[发明专利]包括自旋波耦合的自旋霍尔振荡器阵列的振荡器装置

说明书

本发明提供一种包括自旋波耦合的自旋霍尔振荡器阵列的振荡器装置。单个自旋霍尔振荡器的输出功率一般在微瓦量级，难以满足实际应用的需要。为了提高输出功率，可以采用多个自旋霍尔振荡器的阵列，但是多个自旋霍尔振荡器之间存在同步问题。在本发明的一些实施例中，采用共振增强单元将相邻的自旋霍尔振荡器彼此连接。自旋霍尔振荡器能在共振增强单元中激发自旋波，其能够使相邻的自旋霍尔振荡器彼此磁性耦合，从而在运行时迅速共振到相同的频率和相位，提高整个器件的振荡信号输出功率。该振荡器装置具有耦合强度大，延迟时间短，耦合性能显著提升且对自旋霍尔振荡器之间的距离有可观的提高等优点，而且结构较为简单，容易制造。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种包括自旋波耦合的自旋霍尔振荡器阵列的振荡器装置。

背景技术

振荡器是将直流信号转化为交流信号的电子器件，常用的电子振荡器包括RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器等，目前广泛应用于无线电通讯、生物传感器以及微波技术等重要领域。自旋转移矩纳米振荡器(Spin-Transfer Torque Nano Oscillator，STTNO)是在STT效应基础上开发的一种新型振荡器，其相对于传统的电子振荡器具有结构简单、功耗低、尺寸小、频率高、灵敏度高、集成容易和工作温度范围宽等优异性能，有着广泛的应用前景。自旋霍尔振荡器还具有瞬时记忆特性和非线性效应，其可以在神经形态计算中扮演神经元的角色，用于开发类似人脑功能的硬件神经网络。这类振荡器的基本结构为磁性膜(FM1)/非磁性膜(NM)/磁性膜(FM2)形成的三明治结构，被FM1层自旋极化的电子穿过NM层进入FM2层，可以对磁性薄膜FM2层内的磁矩产生一个力矩的作用，能够促使FM2层内的磁矩方向绕一方向进动从而产生微波振荡输出信号。但是，由于受到自旋极化率的制约，在实现微波振荡的过程中往往需要较高的电流密度，这不仅增大了能耗，产生的噪声也会影响输出的微波信号的质量。

为了解决该问题，目前提出了基于自旋轨道转矩(Spin-Orbit Torque，SOT)的新型自旋纳米振荡器，也称为自旋霍尔纳米振荡器或者自旋霍尔振荡器，其利用自旋霍尔效应来驱动磁矩进动，能够在一定程度上降低自旋振荡器所需的电流密度。然而，由于单个的自旋霍尔振荡器的微波输出功率在微瓦级别，所以距离其实际应用还有相当长的时间。为了解决目前存在的问题，尝试将多个自旋霍尔振荡器组合成一个阵列，使其可共同输出微波，从而提高总功率。然而，如何将多个自旋振荡器锁定在同一频率仍是一个尚待克服的问题。为了解决此问题，目前工业界与学术界已有多种尝试，例如对多个振荡器施加相同偏置电流以使其同步振荡，或者施加外部激励信号，使多个振荡器同步振荡或使激励信号相位和振荡器的振荡相位锁定到一起。这些方法虽然提高了总输出功率，但也极大地提高了系统的复杂度，使得自旋霍尔振荡器阵列相比传统电子微波发射系统无法体现出独特优势。

发明内容

针对现有技术中存在的上述及其他问题，本发明的实施例提供一种自旋波耦合的自旋霍尔振荡器阵列，其能够通过自旋波耦合而使各个自旋霍尔振荡器共振到同一频率。该装置结构简单，耦合强度大，延迟时间短，另外，耦合性能显著提升且对自旋霍尔振荡器之间的距离有可观的提高。

根据一示例性实施例，提供一种振荡器装置，包括自旋霍尔振荡器的阵列，每个自旋霍尔振荡器包括自旋轨道耦合层、形成在所述自旋轨道耦合层上的自由磁层、形成在所述自由磁层上的中间层、以及形成在所述中间层上的固定磁层，其中，每个自旋霍尔振荡器的自由磁层通过共振增强单元与相邻的自旋霍尔振荡器的自由磁层相连接。

在一示例性实施例中，每个自旋霍尔振荡器还包括形成在所述固定磁层上的第一电极、以及在所述自由磁层的相对两侧形成在所述自旋轨道耦合层上的第二电极和第三电极，所述第二电极和第三电极用于施加流经所述自旋轨道耦合层的面内电流，所述第二电极和第三电极中的一个与所述第一电极用于施加流经所述自旋霍尔振荡器的垂直电流。

在一示例性实施例中，所述自旋霍尔振荡器的阵列沿行和列方向布置，所述自旋轨道耦合层沿所述行方向、所述列方向、或者与所述行和列方向成一角度的倾斜方向延伸。