Наноосциллятор возбуждаемый спиновым током

Полезная модель относится к генераторам микроволновых сигналов, работающим в устройствах нано- и микроэлектроники. Магнитные наноосцилляторы (MHO) представляют собой класс миниатюрных и широкополосных генераторов СВЧ сигналов, основанных на магнитных резонансах в одиночных или связанных магнитных тонких пленках.
Достоинство магнонных устройств состоит в том, что длина волны спиновых волн на три порядка меньше, чем в радиочастотных элементах, что позволяет значительно уменьшить размеры устройства. Важно, что наноосцилляторы с нелокальной спиновой инжекцией обладают крайне высоким быстродействием: эти устройства способны создавать микроволновые импульсы длительностью менее 10 нс. Для применения в телекоммуникационных системах крайне важным являются такие параметры, как скорость перестройки частоты и ширина спектра при фазовой модуляции. В современных устройствах требуется скорость передачи данных >10 Гб/сек. Наиболее перспективные области применения MHO - это источники микроволн, магноника, некогерентные приемопередатчики и обнаружение магнитных полей.
Известно несколько типов магнитных наноосцилляторов: классические спин-торк и спин-Холл наноосцилляторы с суженными и расширяющимися подводами, а также предлагаемый в полезной модели спин-торк наноосциллятор с нелокальной спиновой инжекцией. Наноосцилляторы, в основе которых лежит возбуждение и управление динамикой намагниченности чисто спиновыми токами, созданными нелокальной спиновой инжекцией, почти полностью свободны от недостатков, присущих другим типам наноосцилляторов. К таким недостаткам относятся влияние магнитного поля протекающих токов и тепла, выделяющееся из-за управляющего электрического тока.
Эти наноосцилляторы обладают уникальными свойствами, обеспечивающими им многофункциональность, начиная от источников микроволн до устройств обработки сигналов. Эти устройства являются автогенераторами и поэтому не требуют активных схем обратной связи с положительным коэффициентом усиления для их работы и имеют высокую нелинейность, что обеспечивает возможность перестройки их частот, а также возможность внешней и взаимной синхронизации. С одной стороны, они представляют собой перестраиваемые в широком диапазоне частот наноразмерные генераторы СВЧ-сигналов, не требующие использования каких-либо полупроводниковых материалов. С другой стороны, их можно легко интегрировать в современные КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) микросхемы.
Дорожная карта сетей мобильных коммуникаций пятого поколения (5G), которое представляет краеугольный камень для ближайшего будущего, учитывает экспоненциально возрастающие потребности сверхбыстрых беспроволочных коммуникаций в современном мире. Основываясь на существующих тенденциях и накопленном потенциале, можно ожидать, что 5G сети будут более быстродействующими, доступными везде, высоконадежными и эффективными в пользовании сетями, с большим диапазоном устройств. Спинтроника вообще, а магноника в частности, имеют достаточный потенциал, чтобы открыть путь к миниатюрным, быстродействующим, надежным и энергосберегающим электронным приборам.
Задачей создания заявляемого наноосциллятора построение быстродействующего магнонного устройства, применимого для стандартов 5G. При этом важной задачей является реализация наноосциллятора с нелокальной спиновой инжекцией, способного функционировать как отдельное устройство, поскольку его применение в качестве источника СВЧ-сигналов, а также в устройствах детектирования магнитных полей требует автономности.
Поэтому разработка наноосциллятора, возбуждаемого спиновым током, обладающего расширенными функциональными возможностями за счет работы в автономном режиме, является важной технической проблемой.
80
20
2
2
Известен спин-торк (спин-трансферный) осциллятор с наноконтактом, представляющий собой вертикальный спиновый клапан, который имеет многослойную структуру, состоящую из слоя палладия 8 нм, слоя меди 15 нм, слоя кобальта 8 нм, слоя меди 8 нм, слоя NiFe 4,5 нм, слоя меди 3 нм и слоя палладия 3 нм. Структура наноклапана сформирована на подложке SiO толщиной 1 мкм. Так же конструкция наноосциллятора содержит заземление и круглый наноконтакт диаметром 100 нм, расположенные над слоем изолятора SiO толщиной 30 нм. [Madami, М. et al. Propagating spin waves excited by spin-transfer torque: a combined electrical and optical study. Phys. Rev. В 92, 024403 (2015)].
Работа такого наноосциллятора может осуществляться в автономном режиме. Однако, данное устройство имеет относительно высокий потребляемый ток I=30 мА, узкий диапазон перестройки частоты 0,5 ГГц и относительно небольшую область распространения спиновой волны. Она составляет около 0,5 мкм. Скорость переключения такого спин-торк наноосциллятора не превышает 1 нс. Все это ограничивает возможности его применения в качестве быстродействующего магнонного устройства, применимого для стандартов 5G и для работы в качестве источника СВЧ-сигналов, а также в устройствах детектирования магнитных полей.
Наиболее близким к заявляемому является наноосциллятор, возбуждаемый спиновым током, включающий вертикальный спиновый клапан, в виде трехслойной структуры, состоящей из расположенных последовательно одна над другой пленки пермаллоя толщиной 5 нм, пленки меди, толщиной 20 нм и пленки железо-кобальт толщиной 8 нм. Трехслойная структура оснащена круглым наноконтактом из золота диаметром 60 нм и волноводной полоской пермаллоя толщиной 20 нм, расположенной поверх пленки пермаллоя. Волноводная полоска пермаллоя состоит из основной части шириной 500 нм, конец которой совмещен с концом пленки пермаллоя, и суживающейся до 300 нм части, конец которой расположен на расстоянии 150 нм от центра наноконтакта, при этом соотношение длин основной и суживающейся частей составляет 8:1. [Demidov, V.Е., Urazhdin, S., Liu, R., Divinskiy, В., Telegin, A. & Demokritov, S.O. Excitation of coherent propagating spin waves by pure spin currents. Nat. Commun. 7, 10446 (2016)].
0
Работа наноосциллятора осуществляется следующим образом. Управляющий электрический ток вводится в эту трехслойную структуру через круглый наноконтакт диаметром 60 нм, сформированный со стороны пленки кобальт-железо. Толщина медной пленки выбрана таким образом, что большая часть электрического тока 88% течет через медную пленку, и лишь 12% через пленку пермаллоя. Таким образом, достигается разделение электрического и спинового токов. Возбуждение спиновых волн в наноосцилляторе производится чисто спиновым током. В этом случае практически отсутствует перенос заряда через активный магнитный слой - пленку пермаллоя, следовательно, она нагревается меньше, создавая гораздо меньшие тепловые потери. Электрическое сопротивление меди мало, поэтому и джоулевы потери в этой пленке незначительные. Однако существуют ограничения на увеличение толщины медной пленки. Толщина должна быть в несколько раз меньше, чем длина спиновой диффузии в меди. Прямо над зоной наноконтакта в пленке пермаллоя тока нет. Инжектированные электроны становятся спинполяризованными из-за спин-зависимого рассеяния в слое железо-кобальт и при переходе медь/кобальт-железо, что приводит в результате к аккумуляции спинов в слое меди над наноконтактом. Спиновая диффузия из этой области создает спиновый ток, протекающий в слое пермаллоя, воздействующий посредством переноса спинового момента на его намагниченность. Намагниченности обоих слоев железо-кобальт и пермаллоя ориентируются насыщающим постоянным магнитным полем Н, создаваемым внешним источником и ориентированным в их плоскости перпендикулярно оси волновода. Для положительного направления электрических токов магнитный момент, переносимый спиновым током, антипараллелен намагничиванию слоя пермаллоя, в результате чего перенос спинового момента компенсирует динамическое магнитное затухание. Когда затухание полностью компенсируется спиновым током, намагниченность слоя пермаллоя демонстрирует автоколебания СВЧ-частоты в области над наноконтактом.
Чтобы конвертировать эти осцилляции в распространяющиеся спиновые волны, на поверхности пермаллоевой пленки формируют волноводную полоску пермаллоя толщиной 20 нм, шириной 500 нм, перпендикулярно к направлению распространения внешнего постоянного магнитного поля. Волноводная полоска заканчивается на расстоянии 150 нм от центра наноконтакта. Это расстояние достаточно мало, чтобы обеспечить эффективную динамическую связь между вызванными током магнитными автоколебаниями в тонкой пленке и намагниченностью в полоске пермаллоя. В отличие от тонкой пленки пермаллоя, волноводная полоса увеличенной толщины способствует распространению спиновых волн на частоте автоколебаний, которые характеризуются большой длиной затухания. Таким образом, энергия ограниченных колебаний излучается и направленно управляется волноводной полоской пермаллоя, которая играет роль магнонного нановолновода.
Описанный механизм создания чисто спиновых токов в наиболее близком наноосцилляторе обеспечивает более простую технологию изготовления, более низкий требуемый постоянный ток, прямой оптический доступ к магнитодинамически активной области, меньшие потери излучения и подавленный процесс нелинейного затухания. Такие устройства имеют миниатюрный размер, хорошую перестраиваемость по частоте, высокий уровень интеграции в КМОП микросхемы, высокую выходную мощность (0.5-2 mW) и высокую скорость переключения (0,5 нс). Область распространения спиновой волны в таком наноосцилляторе около 3 мкм. Благодаря большей площади осцилляций наиболее близкий наноосциллятор имеет меньшую ширину полосы фазового шума 4 МГц при 5 ГГц, 8 МГц при 10 ГГц. Это является важным преимуществом при работе в телекоммуникационных устройствах, поскольку фазовый шум приводит к сбою синхронизации сигнала. Кроме того, преимуществом данной модели можно считать то, что для ее работы не требуется согласующая индуктивная антенна, геометрия которой накладывает ограничения на длину возбуждаемой волны, а также ее использование приводит к трудности согласование импедансов.
С помощью этого наноосциллятора невозможно решить проблему расширения его функциональных возможностей, поскольку его конструкция подразумевает только интегрированную работу в КМОП микросхемах, и тем самым обеспечить достижение технического результата, заключающегося в возможности его автономной независимой работы, для применения его в качестве источника СВЧ-сигналов, а также в устройствах детектирования магнитных полей. Кроме того, известный наноосциллятор не защищен от окисления поверхностей пленок, образующих вертикальный спиновой клапан, что приводит к нарушению его работы.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в наноосциляторе, возбуждаемом спиновым током, включающем вертикальный спиновый клапан, в виде трехслойной структуры, состоящей из расположенных последовательно одна над другой пленки пермаллоя толщиной 5 нм, пленки меди, толщиной 20 нм и пленки железо-кобальт толщиной 8 нм, структура оснащена круглым наноконтактом из золота диаметром 60 нм, установленным на пленке железо-кобальт и волноводной полоской пермаллоя толщиной 20 нм, расположенной поверх пленки пермаллоя, состоящей из основной части шириной 500 нм, конец которой совмещен с концом пленки пермаллоя, и суживающейся до 300 нм части, конец которой расположен на расстоянии 150 нм от центра наноконтакта, при этом соотношение длин основной и суживающейся частей составляет 8:1, согласно полезной модели, трехслойная структура установлена на сапфировой подложке толщиной 0,3-0,5 мм, круглый наноконтакт установлен на пленку железо-кобальт через сапфировую подложку, и к нему и к поверхности волноводной плоски пермаллоя присоединены, соответственно, два электрода из золота толщиной 20 нм.
При этом на поверхность пленки из пермаллоя трехслойной структуры и электрода, соединенного с волноводной полоской пермаллоя, нанесена прозрачная пленка из нитрида кремния, толщина и состав которой выбраны таким образом, чтобы обеспечить доступ лазерного луча спектрометра бриллюэновского рассеяния.
Расположение трехслойной структуры на полированной сапфировой подложке обеспечило возможность нанесения на нее тонких сплошных пленок пермаллоя, меди и пленки железо-кобальт. Выбор материала подложки обусловлен возможностью получить полированную поверхность, а также возможностью работы при повышенных температурах не менее 200°С. При работе наноосциллятора, как автономного устройства, толщина подложки выбрана от 0,3 до 0,5 мм, для обеспечения достаточного теплоотвода от активной области наноосциллятора через подложку.
Круглый наноконтакт установлен на пленку железо-кобальт через сапфировую подложку, так как установку наноконтакта 60 нм требуется выполнять через жесткую опору. Отверстие требуемого диаметра можно получить методом плазменного травления. Установка наноконтакта через подложку дает возможность подвести к наноконтакту электрический ток от внешнего источника.
Подсоединение электродов из золота к круглому наноконтакту и к поверхности волноводной плоски пермаллоя, соответственно, позволило осуществить подвод тока к активной области наноосциллятора. Выполнение электродов из золота обеспечивает минимальное электрическое сопротивление контактов и предотвращает их окисление. Выбор толщины электродов обусловлен необходимостью добиться минимального выделения тепла в месте контакта.
Кроме того, наличие на поверхности пленки из пермаллоя трехслойной структуры и электрода, соединенного с волноводной полоской пермаллоя прозрачной пленки из нитрида кремния, толщина и состав которой выбраны таким образом, чтобы обеспечить доступ лазерного луча спектрометра бриллюэновского рассеяния, что необходимо при автономной работе для контроля работоспособности наноосциллятора без осуществления подсоединения к нему посредством электрических контактов. Пленка из нитрида кремния обеспечивает защиту наноосциллятора от окисления, важно при автономной работе, так как в этом случае другие защитные элементы отсутствуют.
Таким образом, реализация заявляемого наноосциллятора обеспечила достижение технического результата, заключающегося в возможности его автономной работы при сохранении выходных параметров, и тем самым расширения его функциональных возможностей.
На фиг. 1 представлен наноосциллятор, возбуждаемый спиновым током;
на фиг. 2 - вид сверху.
Наноосцилятор, возбуждаемый спиновым током, представляет собой вертикальный спиновой клапан, в виде трехслойной структуры, состоящей из расположенных последовательно одна над другой пленки 1 пермаллоя толщиной 5 нм, пленки 2 меди, толщиной 20 нм и пленки 3 железо-кобальт толщиной 8 нм. Трехслойная структура оснащена круглым наноконтактом 4 из золота диаметром 60 нм, установленным на пленке 3 железо-кобальт через сапфировую подложку 5, и волноводной полоской 6 из пермаллоя толщиной 20 нм, расположенной поверх пленки 1 пермаллоя, состоящей из основной части шириной 500 нм, конец которой совмещен с концом пленки 1 пермаллоя, и суживающейся до 300 нм части, конец которой расположен на расстоянии 150 нм от центра круглого наноконтакта 4, при этом соотношение длин основной и суживающейся частей волноводной полоски 6 составляет 8:1. Трехслойная структура установлена на сапфировой подложке 5 толщиной 0,5 мм. К круглому наноконтакту 4 и к поверхности волноводной полоски 6 пермаллоя присоединены, соответственно, два электрода 7 из золота толщиной 20 нм.
Для защиты наноосциллятора от окисления на поверхность пленки 1 и электрода 7, соединенного с поверхностью волноводной полоски 6, нанесена прозрачная пленка 8 из нитрида кремния толщиной 10 нм. Толщина и состав пленки 8 выбраны таким образом, чтобы обеспечить хороший доступ лазерного луча спектрометра бриллюэновского рассеяния.
0
Работа наноосциллятора осуществляется следующим образом. Пленка 1 является активным элементом наноосциллятора, а пленка 3 - спиновым инжектором. Электрический ток вводится в эту систему через электроды 7, затем поступает на круглый наноконтакт 4 диаметром 60 нм, сформированный со стороны пленки 3 и на волноводную полоску 6 пермаллоя и пленку 1, протекая преимущественно по пленке 2 из меди. Толщина пленки 2 выбрана таким образом, что большая часть электрического тока 88% течет через пленку 2, и лишь 12% через пленку 1. В зоне над круглым наноконтактом 4 управляющий ток почти полностью течет по пленке 2, при этом прямо над зоной круглого наноконтакта 4 в пленке 1 тока нет. Введенные электроны становятся спинполяризованными из-за спинзависимого рассеяния в пленке 3 и на границе раздела пленок 2 и 3, создавая в результате аккумуляцию спинов в пленке 2 над зоной круглого наноконтакта 4. Спиновая диффузия вдали от этой зоны создает спиновый ток, протекающий через пленку 1, воздействующий посредством переноса спинового момента на его намагниченность. Намагниченности обеих пленок 3 и 1 соответственно выравнивается насыщающим постоянным магнитным полем Н, ориентированным в их плоскости перпендикулярно оси волноводной полоски 6. Для положительного направления электрических токов магнитный момент, переносимый спиновым током, антипараллелен намагничиванию пленки 1, в результате чего перенос спинового момента компенсирует динамическое магнитное затухание. Когда затухание полностью компенсируется спиновым током, намагниченность пленки 1 демонстрирует автоколебания СВЧ-частоты в области размером 300 на 400 нм над круглым наноконтактом 4. Чтобы преобразовать эти осцилляции в распространяющиеся спиновые волны, на поверхности пленки 1 формируют волноводную полоску 6 из пермаллоя толщиной 20 нм, шириной 500 нм, перпендикулярно к направлению распространения внешнего постоянного магнитного поля. В отличие от тонкой пленки 1, волноводная полоска 6 увеличенной толщины способствует распространению спиновых волн на частоте автоколебаний, которые характеризуются большой длиной затухания. Таким образом, энергия ограниченных колебаний излучается и направленно управляется волноводной полоской 6 пермаллоя, которая играет роль магнонного нановолновода.
Вызванная током динамика намагниченности детектируется с помощью спектрометра бриллюэновского рассеяния света. Зондирующий лазерный луч фокусируется на поверхности пленки 1 пермаллоя внутри дифракционного пятна. После чего анализируют спектр света, неупругим образом рассеянного от магнитных колебаний. Сигнал спектрометра бриллюэновского рассеяния пропорционален интенсивности колебаний намагниченности на заданной частоте. Информацию о динамической намагниченности получают с одновременным временным, спектральным и пространственным разрешением.
Предлагаемые в полезной модели изменения конструкции не ухудшают выходных параметров наноосциллятора, но дают возможность использовать его автономно как источник спиновых волн или как источник СВЧ-сиглалов.
Таким образом, заявляемый наноосциллятор, возбуждаемый спиновым током, обеспечил достижение технического результата, заключающегося в возможности его автономной работы при сохранении выходных параметров, и тем самым расширение его функциональных возможностей.