具有反铁磁耦合辅助层的自旋扭矩振荡器及其操作方法与流程

具有反铁磁耦合辅助层的自旋扭矩振荡器及其操作方法
1.相关申请
2.本技术要求以下专利申请的优先权权益：2020年5月29日提交的美国非临时专利申请号16/887,563；以及2020年5月29日提交的美国非临时专利申请号16/887,715，这些专利申请的全部内容据此以引用方式并入本文以用于所有目的。
技术领域
3.本公开整体涉及微电子磁器件领域，并且具体涉及具有反铁磁耦合辅助层的自旋扭矩振荡器及其操作方法。


背景技术：

4.在许多电子应用中采用频率在千兆赫范围内的周期性脉冲图案，诸如无线通信系统、雷达、无线网络装置、汽车通信装置和声音合成器。虽然在本领域中已知生成频率大于10ghz的周期性脉冲的许多自旋扭矩振荡器(sto)器件，但许多此类sto器件在振荡频率处具有宽的峰宽度和低q因子。


技术实现要素：

5.根据本公开的实施方案，自旋扭矩振荡器包括第一电极、第二电极和位于该第一电极和该第二电极之间的器件层堆叠。该器件层堆叠包括：包括第一铁磁材料的自旋极化层、包括第三铁磁材料的辅助层、位于自旋极化层和辅助层之间的包括第二铁磁材料的铁磁振荡层、位于自旋极化层和铁磁振荡层之间的非磁性间隔层，以及位于铁磁振荡层和辅助层之间的非磁性耦合层。辅助层通过非磁性耦合层反铁磁耦合到铁磁振荡层，并且辅助层具有耦合到铁磁振荡层的磁化的磁化。
6.在第一实施方案中，电磁体位于器件层堆叠附近，并且被配置为引导偏置磁场穿过器件层堆叠。在第二实施方案中，第一电极或第二电极中的至少一者包括具有固定磁化的铁磁材料，并且包括铁磁电极层和从铁磁电极层朝向器件层堆叠突出的铁磁柱，该铁磁柱具有与器件层堆叠的侧向宽度基本上相同的侧向宽度，并且铁磁电极层的侧向宽度大于铁磁柱的侧向宽度，使得铁磁电极层的环形水平表面围绕铁磁柱的基部，以在铁磁电极层和铁磁柱的接合部处提供凹口。
附图说明
7.图1a和图1b是根据本公开的第一实施方案的第一示例性自旋扭矩振荡器的两种另选配置的垂直剖面图。
8.图2是根据本公开的第一实施方案的第一示例性周期性信号发生器的示意图。
9.图3是根据本公开的第一实施方案的第二示例性周期性信号发生器的示意图。
10.图4a是根据本公开的第一实施方案的、在不存在外部磁场并且不存在自旋电流的情况下的第一示例性自旋扭矩振荡器的垂直剖面图。
11.图4b是根据本公开的第一实施方案的在存在外部磁场并且不存在自旋电流的情况下的第一示例性自旋扭矩振荡器的垂直剖面图。
12.图4c是根据本公开的第一实施方案的、在存在外部磁场并且存在自旋电流的情况下的第一示例性自旋扭矩振荡器的垂直剖面图。
13.图5是根据本公开的第二实施方案的第二示例性自旋扭矩振荡器的垂直剖面图。
14.图6是根据本公开的第二实施方案的第三示例性周期性信号发生器的示意图。
15.图7是根据本公开的第二实施方案的第四示例性周期性信号发生器的示意图。
16.图8是根据本公开的第二实施方案的、在存在自旋电流的情况下的第二示例性自旋扭矩振荡器的垂直剖面图。
17.图9是根据本公开的第二实施方案的两个第二示例性自旋扭矩振荡器的并联连接的垂直剖面图。
具体实施方式
18.如上所述，本公开涉及具有反铁磁耦合辅助层的sto及其操作方法，下面详细描述其各个方面。具有反铁磁耦合辅助层的sto在振荡频率处具有较窄的峰宽度，这在采用sto的各种通信装置或其他装置中提供改进的q因子和性能。
19.附图未按比例绘制。在其中示出元件的单个实例的情况下可以重复元件的多个实例，除非明确地描述或以其他方式清楚地指出不存在元件的重复。序号诸如“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于标识类似的元件，并且在本公开的整个说明书和权利要求书中可采用不同序号。术语“至少一个”元件是指包括单个元件的可能性和多个元件的可能性的所有可能性。
20.相同的附图标号表示相同的元件或相似的元件。除非另有说明，具有相同附图标号的元件被假定具有相同的组成和相同的功能。除非另外指明，否则元件之间的“接触”是指提供元件共享的边缘或表面的元件之间的直接接触。如果两个或更多个元件彼此不直接接触，则这两个元件彼此“分离”。如本文所用，定位在第二元件“上”的第一元件可以定位在第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。如本文所用，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在物理接触，则第一元件“直接”定位在第二元件上。如本文所用，如果在第一元件和第二元件之间存在由至少一种导电材料构成的导电路径，则第一元件“电连接到”第二元件。如本文所用，“磁化”是指磁性材料的磁化方向。
21.如本文所用，“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可在下层或上覆结构的整体上方延伸，或者可具有小于下层或上覆结构的范围的范围。层可以水平地、竖直地以及/或者沿锥形表面延伸。衬底可以是层，可以在其中包括一个或多个层，或者可以在其上、在其上方和/或在其下方具有一个或多个层。
22.如本文所用，如果第二表面在第一表面上面或下面并且如果存在包括第一表面和第二表面的竖直平面或基本上竖直的平面，则第一表面和第二表面彼此“竖直地重合”。基本上竖直的平面是沿偏离竖直方向小于5度的角度的方向直线延伸的平面。竖直平面或基本上竖直的平面沿竖直方向或基本上竖直的方向为直的，并且可包括或可不包括沿垂直于竖直方向或基本上竖直的方向的方向的曲率。
23.图1a和图1b示出了根据本公开的第一实施方案的第一示例性自旋扭矩振荡器100
的两种不同配置。sto 100包含第一电极110。在图1a的配置中，其中将在下面描述的电磁体的磁极250未电连接到第一电极110，第一电极110可包括任何合适的导电材料。在一个实施方案中，第一电极包括非磁性导电材料，诸如金属(例如，al、w、ti、cu等)，金属合金或金属氮化物(例如，tin、wn、tan等)。
24.在图1b的配置中，其中磁极250的材料还用于形成第一电极110，并且磁极250接触第一电极110，该第一电极可包括任何合适的第一软磁材料。如本文所用，软磁材料是指具有小于1000a/m的本征矫顽磁力的铁磁材料。软磁材料容易磁化并且容易退磁，并且可用于增强和/或引导由电流产生的磁通量。可用于第一电极110的示例性软磁材料包括镍-铁合金、软铁氧体和镍-铁-铬合金。在一个实施方案中，第一电极110的第一软磁材料可具有1a/m至100a/m的范围内的本征矫顽磁力。
25.第一电极110可以形成在衬底(未示出)上，该衬底的厚度足以为第一电极110提供机械支撑。例如，衬底可以是绝缘衬底(诸如石英衬底或陶瓷衬底，诸如蓝宝石衬底)，或半导体衬底或上面具有绝缘层(诸如氧化硅或氧化铝层)的导电衬底，在其上面可以形成第一电极110。
26.sto器件层堆叠111位于第一电极110的顶表面上。sto器件层堆叠111从底部到顶部或从顶部到底部包括可选的非磁性种子层112、包括第一铁磁材料的自旋极化层120、非磁性间隔层130、包括可以与第一铁磁材料相同或不同的第二铁磁材料的铁磁振荡层140、耦合层150，以及包括第三铁磁材料的反铁磁耦合辅助层160，该第三铁磁材料可以与第一铁磁材料和第二铁磁材料相同或不同，并且具有与铁磁振荡层140的磁化耦合的磁化。虽然本公开采用其中器件层堆叠的层从底部到顶部布置的实施方案进行描述，但本文明确地设想器件层堆叠从顶部到底部布置的实施方案。
27.器件层堆叠111的各种层可具有竖直地重合的侧壁，即位于相同的竖直平面内的侧壁。器件层堆叠111内的每一层的水平横截面形状可以相同，或者在它们的侧壁具有非零锥角的情况下可以基本上相同。器件层堆叠111的水平横截面形状可以是圆形、椭圆形、矩形、圆角多边形(即，被修改为提供圆角的多边形)，或任何通常不相交的闭合二维曲线形状。器件层堆叠111的侧向尺寸(诸如直径或矩形的边)可以在10nm至200nm的范围内，诸如20nm至100nm，但也可以采用更小和更大的侧向尺寸。
28.可选的非磁性种子层112可用于增强沉积在其上的材料层的结晶特性。例如，非磁性种子层112可包括铬、铜、钽、钌、铪、铌、钨、镍铝合金，或者它们的组合或合金。非磁性种子层112的厚度可在1nm至2nm的范围内，但也可以采用更小和更大的厚度。
29.自旋极化层120的第一铁磁材料可包括：fe，co，ni，包括fe、co和ni中的至少一者的铁磁合金，或磁性赫斯勒合金，以及/或者可以基本上由它们组成。自旋极化层120的厚度可在1nm至3nm的范围内，诸如1.2nm至2nm，但也可以采用更小和更大的厚度。如将在下文讨论的，自旋极化层120的厚度可以基于自旋极化层120的磁矩-厚度乘积，即基于磁矩(其为磁化的量值)和自旋极化层120的厚度的乘积来确定。
30.非磁性间隔层130包括具有允许电荷隧穿的厚度的非磁性金属、半导体材料或介电金属氧化物材料，以及/或者基本上由它们组成。例如，非磁性间隔层130可包括铬、铜、钽、钌、铪、铌、钨、镍铝合金、硒化锌、硒化铜铟、氧化镁或氧化铝中的任何一者。非磁性间隔层130的厚度可以在0.8nm至3nm的范围内。在将隧穿介电材料用于非磁性间隔层130的情况
下，非磁性间隔层130的厚度可以在0.8nm至1.2nm的范围内。可以选择非磁性间隔层130的厚度，使得自旋极化层120、非磁性间隔层130和铁磁振荡层140的组合用作自旋阀或磁隧道结。
31.铁磁振荡层140的第二铁磁材料可包括：fe，co，ni，包括fe、co和ni中的至少一者的铁磁合金，或磁性赫斯勒合金，以及/或者可以基本上由它们组成。铁磁振荡层140的厚度可以在2nm至15nm的范围内，诸如4nm至10nm，但也可以采用更小和更大的厚度。自旋铁磁振荡层140的厚度可以基于铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积来确定。在一个实施方案中，铁磁振荡层140相比于自旋极化层120具有更大的磁矩-厚度乘积。在一个实施方案中，铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积与自旋极化层120的磁矩-厚度乘积的比率可以在1.2至5的范围内，诸如2至4。将铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积与自旋极化层120的磁矩-厚度乘积的比率设置在1.2至5的范围内，导致在作为自旋阀或作为磁隧道结操作期间，自旋极化层120的磁化的竖直分量(即，轴向分量)与铁磁振荡层140的磁化的竖直分量的反铁磁对准。如果铁磁振荡层140和自旋极化层120的材料相同，则铁磁振荡层140的厚度是自旋极化层120的1.2至5倍。如果铁磁振荡层140和自旋极化层120的材料不同并且具有不同的磁矩，则可以调整层的厚度以获得在1.2至5的范围内的磁矩-厚度乘积比率。
32.非磁性耦合层150包括金属材料以及/或者基本上由金属材料组成，该金属材料在铁磁振荡层140和反铁磁耦合辅助层160之间提供反铁磁耦合。例如，反铁磁耦合层150可包括钌、铑和/或铱，以及/或者可以基本上由它们组成。非磁性耦合层150的厚度可以在0.4nm至2nm的范围内，诸如0.6nm至1.5nm，但也可以采用更小和更大的厚度。
33.反铁磁耦合辅助层160的第三铁磁材料可包括：fe，co，ni，包括fe、co和ni中的至少一者的铁磁合金，或磁性赫斯勒合金，以及/或者可以基本上由它们组成。在不存在电流流经堆叠111的情况下，反铁磁耦合辅助层160的磁化与铁磁振荡层140的磁化完全反平行。然而，如将在下文描述，在第一示例性自旋扭矩振荡器100的各种操作条件下，反铁磁耦合辅助层160的磁化可以完全或部分反平行于铁磁振荡层140的磁化。反铁磁耦合辅助层160的厚度可以在2nm至100nm的范围内，诸如2nm至20nm，但也可以采用更小和更大的厚度。如将在下文讨论的，反铁磁耦合辅助层160的厚度可以基于铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积来确定。在一个实施方案中，反铁磁耦合辅助层160相比于铁磁振荡层140具有更大的磁矩-厚度乘积。在一个实施方案中，反铁磁耦合辅助层160的磁矩-厚度乘积与铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积的比率可以在2至10的范围内。将反铁磁耦合辅助层160的磁矩-厚度乘积与铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积的比率设置在2至10的范围内，导致在自旋扭矩振荡器100的操作期间，反铁磁耦合辅助层160的磁化的面内分量(即，水平分量)与铁磁振荡层140的磁化的面内分量的反铁磁对准。如果反铁磁耦合辅助层160和铁磁振荡层140的材料相同，则反铁磁耦合辅助层160的厚度是铁磁振荡层140的2至10倍。如果反铁磁耦合辅助层160和铁磁振荡层140的材料不同并且具有不同的磁矩，则可以调整层的厚度以获得在2至10的范围内的磁矩-厚度乘积比率。
34.一般来讲，器件层堆叠111可以形成在第一电极110上。层堆叠从底部到顶部或者从顶部到底部包括：包括第一铁磁材料的自旋极化层120、非磁性间隔层130、包括第二铁磁材料的铁磁振荡层140、接触铁磁振荡层140的耦合层150，以及包括第三铁磁材料并且具有耦合到铁磁振荡层140的磁化的磁化的反铁磁耦合辅助层160。可选的非磁性种子层112可
以直接形成在器件层堆叠111的其他层下方的第一电极110的顶表面上。器件层堆叠111可以形成为具有竖直侧壁的柱结构。
35.第二(上部)电极190可以直接形成在器件层堆叠111的顶表面上。在一个实施方案中，第二电极190可以直接形成在反铁磁耦合辅助层160的顶表面上。第二电极190可以由与第一电极110相同的材料形成。
36.介电层220围绕器件层堆叠111。介电层220包括介电材料，诸如氧化硅、氮化硅、介电金属氧化物(例如，氧化铝)或碳化硅氮化物。
37.包含围绕软磁极250的导电线圈230的电磁体240位于器件层堆叠111的至少一侧附近。导电线圈230包括导电材料，诸如铜、银、金、铝、钨或钌。虽然在图1a和图1b中示意性地示出了具有单个环的导电线圈230，但本文明确地包括具有多个环(诸如围绕磁极的螺旋)的线圈230的实施方案。
38.软磁极250包括任何软磁材料，诸如镍-铁合金、软铁氧体或镍-铁-铬合金。在一个实施方案中，软磁材料可具有1a/m至100a/m的范围内的本征矫顽磁力。在图1a所示的sto 100的第一配置中，介电层220将软磁极250与第一电极和第二电极(110,190)分开。在图1b所示的sto 100的第二配置中，软磁极250与第一电极和第二电极(110,190)接触，并且由与该第一电极和该第二电极的软磁材料相同的软磁材料制成。在一个实施方案中，电磁体240和器件层堆叠111可以嵌入在介电材料层220中。
39.图1a和图1b所示的结构是第一示例性自旋扭矩振荡器100。电磁体240被配置为当通过向线圈230施加电流而接通电磁体时引导偏置磁场穿过器件层堆叠111。控制电路(未示出)被配置为在第一电极110和第二电极190之间施加偏置电压或电流，以使自旋电流流经电极(110,190)之间的器件层堆叠111，这将在下面更详细地描述。第一示例性自旋扭矩振荡器100可用于提供周期性信号发生器，该周期性信号发生器可生成周期性正弦输出或周期性脉冲图案。
40.参考图2，示出了根据本公开的第一实施方案的第一示例性周期性信号发生器。第一周期性信号发生器包括图1a和图1b所示的第一示例性自旋扭矩振荡器100、控制电路305和外差混频器电路，该外差混频器电路被配置为输出频率在2ghz至100ghz的范围内的周期性信号，并且描述在s.kisilev等人于2003年9月25日发表于《nature》杂志第425卷第380页的内容中，其全文以引用方式并入本文。第一示例性周期性信号发生器可包括控制电路305，该控制电路被配置为通过在第一电极110和第二电极190之间施加直流偏置电压来感应流经器件层堆叠111的直流以感应穿过器件层堆叠111的自旋电流，并且/或者被配置为提供穿过电磁体240的线圈230的电流以在电磁体240中产生磁场。
41.外差混频器电路包括连接在dc电压源和sto 100的电输出端之间的电感器310。来自器件层堆叠111的输出信号可以通过电容器320传输到运算放大器330。来自运算放大器330的输出信号可以在混频器350中与来自扫描信号发生器340的输出信号混频。来自混频器350的输出信号被馈送到带通滤波器360。滤波器360使25mhz至100mhz范围内的信号通过。来自带通滤波器360的输出信号随后可以由另一运算放大器370放大，并且可穿过二极管检测器380以生成微波频率输出信号。第一周期性信号发生器可生成频率在2ghz至100ghz(诸如5ghz至30ghz)的范围内的具有窄脉冲宽度的周期性脉冲信号，但也可以采用较低和较高频率。还可以使用其他输出/混频器电路。
42.参考图3，示出了根据本公开的第一实施方案的第二示例性周期性信号发生器，该第二示例性周期性信号发生器可以通过以并联配置连接图1a和图1b的第一示例性自旋扭矩振荡器100的多个实例(诸如两个或更多个实例)而从图2的第一示例性周期性信号发生器导出。在这种情况下，可以修改图1a和图1b的第一示例性结构以形成多个器件层堆叠111。第二示例性周期性信号发生器中的自旋扭矩振荡器100的多个实例可生成稳定的高频输出信号。
43.可以通过来自电磁体240的磁场或通过在第一电极和第二电极(110,190)之间施加偏置电压而产生的自旋电流来调谐器件层堆叠111。参考图4a，示出了根据本公开的第一实施方案的、在不存在外部磁场(即，当没有电流流经电磁体的线圈230时)并且不存在流经器件层堆叠111的偏置自旋电流的情况下，第一示例性自旋扭矩振荡器100中的器件层堆叠111内的部件层的磁化的对准。虽然图1a的结构在图4a至图4c中示出，但应当理解，可以使用图1b的结构来代替。
44.在这种条件下，自旋极化层120和铁磁振荡层140的磁化可以铁磁耦合，并且铁磁振荡层140的磁化和反铁磁耦合辅助层160的磁化可以反铁磁耦合。例如，铁磁振荡层140的磁化和自旋极化层120的磁化可以是平行于自旋极化层120和非磁性间隔层130之间的界面的面内磁化，同时电磁体140被断开并且自旋电流不流经器件层堆叠111。例如，铁磁振荡层140的磁化和反铁磁耦合辅助层160的磁化可以是彼此反平行并且平行于铁磁振荡层140和耦合层150之间的界面的面内磁化，同时电磁体140被断开并且自旋电流不流经器件层堆叠111。
45.参考图4b，示出了根据本公开的第一实施方案的、在存在外部磁场并且不存在偏置自旋电流的情况下，第一示例性自旋扭矩振荡器100中的器件层堆叠111内的部件层的磁化的对准。在这种情况下，可以接通电磁体240而不在第一电极和第二电极(110,190)之间施加偏置电压。换句话讲，在第一电极110和第二电极190之间没有自旋电流流动。电磁体240可通过使直流流经导电线圈230而接通，该导电线圈在软磁材料磁极250中产生磁场。由电磁体240产生的磁场被引导通过软磁材料磁极250，并且在相邻的器件层堆叠111内产生偏置磁场以调谐sto 100的频率。偏置磁场使磁层(120,140,160)的各种磁化沿偏置磁场的方向对准，该方向可以向上或向下。在例示的示例中，自旋极化层120的磁化、铁磁振荡层140的磁化和反铁磁耦合辅助层160的磁化可以沿竖直方向向上对准。
46.偏置磁场在器件层堆叠111内是竖直的，并且可以选择偏置磁场的量值以克服铁磁振荡层140的磁化的轴向分量(即，竖直分量)和反铁磁耦合辅助层160的磁化的轴向分量的反铁磁对准。换句话讲，偏置磁场克服了铁磁振荡层140的磁化和反铁磁耦合辅助层160的磁化彼此反铁磁耦合的趋势。因此，铁磁振荡层140的磁化的轴向分量和反铁磁耦合辅助层160的磁化的轴向分量可平行于偏置磁场，同时电磁体240被接通。在一个实施方案中，铁磁振荡层140的磁化和自旋极化层120的磁化可以是平行于偏置磁场的轴向磁化，同时电磁体240接通并且自旋电流不流经器件层堆叠111。
47.参考图4c，示出了根据本公开的第一实施方案的、在当电流流经线圈230时存在由电磁体140产生的外部磁场并且存在直流偏置自旋电流的情况下，第一示例性自旋扭矩振荡器100中的器件层堆叠111内的部件层的磁化的对准。可以在第一电极110和第二电极190之间施加直流偏置电压，以在器件层堆叠111中产生自旋电流。器件层堆叠111中的偏置磁
场和自旋电流的方向可以是反平行的。
48.自旋极化层120的磁化相比于铁磁振荡层140的磁化以更低的自旋电流振荡(例如，进动)。铁磁振荡层140的磁化以更高的自旋电流振荡(例如，进动)，这导致磁化的倾斜和进动。自旋极化层120(其具有较低的磁矩-厚度乘积)的磁化沿反平行方向沿循铁磁振荡层140的磁化，而铁磁振荡层140的磁化的面内分量的方位角可以与自旋极化层120的磁化的面内分量的方位角相同。
49.自旋极化层120、非磁性间隔层130和铁磁振荡层140的层堆叠根据非磁性间隔层是导电的还是绝缘的而用作自旋阀或磁隧道结。电流的自旋极化通过自旋阀或通过磁隧道结发生。自旋极化电子优先穿过非磁性间隔层130使得自旋极化层120的磁化的轴向分量与铁磁振荡层140的磁化的轴向分量反铁磁对准。
50.当铁磁振荡层140的磁矩-厚度乘积与自旋极化层120的磁矩-厚度乘积的比率在1.2至5诸如1.4至3的范围内时，铁磁振荡层140的磁化的轴向分量可以平行于偏置磁场对准，并且自旋极化层120的磁化的轴向分量可以与偏置磁场反平行地对准，以将自旋阀或磁隧道结的磁配置的总能量最小化。然而，这种配置在能量上不利于自旋极化层120的磁化，并且使自旋极化层120的磁化偏离竖直方向倾斜，从而产生自旋极化层120的磁化的面内分量。在存在偏置磁场的情况下，自旋极化层120的磁化的面内分量围绕竖直方向进动。
51.自旋极化层120的磁化的面内分量使铁磁振荡层140的磁化倾斜远离竖直方向。自旋极化层120的磁化和铁磁振荡层140的磁化之间的大体铁磁耦合使得铁磁振荡层140的磁化的倾斜沿自旋极化层120的磁化的面内分量的方向被锁定。换句话讲，铁磁振荡层140的磁化的面内分量可以具有与自旋极化层120的磁化的面内分量相同的围绕竖直轴线的方位角。因此，自旋极化层120的磁化和铁磁振荡层140的磁化以相同的进动频率同步地围绕竖直方向进动。
52.反铁磁耦合辅助层160的磁化的轴向分量保持平行于器件层堆叠111内的偏置磁场的方向，同时电磁体240被接通并且自旋电流流经器件层堆叠111。由于反铁磁耦合辅助层160和铁磁振荡层140之间的耦合的反铁磁性质，铁磁振荡层140的磁化的面内分量和反铁磁耦合辅助层160的磁化的面内分量彼此反铁磁耦合，同时电磁体240被接通并且自旋电流流经器件层堆叠111。因此，辅助层160使铁磁振荡层140的磁化的倾斜角增大，这减小了由sto 100输出的信号的峰宽度。
53.反铁磁耦合辅助层160的磁化耦合到铁磁振荡层140的磁化，并且以与自旋极化层120的磁化相同的进动频率围绕竖直轴线进动。铁磁振荡层140的磁化的面内分量的方位角可以与自旋极化层120的磁化的面内分量的方位角相同，并且可以相对于反铁磁耦合辅助层160的磁化的面内分量的方位角偏移180度。
54.根据本公开的一个方面，反铁磁耦合辅助层160的磁矩-乘积厚度与铁磁振荡层140的磁矩-乘积厚度的比率在2至10的范围内为反铁磁耦合辅助层160的竖直分量提供稳定性，以确保反铁磁耦合辅助层160的竖直分量保持平行于偏置磁场，同时在反铁磁耦合辅助层160的磁化的面内分量和铁磁振荡层140的面内分量之间提供足够的反铁磁耦合，以增加铁磁振荡层140的磁化的倾斜角。在同步进动期间，在自旋极化层120、铁磁振荡层140和反铁磁耦合辅助层160的磁化的进动期间，反铁磁耦合辅助层160的磁化的面内分量和铁磁振荡层140的面内分量保持锁定为反铁磁对准(即，方位角相差180度)。
55.图5示出了根据本公开的第二实施方案的第二示例性自旋扭矩振荡器500。第二示例性sto 500包括与上文关于第一示例性sto 100描述的相同的器件层堆叠111。因此，为了简洁起见，将不再描述器件层堆叠111层。第二示例性sto 500不包括第一实施方案的电磁体240。相反，第二示例性sto 500包括产生磁场的至少一个凹口，如将在下文描述。
56.第二示例性sto 500包含第一电极510和第二电极590。第一电极510包括第一铁磁电极层510l和从第一铁磁电极层510l朝向器件层堆叠111突出的第一铁磁柱510p。第二电极590包括第二铁磁电极层590l和从第二铁磁电极层590l朝向器件层堆叠111突出的第二铁磁柱590p。
57.第一电极510和/或第二电极590中的至少一者包括具有固定磁化方向的固定铁磁材料，诸如fe、co、ni或它们的合金。在一个实施方案中，固定磁化方向平行于自旋极化层120和非磁性间隔层130之间的界面。在一个实施方案中，第一电极510和/或第二电极590可包括钉扎软磁材料或硬磁材料。如果电极包括钉扎软磁材料，则它还可以包括合成铁磁结构(saf)，该合成铁磁结构包含反铁磁钉扎层和通过导电非磁性间隔件与软磁材料分开的铁磁层堆叠。
58.第一铁磁柱510p具有与器件层堆叠111的侧向宽度(例如，直径)基本上相同的侧向宽度(例如，直径)。第一电极层510l的侧向尺寸(例如，宽度)大于第一铁磁柱510p的侧向尺寸，使得第一铁磁电极层510l的环形水平表面510s围绕竖直的第一铁磁柱510p的基部。因此，第一电极510在第一铁磁电极层510l和第一铁磁柱510p的接合部处包含凹口510n。当电流在第一电极510和第二电极590之间流动时，环形水平表面510s沿第一铁磁柱510p的侧表面产生杂散磁场。杂散磁场的竖直分量被施加到器件层堆叠111的层，并且在第一实施方案中被用作偏置磁场，而不是由电磁体140产生的偏置磁场。优选地，凹口510n的深度大于其宽度以产生竖直杂散磁场。该凹口还可以用作屏蔽件以抵抗外部场来稳定sto 500频率。
59.第二铁磁柱590p具有与器件层堆叠111的侧向宽度(例如，直径)基本上相同的侧向宽度(例如，直径)。第二铁磁电极层590l的侧向尺寸(例如，宽度)大于第二铁磁柱590p的侧向尺寸，使得第二电极层590l的环形水平表面590s围绕竖直第二铁磁柱590p的基部。因此，第二电极590在第二铁磁电极层590l和第二铁磁柱590p的接合部处包含凹口590n。当电流在第一电极510和第二电极590之间流动时，环形水平表面590s沿第二铁磁柱590p的侧表面产生杂散磁场。杂散磁场的竖直分量被施加到器件层堆叠111的层，并且在第二实施方案中被用作偏置磁场，而不是由电磁体140产生的偏置磁场。优选地，凹口590n的深度大于其宽度以产生竖直杂散磁场。该凹口还可以用作屏蔽件以抵抗外部场来稳定sto 500频率。
60.在一个实施方案中，器件层堆叠111的层的侧壁与第一铁磁柱510和/或第二铁磁柱590p的侧壁竖直地重合。
61.参考图6，示出了根据本公开的第二实施方案的第三示例性周期性信号发生器。通过替换第一示例性自旋扭矩振荡器100的实例，可以从图2的第一周期性信号发生器导出第二周期性信号发生器。
62.参考图7，示出了根据本公开的第二实施方案的第四示例性周期性信号发生器，该第四示例性周期性信号发生器可以通过以并联配置连接图5的第二示例性自旋扭矩振荡器500的多个实例(诸如两个或更多个实例)而从图6的第三示例性周期性信号发生器导出。
63.参考图8，示出了根据本公开的第二实施方案的、在存在直流偏置自旋电流的情况
下，第二示例性自旋扭矩振荡器500中的器件层堆叠111内的部件层的磁化的对准。可以通过控制电路305在第一电极和第二电极(510,590)之间施加直流偏置电压。一个或多个凹口(510n,590n)产生具有与自旋电流方向反平行的竖直方向的磁场，同时可以省略电磁体240。磁场的作用类似于由第一实施方案的电磁体240产生的外部磁场，用于以类似于上文参照图4c描述的第一实施方案的方式进动器件层堆叠111的层的磁化。
64.参考图9，示出了根据本发明的第二实施方案的两个第二示例性自旋扭矩振荡器500的并联连接。在这种情况下，第二示例性自旋扭矩振荡器500的多个实例的每个第一电极层510l包括公共第一电极层510l的相应部分，并且第二示例性自旋扭矩振荡器500的多个实例的每个第二电极层590l包括公共第二电极层590l的相应部分。
65.本公开的实施方案的自旋扭矩振荡器可用于蜂窝电话、通信装置、声音分析器或其他通信装置中的微波信号生成。各种铁磁层的面内分量的同步进动提供具有高强度的窄振荡频率宽度(例如，从积分频率内的sto检测的电压或功率输出)。因此，与现有技术的sto相比，本公开的实施方案的自旋扭矩振荡器可以提供更高的强度和更窄的频率峰(例如，在半最大值处具有更小的半宽度)。
66.虽然前面提及特定优选实施方案，但是将理解本公开不限于此。本领域的普通技术人员将会想到，可对所公开的实施方案进行各种修改，并且此类修改旨在落在本公开的范围内。在本公开中示出采用特定结构和/或构型的实施方案，应当理解，本公开可以以功能上等同的任何其他兼容结构和/或构型来实践，前提条件是此类取代不被明确地禁止或以其他方式被本领域的普通技术人员认为是不可能的。本文引用的所有出版物、专利申请和专利均以引用方式全文并入本文。