[发明专利]包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置及其制造方法

说明书

本发明提供包括磁耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置及其制造方法。自旋转移矩纳米振荡器是一种利用自旋极化电流流过自由磁层时引起的磁矩进动来产生振荡信号的磁器件，其相对于传统的电子振荡器具有体积小、频率高等优点，但是单个自旋振荡器的输出功率较低。当使用自旋振荡器的阵列以提高输出功率时，阵列同步是一个难题。本发明利用共振增强单元将相邻的自旋振荡器彼此磁性耦合，使自由磁层的自旋进动彼此共振耦合到相同频率和相位，实现了阵列的同步输出，提高了输出功率。本发明具有结构简单，耦合强度大，耦合性能显著，易于制造等优点。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种包括磁性耦合的自旋振荡器阵列的振荡器装置及其制造方法。

背景技术

自旋转移矩纳米振荡器(Spin-transfer Torque Nano Oscillator，STTNO)，也简称为自旋振荡器，具有频率可调、纳米级尺寸、结构简单、对温度不敏感等优点，因此受到广泛关注，在航空航天、通信、测量、医学成像以及神经形态学计算等领域中均有应用前景。目前，单个自旋转移矩纳米振荡器的微波输出功率较低，并伴随着较高相位噪声，阻碍了其进一步发展。提高自旋振荡器性能的一种备选解决方案是将多个自旋转移矩纳米振荡器组合成一个阵列，共同输出微波，从而提高总功率。对于自旋转移矩纳米振荡器组成的阵列，面临着相位同步问题。针对该问题，目前业界已有多种尝试，例如设置锁相环电路。设置锁相环电路需要复杂的电路及设备以确保多个自旋转移矩纳米振荡器保持在同一相位，而且自旋转移矩纳米振荡器的振荡频率较高，能达到上百GHz甚至THz的水平，这对锁相环电路提出了更高的挑战。因此，设置锁相环电路这种方式不仅相位调制范围受限，还会提高装置复杂度。

发明内容

针对上述难以将多个自旋转移矩纳米振荡器锁定到同一频率的问题，本发明的实施例提供一种磁性耦合的自旋转移矩纳米振荡器阵列，其能够通过磁性耦合而使各个自旋转移矩纳米振荡器更有效地共振到同一频率。该装置结构简单，耦合强度大，耦合性能显著，且相比于锁相环电路更容易制造。

根据一实施例，提供一种振荡器装置，包括：底电极层；形成在所述底电极层上的自旋振荡器的阵列，所述自旋振荡器包括自由磁层、固定磁层、以及位于所述自由磁层和所述固定磁层之间的中间层；以及形成在每个自旋振荡器上的顶电极，其中，每个自旋振荡器的自由磁层通过共振增强单元与一个或多个相邻的自旋振荡器的自由磁层相连接，使得所述自旋振荡器的阵列磁性耦合到一起。

在一些示例中，所述共振增强单元包括连接相邻的自旋振荡器的自由磁层的磁性绝缘层。

在一些示例中，所述共振增强单元的磁性绝缘层直接接触底电极或通过非磁绝缘层与所述底电极层分隔开。

在一些示例中，各个自旋振荡器通过所述底电极层彼此电连接，各个自旋振荡器的顶电极彼此分隔开或者形成连续的顶电极层。

在一些示例中，当各个自旋振荡器的顶电极形成连续的顶电极层时，所述共振增强单元的磁性绝缘层通过非磁绝缘层与所述顶电极层分隔开。

在一些示例中，所述自旋振荡器的中间层包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料，所述自旋振荡器具有三棱柱、正方体、长方体、正五边形棱柱体、正六边形棱柱体、圆柱、椭圆柱、圆环柱或椭圆环柱形状。

根据一实施例，提供一种制造振荡器装置的方法，包括：在衬底上依次沉积底电极层、自旋振荡器层和顶电极层，所述自旋振荡器层包括自由磁层、固定磁层、以及位于所述自由磁层和所述固定磁层之间的中间层；在所述顶电极层上形成第一光掩模图案，并利用所述第一光掩模图案对所述顶电极层和所述自旋振荡器层进行第一刻蚀，以获得位于所述底电极层上的自旋振荡器的阵列；在所述底电极层和所述自旋振荡器的阵列上依次沉积非磁绝缘层和磁性绝缘层，使得各个自旋振荡器的自由磁层通过所述磁性绝缘层彼此连接；以及在所述磁性绝缘层上形成第二光掩模图案，并利用所述光掩模图案对所述磁性绝缘层和所述非磁绝缘层进行第二刻蚀，直到暴露所述顶电极层和部分所述底电极层。