包括自旋波耦合的自旋霍尔振荡器阵列的振荡器装置

摘要

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。

说明书

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。

在一示例性实施例中，形成在同一自旋轨道耦合层上的多个自旋霍尔振荡器共用在所述多个自旋霍尔振荡器两侧形成在所述同一自旋轨道耦合层上的两个电极作为第二电极和第三电极，或者在所述多个自旋霍尔振荡器两侧以及在所述多个自旋霍尔振荡器中的相邻自旋霍尔振荡器之间都形成有电极以作为各个自旋霍尔振荡器的第二电极和第三电极。

在一示例性实施例中，所述共振增强单元由磁性绝缘材料形成。

在一示例性实施例中，所述共振增强单元包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Ba、Sr、Mg、Pb、Y等金属材料的氧化物及Sm、Nd等稀土元素与Fe、Co、Ni等3d过渡金属元素组成的合金氧化物中的一种或多种。

在一示例性实施例中，所述共振增强单元与所述自旋轨道耦合层的上表面的一部分直接接触或通过非磁绝缘层与所述自旋轨道耦合层的上表面分隔开，所述非磁绝缘层包括MgO、Al

在一示例性实施例中，所述自旋轨道耦合层由具有自旋霍尔效应的材料形成，所述具有自旋霍尔效应的材料包括重金属材料、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料，所述重金属材料包括Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Hg、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po和Sm中的一种或多种，所述反铁磁材料包括IrMn和PtMn中的一种或多种，其中各元素的配比含量为大于0且小于1的任意值，所述拓扑绝缘体材料包括CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、BiSe、SnTe、Bi

在一示例性实施例中，所述中间层由非磁导电材料或者非磁绝缘材料形成，所述非磁导电材料包括Ti、V、Zn、Cu、Ag、Au、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Hf、Cd、Zr、Sc中的一种或多种金属，或者包括SiC、C或陶瓷材料，所述非磁绝缘材料包括MgO、Al

在一示例性实施例中，所述自旋霍尔振荡器的自由磁层、中间层和固定磁层具有圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、正五边形、正六边形、圆环或椭圆环形状。

本发明的实施例实现了许多有益的技术效果，例如：

1、在相同的激励电流条件下，与单纯退磁耦合的自旋霍尔振荡器阵列相比，本发明的含有共振增强单元的阵列耦合强度更强，初始稳定工作在耦合态的延迟时间更短，稳定速度有所提高。共振增强单元中传递的自旋波作用于多个自旋霍尔振荡器的自由磁层，使得自旋霍尔振荡器稳定工作时的相位差大幅下降，最远共振距离也有可观的提高。

2、在本发明中，由于每个自旋霍尔振荡器之间的连接物质(共振增强单元)属于绝缘体，因此自旋霍尔振荡器之间不会产生电流干扰，每个自旋霍尔振荡器都可以独立地读取电学信号，为相关的理论研究提供了方便。另外在不同的共振距离下，选择合适的磁性绝缘体，可以改变自旋霍尔振荡器之间的耦合强度，从而优化共振效果，例如改善和缓解诸如最大和最小耦合距离的限制。

3、在本发明中，由于利用自旋霍尔效应来驱动自由磁层的磁矩进动以产生振荡信号，有效降低了通过振荡器的电流密度，极大程度上避免了器件因击穿而损坏的可能性，有效提高了器件可靠性。

4、在本发明中，用于产生自旋霍尔效应的自旋轨道耦合层与磁性绝缘体共振增强单元可以相对倾斜交错排列，有效地利用了空间，为振荡器的强关联与单独操纵的共存提供了可能。

本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的两个相邻的自旋霍尔振荡器的结构示意图。

图2为根据本发明一实施例的自旋霍尔振荡器的截面图。

图3为图1所示结构的俯视图。

图4为图1所示结构的工作模式示意图。

图5为根据本发明一实施例的自旋霍尔振荡器之间通过共振增强单元连接的阵列整体示意图。

图6为根据本发明一实施例的自旋霍尔振荡器阵列的俯视图。

图7为根据本发明另一实施例的自旋霍尔振荡器阵列的俯视图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的示例性实施例。应理解，附图不是按比例绘制的。

图1为根据本发明一实施例的两个相邻的自旋霍尔振荡器通过共振增强单元耦合在一起而形成的基本耦合单元的结构示意图。图2为图1中包括的自旋霍尔振荡器的截面图，图3为图1所示结构的俯视图。

参照图1，根据本发明一实施例的振荡器装置包括形成在衬底101上的自旋霍尔振荡器的阵列，其中图1仅示出了两个相邻的自旋霍尔振荡器。每个自旋霍尔振荡器包括自旋轨道耦合层105、形成在自旋轨道耦合层105上的自由磁层304、形成在自由磁层304上的中间层303、形成在中间层303上的固定磁层(也称为参考磁层)302、以及形成在固定磁层302上的顶电极301。在自由磁层304相对两侧的自旋轨道耦合层105上，还形成有两个底电极102。可以理解，虽然图1中示出底电极102相对于顶电极301位于下方位置，但是其也可以向上延伸到与顶电极301的顶表面平齐。还应理解，虽然图1中示出了固定磁层302在自由磁层304上方的结构，但是也可以采用自由磁层304位于固定磁层302上方的颠倒结构，此时电极301位于固定磁层302下方，而自旋轨道耦合层105位于自由磁层304上方并与之接触。在本申请中，为了描述方便而采用了空间关系术语例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等，但是应理解，这些空间关系术语应理解为涵盖以各种不同取向来观察相关结构时的对应空间位置关系。

图1示出了大致矩形形状的自旋霍尔振荡器，例如层301-304，但是可以理解，自旋霍尔振荡器可以具有各种形状，其示例包括但不限于圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、正五边形、正六边形、圆环或者椭圆环等。相邻自旋霍尔振荡器之间的距离可以为几十到几百纳米之间。

衬底101可以是半导体衬底或者绝缘衬底，半导体衬底的材料示例包括但不限于Si、Ge、InSb、PbTe、InAs、InP、GaAs、InGaAs、GaSb、或者III-V族或IV族材料的其他组合等。绝缘衬底材料的示例包括但不限于SiO

自旋轨道耦合层105可以嵌入在衬底101中，并且延伸一定长度，从而在其两端可形成底电极102，自旋霍尔振荡器单元可位于两个底电极102之间的自旋轨道耦合层105上，如图2所示。图3是图1所示结构的俯视图。参照图1和图3，自旋轨道耦合层105的延伸方向可以相对于相邻自旋霍尔振荡器单元的延伸方向成一倾斜角度，二者的夹角可以在30度到60度的范围内，例如优选地为45度左右。例如，可以先在衬底101中蚀刻出沟槽，将自旋轨道耦合层105沉积到沟槽中，再通过回蚀刻工艺来去除沟槽之外的自旋轨道耦合层105。或者，自旋轨道耦合层105也可以形成在衬底101上，通过掩模蚀刻工艺来去除多余的自旋轨道耦合层之后，在自旋轨道耦合层105之间沉积平坦化层，并通过研磨工艺来获得平坦的上表面，并且自旋轨道耦合层105暴露于该上表面。

自旋轨道耦合层105可由具有自旋霍尔效应的材料，也就是具有较强的自旋轨道耦合的材料形成，其可包括重金属、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料等。重金属材料的示例包括但不限于Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Hg、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po和Sm中的一种或多种；反铁磁材料的示例包括但不限于IrMn、PtMn等，其中各元素的配比含量可以为介于0-1之间(不包括0和1)的任意值；拓扑绝缘体材料的示例包括但不限于CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、BiSe、SnTe、Bi

自由磁层304形成为与自旋轨道耦合层105直接接触，并且自由磁层304和固定磁层302可由铁磁材料形成，其示例包括但不限于Co、Fe、Ni、以及它们与B、Zr、Pt、Pd、Hf、Ta、V、Zr、Ti、Cr、W、Mo、Nb等材料的合金。固定磁层302可具有固定磁矩，虽然未示出，但是在固定磁层302与顶电极301之间可形成反铁磁钉扎层以钉扎固定磁层302的磁矩，可用于形成反铁磁钉扎层的材料示例包括但不限于IrMn、RhMn、RuMn、OsMn、FeMn、FeMnCr、FeMnRh、CrPtMn、TbMn、NiMn、PtMn、PtPdMn等。在一些实施例中，也可以不采用反铁磁钉扎结构，而是代替地采用自钉扎方案，例如固定磁层302由具有较高矫顽力的材料形成，并且形成为具有比自由磁层304更大的厚度，或者可以由人工反铁磁(SAF)结构或者多层叠层结构形成等。自由磁层304和固定磁层302之一可具有面内磁矩，另一个可具有与该面内磁矩垂直的垂直磁矩，或者二者可具有相互垂直的面内磁矩。

中间层303可由非磁导电材料形成以构成自旋阀振荡器(Spin-ValveOscillator，SVO)，或者可以由非磁绝缘材料形成以构成磁性隧道结振荡器(MagneticTunnel Junction Oscillators，MTJO)。非磁导电材料的示例包括但不限于Ti、V、Zn、Cu、Ag、Au、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Hf、Cd、Zr、Sc中的一种或多种金属，或者也可采用SiC、C或陶瓷材料等；非磁绝缘材料的示例包括但不限于MgO、Al

顶电极301和底电极102可由具有优良导电性的材料形成，其示例可包括金属或合金材料，选自但不限于Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cr、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的一种或多种，也可为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭等。

继续参照图1，相邻的自旋霍尔振荡器的自由磁层304之间可通过共振增强单元104相互连接，共振增强单元104可由磁性绝缘材料形成。利用磁性绝缘材料形成的共振增强单元104，可以将相邻自由磁层304磁性耦合在一起。具体而言，当自旋极化电流流过自由磁层304并且在其中产生磁矩进动时，其向共振增强单元104中注入自旋流，该自旋流进而可以影响相邻自由磁层304的磁矩进动，从而使二者倾向于稳定在共振频率，实现了锁相的效果。此外，由于共振增强单元104由磁性绝缘材料形成，因此在自旋霍尔振荡器之间不会产生电流干扰，可以独立地读取每个自旋霍尔振荡器的电学信号。

在一些实施例中，共振增强单元104可以与下方的形成在衬底101中的自旋轨道耦合层105的上表面的一部分直接接触，或者共振增强单元104也可以通过形成在其下方的非磁绝缘层(未示出)与自旋轨道耦合层105分隔开。共振增强单元104还优选地不接触固定磁层302。这样，可以避免共振增强单元104受到来自固定磁层302和自旋轨道耦合层105的自旋流的影响，从而通过共振增强单元104连接的自由磁层304能够更快地达到稳定的共振频率。非磁绝缘材料也可以形成在共振增强单元104两侧及上方以对其进行保护并防止其接触其他磁性层。

在一些实施例中，用于形成共振增强单元104的磁性绝缘材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Ba、Sr、Mg、Pb、Y等金属材料的氧化物及Sm、Nd等稀土元素与Fe、Co、Ni等3d过渡金属元素组成的合金氧化物中的一种或多种，这些氧化物及合金氧化物的示例包括Y

图4为图1所示结构的工作模式示意图。如图4所示，当在两个底电极102之间施加流过自旋轨道耦合层105的面内电流时，由于自旋霍尔效应(Spin Hall Effect，SHE)，会在自旋轨道耦合层105的表面上累积自旋流，自旋流扩散进入与之接触的自由磁层304，可以使自由磁层304的磁矩发生进动，从而产生振荡信号。注入的自旋流的密度J

继续参照图4和图2，当由自旋霍尔效应产生的自旋流注入到自旋霍尔振荡器的自由磁层304中时，自旋霍尔振荡器开始工作。在自旋霍尔振荡器工作时，由于自由磁层304的磁化方向发生进动，与之相连的磁性绝缘体材料形成的共振增强单元104中也会激发自旋波，自旋波可在不同自旋霍尔振荡器之间传递能量。由于振荡器之间发生共振时系统总能量最低，因此多个自旋霍尔振荡器经过一段时间的演化，最后会稳定工作在耦合态。这使得其与无共振增强单元连接的纳米振荡器阵列相比，稳定工作时的相位差显著下降，最远共振距离也将有所提高，且稳定工作在耦合态所需的延迟时间更短，速度显著提高。

参见图4，虚线箭头表示自旋轨道耦合层105中的电子流动方向，空心箭头表示自旋波注入方向。此外，还在顶电极301与一个底电极102之间施加流经自旋霍尔振荡器的垂直电流，该电流在经固定磁层302自旋极化后进入自由磁层304，自旋极化电流通过STT效应对自由磁层304的磁矩引入一个转矩，即STT转矩。同时，自旋轨道耦合层105注入的自旋流也会对自由磁层304的磁矩施加一转矩，即SOT转矩。在这两个转矩以及自由磁层304本身的磁晶各向异性的共同作用下，自由磁层304的磁化方向发生进动。由于巨磁阻效应或者隧穿磁阻效应，自旋霍尔振荡器的电阻与自由磁层和固定磁层之间的磁化方向夹角的余弦值成比例。当通入自旋霍尔振荡器的垂直电流是直流恒定电流时，由于固定磁层的磁化方向固定不变，落在自旋霍尔振荡器上的电压降将会随着自由磁层的磁化方向进动而发生变化，从而产生振荡信号。如前所述，通过设置共振增强单元104，可以使各个自旋霍尔振荡器在工作时共振到相同频率，提高振荡器阵列的输出功率。

上面通过相邻两个自旋霍尔振荡器的自旋波耦合结构说明了本发明的原理。图5示出自旋霍尔振荡器的阵列，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自旋霍尔振荡器的自由磁层相连接。图6和图7示出包括自旋霍尔振荡器的阵列的振荡器装置，其中多个自旋霍尔振荡器按行和列布置成矩阵，并且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自旋霍尔振荡器的自由磁层相连接。在图6中，自旋轨道耦合层105的延伸方向与阵列的行和列方向成一倾斜角度，例如在30度至60度之间，优选为45度左右。在每个自旋霍尔振荡器的两侧的自旋轨道耦合层105上都形成有两个底电极102，从而可以通过这两个底电极102以及顶电极301来单独地操作每个自旋霍尔振荡器。在图7中，自旋轨道耦合层105可以沿阵列的行或列方向延伸，并且仅在自旋轨道耦合层105的两端形成两个底电极102，从而通过自旋轨道耦合层105同时向一行或者一列自旋霍尔振荡器注入自旋波。此外，利用底电极102之一以及自旋霍尔振荡器的顶电极301来施加流经自旋霍尔振荡器的垂直电流，同样可以单独地操作各个自旋霍尔振荡器。

本发明的包括自旋霍尔振荡器阵列的振荡器装置可以利用现有的半导体工艺来制备。例如，可以采用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)、磁控溅射沉积(magnetron sputtering deposition)或者亚大气压化学气相沉积(Sub-AtmosphericChemical Vapor Deposition，SACVD)等技术来沉积各个层，采用光刻和蚀刻技术例如电子束蚀刻、反应离子蚀刻等蚀刻各个层以得到期望的图案。还可以采用研磨、浮脱(lift-off)等工艺来去除不期望的层或部分。这些半导体工艺步骤都是本领域已知的，其工艺顺序和参数可以根据上述实施例中描述的结构来进行调整，这里不再赘述。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明的保护范围并不局限于上面描述的实施例。对本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。