专利摘要

本发明涉及具有负微分电阻的磁性隧道结及包括其的自旋电子学器件。一种磁性隧道结包括：第一磁层，其具有固定磁化；第二磁层，其磁化方向能随外磁场而自由转动；以及势垒层，其由绝缘材料制成，并且被夹置在所述第一磁层和所述第二磁层之间，其中，所述势垒层具有拱形的能带曲线。所述磁性隧道结在预定的偏压范围中可以具有负微分电阻。本发明还涉及包括该磁性隧道结的振荡电路和交流放大电路。

权利要求

1.一种磁性隧道结，包括：

第一磁层，其具有固定磁化；

第二磁层，其磁化方向能随外磁场而自由转动；以及

势垒层，其由绝缘材料制成，并且被夹置在所述第一磁层和所述第二磁层之间，

其中，所述势垒层具有拱形的能带曲线，从而在预定电压范围内，所述磁性隧道结具有负微分电阻。

2.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中在所述势垒层与所述第一磁层的界面处以及所述势垒层与所述第二磁层的界面处，费米能级介于导带与价带之间。

3.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中在所述势垒层与所述第一磁层的界面处以及所述势垒层与所述第二磁层的界面处，费米能级位于导带下方的第一位置与导带上方的第二位置之间，其中所述第一位置离所述导带的距离为该界面处的带隙的30％，所述第二位置离所述导带的距离为该界面处的带隙的20％。

4.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述势垒层具有立方对称性晶体结构。

5.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述势垒层由材料AB制成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

6.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中所述势垒层的厚度为2至10个原子层。

7.如权利要求6所述的磁性隧道结，其中所述势垒层的厚度为3至8个原子层。

8.一种磁性隧道结，包括：

第一磁层，其具有固定磁化；

第一势垒层，其设置在所述第一磁层上，并且由绝缘材料制成；

第二磁层，其设置在所述第一势垒层上，并且具有能随外磁场而自由转动的磁化；

第二势垒层，其设置在所述第二磁层上，并且由绝缘材料制成；以及

第三磁层，其具有固定磁化，并且所述第一磁层和所述第三磁层具有相同的磁化方向

其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的至少一个具有拱形的能带曲线，从而在预定电压范围内，所述磁性隧道结具有负微分电阻。

9.如权利要求8所述的磁性隧道结，其中所述第一势垒层和所述第二势垒层中的所述至少一个由材料AB制成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

10.一种交流放大电路，包括：

如权利要求1至9中的任一项所述的磁性隧道结；以及

与所述磁性隧道结串联连接的负载电阻器，

其中，在操作时，所述磁性隧道结被偏置在所述预定电压范围内，交流输入信号被施加到串联连接的所述磁性隧道结和所述负载电阻器的两端，并且在所述磁性隧道结的两端提取放大了的交流输出信号。

11.一种振荡电路，包括：

如权利要求1至9中的任一项所述的磁性隧道结；

与所述磁性隧道结串联连接以形成振荡回路的电阻器、电感器和电容器；以及

偏置电压源，连接到所述磁性隧道结的两端以将所述磁性隧道结偏置在所述预定电压范围内。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种新颖的具有负微分电阻效应的磁性隧道结，以及包括该磁性隧道结的自旋电子学器件。

背景技术

磁性隧道结是自旋电子学中最重要的器件之一，它可以广泛应用于磁性传感器，如硬盘读磁头，磁性随机存储单元(MRAM)，自旋振荡器等。由于传统磁性隧道结本身性质的制约，它无法获得半导体器件中的负微分电阻、场效应管调控等重要的性质，因此在应用中必须和半导体器件相结合组成电路来实现完整的功能。与此同时，磁性隧道结本身的制作工艺又无法很好地和半导体工艺相兼容，最终导致器件的实际尺寸较大、结构设计复杂、器件电路成功率低等问题。

在普通的电阻效应中，电流随着电压的升高而增大。与此不同的是，在负电阻效应中，当施加在电路或者器件两端的电压升高时，流经电路或者器件的电流反而下降。负电阻效应通常只出现在一定的偏压区间内，所以通常所指的负电阻指的是负微分电阻。负微分电阻效应在电路器件应用中有着十分重要的作用。利用负微分电阻效应，我们可以制作耿氏二极管、振荡器和交流放大器等。通常的负电阻器件都是使用半导体材料来实现的。为了拓展材料和器件的应用，一直在探索使用功耗更低、性能更好的电子器件，而自旋电子学器件就是其中一个重要的组成部分。利用电子自旋和磁性来实现的器件，具有低功耗、灵敏度高、非易失性等优点。

因此，期望提供一种自旋电子器件，其能够实现负微分电阻效应。

发明内容

本发明提出了一种新颖的具有负微分电阻效应的磁性隧道结。通过调节磁性隧道结中的自由层的磁矩方向，可以获得大的磁隧穿电阻效应，同时还能在预定偏压范围下实现负电阻效应。这样的具有负电阻效应的磁性隧道结不仅可以应用于传统的磁隧道结器件，例如磁性传感器、磁性存储单元和磁性逻辑器件等，而且还可以用于构建诸如振荡器和放大器之类的电子电路。

根据本发明一实施例，一种磁性隧道结包括：第一磁层，其具有固定磁化；第二磁层，其磁化方向能随外磁场而自由转动；以及势垒层，其由绝缘材料制成，并且被夹置在所述第一磁层和所述第二磁层之间，其中，所述势垒层具有拱形的能带曲线。

在一示例中，所述势垒层与所述第一磁层的界面处以及所述势垒层与所述第二磁层的界面处，费米能级介于导带与价带之间。

在一示例中，在所述势垒层与所述第一磁层的界面处以及所述势垒层与所述第二磁层的界面处，费米能级位于导带下方的第一位置与导带上方的第二位置之间，其中所述第一位置离所述导带的距离为该界面处的带隙的30％，所述第二位置离所述导带的距离为该界面处的带隙的20％。

在一示例中，所述势垒层具有立方对称性晶体结构。

在一示例中，所述势垒层由材料AB制成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

在一示例中，所述势垒层的厚度为2至10个原子层，优选为3至8个原子层。

根据本发明一实施例，一种磁性隧道结可包括：第一磁层，其具有固定磁化；第一势垒层，其设置在所述第一磁层上，并且由绝缘材料制成；第二磁层，其设置在所述第一势垒层上，并且具有能随外磁场而自由转动的磁化；第二势垒层，其设置在所述第二磁层上，并且由绝缘材料制成；以及第三磁层，其具有固定磁化，并且所述第一磁层和所述第三磁层具有相同的磁化方向其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的至少一个具有拱形的能带曲线。

在一示例中，在所述第一势垒层和所述第二势垒层中的所述至少一个与相邻磁层的界面处，费米能级介于导带与价带之间。

在一示例中，在所述第一势垒层和所述第二势垒层中的所述至少一个与相邻磁层的界面处，费米能级位于导带下方的第一位置与导带上方的第二位置之间，其中所述第一位置离所述导带的距离为该界面处的带隙的30％，所述第二位置离所述导带的距离为该界面处的带隙的20％。

在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的所述至少一个具有立方对称性晶体结构。

在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的所述至少一个由材料AB制成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的所述至少一个的厚度为2至10个原子层，优选为3至8个原子层。

根据本发明一实施例，一种交流放大电路可包括：上述磁性隧道结中的任意一种；以及与所述磁性隧道结串联连接的负载电阻器，其中，在操作时，所述磁性隧道结被偏置在负电阻区域中，交流输入信号被施加到串联连接的所述磁性隧道结和所述负载电阻器的两端，并且在所述磁性隧道结的两端提取放大了的交流输出信号。

根据本发明一实施例，一种振荡电路可包括：上述磁性隧道结中的任意一种；与所述磁性隧道结串联连接以形成振荡回路的电阻器、电感器和电容器；以及偏置电压源，连接到所述磁性隧道结的两端以将所述磁性隧道结偏置在负电阻区域中。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的磁性隧道结的示意性结构。

图2示出可用作势垒材料的氧化镁的晶体结构。

图3A示出氧化镁的复能带图。

图3B示出阳离子位被铝无序替代的氧化镁的复能带图。

图4示出金属层在绝缘势垒层中诱导的能隙态电荷量与势垒层厚度的关系曲线。

图5示出在多种示范性势垒材料中，随偏压变化而发生的能带变化。

图6A示出阳离子位被空位无序替代的氧化铝势垒层中，能带随空位浓度变化而发生的移动。

图6B示出阳离子位被铝无序替代的氧化镁势垒层中，能带随铝浓度变化而发生的移动。

图6C示出阳离子位被锌无序替代的氧化镁势垒层中，能带随锌浓度变化而发生的移动。

图7示出由示范性材料制成的势垒层在不同条件下的电流-电压曲线。

图8示出根据本发明另一实施例的磁性隧道结的示意性结构。

图9A示出根据本发明一实施例的放大电路。

图9B示出图9A所示的放大电路的工作曲线。

图10A示出根据本发明一实施例的振荡电路。

图10B示出图10A所示的振荡电路的工作曲线。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。

图1示出磁性隧道结100的基本结构。如图1所示，磁性隧道结100包括第一磁层110、第二磁层130、以及夹在第一磁层110和第二磁层130之间的势垒层120。

第一磁层110可以是参考磁层，其可以具有固定的磁化方向，如图1中的箭头所示。第一磁层110的磁化方向可以通过反铁磁钉扎层(未示出)来固定，或者第一磁层110的磁化方向也可以被自钉扎，例如第一磁层110由具有较高矫顽力的硬磁材料形成。第二磁层130可以是自由层，其磁化方向可以随外磁场而变化。因此，第二磁层130可以由软磁材料形成。能用于形成第一磁层110和第二磁层130的磁材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni以及包含Fe、Co或Ni的合金，诸如CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeB等。势垒层120由绝缘材料形成，其将在下面进一步详细地论述。

磁性隧道结100的电阻大小与第一磁层110和第二磁层130的磁化方向之间的夹角θ的余弦值cos(θ)成比例。当第一磁层110和第二磁层130的磁化方向彼此平行时，电阻最小；反之，当第一磁层110和第二磁层130的磁化方向彼此反平行时，电阻最大。

本发明提供了一类新颖的绝缘势垒材料，以用于形成势垒层120。在该绝缘势垒材料中，通过调节阳离子成分，使得至少在势垒层绝缘材料与磁层金属材料接触的界面处，费米能级介于导带和价带之间。应注意，这里的“介于导带和价带之间”并非严格要求费米能级低于导带且高于价带，而是可以稍微进入到导带和价带区域中。特别地，费米能级深入到导带和价带区域的距离不超过能隙Eg的20％，优选10％。

具体而言，该绝缘势垒材料是具有立方对称性的、阳离子位无序替代的晶体材料，其核心是由具有立方对称性的AB材料组成，其中A为阳离子位，B为阴离子位。A位被Mg、Al、Zn等元素和空位中的至少两种无序化占据；B位被元素O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。“无序”可以指的是，阳离子位被两种或更多种元素(包括空位)随机占据。

以MgO为例，MgO是常规的磁性隧道结中常用的势垒材料，其具有与NaCl类似的立方对称性晶体结构，如图2所示。在本发明一实施例中，对于图2所示的MgO的晶体结构，Mg阳离子位可以被例如Al、Zn和空位中的一种或多种无序替代，O离子位可以不被替代，或者也可以被N、Cl、F和空位中的一种或多种无序替代。实验发现，具有立方对称性的势垒材料在电子输运的过程中对于不同自旋极性的电子具有过滤效应，从而获得较高的隧穿磁电阻效应。例如，图3A示出MgO的复能带图，其中自旋多数电子，即Δ1电子可以隧穿通过势垒层，而自旋少数电子将被过滤掉，因此当晶体MgO作为势垒层120时，能够实现非常高的磁隧穿电阻。例如，Parkin等人在通过磁控溅射方法生长的MgO隧道结中，在室温下观察到了220％的磁隧穿电阻。图3B示出阳离子位用Al无序替代的MgO的复能带图，可以看出Δ1带仍具有不对称性，因此阳离子位用Al无序替代的MgO用作势垒层120时也能实现较大的磁隧穿电阻。

另一方面，可以通过上述绝缘势垒材料中阳离子位A处的元素成分的变化来调控该绝缘势垒材料的带隙以及费米面相对于导带和价带的位置。以Fe/AlO/Fe磁性隧道结为例，其中势垒层120由AlO形成，并且AlO中的阳离子位被Al和空位无序占据。随着阳离子位处的Al原子占据比例增加，势垒层界面处的AlO材料的费米面位置向导带靠近，当阳离子位处的Al原子占据比例超过72％时，AlO的费米面进入到导带以上，因此AlO势垒层呈现出类似导体的特性。当减少阳离子位的Al原子的占据比例时，势垒层界面处的AlO材料的费米面向价带靠近，当空位占据的比例超过38％时，AlO材料的费米面进入价带。正常化学计量比的阳离子位为66.7％的Al原子和33.3％的空位，此时当AlO与Fe电极接触时，费米面在能隙中。

当该绝缘势垒材料与磁性金属接触时，由于磁性金属的费米面落在绝缘势垒材料的能隙中，所以磁性金属层中的电子会进入到绝缘势垒材料中，从而形成能隙态，直到带电界面的电势差与磁性金属和绝缘势垒材料本身的电势差相平衡。虽然这里为了形成能隙态而使磁性金属的费米面落在绝缘势垒材料的能隙中，但是应理解，并不严格要求费米面位于导带和价带之间，而是可以稍微向上超出导带和向下超出价带，此时仍能形成能隙态。一般而言，超出的幅度不超过能隙Eg的20％。

该能隙态在绝缘势垒材料中呈指数衰减。如图4所示，对于Fe/AlO/Fe磁性隧道结，从Fe/AlO界面起，当到第四层AlO时，能隙态基本衰减为零，而且该衰减幅度基本上不随势垒材料中阳离子成分的变化而改变。具体而言，在图4中，当阳离子位处的空位浓度在从23％至43％的范围变化时，衰减基本不变，均为到第四层AlO时基本衰减为零。因此，当与磁性金属Fe接触的AlO势垒层很薄时，例如在6个原子层(每个界面附近3层)以下时，金属-绝缘体的能隙态在整个势垒区域形成空间电荷区，势垒区域存在一个额外由于能隙态电荷累积而导致的电势平移，使得整个势垒区域的能带呈现拱形形状。势垒层的厚度可以随势垒层的材料以及相邻磁层的材料而有所变化。在本发明的一些实施例中，势垒层120的厚度可以为2-10个原子层，优选3-8个原子层。

当绝缘势垒材料中的阳离子位的掺杂浓度(或者说，元素成分)合适时，例如对于AlO而言，阳离子位处的空位浓度在31.5～32.7％之间时，势垒区域的费米面靠近导带，但仍然处于能隙中，结合势垒整体由于金属诱导的能隙态电荷，基于该绝缘势垒材料的磁性隧道结在较低的偏压下表现出线性电阻增加特性，当偏压增加到一定范围时电流-电压曲线表现出负微分电阻的特性，即随着电压的增大而电流下降。当电压继续增加时，由于价带参与了电输运，负微分电阻消失，电流继续上升。

在本发明的一些示范性实施例中，可以调整形成势垒层120的绝缘势垒材料中的阳离子位的元素成分，使得在势垒层120与第一和第二磁层110、130之间的界面处，费米能级位于导带附近。特别地，费米能级可以位于导带下方的第一位置与导带上方的第二位置之间，所述第一位置离导带的距离为带隙Eg的30％，所述第二位置离导带的距离为带隙Eg的20％，优选10％。通过将费米能级设置在导带附近，可以调整负电阻效应的偏压范围，以适应磁性隧道结本身的操作偏压。

下面结合一些特定示例来说明上述原理。图5示出不同材料在不同偏压下的能带变化图，其中(a)-(c)示出AlO势垒层的能带变化，(d)-(f)示出MgAlO(阳离子位为Mg和Al的无序占据)的能带变化，(g)-(i)示出MgZnO(阳离子位为Mg和Zn的无序占据)的能带变化。如图5所示，对于上述绝缘势垒层，其厚度均为6个原子层。

参照图5中的(a)图，对于Fe/Al0.673O/Fe磁性隧道结，其中势垒层的阳离子位为67.3％的Al，其余为空位，在零偏压下，在AlO势垒层与Fe磁性层接触的界面处，费米能级Ef正好位于导带位置处。当偏置电压为0.8伏时，如(b)图所示，左侧电极(未示出)的电化学势为μL，右侧电极(未示出)的电化学势为μR，能级位于电化学势μL和μR之间的电子将参加输运。由于金属诱导的能隙态电荷，磁性隧道结在该偏压下呈现出负电阻现象。当偏压增加到一定程度，例如(c)图所示的1.6伏时，由于能带移动，大量价带电子参与到电子输运中，负微分电阻消失，电流继续随电压增大而上升。

继续参照图5的(d)图，对于Fe/Mg0.91Al0.09O/Fe磁性隧道结，其中势垒层的阳离子位为91％的Mg和9％的Al，在零偏压下，导带和价带呈中心稍微向下凸出的形状，在MgAlO势垒层与Fe磁性层接触的界面处，费米能级Ef同样位于导带附近。当偏置电压为0.8伏时，如(e)图所示，电化学势μL和μR之间的电子参与输运，并且整个势垒区域的能带变为拱形形状。在该偏压下，磁性隧道结表现出负电阻效应。当偏压增大到1.6伏时，如(f)图所示，由于此时价带电子仍未参与到电子输运中，所以该磁性隧道结仍表现出负电阻效应。因此可以看出，Fe/Mg0.91Al0.09O/Fe磁性隧道结的与负电阻效应对应的电压范围的上限值大于Fe/Al0.673O/Fe磁性隧道结。

对于图5中的(g)图所示的Fe/Mg0.975Zn0.025O/Fe磁性隧道结而言，在零偏置电压时费米能级Ef就比较靠近价带。当施加0.8伏的偏置电压时，如(h)图所示，价带顶刚达到电化学势μL的水平。此时，由于价带电子尚未大量参与输运过程，所以磁性隧道结仍表现出一定的负电阻效应。当偏置电压达到1.6伏时，如(i)图所示，价带电子大量参与电子输运过程，负电阻效应消失。

图6A示出具有立方对称性的AlO绝缘势垒材料中，阳离子位由空位无序替代时，能带曲线随空位浓度的变化。如图6A所示，当空位浓度为31.5％时，费米能级在导带附近，稍微进入导带。如果空位浓度更小，例如低于28％，则费米能级完全进入导带，AlO势垒材料呈类似导体的性质。另一方面，当空位浓度升高时，能带上移，当空位浓度达到34.5％时，价带到达费米能级附近。如果空位浓度进一步上升，例如超过38％，则价带电子大量参与电子输运，则基于该势垒材料的磁性隧道结将不具有负电阻效应。所以，优选地，对于具有立方对称性的AlO绝缘势垒材料而言，阳离子位无序替代的空位的浓度可以在28％和38％之间。

图6B示出具有立方对称性的MgAlO绝缘势垒材料中，能带曲线随Al浓度的变化。与图6A所示的情况相反，当Al浓度增大时，能带下移。如图6B所示，当Al浓度为1％时，费米能级在导带和价带之间。当Al浓度达到20％时，费米能级位于导带附近，稍微进入导带。如果Al浓度进一步上升，例如超过26％，则该势垒材料将会呈现与导体类似的性质。对于具有立方对称性的MgAlO绝缘势垒材料而言，实验表明，Al的浓度可以在0.4％和38％之间。

图6C示出具有立方对称性的MgZnO绝缘势垒材料中，能带曲线随Zn浓度的变化。从图6C可以看出，随着Zn浓度的变化，能带移动并不显著。因此，Zn浓度可以有较大的范围，例如在0.1％至99.9％之间。

图7示出基于各种示范性势垒材料的磁性隧道结在不同条件下的电流电压曲线。如图7中的(a)图所示，在第一磁层110的磁化方向平行于第二磁层130的磁化方向的状态下，当Fe/Al0.673O/Fe磁性隧道结中的AlO势垒层的厚度为6个原子层时，该磁性隧道结表现出明显的负电阻效应。当AlO势垒层的厚度增大到7个原子层时，负电阻效应明显减弱。当AlO势垒层的厚度达到8个原子层时，该磁性隧道结只表现出微弱的负电阻效应，并且对应的电压范围也减小。可以理解，这是因为相邻金属层在绝缘势垒层中诱导的能隙态电荷随绝缘层厚度增大而呈指数衰减，而能隙态电荷正是产生负电阻效应的原因。在反平行状态下，如(b)图所示，与负电阻效应对应的偏压增大，并且偏压范围有所缩小。应理解，通过调整自由层磁化和参考层磁化的相对方向，可以在一定范围内连续调整磁性隧道结的与负电阻对应的偏压范围。

继续参照图7所示的(c)图，示出了基于6层厚度的Fe/Al0.673O/Fe、Fe/Mg0.91Al0.09O/Fe、Fe/Mg0.975Zn0.025O/Fe的磁性隧道结在平行状态下的电流-电压曲线，(d)图示出了在反平行状态下的电流-电压曲线。可以看出，在平行状态下，AlO势垒层在0.8-1.6伏的电压范围具有负电阻，MgAlO在0.8-2.0伏的范围都呈现出负电阻，而MgZnO在0.8-1.6伏的电压范围具有微弱的负电阻，随着电压增大，电流基本保持不变，当偏置电压超过1.6伏时，电流随偏压升高而显著增大。这些结果与前面图5所示的结果是一致的。在反平行状态下，如(d)图所示，AlO的与负电阻效应对应的偏压增大，并且偏压范围有所缩小。MgAlO则基本不具有负电阻，而是呈现出正常的电阻，MgZnO受磁化方向改变的影响较小，具有微弱的负电阻。

上面结合一些特定的材料示例描述了本发明的原理，但是应理解，本发明不限于上述特定材料，而是可以利用其他势垒材料来实现本发明的原理，只要所述势垒材料能满足上面描述的能带设置。

返回参照图1，第一磁层110、势垒层120和130可以通过各种制膜方法来形成，包括但不限于脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射、分子束外延(MBE)等，并且结合光刻、蚀刻等微加工技术对其进行结构处理。

图1仅示出了磁性隧道结的基本结构，本领域技术人员可以理解的是，可以对磁性隧道结的结构进行许多变化，例如，参考磁层(例如第一磁层110)可以具有反铁磁钉扎结构、人工反铁磁结构或自钉扎结构，磁性隧道结可以具有双势垒或者更多势垒，等等。这些变化，都落在所附权利要求定义的本发明的范围内。

在图1的磁性隧道结中，由于势垒区域具有拱形的能带结构，所以能导致磁性隧道结在一定的偏压范围下具有负微分电阻，且磁性隧道结的电阻大小以及负微分电阻的偏压范围可以通过调节自由层的磁矩方向而在一定的范围内连续调节。当自由层磁矩方向和参考层磁矩方向平行的时候，隧道结处于低电阻状态，并且在一定的偏压区间内出现负微分电阻，而在反平行状态下，隧道结处于高电阻状态，根据不同的隧道结电极和势垒材料的选择，可以出现正常的电阻或者负微分电阻。通过电流产生的磁场对自由层的操控，可以调控隧道结处于平行态和反平行态。

图8示出根据本发明另一实施例的磁性隧道结100'的示意性结构图。如图8所示，磁性隧道结100'可包括第一磁层110、第二磁层130和第三磁层150，以及夹在第一磁层110和第二磁层130之间的第一势垒层120和夹在第二磁层130和第三磁层150之间的第二势垒层140。

第一磁层110和第三磁层150可以是参考磁层，其具有固定的磁化方向。如前所述，所述固定的磁化方向可以通过反铁磁钉扎、自钉扎或者其它手段来被固定，使得当外磁场出现或者发生变化时，参考磁层的磁化方向不会发生改变。另一方面，第二磁层130可以是自由磁层，其磁化方向可以响应于外磁场而旋转。当第二磁层130的磁化方向与第一磁层110和第三磁层150的磁化方向相同时，磁性隧道结100'的电阻最小；当第二磁层130的磁化方向与第一磁层110和第三磁层150的磁化方向相反时，磁性隧道结100'的电阻最大。

第一势垒层120和第二势垒层140均由绝缘材料制成，因此图8所示的磁性隧道结100'是双势垒磁性隧道结。其中，第一势垒层120和第二势垒层140中的至少一个可以是前面参照图1-7所描述的能诱导负电阻效应的本发明的势垒层。也就是说，第一势垒层120和第二势垒层140中的一个可以是本发明的能诱导负电阻效应的势垒层，而另一个可以是常规的绝缘势垒层；或者，第一势垒层120和第二势垒层140中的两个均可以是本发明的能诱导负电阻效应的势垒层。应理解的是，当第一势垒层120和第二势垒层140二者都是本发明的能诱导负电阻效应的势垒层时，二者可以由相同或不同的材料制成，并且具有相同或不同的厚度。

第一磁层110、第二磁层130和第三磁层150以及第一势垒层120和第二势垒层140的其它方面可以与上面参照图1-7描述的内容相似，此处不再重复描述。

与图1所示的单势垒磁性隧道结100相比，图8所示的双势垒磁性隧道结100'一般具有更大的面积电阻乘积RA，因此与负电阻对应的偏置电压一般也更高。此外，由于双势垒磁性隧道结100'具有两个势垒层，因此也带来了更大的参数调节灵活性。例如，通过选择这两个势垒层中的一个还是两个为能诱导负电阻的势垒层，以及调节负电阻势垒层的厚度，可以改变负电阻区域的斜率；通过选择每个负电阻势垒层的材料，可以调节与负电阻对应的偏压范围，等等。因此，通过采用双势垒磁性隧道结结构，可以更容易地制造出符合各种参数要求的负电阻器件。

本发明的磁性隧道结除了具有常规隧道结的磁电阻效应之外，还具有类似于耿氏二极管的负电阻，因此能应用于范围更大的领域中。例如，这样的具有负电阻效应的磁性隧道结不仅可以应用于磁性传感器、磁性存储单元和磁性逻辑器件，而且还可以用于构建诸如振荡器和放大器之类的电子电路。

图9A示出根据本发明一实施例的交流放大器电路200，其用于放大交流信号，图9B示出其电流-电压变化曲线。如图9A所示，交流放大器电路200包括串联连接的负载电阻器210和磁性隧道结220，负载电阻器210可以具有电阻R，磁性隧道结220可以是前述实施例中给出的磁性隧道结中的任一种。直流偏置电源230和交流信号源240将直流偏置电压Vb和交流信号Vi施加到串联连接的负载电阻器210和磁性隧道结220的两端，并且在磁性隧道结220的两端提取输出信号Vo。

如图9B所示，磁性隧道结220在特定的偏压范围内具有负电阻-r。通过设置直流偏置电压Vb的大小，可以使磁性隧道结220大致工作在负电阻区域。电阻R的负载线(标识有R的倾斜直线)与磁性隧道结220的电流-电压曲线相交的点为工作点。当输入的交流信号Vi如所示的正弦曲线那样引入电压波动时，负载线也会相应地发生移动，它与磁性隧道结220的电流-电压曲线的交点代表电路输出电压Vo的大小，结果，Vo表示为具有更大幅度的正弦信号，如图所示。因此，利用具有负电阻的磁性隧道结可以实现交流放大器的效果。

可以通过两个途径来调节所示交流放大器的放大倍数。第一途径为调节磁性隧道结的负微分电阻斜率，斜率越大，那么放大效果越好。这可以通过调节磁性隧道结的势垒层的厚度来实现。当势垒层的厚度减小时，斜率会变大。第二途径是调节电路中的负载电阻器210的电阻值R，由于输出电压Vo可以表示为下面的公式1：

所以当R接近于r时，放大倍数可以达到极大值。

利用上述具有负电阻效应的磁性隧道结还能制作振荡器电路，图10A示出这样的振荡器电路的一实施例，图10B示出该振荡器的工作曲线。如图10A所示，振荡器电路300包括串联连接的磁性隧道结320、负载电阻器330、电感器340和电容器350，它们形成振荡回路。偏置电压源310连接到磁性隧道结320的两端以向其施加偏置电压Vb。负载电阻器330具有电阻R，电感器340具有电感L，电容器350具有电容C。磁性隧道结320的电阻是非线性的，在负微分电阻区域，微分电阻会随着电流的变化而改变，所以这里用r表示磁性隧道结320的等效电阻。还可以在偏置电压源310与磁性隧道结320之间设置扼流圈以阻止高频信号串入振荡回路中。

参照图10A和图10B，通过调节偏置电压源310施加的偏置电压Vb，可以使磁性隧道结320工作在负微分电阻区域。通过求解振荡回路中的电流的微分方程，可得到电流随时间的变化关系为下面的公式2：

i(t)＝i0eαtcos(ωt+φ)(2)

其中， 且

当r<R，从而α<0时，电流的振幅会随着时间呈现周期性衰减的趋势；当r>R，从而α>0时，电流的振幅会随着时间呈现周期性递增的趋势；当r＝R，从而α＝0时，电流则会呈现周期性振荡的趋势，且振荡幅度保持不变。

在电路初始运行时，电阻r大于R，由于热扰动引起的噪音的频带范围比较广，假设其中某一频率与上述公式中的ω相等，那么经过上述的电路后，该信号的振幅会不断增大，磁性隧道结320的等效电阻如图10B中的SSL线所示，但是当信号的振幅非常高时，如图10B中的LSL线所示，己经超出了磁性隧道结320的负微分电阻区域，因此磁性隧道结320的等效电阻r会变小，当等效电阻r低于电阻R时，信号的振幅会减小，从而使磁性隧道结重新处于负微分电阻区域，使等效电阻变大，当其高于R时，信号的振幅重新减大。最终，整个振荡电路会稳定在R＝r的状态，即实现了高频振荡器的效果。

振荡的频率由L和C决定，振荡器的工作点是由磁性隧道结320的电流-电压特性曲线决定的。通过调节偏置电压Vb来使磁性隧道结320处于负微分电阻区域中的某个点，而磁性隧道结320的负微分电阻区域则与外加磁场以及磁性隧道结的结构，比如势垒层的厚度、磁性层的性质等直接相关。

上面描述了具有负微分电阻的磁性隧道结的两个特定应用，但是可以理解的是，本发明的磁性隧道结还可以应用到常规负电阻器件常用的其他电路和装置中。而且，可以通过电流诱导的磁场来调节该磁性隧道结的负电阻效应，例如负电阻偏压范围等，因此本发明的磁性隧道结在使用中更加灵活，能应用于更广的参数条件范围。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，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。

具有负微分电阻的磁性隧道结及包括其的自旋电子学器件专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。