KR101470907B1 - Mtj 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Polarized 층 없이 고주파 신호를 생성하는 스핀토크 오실레이터에 관한 것으로, 본 발명은 고정된 자화방향을 갖는 고정층(Pinned layer)과; 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층(Free layer)과; 비자성물질로 상기 자유층과 고정층 사이에 게재되는 비자성층(Spacer)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명은 Polarizer 층 없이 STO를 구현하므로, 소자 구성 Layer가 간단해지고, 이에 따라 생산공정이 단순화되는 장점이 있다.

Description

MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터 { CIMS SPIN TORQUE OSCILLATOR USING MAGNETIC TUNNELING JUNCTION LAYERS }

본 발명은 Polarized 층 없이 고주파 신호를 생성하는 스핀토크 오실레이터에 관한 것으로, 교육과학기술부의 원천기술개발사업(글로벌프론티어사업) 중 에너지혁신소자 연구과제(수행기간 2012.09.01~2013.08.31)'를 수행함에 있어 산출된 결과물에 대한 발명이다.

최근에는 MTJ 접합구조를 응용한 여러 소자에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있고, 이중 하나가 Spin Transfer Torque를 이용한 RF Oscillator이다.

Spin Torque RF Oscillator(이하 'STO'라 한다)는 spin transfer torque(STT)기술을 이용한 차세대 정보통신용 나노스핀발진소자이다.

고주파대역의 동작 주파수에 따른 초소용화 및 무선통신 시스템의 요구 기능에 의해 휴대 통신기, 위성 및 레이더 통신 등과 같이 휴대 문선통신 송수신기의 RF front-end의 사용이 필수적이게 되었고,이는 소형화,안정화,낮은 phasenoise,적은 전력 소모 및 높은 출력 전력의 광대역 가변 발진기를 요구되고 있다.

스핀 토크 현상을 이용한 나노스핀발진소자는 그동안 MRAM에 연구되었던 전류주입자화반전기술(CIMS)을 이용하여 주입된 전류에 의해 생성된 스핀 토크가 고주파 자기발진의 가능성을 설명해 보이면서 이를 응용한 스핀발진소자에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

도 1은 종래기술에 의한 STO 소자의 구조가 도시되어 있다.

이에 도시된 바와 같이, 종래 STO 소자는 DC 전류가 자성을 띈 다층 자화구조의 강자성층을 통과하면, 이동 전하에 스핀 분극이 생기고, 상기 전하 스핀이 분극 되어 Spin Transfer Torque(STT)에 의해 얇은 free layer를 통과하면서 스핀각 운동량을 전달한다.

상기 전달로 인해 고정되지 않는 자성층 (Free Layer)의 자화가 자성층의 자화(M)사이에 상호 작용에 의해 회전운동이 발생하는 지속적 발진을 하게 된다.

이처럼 스핀소자의 고유의 자기저항의 특성에 따라 전류를 흘려주면 AC출력 전압이 발생하고 이때 걸리는 자기장에 의해 자성체의 세차운동과 결합되어 RF 전압이 출력될 수 있다.

이러한 원리로 방출되는 마이크로 스핀파를 이용해 일정주파수 범위에서 가변 가능한 발진소자를 만들 수 있다.

이때, 상기 STO소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 전류인가형 구동방식의 소자의 경우 Polarize Layer를 포함하여 구성된다. 상기 Polarize Layer는 Free Layer가 설계 진폭을 얻기 위해서 도면의 OP와 같은 Oscillation이 발생되어야 하는데 이는 Out of plane Oscillation을 의미한다.

즉, in plane 상태의 전하 벡터를 out of plane으로 회전시켜야 함을 의미하고, 이를 위해 이동 전하에 out of plane vector를 제공해주어야 하고, 상기 Polarize Layer가 이동 전하에 상기 out of plane vector를 제공하는 역할을 수행한다.

한편, 상기 Polarize Layer가 필요하지 않은 STO 소자도 있으나, 이는 외부 자기장이 인가되는 방식의 소자로 이들에 관한 내용은 대한민국 등록특허 제1018502호에는 개시되어 있다.

이와 같은 종래기술에 의한 스핀토크오실레이터에는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 종래기술에 의해 스핀토크오실레이터는 자유층의 스핀의 세차운동을 유발하기 위해서는 Polarize Layer 또는 외부자기장이 필요하여, 소자 내에 이를 구성하기 위한 공정이 복잡하여 스핀토크오실레이터를 구현하는데 어려움이 있는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제1018502호

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 전류인가형 스핀토크오실레이터를 수현하여 외부자기장을 인가할 필요가 없으면서도, Polarize Layer를 필요로하지 않아, 설계 및 생산이 용이한 스핀토크오실레이터를 제공하는 것이다.

그리고 본 발명은 외부자기장이 인가되는 스핀토크오실레이터의 경우에도 Free layer의 oscillation 효과를 극대화할 수 있는 스핀토크오실레이터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 고정된 자화방향을 갖는 고정층(Pinned layer)과; 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층(Free layer)과; 비자성물질로 상기 자유층과 고정층 사이에 게재되는 비자성층(Spacer)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 자유층은, 일축 이방성(uniaxial anisotropy)물질로 형성될 수도 있다.

그리고 상기 일축이방성 물질은, 상기 고정층의 고정된 자화 방향과 반대방향(Negative)의 자화 방향을 갖도록 형성될 수도 있다.

또한, 상기 일축 이방성 물질은, Nd-Fe-B계 물질로 형성될 수도 있다.

그리고 상기 일축 이방성 물질은, Nd-Fe-B-Mo-Cu계 합금으로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 일축 이방성 물질은, NdFeTi-Nitride 계 물질로 형성될 수도 있다.

한편, 상기 일축 이방성 물질은, 이방성 정수 K가

이상일 수도 있고, 상기 이방성 정수 K가

이상일 수도 있다.

그리고 상기 고정층은, 강자성 물질로 형성되는 층으로; NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 구성될 수도 있다.

또한, 상기 비자성층(Spacer)의 비자성물질은, 금속산화막(Aluminum oxide, AlOx), 산화마그네슘(MgO), 그래핀 또는 비자성 금속 물질(Cu, Ru 또는 Ta) 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 형성될 수도 있다.

위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 Polarizer 층 없이 STO를 구현하므로, 소자 구성 Layer가 간단해지고, 이에 따라 생산공정이 단순화되는 장점이 있다.

또한 종래기술에서는 soft magnet을 이용하여 인가된 자기장이 0보다 크고 자화방향이 반평형인 상태에서만 Oscillation이 일어났을 뿐만 아니라 특정 자기장에서 특정 Spin torque field가 가해질 때만 Oscillation이 일어났으나, 본 발명에서는 음수의 K값을 갖는 물질을 자유층에 사용하면 자화방향과 자기장의 방향과 관계없이 Oscillation이 발생되고, 나아가 외부 자기장 없이 Oscillation이 안정적으로 발생되는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 전류인가형 스핀토크 오실레이터의 구조 및 스핀 오실레이션 현상을 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 의한 전류인가형 스핀토크오실레이터의 제1실시예를 도시한 개념도.
도 3은 일축 이방성 물질의 이방성 정수 K값에 따른 STO의 주파수 특성을 나타낸 예시도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 스핀토크오실레이터의 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.

본 발명은 기본적으로 외부자기장이 인가되지 않는 전류인가형 스핀토크오실레이터에 적용되는 것으로, 이에 대한 내용을 제1실시예로 설명하고, 본 발명의 구조를 외부자기장이 인가되는 스핀토크오실레이터에 적용할 경우에도 자유층의 진동 효율이 증가되므로 이를 본 발명의 제2실시예로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 전류인가형 스핀토크오실레이터의 제1실시예를 도시한 개념도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스핀토크 오실레이터(이하 'STO'라 한다)의 제1실시예는 자유층(110), 고정층(120), 비자성층(130) 및 상부전극층(140) 그리고 하부전극층(150)을 포함하여 구성된다.

상기 자유층(Free layer)(110)은 인가되는 전류 및 전압에 따라 자성 vector가 일정하게 precess하는 자성 층으로, 강자성의 금속성 물질로 형성된다. 상기 자유층의 구성은 본 발명의 구현을 위한 내용으로 이하에서 다시 상세히 설명하기로 한다.

그리고 상기 고정층(Pinned layer)(120)은 전류 및 전압에 따라 자성 vector가 고정된 자성 층으로, 강자성의 금속성 물질로 형성된다. 상기 고정층은 NiFe, CoFe, CoFeB, 자성을 갖는 Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성된다.

또한, 상기 비자성층(Spacer)(130)은 상기 자유층(110)과 고정층(120) 사이에 개제되어 이들 각층을 구분하는 층으로, 비자성 금속으로 형성된다.

이때, 상기 비자성층(130)은 금속산화막(Aluminum oxide(AlOx), 산화마그네슘(MgO) 등), 그래핀 또는 비자성 금속 물질(Cu, Ru 또는 Ta 등)로 형성된다.

그리고 상기 상부전극층(140) 및 하부전극층(150)은 STO 소자에 전압을 인가하는 층으로 전기저항이 낮은 금속 물질로 형성된다.

이때 상기 각 구성층의 두께는 필요에 따라 다르게 구성될 수 있으나, 10nm 이하의 thin film 범주의 두께로 형성된다.

한편, 본 발명의 제1실시예에서 상기 자유층은 일축 이방성(uniaxial anisotropy)물질로 구성된다.

이는 본 발명에 의한 스핀토크 오실레이터의 경우 외부 인가되는 전하의 자화방향을 필터링할 Polarize Layer가 형성되지 않으므로, 자유층 내의 자화 방향이 일괄적으로 정렬되어 Oscillation 효과를 균일하게 나타내기 위함이다.

상기 일축 이방성 물질의 바람직한 구성으로는 Nd-Fe-B계 물질이 사용되고, 몰리브덴(molybdenum, Mo) 및 구리(Cu)가 더 포함된 Nd-Fe-B-Mo-Cu계 합금이 사용될 수도 있다.또한 상기 자유층에서 요구되는 자기특성에 따라 NdFeTi-Nitride 가 사용될 수도 있다.

한편, 상기 자유층의 일축이방성 물질은 자기력의 방향이 음인 Negative uniaxial anisotropy로 구비된다.

즉, 이때 Negative 방향이라 함은 고정층의 고정된 자화 방향과 반대방향으로 위치됨을 의미한다.

한편, Polarize Layer를 구비한 CIMS STO의 스핀토크 필드벡터(Hst)는 아래 수학식 1로부터 산출된다.

여기서, Hst는 스핀토크 필드 벡터를 나타내고, aj는 스핀토크에 의한 크기값이며, Heff는 이방성정도, 정자기성, 교환, 제만에너지 및 전류필드의 영향으로 인한 유효필트의 합이고, Mp는 Reference layer의 자화 단위벡터 값이며, J는 주입전류밀도이다.

위 수학식 1로부터 물질의 이방성 정도가 위 수식 Heff에 영향을 미쳐서 Out of plane vector 형성에 영향을 미침을 알 수 있다. 즉, 일축 이방성 물질은 이방성 정도에 따라 출력 주파수의 특성이 달라진다.

도 3에 도시된 바와 같이 일축 이방성 물질의 이방성 정수 K값에 따라 K값이 클수록 높은 주파수 특성을 나타냄을 알 수 있다.

여기서, 음과 양의 부호는 방향성을 나타내므로 크기와는 무관한 것으로 간주한다.

따라서 본 발명에 의한 일축 이방성 물질의 이방성 계수 K는 충분히 큰 값을 갖어야 오실레이터의 진동 특성을 갖을 수 있고, 그 값은

이상일 때 효과적이다.

더욱 바람직하게는 실제 소자 설계의 손실을 고려하여 상기 이방성 계수 K는

이상의 물질이 적용된다.

이때, 상기 일축 이방성 물질의 이방성 특성은 Nd, Fe, B, Mo, Cu, Ti 등 물질 조성물의 조성비에 따라 달라진다.

이와 같이, 자유층(110)의 조성물의 K값이 음수 값이고(negative 방향), 그 자유층의 hard axis(자화곤란축)이 자유층의층의 수직방향이 되면 Polarizer 층 없이 STO를 구현할 수 있다.

여기서 자성물질에서 쉽게 자화되는 방향과 쉽게 자화되지 않는 방향이 있는데, 쉽게 되는 방향을 easy axis라고 하고, 쉽게 자화되지 않는 방향을 hard axis 라고 한다.

자화곤란축(hard axi) 방향으로 자화방향을 바꾸기 위해서는 더 큰 자기장, 전류 등 큰 input 값을 필요로한다.

그리고 STO 소자에 있어 easy axis는 자유층이 놓인 면과 같은 방향이 된다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예를 설명한다.

본 발명의 제2실시예는 본 발명의 제1실시예와 동일한 구조의 STO소자에 외부자기장이 인가되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명의 제2실시예는 본 발명의 제1실시예와 동일한 구조의 STO 소자에 자기장을 인가하기 위한 자기장인가 배선을 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명은 Polarized 층 없이 고주파 신호를 생성하는 스핀토크 오실레이터에 관한 것으로, 본 발명은 Polarizer 층 없이 STO를 구현하므로, 소자 구성 Layer가 간단해지고, 이에 따라 생산공정이 단순화되는 장점이 있다.

110 : 자유층 120 : 고정층
130 : 비자성층 140 : 상부전극층
150 : 하부전극층

Claims (10)

1. 고정된 자화방향을 갖는 고정층(Pinned layer)과;
   가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층(Free layer)과;
   비자성물질로 상기 자유층과 고정층 사이에 게재되는 비자성층(Spacer)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자유층은,
   일축 이방성(uniaxial anisotropy)물질로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 일축이방성 물질은,
   상기 고정층의 고정된 자화 방향과 반대방향(Negative)의 자화 방향을 갖도록 형성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 일축 이방성 물질은,
   Nd-Fe-B계 물질로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 일축 이방성 물질은,
   Nd-Fe-B-Mo-Cu계 합금으로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 일축 이방성 물질은,
   NdFeTi-Nitride 계 물질로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고정층은,
   강자성 물질로 형성되는 층으로;
   NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 구성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.
   
10. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비자성층(Spacer)의 비자성물질은,
    금속산화막(Aluminum oxide, AlOx), 산화마그네슘(MgO), 그래핀 또는 비자성 금속 물질(Cu, Ru 또는 Ta) 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 형성됨을 특징으로 하는 MTJ 접합층을 이용한 스핀토크오실레이터.

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