一种垂直纳米点接触型自旋霍尔纳米振荡器的制作方法

1.本发明属于信息电子设备技术领域，具体涉及基于电子自旋轨道力矩的一种纳米平面点接触结构的自旋霍尔纳米振荡器架构设计及应用。


背景技术：

2.二十世纪80年代在磁异质结构中发现巨大的磁阻效应和隧穿磁阻效应后，自旋电子学开始得到逐步发展。最近20年内，在电流驱动自旋的自旋转移力矩(stt)效应的发现使自旋电子学得到了得到了广泛关注和研究。基于磁矩在外磁场下的动力学特征，自旋转移力矩效应可以抵消磁性自由层的内禀磁阻尼，因此驱动和维持磁矩进行高频率的持续性进动，结合磁电阻效应就能产生微波电压信号，成为纳米微波源。另外，电流产生的自旋转移力矩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。
3.在传统三明治结构的自旋阀或磁隧道结中，电流需要直接流过自由铁磁层，因此自由铁磁层需要是导电的铁磁金属，同时高的电流密度还会产生强的局域焦耳热效应，造成较高的能耗，并且会对器件的热稳定性产生影响。此外，自旋转移力矩效率受自旋极化铁磁层的自旋极化率的限制。最近十年来，研究人员在一些具有强自旋轨道耦合材料中发现另外一种产生自旋极化电流的机制和方法——基于自旋轨道耦合效应，电荷流在这类非磁材料中能产生与电荷流方向垂直的自旋流，与自旋转移力矩相类似，该自旋流携带自旋角动量也能驱动磁矩翻转或进动，因此被称为自旋轨道力矩(sot)。在传统三明治结构的自旋阀或磁隧道结中，利用自旋轨道力矩驱动的纳米振荡器被称为“自旋转移矩纳米振荡器”(stno)。在单层磁性平面二维结构中，利用自旋轨道力矩驱动的纳米振荡器被称为“自旋霍尔纳米振荡器”(shno)。与自旋转移矩纳米振荡器相比，自旋轨道效应具有更高的电荷-自旋转化效率，因此，自旋霍尔纳米振荡器具有更低的能耗优势，同时该新型自旋振荡器的结构更加简单、易于微纳加工，器件可重复性高等优点，已成为研发低能耗磁存储、磁逻辑运算、高频微波芯片以及自旋人工智能芯片的理想元器件之一。或激发短波长传播型自旋波，作为低能耗磁振子器件的纳米尺度自旋波源。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的问题，发明目的是，基于自旋转移矩效应，构造一种新型自旋微波纳米振荡器。本发明自旋纳米振荡器是基于高能效的自旋轨道效应构建的一类简单平面二维纳米点接触式结构的新型器件，具有高的电荷自旋转化，低能耗，易于与comos技术集成，便于工业加工，同时降低制造和加工成本，提高器件的性价比。
5.为实现上述作用，本发明采用的技术方案如下：一种纯自旋流高频微波纳米磁性振荡器，其特征是，上述纳米振荡器的结构包括基片，以及在基片上从下至上依次为自旋极化下电极层，磁性薄膜层，非磁绝缘层和纳米点接触的上电极层。
6.本发明是一类新型低能耗、高密度的纳米自旋电子器件，是基于自旋轨道效应制
备出一种纳米点接触式的自旋纳米振荡器。所述自旋电子器件基本单元为圆柱型或椭圆柱型纳米点接触的磁性多层结构，所述多层结构是由强自旋轨道耦合材料薄膜和磁性薄膜组成，强自旋轨道耦合的金属薄膜层为具有强自旋轨道偶尔材料或者拓扑二维材料，具体为ta，pt，w，taox，ptox，wox，cu1-xbix，拓扑绝缘体bi1-xsbx，bi2(se,te)3,强反常霍尔材料[pt/co/ni]n、[ta/cofeb/mgo]n等。所述磁性薄膜由面内或面外磁化的铁磁或亚铁磁以及反铁磁材料制成，所述磁性材料可以是磁性的金属、合金及绝缘体等。所述强自旋轨道耦合薄膜层厚度为3nm～30nm，优选厚度为4～10nm；磁性薄膜层可以是垂直磁化或面内磁化的磁性金属或绝缘体薄膜co，fe，[co/ni]n,cofe,cofeb,yig,tmig,fen4，厚度在1nm
–
20nm。所述自旋极化金属/磁性薄膜的双层结构的平面尺寸在微米至毫米量级，但尺寸不限于此，可根据实际单元阵列排布进行调整。
[0007]
所述多层结构从上至下依次为非磁性上电极层1.1；磁性自由层1.2；下电极层1.3；实现高速随机信息存储和处理和低能耗纳米尺度下自旋波激发源功。所述圆柱型或椭圆柱型点接触直径为10nm-150nm，厚度10nm
–
200nm；磁性自由层位垂直磁化或面内磁化的磁性金属或绝缘体薄膜co，fe，[co/ni]n,cofe,cofeb,yig,tmig,fen4，厚度为1nm
–
20nm；下电极层为能产生自旋轨道力矩的强自旋霍尔材料ta，pt，w，taox，ptox，wox，cu1-xbix，拓扑绝缘体bi1-xsbx，bi2(se,te)3,强反常霍尔材料[pt/co/ni]n、[ta/cofeb/mgo]n，厚度为3nm
–
30nm。具体参考结构示意图1和图2。
[0008]
所述衬底可以是绝缘性或者半导体型衬底，优选采用si/sio2衬底。
[0009]
所述非磁绝缘层是具有空心圆柱体或椭圆体结构的电绝缘的介电层，具体包括各种无机物或者有机物，例如pmma、mgo、sio2、sic、sin、aln、al2o3等，厚度为5nm-200nm，内部空心直径约为10nm-150nm，上电极层为良导体金属薄膜，具体为au，cu，ag，al，ti等，厚度为20nm-200nm。
[0010]
所述上电极层是圆柱型点接触结构上电极直径约为10nm-150nm，优选直径为30nm-100nm，但形状尺寸不限于此，点接触结构电极形状也可为正方形、长方形、圆形，椭圆形以及其他任意形状，尺寸可以纳米级或者近微米级。
[0011]
所述自旋轨道纳米振荡器制造方法，制备工艺包括磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积，离子束沉积、物理气相沉积、等离子体化学气相沉积，光刻方式包括紫外光刻、离子束刻蚀、反应离子刻蚀、电子束刻蚀等等。沉积、光刻与刻蚀的工艺方式包括又不限于上述种类，也可由多重工艺组合使用，具体跟材料选择以及结构相关。
[0012]
采用沉积薄膜方法在衬底上自下而上依次形成强自旋轨道耦合材料薄膜,磁性薄膜；采用刻蚀工艺得到空心圆柱形的电绝缘层；进一步在电绝缘层上沉积上电极层，得到所述纳米振荡器。在简单双层重金属/磁性薄膜上基于垂直纳米点接触方式局域注入电流到具有强自旋轨道力矩效应的金属层中，产生高强度的纯自旋流来驱动邻近磁性层中磁矩在纳米点接触附近发生相干振荡的器件架构方案。本发明所提出的纳米点接触自旋轨道矩纳米振荡器，除了能作为纳米尺度的高频微波源外，还可作为以自旋波为信息载体的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。本发明公开的纳米振荡器是基于强自旋轨道耦合材料中的自旋轨道矩在纳米尺度下激发磁性材料中磁矩作高频振荡开发的，其工作频率依赖于磁性材料磁矩的进动频率，该频率通常在0.1ghz～50ghz范围内，且可根据器件结构和外加磁场、电流或电压等参数进行可控调制。
[0013]
本发明提供的一种基于自旋轨道力矩效应的纳米自旋振荡器，在纳米点接触电极注入电流到强自旋轨道耦合材料薄膜与/磁性薄膜组建的磁性双层中，电流密度相对集中分布在近纳米点接触电极外围部位，方向沿圆形点接触的径向方向。在强自旋轨道耦合材料中，由于自旋霍尔效应或自旋-动量锁定效应等自旋轨道耦合效应，该局域的径向电荷电流能产生环形的纯自旋流，对近邻的磁性薄膜层中的磁矩传递自旋角动量，驱动点接触电极外围附近的磁矩进行稳定的自发进动，进而在磁性薄膜层中激发出相干的短波长自旋波。
[0014]
纳米自旋电子器件的应用，即自旋轨道力矩纳米振荡器的应用方法，是在纳米点接触磁性多层结构的上下电极上施加相应的电压v
dd
，由于自旋轨道力矩效应，施加的电压v
dd
～0.1
–
4v将产生对应的纯自旋电流驱动纳米点接触下的自由铁磁层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-50 ghz范围内根据外加磁场大小(0.1-10koe)及面外角度(0
–
90
°
)、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和图5。
[0015]
纳米尺度自旋波激发源或激发源阵列的应用，纳米振荡器中的自由铁磁层在纳米点接触电极下方的局域磁矩在纯自旋电流驱动会产生高频振荡，从而激发定向传播型自旋波，其频率、相位、强度和传播的方向可以根据外加磁场和驱动电压进行调整。具体参考实施案例图4和图6。
[0016]
所述的自旋纳米振荡器和自旋波源可以通过外部反馈电路和器件磁性自由层中的磁电耦合作用对纳米振荡器阵列进行同步和调制，从而实现基于自旋波为信息载体的信息处理，以及提高输出微波信号的强度，具体参考实施案例图4。
[0017]
与现有技术相比，有益效果：本发明和传统的自旋转移矩纳米振荡器相比，它具有更高的电荷-自旋转换率，更低的能耗，几何形状简单性和可重复性更好。与“对三角”型结构的自旋霍尔振荡器(专利申请号：201811298649.0)相比，本发明的电流密度分布根据局域，导致的焦耳热更小，带来的热涨落对信号的影响更小，因此，本发明的磁矩自激振荡的相干性更好，还消除了平面“对三角”几何结构导致的高频边界模导致信号的退相干。更重要的是，本发明垂直纳米点结构非常简单，在纳米加工过程上更简洁高效，更容易加工成集成芯片，为工业生产提供更多便利和更高效率，同时降低制造和加工成本，提高器件的性价比。
附图说明
[0018]
图1为本发明基于垂直点接触结构的自旋轨道矩纳米振荡器的结构示意图；
[0019]
图2为本发明基于垂直点接触结构的自旋轨道矩纳米振荡器阵列的结构示意图；
[0020]
图3为本发明基于垂直点接触结构的自旋轨道矩纳米振荡器的具体实施方案示意图；
[0021]
图4为本发明基于垂直点接触结构的自旋轨道矩纳米振荡器阵列的驱动和检测电路示意图；
[0022]
图5为本发明实施的垂直点接触结构的自旋轨道矩纳米振荡器的微波频谱测试示意图(左图)和其频谱特性随外加磁场大小的变化关系数据图(右图)。
[0023]
图6为本发明实施的垂直点接触结构的自旋轨道矩纳米振荡器激发两类相干自旋
波在磁性薄膜中的强度空间分布图。左图是2.92ghz的局域自旋波空间分布图，右图是5.84ghz的传播型自旋波的空间分布图，其中图中小圆表示纳米接触点边缘的位置，箭头表示外加磁场的面内分量的方向。
具体实施方案：
[0024]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
[0025]
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，并且可在不脱离本公开内容的范围的情况下做出结构或逻辑改变。因此，并不以限制采用以下具体实施方式的广泛意义，并且实施例的范围由所附权利要求及其等效内容加以限定。
[0026]
本发明涉及的电流驱动自旋电子器件的核心物理单元结构是由圆柱型或椭圆柱型纳米点接触式多层薄膜结构组成。自旋电子器件基本单元器件结构的具体参考结构示意图1，从上至下依次为：1.1上电极层，1.2电绝缘层，1.3磁性薄膜层和1.4强自旋轨道耦合材料重金属薄膜层。器件制造过程中，首先采用沉积薄膜方法在衬底上自下而上依次形成1.4重金属pt薄膜，其厚度为7nm-10nm,1.3磁性薄膜[co(0.3nm)/ni(0.2nm)]多层膜，其重复8次，总厚度为4nm和1.2电绝缘层聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100nm，聚甲基丙烯酸甲酯电绝缘层需要采用电子束刻蚀工艺在薄膜中形成圆柱或椭圆柱通孔或通孔阵列，孔直径在50nm-100nm，最后再镀上1.1上电极au或cu薄膜层。如图1自旋轨道矩纳米振荡器的截面示意图所示，1.1上电极层不仅与1.2非磁绝缘层有大面积接触，还与1.3磁性薄膜层处有直径50nm-100nm的点接触，形成点接触结构纳米振荡器。同样这类结构还非常方便制作成如图2所示的点接触纳米振荡器阵列。
[0027]
图3是在图1纳米振荡器的截面示意图基础上进一步给出电流分布和磁矩振荡的示意图。电压v
dd
加在上电极cu层和非磁性重金属pt层之间，电流将从1.1上电极和1.3磁性薄膜层点接触处导入，经过1.3磁性薄膜层[co(0.3nm)/ni(0.2nm)]8，从1.4非磁性重金属pt导出，所以将有80％-90％以上的电流密度局域在纳米点接触下方的[co(0.3nm)/ni(0.2nm)]8/pt(7nm)双层中，由于重金属pt层的强自旋霍尔效应，该局域电荷流将会产生具有自旋流，进而驱动纳米点接触下方的co/ni多层薄膜中的磁矩进行相干振荡。另外，由于co/ni多层薄膜又有比较大的各向异性磁电阻效应，所以振荡的磁矩将会导致一个变化的磁电阻，再与电流相乘就会产生一个微波电压信号。另外，局域的磁矩进行相干振荡还会由于磁交换相互作用，在低磁阻尼的co/ni多层薄膜中产生传播型或局域型的自旋波，进而也可以用来作为新型低能耗的自旋波器件的信号源。
[0028]
图4左边部分是在图1自旋轨道矩纳米振荡器的微波频谱测试技术路线图。一个恒定直流电流源通过一个直流和射频偏置器的电感端接入到图1器件上电极上，而器件产生的高频微波电压信号通过电容端口输入到高频频谱仪的输入端口，在输入到频谱仪之前，一般还会添加一个30dbm的低噪微波放大器进行信号的放大。自旋轨道矩纳米振荡器产生的微波信号还可以通过改变外加磁场大小和角度进行调节，器件调制范围可以从0.5ghz到40ghz，因此，具有非常大的频率调制范围。图4右边部分是该自旋轨道矩纳米振荡器发射微波信号随外加磁场的变化关系的数据图。
[0029]
图5是在图1自旋轨道矩纳米振荡器在10ma偏置电流下，由纳米点接触下方的局域
磁矩相干振荡激发的这类自旋波的空间强度分布图，图中的小圆圈表示纳米点接触电极的位置，图中的箭头表示外加磁场在器件平面内的分量，图中白色区域是自旋波分布的位置。图5左边数据是频率为2.92ghz的自旋波强度在磁性薄膜中的空间分布图，从中可以看出自旋波分布在纳米点接触的一侧，且与面内磁场垂直，空间尺寸在100nm
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150nm左右，表面该自旋波是一类非传播型的局域自旋波，可以作为局域信号。而图5右边数据是频率为5.84ghz的自旋波强度在磁性薄膜中的空间分布图，从中可以看出自旋波的最高强度在纳米点接触边缘，并向外呈波浪形分布，其传播距离大于500nm，表面该自旋波是一类传播型自旋波，可以作为新型低能耗自旋波器件的信号源。这两类自旋波传播方向都可以通过外加磁场的方向进行调控，其频率可以通过改变磁场大小进行调控。
[0030]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置、电流和磁场参数等)，这些等同变换均属于本发明的保护。