[发明专利]自旋扭矩振荡器、包括其的电子设备和其制造方法

说明书

本发明涉及自旋扭矩振荡器、包括其的电子设备和其制造方法。自旋扭矩振荡器包括：具有固定磁化的驱动参比层；非磁性隔离层；和呈现易锥磁各向异性的具有可变磁化的自由层，所述非磁性隔离层在所述参比层和所述自由层之间，所述自由层的磁各向异性能量具有沿着轴的局部最大值、在与该轴所成的角度处的局部最小值、和不同于所述局部最大值的全局最大值，所述角度大于0度，其中所述自旋扭矩振荡器配置为使得所述自由层的可变磁化围绕所述轴旋进。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年11月19日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请No.62/257,684的优先权和权益，其全部公开内容引入本文中作为参考。

技术领域

本发明的实施方式的方面涉及使用自旋扭矩(力矩)振荡器或自旋转移(转换，传输)振荡器的设备。

背景技术

自旋扭矩振荡器(还称为自旋转移振荡器或自旋转移纳米振荡器)是磁性多层设备，其通常包括两个传导磁性层：具有固定磁化(磁化强度)的参比层(或被钉扎层或极化器层)、和具有响应于电流产生的自旋扭矩而自由旋转(例如涡旋旋进或斯格米子(skyrmion)旋进)的磁化(磁化强度)的自由层(例如各向同性自由层)。

例如，图1示出了对比的磁性隧穿(隧道)结(MTJ)1。对比的MTJ 1典型地存在于底部触头2上，并且可包括常规的驱动参比层10、常规的隧穿阻挡(势垒)层20、常规的自由层30(例如各向同性自由层或具有平行于或垂直于x-y平面的各向异性)、第二常规的隧穿阻挡层40、常规的读出参比层50、和顶部触头4。

底部和顶部触头2和4用于将来自电流源的电流在电流垂直于平面(CPP)方向上、或沿如图1中所示的z轴驱动。磁性隧穿结1还可包括一个或多个种晶层(例如在底部触头和常规驱动参比层10之间)并且可包括反铁磁性(AFM)层。所述一个或多个种晶层可有助于具有所需的晶体结构的随后的层例如AFM层的生长。常规的隧穿阻挡层20和40是非磁性的并且可为例如薄的绝缘体例如MgO。

常规的驱动参比层10和常规的自由层30是磁性的。常规的驱动参比层10的磁化12是固定或钉扎在具体的(特定的)方向上的，典型地通过与AFM层的交换偏置相互作用。例如，如图1中所示，常规的驱动参比层10的磁化12是沿垂直于平面的方向固定的(例如沿垂直于x-y平面的z方向对齐的)。尽管被图示成单(单一)层，但常规的驱动参比层10可包括多层。例如，常规的驱动参比层10可为综合的(合成的，synthetic)反铁磁性(SAF)层，其包括通过薄的传导层例如Ru反铁磁性地耦合的磁性层。在这样的SAF中，可使用与Ru的薄层交插的多个磁性层。在另一实施方式中，跨越Ru层的耦合可为铁磁性的。此外，其它形式的对比的MTJ 1可包括通过另外的非磁性阻挡或传导层(未示出)与常规的自由层30分离的另外的被钉扎层(未示出)。

常规的自由层30具有可变磁化或磁矩32。尽管被图示成单层，但常规的自由层30也可包括多层。例如，常规的自由层30可为包括通过薄的传导层例如Ru反铁磁性或铁磁性地耦合的磁性层的合成层。

常规的读出参比层50具有固定磁化52。固定磁化52在如下方向上：使得其方向和常规的自由层30的可变磁化32的方向之间的角度随着可变磁化32旋转或旋进而变化。这样，底部触头2和顶部触头4之间的电阻根据常规的自由层30的可变磁化32和常规的读出参比层50的固定磁化52的内积随时间而变化。

通常，自旋扭矩振荡器因其小的尺寸、易于使用标准的硅处理来制造、辐射硬度而令人感兴趣，并且振荡频率可基于电流和外部施加的磁场的强度来设置。

然而，对比的自旋扭矩振荡器(例如如上所述的)存在许多挑战，包括以下需求：外部施加的磁场是大的(例如在1,000-10,000Oe的量级)，并且调整频率可为困难的，因为这样做需要改变外部施加的磁场。此外，输出功率通常非常低(例如在1-10nW的量级)，且对比的振荡器具有高的电流需求(例如在数mA的量级)。