CN114695652A - 自旋二极管器件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种自旋二极管器件。根据各种实施例，一种自旋二极管器件可以包括磁隧道结堆叠。磁隧道结堆叠可以包括下磁性层、位于下磁性层上方的隧道势垒层、以及位于隧道势垒层上方的上磁性层。下磁性层可以包括下磁性膜。隧道势垒层包括绝缘材料。上磁性层可以包括上磁性膜。下磁性膜和上磁性膜中的每一者可以具有垂直磁各向异性。

Description

自旋二极管器件
技术领域
各种实施例涉及包括磁隧道结的自旋二极管器件。
背景技术
对能够检测低功率微波的微波检测器件的需求不断增加。现有的解决方案，例如自旋二极管，通常在检测低功率微波方面表现不佳。为了改善自旋二极管的低功率工作性能，通常需要外部能量来在自旋二极管的磁隧道结堆叠中引起共振。然而，必须为自旋二极管提供外部能量源会导致器件整体尺寸更大并且导致器件的耐用性有限。此外，现有的自旋二极管只能利用单个频率带宽的微波。因此，需要多个自旋二极管来利用多个频率带宽的微波。
发明内容
根据各种实施例，提供了一种自旋二极管器件。所述自旋二极管器件可以包括磁隧道结堆叠。所述磁隧道结堆叠可以包括下磁性层、位于所述下磁性层上方的隧道势垒层、以及位于所述隧道势垒层上方的上磁性层。所述下磁性层可以包括下磁性膜。所述隧道势垒层包括绝缘材料。所述上磁性层可以包括上磁性膜。所述下磁性膜和所述上磁性膜中的每一者可以具有垂直磁各向异性。
附图说明
在附图中，贯穿不同的视图，相似的参考标号通常指示相同的部件。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图来说明各种实施例，其中：
图1示出了根据各种非限制性实施例的自旋二极管器件的示意图。
图2示出了MTJ堆叠的示意图，并示出了图1的自旋二极管器件的工作原理。
图3示出了根据各种非限制性实施例的自旋二极管器件300的示意图。
图4示出了MTJ堆叠的示意图，并示出了图3的自旋二极管器件的工作原理。
图5示出了根据各种非限制性实施例的自旋二极管器件的示意图。
图6示出了MTJ堆叠的示意图，并示出了图5的自旋二极管器件的工作原理。
图7示出了根据各种非限制性实施例的微波器件的电路图。
图8示出了根据各种非限制性实施例的微波器件的电路图。
具体实施方式
实施例一般地涉及包括磁隧道结的自旋二极管器件。自旋二极管器件可以是自旋电子器件。自旋二极管器件可用于各种应用，例如WiFi能量收集、嵌入式对象传感器、用于医学或无损检测的微波成像，以及军事应用中的微波传感器。
图1示出了根据各种非限制性实施例的自旋二极管器件100的示意图。自旋二极管器件100可以包括下电极130和上电极140。自旋二极管器件100可以包括设置在下电极130和上电极140之间的磁隧道结(MTJ)堆叠150。MTJ堆叠150可以包括三个常规(general)层，即，下磁性层102、上磁性层106和设置在下磁性层102和上磁性层106之间的隧道势垒层104。
下磁性层102可以布置在下电极130上方。隧道势垒层104可以布置在下磁性层102上方。上磁性层106可以布置在隧道势垒层104上方。隧道势垒层104可以将下磁性层102与上磁性层106隔开。隧道势垒层104可以是非磁性的，并且可以将下磁性层102与上磁性层106进行磁性解耦。上电极140可以布置在上磁性层106上方。下磁性层102和上磁性层106可以各自包括至少一个具有垂直磁各向异性(PMA)的磁性膜。
隧道势垒层104可以包括氧化镁。在替代实施例中，隧道势垒层104可以包括氧化铝或其他适合于将上覆层与下伏层进行磁性解耦的材料。根据各种非限制性实施例，隧道势垒层104的厚度可以是约0.8nm至约2.0nm。隧道势垒层104可以足够薄，使得电子可以从上磁性层106到下磁性层102或反向地隧穿隧道势垒层104。
根据各种非限制性实施例，下电极130和上电极140可以各自包括钽。下电极130和上电极140中的每一个的厚度可以是约5nm。
根据各种非限制性实施例，下磁性层102和上磁性层106可以各自包括一个具有PMA的磁性膜。例如，下磁性层102可以包括具有与由下磁性层102限定的平面垂直的平衡磁化方向152的下磁性膜(图1中未示出)。例如，上磁性层106可以类似地包括具有与由上磁性层106限定的平面垂直的平衡磁化方向156的上磁性膜(图1中未示出)。下磁性层102的磁化方向152可以与上磁性层106的磁化方向156相反(换言之，反平行)。
图2示出了MTJ堆叠150的示意图，并示出了自旋二极管器件100的工作原理。下磁性层102，或者具体地是指下磁性层102中的下磁性膜，可以被构造为具有固有(natural)铁磁共振(FMR)频率fL。上磁性层106，或者具体地是指上磁性层106中的上磁性膜，可以被构造为具有固有FMR fU。磁性膜的固有FMR频率是指在在没有外部磁场的情况下，在磁性膜内磁化的旋进运动与入射微波辐射耦合的频率。
在存在振荡至频率fL的微波时，下磁性层102而不是上磁性层106可以吸收微波能量。吸收的微波能量可以将下磁性层102中的下磁性膜中的磁矩激发至FMR。因此，下磁性层102的磁化方向例如可以从垂直方向152变为新方向112。新方向112可以包括面内分量114。从垂直方向152到新方向112的方向变化可以是轻微偏移，使得新方向112更接近垂直方向152而不是面内方向。
与下磁性层102的磁化方向相比，上磁性层106的磁化方向可以保持相对不变。下磁性层102的磁化方向相对于上磁性层106的磁化方向的变化可以引起跨MTJ堆叠150的有效电阻的变化，从而导致跨MTJ堆叠150的整流效应。跨MTJ堆叠150的有效电阻的变化可改变在下电极130和上电极140之间流动的电流的大小和/或方向。自旋二极管器件100可以基于电流的大小、电流的方向中的至少一者或其组合来检测微波。
另一方面，如果入射在自旋二极管器件100上的微波振荡至频率fU，则上磁性层106可以比下磁性层102吸收显著地更多的微波能量。吸收的微波能量可以将上磁性层106中的上磁性膜中的电子激发至FMR。因此，上磁性层106的磁化方向例如可以从垂直方向156变为新方向122。新方向122可以包括面内分量124。与上磁性层106的磁化方向相比，下磁性层102的磁化方向可以保持相对不变。下磁性层102的磁化方向相对于上磁性层106的磁化方向的变化可以引起跨MTJ堆叠150的有效电阻的变化，从而导致跨MTJ堆叠150的整流效应。跨MTJ堆叠150的有效电阻的变化可以改变在下电极130和上电极140之间流动的电流的大小和/或方向。自旋二极管器件100可以基于电流的大小、电流的方向中的至少一者或其组合来检测微波。
此外，由上磁性层106的磁化方向的变化所引起的MTJ堆叠150的有效电阻的变化可以不同于由下磁性层102的磁化方向的变化所引起的MTJ堆叠150的有效电阻的变化。因此，自旋二极管器件100还可基于在下电极130和上电极140之间流动的电流的大小和方向来确定微波的振荡频率。
虽然图2示出了下磁性层102和上磁性层106的磁化方向相反，即，反平行，但是在替代实施例中，下磁性层102和上磁性层106可以具有相同的磁化方向。
图3示出了根据各种非限制性实施例的自旋二极管器件300的示意图。
下磁性层102可以包括下磁性膜312。下磁性层102还可以包括设置在下磁性膜312上方的下耦合层314，以及设置在下耦合层314上方的另外的下磁性膜316。
下磁性膜312和另外的下磁性膜316可以各自包括钴、铂及其组合。在替代实施例中，下磁性膜312和另外的下磁性膜316可以包括镍、铽、钯、铁、硼或其他金属或其组合的各种组合。下磁性膜312和另外的下磁性膜316中的不同元素可以由连续层形成或者合金化，因此在一些实施例中，下磁性膜312和另外的下磁性膜316可以独立地包括多个子层。在下磁性层102中只有两个磁性膜的实施例中，组合的下磁性膜312和另外的下磁性膜316的磁特性可以是下磁性层102的磁特性。下磁性膜312和另外的下磁性膜316可以包括钉扎层。
根据各种非限制性实施例，下磁性膜312和另外的下磁性膜316中的每一个可以包括至少一个双层膜，例如含钴的膜以及布置在其上方或下方的含铂的另一膜，例如Co/Pt膜。下磁性膜312可以包括多个以堆叠连续布置的双层膜。例如，下磁性膜312可以包括多达六个这样的双层膜，即，[Co/Pt]6。例如，另外的下磁性膜316可以包括多达四个这样的双层膜，即，[Co/Pt]4。所需的双层膜重复的次数可取决于目标微波频率。一般而言，目标微波频率越高，需要的双层膜就越多。
下磁性膜312、316中的每一个可以是磁各向异性的并且可以具有PMA。下磁性层102的FMR频率fL可以取决于包括含钴的膜和另一含铂膜的膜的厚度。例如，对于约20GHz至约60GHz的工作频率范围，钴膜和铂膜中的每一个的厚度可以是约0.2至0.5nm。在示例性实施例中，双层膜堆叠可以包括0.4nm的钴和0.4nm的铂。
下耦合层314可以是层间交换耦合层，其在下磁性膜312和另外的下磁性膜316之间提供反铁磁交换。反铁磁交换可以帮助减少或补偿来自下磁性膜312和另外的下磁性膜316的杂散磁场效应。下耦合层314可以迫使下磁性膜312和另外的下磁性膜316的磁化方向反平行。通过具有相反的磁化方向，下磁性膜312和另外的下磁性膜316可以在不同的频率共振，从而吸收具有不同频率带宽的微波。下耦合层314可以包括钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)或其他材料。在各种非限制性实施例中，基于下耦合层314的总重量，下耦合层314可以包括约50至约100重量％或约80至100重量％的钌。下耦合层314的厚度可以为大约0.3nm至0.9nm。
上磁性层106可以覆盖隧道势垒层104。上磁性层106可以包括上磁性膜322。上磁性层106还可以包括位于上磁性膜322上方的***层324，以及位于***层324上方的另外的上磁性膜326。上磁性膜322和另外的上磁性膜326可以包括钉扎层。例如，上磁性膜322可以包括至少一个钉扎层，并且另外的上磁性膜326也可以包括至少一个钉扎层。上磁性膜322、326可以具有相同的组成，或者它们可以具有不同的组成，并且在上磁性膜322、326中可以具有更多、更少或相同数量的钉扎层。上磁性膜322、326中的元素可以作为合金或作为纯材料层或合金层存在。上磁性膜322、326可以包括钴、铁、硼、其合金或其混合物。例如，上磁性膜322、326中的每一个可以包括钴-铁-硼合金，例如Co20Fe60B20。上磁性膜322、326在磁性上可以是“软的”，使得它们的自旋转移矩和它们的磁化方向是可变的。上磁性膜322、326中的每一个可以是磁各向异性的并且可以具有PMA。上磁性膜322、326的厚度可以各自为约0.3nm至约1.2nm。
***层324可以设置在上磁性膜322和另外的上磁性膜326之间。***层324可以是非磁性的。***层324可以在上磁性膜322、326之间提供铁磁耦合，并且可以足够薄以成为非晶的。在替代实施例中，***层324可以是晶体的。***层324可以包括钽、钼、钨、铁或作为合金或作为单独元素的其他组成。根据各种非限制性实施例，***层324的厚度可以是约0.4nm。
下磁性膜312、316和上磁性膜322、326的厚度对于实现PMA是关键的，并且可能直接影响这些磁性膜的固有FMR频率。这些磁性膜的固有FMR频率可以决定自旋二极管器件300的工作频率。自旋二极管器件300可以被配置为检测以与下磁性膜312、316的固有FMR频率匹配或重合的频率振荡的微波。自旋二极管器件300可以被配置为检测以与上磁性膜322、326的固有FMR频率匹配或重合的频率振荡的微波。
通常，磁性膜的FMR频率f可以按照如下方式确定：
f＝γ(Hext+4πMeff)
其中γ表示磁性膜材料的旋磁系数，其中Hext表示外部磁场强度，并且其中Meff表示磁性膜的有效PMA强度。Meff表示将磁性膜的磁化方向从垂直转向面内所需的外部能量的量。
自旋二极管器件100可以在不需要外部磁场的情况下工作，因此Hext＝0。由此，磁性膜的固有FMR频率可以表示为：
f＝4πγMeff
换言之，各个磁性膜的FMR频率可以与主要取决于界面效应和体效应的Meff成比例。界面效应可能是由界面处的中断的(breaking)周期性导致的轨道变形引起的。体效应可能是由晶体空间不对称导致的轨道变形引起的。在磁性膜的界面处，由于自旋轨道相互作用，电子可能具有额外的磁能。该额外的能量可能是大量的，使得磁性膜的平衡磁化方向变得垂直于平面，即位于面外。磁性膜的PMA强度可取决于磁性膜的厚度、其组成、结晶度结构和与磁性膜相邻的层。
例如，下磁性膜312、316的厚度可以在约2nm至约10nm的范围内，以实现具有固有FMR频率的PMA，从而实现约5GHz至约40GHz的范围内的工作频率。例如，上磁性膜322、326的厚度可以在约1.5nm至约3.0nm的范围内，以实现具有固有FMR频率的PMA，从而实现约1.5GHz至约20GHz的范围内的工作频率。例如，上磁性膜322、326的厚度可以在约0.4nm至约2.0nm的范围内，以实现具有固有FMR频率的PMA，从而实现约2GHz至约5GHz范围内的工作频率。
MTJ堆叠150还可以包括种子层310。种子层310可以覆盖下电极130。种子层310可以设置在下磁性层102下方，也可以设置在下磁性膜312下方。种子层310可以包括铂。在各种实施例中，种子层310还可以包括镍、铬、钌、钨、镁、钬或铽。种子层310的厚度可以是约5nm。种子层310的厚度和材料不必限于上述那些，只要种子层310能够实现用于下磁性膜312的结晶模板。
MTJ堆叠150还可以包括过渡层318。过渡层318可以设置在下磁性层102上方。过渡层318可以覆盖在另外的下磁性膜316(如果它存在于下磁性层102中)。过渡层318可以是非磁性的。在一些实施例中，过渡层318可以包括钽、铁、钨、钼、铽、铁、钴或者作为合金或作为一个或多个钉扎层的其他元素。过渡层318可用于破坏来自下伏的另外的下磁性膜316(或其他钉扎层，其中利用多于两个钉扎层)的晶体结构。在一些实施例中，过渡层318可以是非晶的。过渡层318可以足够薄以使得无法形成晶体结构，例如，过渡层318的厚度可以是约0.2nm至0.5nm。过渡层318可以是非磁性的，并且即使在包括铁、钴或通常为磁性的其他材料的实施例中，过渡层318的非晶性质也可以允许非磁性特性。
MTJ堆叠150还可以包括偏振器层320。偏振器层320可以覆盖过渡层318。偏振器层320可以是磁性的。在各种实施例中，偏振器层320可以包括钴、铁、硼、其合金或其组合，这些材料可以作为合金或作为单独的组成而存在，并且可以作为单个层或多个层而存在。在一些实施例中，偏振器层320可以具有被赋予到上覆层的晶体结构，并且可以改善MTJ堆叠150中的自旋偏振效率。偏振器层320可以具有面心立方晶体结构，但是其他类型的晶体结构也是可能的。
MTJ堆叠150还可以包括帽盖层330。帽盖层330可以布置在上磁性层106上方。MTJ堆叠150还可以包括布置在上磁性层106上方的可选顶部势垒层328。在存在顶部势垒层328的情况下，帽盖层330可以覆盖可选顶部势垒层328。由此，在存在顶部势垒层328的实施例中，上磁性层106可以被夹在隧道势垒层104和顶部势垒层328之间。上电极140可以覆盖帽盖层330。帽盖层330可以进一步提升MTJ堆叠150的磁各向异性效应。帽盖层330可以包括以下一种或多种：钨、氧化镁、钌、铂、铪、镍铬或者作为合金或作为元素的其他材料。帽盖层330可以是非磁性的，并且帽盖层330的组成可以取决于上磁性膜322、326的材料。在一些实施例中，可选顶部势垒层328可以包括氧化镁，并且顶部势垒层328可以是非磁性的。帽盖层330的厚度可以是约0.2nm至约2.0nm。顶部势垒层328的厚度可以是约1nm。
根据各种非限制性实施例，自旋二极管器件300可以使用与MRAM器件的生产相同的生产线和工艺来制造。下磁性层102可以包括合成反铁磁体(SAF)，使得它可以是固定层。上磁性层106可以是自由层。
根据非限制的示例性实施例，在下文中描述了自旋二极管器件300中的每个层的组成和厚度。下电极130和上电极140中的每一者的厚度可以是约5nm并且可以包括钽。种子层310的厚度可以是约5nm并且可以包括铂。下磁性膜312可以包括六个重复的双层膜，该双层膜包括0.4nm的钴和0.4nm的铂。下耦合层314的厚度可以是约0.4nm并且可以包括钌。另外的下磁性膜316可以包括四个重复的双层膜，该双层膜包括0.4nm的钴和0.4nm的铂。过渡层318的厚度可以是约0.4nm并且可以包括钽。偏振器层320的厚度可以是约1.0nm并且可以包括Co20Fe60B20。隧道势垒层104的厚度可以是约1.0nm并且可以包括氧化镁。上磁性膜322的厚度可以是约1.2nm并且可以包括Co20Fe60B20。***层324的厚度可以是约0.4nm并且可以包括钽。另外的上磁性膜326的厚度可以是约0.9nm并且可以包括Co20Fe60B20。顶部势垒层328的厚度可以是约1.0nm并且可以包括氧化镁。帽盖层330的厚度可以是约1nm并且可以包括钨。
图4示出了MTJ堆叠150的示意图，并示出了图3的自旋二极管器件300的工作原理。在图3所示的实施例中，下磁性层102包括被下耦合层314隔开的两个下磁性膜312、316。下磁性膜312和另外的下磁性膜316的磁化方向可以是反平行的，并且这些下磁性膜312、316可以具有不同的固有FMR频率。例如，下磁性膜312的固有FMR频率可以是fL1，而另外的下磁性膜316的固有FMR频率可以是fL2。由于耦合层524的厚度和材料选择所介导(mediate)的层间交换耦合效应，上磁性膜322和另外的上磁性膜326的磁化方向可以相同。因此，上磁性膜322和326可以作为具有单个固有FMR频率fU的单个实体。自旋二极管器件300可以被配置为检测根据fL1、fL2或fU中任一个来振荡的微波。换言之，自旋二极管器件300能够检测三种不同频率的微波。当入射微波的频率为fU时，上磁性膜322和另外的磁性膜326都进入FMR并吸收微波能量的至少部分。当入射微波的频率为fL1时，只有下磁性膜312进入FMR。当入射微波的频率为fL2时，只有另外的下磁性膜316进入FMR。如关于图2所描述的那样，当任一磁性膜共振时，MTJ 150的有效电阻发生变化，从而在自旋二极管器件300中产生整流效应，使得自旋二极管器件300能够检测微波。
图5示出了根据各种非限制性实施例的自旋二极管器件500的示意图。图5所示的自旋二极管器件500可以类似于图3所示的自旋二极管器件300，除了***层324被上耦合层524替代之外。上耦合层524的功能类似于下耦合层314。上耦合层524也可以是层间交换耦合层，并且可以用于维持上磁性膜322和另外的上磁性膜326的反平行磁化方向。通过具有上磁性膜322和另外的上磁性膜326以及下磁性膜312和另外的下磁性膜316的反平行磁化方向，自旋二极管器件100可以被配置为检测四种不同频率的微波。在自旋二极管器件500中，上磁性层102和下磁性层106都可以包括SAF。上耦合层524和下耦合层314中的每一者都可以包括钌。
图6示出了MTJ堆叠150的示意图，并示出了图5的自旋二极管器件500的工作原理。上磁性膜322和另外的上磁性膜326的磁化方向可以是反平行的，并且这些上磁性膜322、326可以具有不同的固有FMR频率。例如，上磁性膜322的固有FMR频率可以是fU1，而另外的上磁性膜326的固有FMR频率可以是fU2。自旋二极管器件100可以被配置为检测根据fL1、fL2、fU1或fU2中任一个来振荡的微波。换言之，自旋二极管器件500能够检测四种不同频率的微波。当入射微波的频率为fU1时，只有上磁性膜322进入FMR。当入射微波的频率为fU2时，只有另外的上磁性膜326进入FMR。如关于图2所描述的那样，当任一磁性膜共振时，MTJ 150的有效电阻发生变化，从而在自旋二极管器件500中产生整流效应，使得自旋二极管器件500能够检测微波。
虽然自旋二极管器件300和500在下磁性层102和上磁性层106中的每一者中包括两个磁性膜，但是应当理解，下磁性层102和上磁性层106可以包括多于两个的磁性膜。每个磁性膜可以通过与下耦合层314或上耦合层514类似的耦合层或与***层324类似的***层来与下伏的磁性膜隔开。例如，下磁性层102可以包括位于另外的下磁性膜316上方的另外的下耦合层，以及布置在另外的下耦合层上方的第二另外的下磁性膜。类似地，上磁性层106可以包括位于另外的上磁性膜326上方的另外的上耦合层或另外的***层，以及布置在另外的上耦合层或另外的***层上方的第二另外的上磁性膜。
与现有技术的器件相比，上述自旋二极管器件100、300和500可以实现各种优点。通过在下磁性层102和上磁性层106中的每一者中具有PMA，两个磁性层都能够通过在FMR模式下工作来以高达-50dBm的高灵敏度检测微波。这些磁性层能够以FMR模式工作，而无需任何外部偏置能量来将磁化方向转变为垂直方向。由此，自旋二极管器件始终处于“接通(ON)”状态，因为无需使用外部电流或磁场为器件供电。此外，下磁性层102和上磁性层106中的每一者能够利用至少一个频率的微波。在下磁性层102和/或上磁性层106包括由层间交换耦合层隔开的多于一个的磁性膜的实施例中，自旋二极管器件能够同时检测或利用3种或更多种不同频率的微波。MTJ堆叠150中的每个磁性膜可以被构造为具有专用于所需应用的PMA强度。例如，相当于800Oe的Meff用于收集2.4GHz微波，相当于1650Oe的Meff用于收集5GHz微波。对于感测应用，自旋二极管器件可以很容易校准，因为FMR频率与Meff线性相关，从而与磁性膜的PMA强度线性相关。与常规的自旋二极管器件相比，该自旋二极管器件的尺寸也可以更小。
根据各种非限制性实施例，自旋二极管器件100、300、500能够检测频率在约1GHz至约100GHz范围内的微波。
图7示出了根据各种非限制性实施例的微波器件700的电路图。微波器件700可以包括至少一个自旋二极管720。自旋二极管720可以包括自旋二极管器件100、300或500中的任何一个。微波器件700还可以包括至少一个天线702、至少一个阻抗匹配网络704、直流(DC)组合器706和DC-DC转换器708。至少一个天线702可以被配置为接收微波710。接收的微波可以通过阻抗匹配网络704，到达自旋二极管720。天线702、阻抗匹配网络和自旋二极管720的组可以并联连接到其他类似的组。DC组合器706可以被配置为接收每个自旋二极管720的输出并且可以进一步被配置为组合它们的输出以提供给DC-DC转换器708，DC-DC转换器708可以连接到负载750。
图8示出了根据各种非限制性实施例的微波器件800的电路图。微波器件800可类似于微波器件700，但其部件的连接不同。在微波器件800中，至少一个天线702可以连接到射频(RF)组合器806。RF组合器806可以组合在至少一个天线702中接收的微波信号，并通过阻抗匹配网络704将组合的RF信号提供给自旋电子器件720的阵列。可以将来自自旋电子器件720的阵列的输出提供给DC-DC转换器708。
根据各种非限制性实施例，微波器件700或800可以被配置为利用功率为-10dBm或更小的输入微波。微波器件700或800的灵敏度还可取决于其他因素，例如由于来自附加布线/部件的附加阻抗而增加的微波损耗。
下面参考在附图中示出的非限制性示例，更全面地解释本发明的各方面及其某些特征、优点和细节。省略对公知的材料、制造工具、加工技术等的描述，以免不必要地让细节模糊本发明。然而，应当理解，详细说明和具体示例虽然指示了本发明的方面，但是仅以举例说明的方式给出，并非以限制的方式给出。通过本公开，在基本发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或布置对于本领域技术人员将是显而易见的。
如在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言可用于修饰在不导致与之相关的基本功能发生变化的情况下可允许变化的任何定量表示。因此，由诸如“近似”、“约”之类的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在某些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。此外，由诸如“基本上”之类的一个或多个术语修饰方向，意味着该方向在半导体工业的正常容差范围内应用。例如，“基本上平行”意味着在半导体工业的正常容差范围内大致沿相同方向延伸，而“基本上垂直”意味着九十度加上或减去半导体工业的正常容差的角度。
本文使用的术语仅出于描述具体示例的目的，并非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，术语“comprise(包括)”(以及包括的任何形式，例如“comprises”和“comprising”)，“have(具有)”(以及具有的任何形式，例如“has”和“having”)，“inclue(包含)”(以及包含的任何形式，例如“includes”和“including”)，以及和“contain(含有)”(以及含有的任何形式，例如“contains”和“containing”)是开放式链接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个步骤或元件的方法或装置具有这些一个或多个步骤或元件，但不限于仅具有这些一个或多个步骤或元件。同样地，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个特征的方法步骤或装置元件具有这些一个或多个特征，但不限于仅具有这些一个或多个特征。此外，以某种方式配置的装置或结构至少以这种方式配置，但是也可以以未列出的方式配置。
如本文所使用的，当用于指示两个物理元件时，术语“连接”表示两个物理元件之间的直接连接。然而，术语“耦接”可以表示直接连接或通过一个或多个中间元件的连接。
如本文所使用的，术语“可以”和“可以是”表示：在一组情况下发生的可能性；拥有指定的性质、特性或功能；和/或通过表达与限定动词相关联的能力、功能或可能性中的一项或多项来限定另一动词。因此，“可以”和“可以是”的使用表示修饰语显然适合、允许或适于指定的能力、功能或用途，同时考虑到在某些情况下该修饰语有时不适合、允许或适于。例如，在某些情况下，可预期一事件或能力，而在其他情况下，则不能出现该事件或能力——这种区别由术语“可以”和“可以是”捕获。
诸如“A、B或C中的至少一个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B、C或其任何组合”的组合可以包括A、B和/或C的任何组合，并且可以包括成倍的A、成倍的B或成倍的C。具体地，诸如“A、B或C中的至少一个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B、C或其任何组合”可以是仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C，或A和B和C，其中任何此类组合可能包含A、B或C中的一个或多个成员。
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，本发明可以以其他特定形式体现。因此，前述实施例在所有方面都被认为是示例性的，而不是限制本文描述的发明。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由前述说明书指示，并且落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变旨在被包含在其中。

Claims (20)

1.一种自旋二极管器件，包括：
磁隧道结堆叠，其包括：
包括下磁性膜的下磁性层；
位于所述下磁性层上方的隧道势垒层，所述隧道势垒层包括绝缘材料；以及
位于所述隧道势垒层上方的上磁性层，所述上磁性层包括上磁性膜；
其中所述下磁性膜和所述上磁性膜中的每一者具有垂直磁各向异性。
2.根据权利要求1所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性膜和所述上磁性膜的磁化方向是反平行的。
3.根据权利要求1所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性膜和所述上磁性膜具有不同的固有铁磁共振频率。
4.根据权利要求1所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性层和所述上磁性层中的每一者包括合成反铁磁体。
5.根据权利要求1所述的自旋二极管器件，其中所述自旋二极管器件被配置为检测以与所述下磁性膜的固有铁磁共振频率匹配的频率振荡的微波，并且还被配置为检测以与所述上磁性膜的固有铁磁共振频率匹配的频率振荡的微波。
6.根据权利要求4所述的自旋二极管器件，其中当所述下磁性膜和所述上磁性膜中的一者吸收以与其固有铁磁共振频率匹配的频率振荡的微波时，跨所述磁隧道结堆叠的电阻发生变化，其中所述自旋二极管器件被配置为基于跨所述磁隧道结堆叠的所述电阻的变化来检测所述微波。
7.根据权利要求1所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性层还包括：
位于所述下磁性膜上方的下耦合层，以及
位于所述下耦合层上方的另外的下磁性膜，其中所述另外的下磁性膜具有垂直磁各向异性。
8.根据权利要求7所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性膜和所述另外的下磁性膜的磁化方向是反平行的。
9.根据权利要求7所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性膜和所述另外的下磁性膜具有不同的固有铁磁共振频率。
10.根据权利要求7所述的自旋二极管器件，其中所述下耦合层被配置为在所述下磁性膜和所述另外的下磁性膜之间提供反铁磁交换。
11.根据权利要求7所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性膜和所述另外的下磁性膜中的每一者包括至少一个双层膜，每个双层膜包括含钴层和含铂层。
12.根据权利要求11所述的自旋二极管器件，其中所述下磁性膜中的所述至少一个双层膜包括六个双层膜，并且其中所述另外的下磁性膜中的所述至少一个双层膜包括四个双层膜。
13.根据权利要求11所述的自旋二极管器件，其中所述含钴层的厚度在约0.2至约0.5nm的范围内，并且其中所述含铂层的厚度在约0.2至约0.5nm的范围内。
14.根据权利要求1所述的自旋二极管器件，其中所述上磁性层还包括：
位于所述上磁性膜上方的上耦合层，以及
位于所述上耦合层上方的另外的上磁性膜，其中所述另外的上磁性膜具有垂直磁各向异性。
15.根据权利要求14所述的自旋二极管器件，其中所述上磁性膜和所述另外的上磁性膜的磁化方向是反平行的。
16.根据权利要求14所述的自旋二极管器件，其中所述上磁性膜和所述另外的上磁性膜具有不同的固有铁磁共振频率。
17.根据权利要求14所述的自旋二极管器件，其中所述上磁性膜和所述另外的上磁性膜中的每一者包括钴、铁、硼或其合金。
18.根据权利要求14所述的自旋二极管器件，其中所述上磁性膜和所述另外的上磁性膜中的每一者的厚度在约0.4nm至约2.0nm的范围内。
19.根据权利要求14所述的自旋二极管器件，其中所述上耦合层被配置为在所述上磁性膜和所述另外的上磁性膜之间提供反铁磁交换。
20.根据权利要求14所述的自旋二极管器件，其中所述上耦合层包括钌。
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