蕩信號；以及三級放大器，其配置為接收并且放大所述振蕩信號，其中，所述三級放大器的每個級包括:NPN型晶體管，其基極用于接收輸入信號，其集電極用于提供經放大的輸出信號；負載電阻器，其連接到所述晶體管的集電極；以及偏置電阻器，其連接在所述晶體管的集電極與基極之間。
[0007]在一示例中，所述自旋微波振蕩器還包括第一電容器，其連接在所述磁性多層膜結構與所述三級放大器之間以濾除直流信號而使所述振蕩信號通過。
[0008]在一示例中，所述三級放大器的每個級還包括第二電容器，其連接到所述晶體管的集電極以濾除直流信號而使經放大了的振蕩信號通過。
[0009]在一示例中，所述三級放大器的每個級還包括第一電感器，其連接在所述負載電阻器的與所述晶體管相反的一端。
[0010]在一示例中，所述三級放大器的每個級還包括第二電感器，其連接到所述晶體管的發射極。
[0011]在一示例中，所述偏置電阻器配置為將所述晶體管的靜態工作點偏置在放大區，并且同時還配置為提供負反饋。
[0012]在一示例中，所述磁性多層膜結構包括:磁性參考層，其具有固定磁化方向；磁性自由層，其設置在所述磁性參考層上方且其磁化方向在所述直流偏置下發生進動；以及非磁間隔層，其設置在所述磁性參考層和所述磁性自由層之間。
[0013]在一示例中，所述非磁間隔層是非磁導電金屬層或非磁絕緣氧化物層。
[0014]在一示例中，所述磁性參考層和所述磁性自由層中的每個均具有面內磁化或垂直磁化。
[0015]在一示例中，所述磁性多層膜結構和所述三級放大器二者被集成在同一半導體襯底上。
【附圖說明】
[0016]圖1示出根據本發明一實施例的自旋微波振蕩器的電路框圖。
[0017]圖2示出根據本發明一實施例的磁性多層膜結構產生的振蕩信號的頻域特性。
[0018]圖3示出根據本發明一實施例的三級放大器的電路圖。
[0019]圖4A和4B示出根據本發明一實施例的三級放大器的S參量仿真的結果。
[0020]圖5A和5B示出根據本發明一實施例的三級放大器的瞬態仿真的結果。
【具體實施方式】
[0021]—種方法是使用放大器來放大自旋微波振蕩器的輸出信號以提高其輸出功率。然而，由于自旋微波振蕩器輸出信號本身的特性，諸如高頻率、寬頻帶可調、功率低等，傳統的放大器難以適應其需求，即，難以在GHz以上的高頻區域并且在大的動態范圍內提供高的放大增益。例如，P a t r i c k等人提出了一種三級差分放大電路，其在IGHz頻率時的最大增益為22.3dB，在4GHz時的增益下降到大約20dB (參見PatrickVillardj et al.A GHz Spintronic-Bsed RF Oscillator, IEEE Journal of Solid-StateCircuits, Vol.45，N0.1，January 2010) 0
[0022]本發明人在研究了自旋微波振蕩器的輸出特性之后，提出一種新穎的、尤其適合自旋微波振蕩器的放大器結構。下面將參照附圖描述本發明的示范性實施例。
[0023]圖1示出根據本發明一實施例的自旋微波振蕩器100的電路框圖。如圖1所示，自旋微波振蕩器100包括磁性多層膜結構110，直流偏置結構120以及放大器結構130。
[0024]磁性多層膜結構110可以是用于產生振蕩信號的任意磁性多層膜結構，例如但不限于巨磁電阻(GMR)多層膜結構、隧道磁電阻(TMR)多層膜結構等。優選地，磁性多層膜結構110可以是TMR多層膜結構，因為其可以提供較高的磁電阻，進而產生較大的功率輸出，例如在納瓦至微瓦量級。作為常用配置，磁性多層膜結構I1可以包括磁性參考層112、非磁間隔層114和磁性自由層116。磁性參考層112的磁化被釘扎，例如可以被反鐵磁層(未示出)或硬磁偏置結構釘扎，或者被自釘扎，從而一般不會隨外磁場而變化，因此也稱為固定層。應理解，磁性參考層112可以是單層結構，也可以是諸如人工合成反鐵磁(ASF)結構之類的多層結構。磁性自由層116 —般由軟磁材料形成，其磁化方向可隨外磁場而變化。磁性參考層112和磁性自由層116每個均可以具有面內磁化或者垂直磁化。作為示例，圖1示出了磁性參考層112的磁化方向在平面內，而自由層116的磁化方向垂直于平面。本領域技術人員將理解，也可以使用磁化方向的其他配置。非磁間隔層114位于磁性參考層112和非磁自由層116之間。對于GMR多層膜結構，非磁間隔層114可以是非磁導電材料例如Cu、Ru等。對于TMR多層膜結構，非磁間隔層114可以是非磁絕緣體，諸如Al203、Mg0等。
[0025]直流偏置結構120可包括直流電源122，其將直流電流1:^施加到磁性多層膜結構IlOo直流偏置結構120還可以包括電感器124，其可以連接在直流電源122和磁性多層膜結構110之間，以起到阻抗匹配的作用。為了實現自由層116的磁化方向的等幅進動，磁性多層膜結構110的尺寸應足夠小，一般平面尺寸在10nm以下，并且通過磁性多層膜結構110的電流的密度應足夠大，一般在107A/cm2以上。可以理解的是，可以根據磁性多層膜結構I1的尺寸來選擇電流1%的大小。
[0026]由于自由層116的磁化方向的進動，導致磁性多層膜結構110的電阻值相應地振蕩，從而產生振蕩信號。如前所述，磁性多層膜結構110產生的振蕩信號的頻率可以很高，例如達到數十甚至上百GHz，但是其輸出功率較低。圖2示出根據本發明一實施例的磁性多層膜結構110產生的振蕩信號的頻域特性。如圖2所示，該振蕩信號的中心頻率為大約1.1GHz，但是其半高寬較大，也就是說，其信噪比可能不如傳統的晶體振蕩器那么好，這也給放大器的設計帶來了挑戰。
[0027]磁性多層膜結構110產生的振蕩信號可以被饋送到放大器130以進行放大。電容器132可連接在磁性多層膜結構110和放大器130之間以濾除直流信號，而僅交變信號(即，振蕩信號)被饋送到放大器130。
[0028]圖3示出根據本發明一實施例的三級放大器130的電路圖。如圖3所示，三級放大器130的第一級134、第二級136和第三級138結構相同，因此此處僅詳細描述第一級放大器134的結構。
[0029]參照圖3，第一級放大器134包括NPN晶體管Q1。晶體管Ql的集電極經負載電阻器R2連接到電壓源Vcc，晶體管Ql的集電極還經偏置電阻器Rl連接到晶體管Ql的基極。晶體管Ql的發射極可以例如接地。
[0030]電壓信號Vcc經負載電阻R2被提供給晶體管Ql的集電極，并且又經偏置電阻Rl被提供給晶體管Ql的基極。通過該配置，可以將晶體管Ql的靜態工作點偏置在放大區域。經電容器132濾波之后的振蕩信號被提供給工作在放大區域的晶體管Ql的基極，經反相放大之后，在晶體管Ql的集電極處得到反相的、放大了的振蕩信號，其經輸出電容器Cl濾波之后被提供給下一級放大器以繼續進行放大。
[0031]應注意的是，本發明的偏置電阻器Rl不是連接在電壓信號Vcc與晶體管Ql的基極之間，而是連接在晶體管Ql的集電極和基極之間。因此，偏置電阻器Rl不僅用于偏置晶體管Ql的靜態工作點，而且還起到反饋的作用。如圖所示，偏置電阻器Rl將晶體管Ql產生的反相放大信號反饋到晶體管Ql的基極。這種負反饋有助于提高放大器的動態范圍，減少增益損失。傳統的放大器動態范圍較窄，在高頻端增益損失很大。因此，本發明的放大器僅用簡單的結構，就實現了良好的放大效果和寬的動態范圍，尤其適合于自旋微波振蕩器的振蕩信號。
[0032]可選地，第一級放大器134還可以包括設置在負載電阻器R2與電壓Vcc之間的電感LI和連接到晶體管Ql的發射極的第二電感L4。電感LI和L4可以起到阻抗匹配的作用，以確保放大器工作在良好的狀態下。
[0033]第二級放大器136和第三級放大器138具有與第一級放大器134相同的結構，并且用類似的附圖標記表示，因此這里不再對其進行詳細描述。第一級放大器134的輸出被提供給第二級放大器136的輸入，第二級放大器136的輸出被提供給第三級放大器138的輸入。經三級放大之后，在第三級放大器138的輸出端提供振蕩信號輸出。
[0034]本發明人通過實驗后發現，本發明的放大器130的三級結構是最佳結構。如果級數更低，例如為一級或二級，則放大倍數可能不能達到自旋微波振蕩器的要求，不能實現毫瓦量級的功率輸出。另一方面，如果級數更高，則不能抑制噪聲信號的放大，信噪比將會劣化，因此不能實現寬帶放大。本發明的三級放大器具有許多優異的性能，下面將參照附圖來進一步說明。
[0035]圖4A和圖4B示出三級放大器130的S參量仿真結果，其中圖4A示出0.9GHz至
1.3GHz的頻率范圍，圖4B示出IGHz至4GHz的頻率范圍。S參量包括正向增益S21、反向增益S12和回波損耗S22。如圖4A所示，在0.9GHz至1.3GHz的頻率范圍，放大器130的正向增益S21為53.28dB到51.40dB，其遠高于Patrick的放大器的22.3dB的最大值，這表明本發明的放大器130具有良好的功率放大效果。放大器130的回波損耗S22保持為大約-10dB，反向增益一直保持為較大值，為-78.26dB到-69.89dB，這表明放大器130具有良好的噪聲抑制效果。繼續參照圖4B，在IGHz至4GHz的常用頻率范圍，放大器130的正向增益S21為52.92dB到31.26dB，其遠高于Patrick的放大器的22.3dB到約20dB的范圍，因此本發明的放大器130具有良好的動態范圍。放大器130的輸出端口回波損耗S22雖然在1.5-3.0GHz的范圍超出了 -10dB，但是在3.0GHz后又變小，朝零靠攏。放大器130的輸入端口回波損耗Sll在1.7GHz附近達到最大值約_31dB，然后隨著頻率增大而逐漸變小，在
4.0GHz達到約-ldB。因此，本發明的放大器130具有良好的噪聲抑制效果。
[0036]圖5A和5B示出放大器130的瞬態仿真結果，信號取穩定后的波形，即50ns至60ns之間。如圖5A所示，輸入信號Vin的幅值設為0.lmV，頻率為1GHz，則輸出信號Vout的幅值為40mV。從瞬態仿真結果可以看出，放大器130的電壓放大倍數可達到400倍。
[0037]如上所述，本發明的三級放大電路具有簡單的結構，且主要由晶體管構成，因此尤其適合于集成到傳統的CMOS工藝中。由于磁性多層膜結構也兼容傳統的半導體工藝，所以本發明的自旋微波振蕩器所包括的磁性多層膜結構和三級放大器可以通過半導體工藝一體集成在單個半導體襯底上，這有利于設計和制造，并且便于器件的進一步小型化。此外，本發明的三級放大器電路尤其適合于自旋微波振蕩器的頻率特性，實現了大的增益和寬的動態范圍，能提供毫瓦級別的功率輸出，因此使得自旋微波振蕩器的實際應用成為可能。因此，本發明的自旋微波振蕩器尤其適合作為下一代振蕩器應用于未來的電子設備中。
[0038]雖然上面參照示范性實施例描述了本發明，但是本發明不限于此。本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發明的范圍和思想的情況下，可以進行形式和細節上的各種變化和修改。本發明的范圍僅由所附權利要求及其等價物定義。
【主權項】
1.一種自旋微波振蕩器，包括: 磁性多層膜結構，其配置為在直流偏置下生成振蕩信號；以及 三級放大器，其配置為接收并且放大所述振蕩信號， 其中，所述三級放大器的每個級包括: NPN型晶體管，其基極用于接收輸入信號，其集電極用于提供經放大的輸出信號； 負載電阻器，其連接到所述晶體管的集電極；以及 偏置電阻器，其連接在所述晶體管的集電極與基極之間。2.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，還包括第一電容器，其連接在所述磁性多層膜結構與所述三級放大器之間以濾除直流信號而使所述振蕩信號通過。3.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述三級放大器的每個級還包括第二電容器，其連接到所述晶體管的集電極以濾除直流信號而使經放大了的振蕩信號通過。4.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述三級放大器的每個級還包括第一電感器，其連接在所述負載電阻器的與所述晶體管相反的一端。5.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述三級放大器的每個級還包括第二電感器，其連接到所述晶體管的發射極。6.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述偏置電阻器配置為將所述晶體管的靜態工作點偏置在放大區，并且同時還配置為提供負反饋。7.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述磁性多層膜結構包括: 磁性參考層，其具有固定磁化方向； 磁性自由層，其設置在所述磁性參考層上方且其磁化方向在所述直流偏置下發生進動；以及 非磁間隔層，其設置在所述磁性參考層和所述磁性自由層之間。8.如權利要求7所述的自旋微波振蕩器，其中，所述非磁間隔層是非磁導電金屬層或非磁絕緣氧化物層。9.如權利要求7所述的自旋微波振蕩器，其中，所述磁性參考層和所述磁性自由層中的每個均具有垂直磁化或面內磁化。10.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述磁性多層膜結構和所述三級放大器二者被集成在同一半導體襯底上。
【文檔編號】H03F1/34GK106033956SQ201510111539
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月13日
【發明人】魏紅祥, 豐家峰, 張華斌, 楊赟, 賀小勇, 韓秀峰
【申請人】中國科學院物理研究所