[发明专利]自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法

说明书

本发明的一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法，包括打造多个PERP‑STNO振荡器形成的二维并联矩形阵列作为一个基本单元，本发明的先并联数个PERP‑STNO形成的矩形阵列基本单元再将这些基本单元进行桥接式串联或者沿垂直方向堆栈等组合，可实现增大同步的PERP‑STNO数量致使振荡器输出功率有效提高至实用程度；可解决垂直阵列所需的最邻近PERP‑STNO的垂直距离过小不能容纳其他磁层的问题；并且串并联混合电路连接的PERP‑STNO可和输出阻抗相匹配使功率能有效放大；可有效解决水平串联阵列只能沿一维方向延伸并因此被制约了放大信号的能力；能有效解决水平串并联阵列中PERP‑STNO过小间距(小于10纳米)诱导的自由层内部非均匀振荡带来的频率下降的问题。

技术领域

本发明涉及微波高频辐射源技术领域，具体涉及一种自旋力矩振荡器三维串并联同步阵列、振荡器及制备方法。

背景技术

纳米自旋力矩振荡器(Spin-torque Nano-oscillator,简称STNO)基本上由三个部分组成:1.铁磁自旋极化层；2.铁磁自由层；3.人工反铁磁信号检出层。其结构有两种，具体如下：

1.纳米柱型自旋阀/磁隧道结型振荡器工作原理简介:

如图1所示，当未自旋极化电子流经过P层(自旋极化层)后会产生沿P层磁化方向的自旋极化电子进入F层(自由层),之后又被F层产生的自旋极化携带了与F层平行的自旋方向。如果P和F层自旋方向不共线,则根据角动量守恒,自由层磁矩会从极化电子获得一个力矩(灰色箭头)使之平行于P层磁矩。另外,在非磁性金属层和F层的界面会产生与F层磁化相反的自旋极化反射电子作用于P层。粗黑色箭头代表辅助振荡起振的磁场h。在合适的电流及磁场作用下,自旋移转力矩与自由层磁矩所受的阻尼力矩相平衡时,可以使自由层磁矩沿着有效磁场所定义的等能量轨道作一恒定进动，其进动频率范围在数个到数十个GHz的微波范围。而后借助自旋阀或磁隧道结中P层(参考层)F层间的巨磁阻(giantmagnetoresistance,简称GMR)或穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,简称TMR)效应可将磁矩振荡转为交流电压或者电流信号。这里,P层既是自旋极化层亦是参考层。

2.自旋霍尔效应型振荡器工作原理简介：

当电子流由底部的重金属层HM(自旋极化层)流过时,通过自旋轨道耦合将电子分成自旋方向平行于膜面且垂直于电子流的上下旋电子,并分别积累于重金属层的上下方界面,然后在界面附近将电子自旋力矩注入到重金属层上方的铁磁自由层FM,进一步激励出自由层磁矩的振荡。为了读出自由层振荡信号,通常在将自由层取代成自旋阀/磁隧道结,然后沿垂直模面方向加上一读取电流(图2b)或直接在纳米接触式的构型上利用各向异性磁阻来读取振荡信号。

所有的STNO都有一个共同缺陷,就是功率输出仅数个纳瓦(nano-watt,简称nw)到数百个nw级别,离实际应用所需的微瓦太远。此外,单个振荡器还有线宽(linewidth)过大等问题。因此本发明这里先选择一个与本发明最相关的单个STNO着手提出相应解决方案,即具有垂直膜面的自旋极化层(Perpendicular-to-plane polarizer,简称PERP)-STNO.其结构如图3a。