KR101616042B1

KR101616042B1 - 자구벽을 이용한 발진기 및 그 동작방법

Info

Publication number: KR101616042B1
Application number: KR1020090067461A
Authority: KR
Inventors: 이성철; 마티아스 클라우이; 서순애; 조영진; 피웅환; 배지영; 허진성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2016-04-27
Also published as: US20110018647A1; US8525601B2; CN101964440B; JP5593137B2; CN101964440A; KR20110009979A; JP2011029616A

Abstract

자구벽을 이용한 발진기(oscillator) 및 그 동작방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 발진기는 자구벽의 자기모멘트의 세차운동(precession)을 이용해서 신호를 발생시키는 장치일 수 있다. 상기 발진기는 자구벽을 갖는 자유층(free layer)과 상기 자구벽에 대응하도록 구비된 고정층(fixed layer)을 포함할 수 있다. 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 비자성 분리층이 구비될 수 있다.

Description

자구벽을 이용한 발진기 및 그 동작방법{Oscillator using magnetic domain wall and method of operating the same}

본 개시는 발진기 및 그 동작방법에 관한 것이다.

발진기(Oscillator)는 일정한 주기의 신호를 발생시키는 장치로서, 주로 이동통신 단말기, 위성 및 레이더통신 기기, 무선네트워크 기기, 자동차용 통신 기기 등 무선통신 시스템에 사용되고, 아날로그 음향 합성장치 등에도 사용된다. 모든 이동통신 기기는 특정 주파수 대역의 정보를 전달하게 되는데, 여기서 특정 주파수 대역을 만들어내는 부품이 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(VCO)이다.

발진기에서 중요한 요소로는 품질 계수(quality factor), 출력 전력(output power) 및 위상 노이즈(phase noise) 등이 있다. 품질 계수와 출력 전력은 높을수록, 위상 노이즈는 작을수록 발진기의 특성은 우수할 수 있다. 최근, 통신 기기의 고성능화 및 소형화 요구가 증가하고, 동작 주파수 대역이 높아짐에 따라, 소형이면서, 높은 품질 계수 및 낮은 위상 노이즈를 갖는 고출력 발진기의 개발이 요구되고 있다.

스핀 전이 토크(spin transfer torque) 현상을 이용하는 스핀 토크 발진기가 제안된 바 있다. 기제안된 스핀 토크 발진기는 나노기둥(nanopillar) 구조와 포인트 콘택(point contact) 구조가 있다. 이러한 스핀 토크 발진기는 기존의 LC 발진기 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 발진기에 비해 월등히 작은 초박형으로 제조할 수 있고, 또한 비교적 높은 품질 계수를 갖는 등 장점이 있다.

그러나 종래의 스핀 토크 발진기는 자기모멘트(magnetic moment), 즉, 스핀(spin)의 세차운동(precession) 각도가 작아 출력 전력(output power)이 낮은 문제가 있다. 또한 상기 포인트 콘택(point contact) 구조의 스핀 토크 발진기의 경우, 스핀의 세차운동(precession)에 필요한 임계 전류가 높아, 전력 소비가 커지는 단점이 있다.

소형이면서 출력 전력(output power) 및 품질 계수(quality factor)가 높은 발진기를 제공한다.

상기 발진기의 동작방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 자구벽(magnetic domain wall)을 갖는 자유층(free layer); 상기 자유층 상에 구비된 분리층; 및 상기 분리층 상에 상기 자구벽에 대응하도록 구비된 고정층(fixed layer);을 포함하고, 상기 자구벽의 자기모멘트의 세차운동(precession)을 이용하여 신호를 발생시키는 발진기를 제공한다.

상기 자유층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있고, 상기 고정층은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있다.

상기 분리층은 절연층 또는 도전층일 수 있다.

상기 자유층은 제1영역; 및 상기 제1영역 양측으로 연장되고 상기 제1영역보다 폭이 큰 제2영역;을 포함할 수 있다.

상기 자구벽은 상기 제1영역 내에 위치할 수 있다.

상기 자유층의 상기 제1영역에 상기 자구벽의 핀닝(pinning)을 위한 노치(notch)가 구비될 수 있다.

상기 자유층에 상기 자구벽의 핀닝(pinning)을 위한 노치(notch)가 구비될 수 있다.

상기 자유층은 상기 자구벽을 복수 개 포함할 수 있다.

상기 자유층은 제1방향으로 연장될 수 있고, 상기 복수의 자구벽은 상기 제1방향으로 서로 이격하여 배치될 수 있다.

상기 자유층 상에 상기 분리층과 상기 고정층으로 구성된 적층구조물이 복수 개 구비될 수 있고, 상기 각 적층구조물은 상기 각 자구벽에 대응하도록 구비될 수 있다.

상기 분리층과 상기 고정층은 트랙 형상을 가질 수 있고, 상기 복수의 자구벽을 커버하도록 구비될 수 있다.

상기 자유층은 폭이 큰 영역과 폭이 작은 영역이 교대로 반복 배치되는 트랙 형상을 가질 수 있고, 상기 폭이 작은 영역 각각에 상기 자구벽이 구비될 수 있다.

상기 자유층은 소정 간격을 두고 평행하게 연장된 제1 및 제2트랙영역; 및 상기 제1 및 제2트랙영역 사이에 이들을 연결하는 복수의 연결영역;을 포함할 수 있고, 상기 복수의 연결영역 각각에 상기 자구벽이 구비될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 자구벽을 갖는 자유층, 상기 자유층 상에 구비된 분리층 및 상기 분리층 상에 상기 자구벽에 대응하도록 구비된 고정층을 포함하는 발진기의 동작방법에 있어서, 상기 자구벽의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계; 및 상기 세차운동에 의한 상기 자유층과 상기 고정층 사이의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함하는 발진기의 동작방법을 제공한다.

상기 자구벽의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 발진기에 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전류는 상기 자구벽을 통과하도록 상기 자유층의 양단 사이에 인가할 수 있다.

상기 전류는 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 인가할 수 있다.

상기 자구벽의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 발진기에 상기 전류와 함께 자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 자기장은 상기 자유층에 그와 수직한 방향으로 인가할 수 있다.

상기 자구벽의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 자유층에 자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 자유층은 상기 자구벽을 복수 개 포함할 수 있고, 본 실시예의 동작방법은 상기 복수의 자구벽의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 자구벽의 자기모멘트의 세차운동(precession)을 이용한 발진기를 구현할 수 있다. 이러한 발진기는 높은 출력 전력(output power) 및 품질 계수(quality factor)를 가질 수 있고, 발진을 위한 임계 전류가 낮아 전력 소모가 적을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 발진기는 주파수 가변 발진기(frequency tunable oscillator)일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 발진기 및 그 동작방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발진기를 보여주는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 소정의 기판(미도시) 상에 자유층(free layer)(100)이 구비될 수 있다. 자유층(100)은 중앙에 제1영역(10) 및 그 양측으로 연장된 제2영역(20b)을 포함할 수 있다. 제2영역(20)의 폭은 제1영역(10)의 폭보다 클 수 있다. 다시 말해, 서로 이격된 두 개의 제2영역(20) 사이에 상대적으로 폭이 좁은 제1영역(10)이 구비될 수 있다. 제1영역(10)은 두 개의 제2영역(20)의 중앙부를 연결할 수 있지만, 단부를 연결할 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1영역(10)이 제2영역들(20)의 중앙부를 연결하도록 구비된 경우, 자유층(100)은 그 양측면에 서로 마주하는 사각형 홈(groove)을 갖는다고 할 수 있다.

상대적으로 폭이 좁은 제1영역(10) 내에 자구벽(magnetic domain wall)(DW1)이 위치할 수 있다. 자구벽(DW1)은 서로 반대 방향으로 자화된 인접한 두 자구(magnetic domain)의 경계부일 수 있다. 그러므로, 자구벽(DW1) 양측의 자유층(100)에 서로 반대 방향으로 자화된 자구(도 2의 D1, D2)가 구비될 수 있다. 자 유층(100)은, 예컨대, 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 자유층(100)이 수직 자기이방성을 갖는 경우, 자유층(100)을 구성하는 자구들(도 2의 D1, D2)은 수직한, 즉, Z축에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 반면, 자구벽(DW1)은 수평한, 즉, Z축에 수직한 자화 방향을 가질 수 있다. 여기에 도시한 자유층(100)의 모양은 일례에 불과하고, 다양하게 변형될 수 있다.

제1영역(10) 상에 분리층(separation layer)(150)이 구비될 수 있다. 분리층(150)은 비자성층일 수 있다. 예컨대, 분리층(150)은 MgO 와 같은 산화물로 형성된 절연층일 수 있다. 분리층(150)은 산화물 이외의 다른 절연물질로 형성되거나, 도전물질로 형성될 수도 있다. 분리층(150)이 절연층인 경우, 전자의 터널링(tunneling)이 가능한 두께로 형성될 수 있다.

분리층(150) 상에 고정층(fixed layer)(200)이 구비될 수 있다. 고정층(200)은 자화 방향이 특정 방향으로 고정된 강자성층으로서, 전체적으로 하나의 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 고정층(200)은, 예컨대, 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 즉, 고정층(200)은 Z축에 수직한 자화 방향을 가질 수 있다. 이 경우, 고정층(200)의 자화 방향은 자구벽(DW1)의 자화 방향과 평행할 수 있다.

도 1에서는 분리층(150)과 고정층(200)이 제1영역(10) 위쪽에만 구비되는 것으로 도시하였지만, 분리층(150)과 고정층(200)의 형성 범위는 더 넓어질 수 있다. 한편, 도 1에 도시하지는 않았지만, 자유층(100)의 양단 및 고정층(200) 각각에 콘택된 전극들이 더 구비될 수 있다.

도 2의 (A) 및 (B)는 도 1의 자유층(100)과 고정층(200)의 평면도이다.

도 2의 (A)를 참조하면, 자유층(100)의 제1영역(10)에 자구벽(DW1)이 위치할 수 있다. 예컨대, 제1영역(10)의 중앙부에 자구벽(DW1)이 위치할 수 있다. 자구벽(DW1)은 X축과 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 자구벽(DW1)에 도시한 화살표는 그 자화 방향을 나타낸다. 자유층(100)의 제1영역(10) 중앙부에 자구벽(DW1)이 있다는 것은 자구벽(DW1) 양측의 자유층(100)에 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구(이하, 제1 및 제2자구)(D1, D2)가 존재한다는 것이다. 제1 및 제2자구(D1, D2)의 자화 방향은 Z축과 평행할 수 있다. 예컨대, 제1자구(D1)는 Z축 방향으로 자화될 수 있고, 제2자구(D2)는 Z축의 역방향으로 자화될 수 있다. 제1 및 제2자구(D1, D2)에 도시한 표시

및

는 이들(D1, D2)의 자화 방향을 나타낸다.

한편, 도 2의 (B)를 참조하면, 고정층(200)의 자화 방향은 X축과 평행할 수 있다. 고정층(200)에 도시한 화살표는 그의 자화 방향을 나타낸다. 도 2에 도시한 제1 및 제2자구(D1, D2), 자구벽(DW1) 및 고정층(200)의 자화 방향은 일례에 불과하다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 발진기는 자구벽(DW1)의 자기모멘트(magnetic moment)의 세차운동(precession)을 이용해서 특정 주파수 대역의 신호를 발생시킬 수 있다. 자기모멘트의 세차운동(precession)은 자기모멘트의 축(axis)이 특정 궤도를 그리면서 회전하는 것을 의미한다. 여기서, 자기모멘트의 축 방향은 자화 방향과 동일한 것으로 볼 수 있다. 따라서, 자기모멘트의 세차운동(precession)은 자화 방향의 회전에 대응될 수 있다. 자구벽(DW1)의 자기모멘트 가 세차운동(precession)함에 따라, 자유층(100)과 고정층(200) 사이의 전기 저항이 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다. 이에 대해서는, 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 3은 도 2의 자구벽(DW1)의 자기모멘트가 세차운동(precession)하는 모습을 개념적으로 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 자유층(100)에 전류를 인가함으로써, 자구벽(DW1)의 자기모멘트의 세차운동(precession)을 유도할 수 있다. 즉, 자구벽(DW1)의 자화 방향이 회전되도록 할 수 있다. 여기에는 자유층(100)의 양단 사이에 소정의 전류를 인가하여, 즉, 자유층(100)의 일단에서 타단으로 자구벽(DW1)을 통과하는 전자(e-)를 흘려줌으로써, 자구벽(DW1)의 자화 방향을 회전시킨 경우가 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 자유층(100)의 양단 사이에 전류를 인가하는 대신에, 자유층(100)과 고정층(200) 사이에 전류를 인가하여 자구벽(DW1)의 자기모멘트의 세차운동(precession)을 유도할 수도 있다.

자구벽(DW1)의 자기모멘트는 360°의 회전각을 갖고 회전할 수 있다. 이때, 자구벽(DW1)은 Z축 방향의 자화 성분을 포함하지 않기 때문에, 자구벽(DW1)의 자기모멘트는 XY 평면과 평행을 유지하면서 회전할 수 있다. 따라서 세차운동(precession)의 각도는 매우 클 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 자구벽(DW1)의 자기모멘트가 XY 평면과 평행을 유지하면서 회전할 수 있다. 따라서 자유층(100)의 자화 방향과 고정층(200)의 자화 방향이 같아지는 평행상태(parallel state)와 자유층(100)의 자화 방향과 고정층(200)의 자화 방향이 반대 가 되는 반평행상태(antiparallel state)가 주기적으로 반복된다. 상기 평행상태에서 자유층(100)과 고정층(200) 사이의 전기 저항은 최소가 되고, 상기 반평행상태에서 자유층(100)과 고정층(200) 사이의 전기 저항은 최대가 될 수 있다. 이와 같이, 자구벽(DW1)의 자기모멘트는 XY 평면 상에서 360°회전하므로, 자유층(100)과 고정층(200) 사이의 전기 저항은 최소 값과 최대 값을 반복적으로 오갈 수 있다. 그러므로 본 발명의 실시예에 따른 발진기는 종래와 비교하여 높은 출력 전력(output power)을 가질 수 있다.

전술한 본 실시예의 세차운동(precession)은 전류의 인가만으로 유도될 수 있다. 만약, 세차운동(precession)의 각도를 증가시키기 위해 외부 자기장을 사용하는 경우, 발진기의 구성 및 동작 방법이 복잡해질 수 있다. 그러나 본 실시예에서는 전류의 인가만으로 최대 각도의 세차운동(precession)을 용이하게 유도할 수 있다. 하지만 본원에서 상기 세차운동(precession)을 유도하기 위한 수단으로 자기장의 이용을 배제하는 것은 아니다. 즉, 경우에 따라서는, 본 실시예에서도 자기장을 이용해서 세차운동(precession)을 유도할 수도 있다. 또한 자기장과 전류를 함께 이용할 수도 있다.

본 실시예에서는 자구벽(DW1)의 자기모멘트를 세차운동(precession)시키기 때문에, 자구(magnetic domain)의 자기모멘트를 세차운동(precession)시키는 경우보다 발진을 위한 임계 전류를 현저히 낮출 수 있다. 이는 자구벽(DW1)의 자기모멘트는 인-플레인(in-plane) 상에서 회전할 수 있지만, 자구의 자기모멘트는 인-플레인(in-plane) 상에서 회전할 수 없고 수직 방향, 즉, Z축 방향으로 회전되기 때문 이다.

부가해서, 본 발명의 실시예에 따른 발진기는 발진 주파수의 조정(tuning)이 가능한 주파수 가변 발진기(frequency tunable oscillator)일 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 발진기에서는, 인가 전류나 자기장의 세기에 따라, 그리고 자유층(100)의 형상, 크기, 물성(예 : damping constant) 등에 따라, 발진 주파수가 조정될 수 있다.

도 1의 자유층(100)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 도 4 내지 도 6은 다양한 형태의 자유층(100a, 100b, 100c)을 보여준다.

도 4를 참조하면, 제1영역(10a)의 양측면에 노치(notch)(n1, n2)가 형성될 수 있다. 노치(n1, n2)는 자구벽(DW1)의 위치 고정을 위한 핀닝 지점(pinning site)으로 작용할 수 있다. 이는 자구벽(DW1)은 상대적으로 폭이 좁은 영역, 즉, 노치(n1, n2)가 형성된 영역에 위치할 때, 에너지적으로 안정할 수 있기 때문이다.

도 4에서는 노치(n1, n2)를 비교적 작게 도시하였지만, 그 크기는 도 5에 도시된 바와 같이 커질 수 있다. 도 5에서 노치(n1', n2')의 Y축 길이는 제1영역(10b)의 Y축 길이와 유사할 수 있다.

도 4 및 도 5에서와 같이, 제1영역(10a, 10b)에 노치(n1, n1', n2, n2')가 구비된 경우, 노치(n1, n1', n2, n2')에 의해 자구벽(DW1)이 핀닝(pinning)될 수 있으므로, 제2영역(20)과 같이 폭이 큰 영역은 필요치 않을 수 있다. 따라서, 도 6과 같은 형태의 자유층(100c)도 가능하다.

도 6을 참조하면, 자유층(100c)은 사각형, 예컨대, 직사각형 모양을 가질 수 있고, 그 양측면에 서로 마주하는 노치(n1", n2")가 구비될 수 있다.

도 4 내지 도 6에서는 자유층(100a, 100b, 100c) 중앙의 양측면 각각에 노치(notch)가 구비된 경우를 도시하였지만, 양측면이 아닌 일측면에만 노치(notch)를 구비시킬 수도 있다. 그리고, 자구벽(DW1)의 핀닝(pinning)을 위해 노치(notch) 이외에 다른 방법을 사용할 수도 있다. 예컨대, 자유층의 일부 영역에 불순물을 주입하여 물성을 변화시키면, 상기 불순물이 주입된 영역에 자구벽이 핀닝(pinning)될 수 있다. 따라서, 도 6의 자유층(100c)에서 노치(n1", n2")가 없는 구조도 가능할 수 있다.

한편, 도 1에서와 같이, 제1영역(10)에 노치(notch)가 형성되지 않은 경우, 전류 또는 자기장에 의해 자구벽(DW1)의 위치가 다소 이동될 수 있다. 하지만, 이러한 자구벽(DW1)의 이동은 제1영역(10) 내에서 이루어질 수 있다. 즉, 자구벽(DW1)은 폭이 좁은 제1영역(10)을 벗어나 폭이 큰 제2영역(20)으로 이동되기 어렵다. 이와 같이, 자구벽(DW1)은 고정층(200)과 오버랩(overlap)된 제1영역(10) 내에서만 이동될 수 있으므로, 자구벽(DW1)이 이동되더라도 발진기의 동작에는 문제가 없을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기는 복수의 자구벽을 이용할 수 있다. 그 예들이 도 7 내지 도 10에 도시되어 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기의 단면도이다.

도 7을 참조하면, 기판(미도시) 상에 제1도전층(C1)이 구비될 수 있고, 제1도전층(C1) 상에 자유층(1000)이 구비될 수 있다. 자유층(1000)은, 소정 방향, 예 컨대, Y축 방향으로 연장된 트랙 형상을 가질 수 있다. 자유층(1000)은 그 연장 방향에 따라 일렬로 배열된 복수의 자구(D)를 포함할 수 있고, 인접한 두 개의 자구(D) 사이에 자구벽(DW)을 구비할 수 있다. 따라서, 복수의 자구벽(DW)이 자유층(1000)의 연장 방향을 따라 이격하여 일렬로 배치될 수 있다. 자유층(1000)의 평면 구조에 대해서는 후술한다. 자유층(1000) 상에 복수의 적층구조물(S1)이 구비될 수 있다. 적층구조물(S1)은 분리층(1500)과 고정층(2000)이 적층된 구조를 가질 수 있고, 자구벽(DW)에 하나씩 대응하도록 구비될 수 있다. 분리층(1500)과 고정층(2000)은 각각 도 1의 분리층(150) 및 고정층(200)과 동일할 수 있다. 복수의 적층구조물(S1) 사이의 공간을 메우는 층간절연층(2500)이 구비될 수 있다. 층간절연층(2500) 상에 복수의 고정층(2000)과 공통으로 콘택되는 제2도전층(C2)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2도전층(C1, C2)은 전극으로 사용될 수 있다. 자유층(1000)과 고정층(2000)의 일부가 전극으로 사용될 수도 있으므로, 제1 및 제2도전층(C1, C2) 중 적어도 하나는 구비되지 않을 수 있다. 즉, 제1 및 제2도전층(C1, C2)이 구비되는 것은 선택적(optional)이다.

도 7에서는 복수의 자구벽(DW)에 일대일 대응하도록 복수의 고정층(2000)이 구비되지만, 다른 실시예에서는 고정층이 트랙 형태로 연장된 구조를 가질 수 있다. 이때, 분리층도 고정층과 유사한 형태를 가질 수 있다. 트랙 형태의 분리층 및 고정층이 사용된 예가 도 8에 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 자유층(1000) 상에 분리층(1500')과 고정층(2000')이 순차로 구비될 수 있다. 분리층(1500')과 고정층(2000')은 자유층(1000)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장된 트랙 형태를 가질 수 있다. 이때, 분리층(1500')과 고정층(2000')은, 위에서 보았을 때, 적어도 복수의 자구벽(DW)을 커버하는 폭 및 길이를 가질 수 있다.

도 7 및 도 8에서 자유층(1000)은 다양한 평면 구조를 가질 수 있다. 일례로, 자유층(1000)은 도 9와 같은 평면 구조를 가질 수 있다.

도 9를 참조하면, 자유층(1000)은 폭이 좁은 제1영역(10')과 폭이 넓은 제2영역(20')이 교대로 반복되는 트랙 형상을 가질 수 있다. 자유층(1000)의 양단은 제2영역(20')일 수 있다. 복수의 제1영역(10') 각각에 자구벽(DW)이 위치할 수 있고, 그 양측에 자구(D)가 구비될 수 있다. 도 9에서 하나의 제1영역(10')과 그 양측의 제2영역(20')이 하나의 단위 구조를 구성한다고 하면, 상기 단위 구조는 도 1의 자유층(100)과 유사할 수 있다. 상기 단위 구조는 도 4 내지 도 6과 같은 구조로 변형될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 10과 같은 평면 구조를 갖는 자유층(1000')도 가능하다.

도 10을 참조하면, 자유층(1000')은 소정 간격을 두고 서로 평행하게 연장된 제1 및 제2트랙영역(20A, 20B)과 이들 사이에 구비된 복수의 연결영역(10A)을 포함할 수 있다. 복수의 연결영역(10A) 각각에 자구벽(DW')이 구비될 수 있다. 복수의 자구벽(DW')의 일측으로, 즉, 제1트랙영역(20A) 측으로 제1자구(D1')가 구비될 수 있고, 복수의 자구벽(DW')의 타측으로, 즉, 제2트랙영역(20B) 측으로 제2자구(D2')가 구비될 수 있다. 제1 및 제2자구(D1', D2')는 서로 반대의 자화 방향을 가질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 분리층과 고정층은 도 7 또는 도 8과 유사한 형태로 구비될 수 있다.

도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발진기가 복수의 자구벽을 포함하는 경우, 복수의 자구벽으로부터 발생되는 공진 주파수를 이용하여, 즉, 복수의 자구벽으로부터 발생되는 스핀 파동(spin waves)의 동조(synchronization)를 이용하여, 출력 전력(output power)을 크게 증가시킬 수 있다. 출력 전력은 자구벽 수의 제곱에 비례하여 증가할 수 있다.

도 11은 도 1의 구조를 갖는 발진기에서 자구벽(DW1)의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시킨 경우(도 3과 같이), 시간에 따른 자구벽(DW1)의 자화량 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 자유층(100)으로는 수직 자기이방성을 갖는 Co/Pt층을 사용하였고, 분리층(150)으로는 MgO층을 사용하였으며, 고정층(200)으로는 수평 자기이방성을 갖는 CoFeB층을 사용하였다. 도 11에서 제1그래프(G1)는 X축 성분의 자화량의 변화를, 제2그래프(G2)는 Y축 성분의 자화량의 변화를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 제1 및 제2그래프(G1, G2)가 일정한 주기를 갖고 진동한다. 제1 및 제2그래프(G1, G2)의 진동 주기는 약 1200 ps, 즉, 약 1.2 ns 로 동일하였다. 이는 자구벽(DW1)의 자기모멘트가 약 1.2 ns 주기로 회전하는 것을 의미한다. 이를 주파수로 환산하면, 약 900 MHz 에 해당된다.

도 12는 도 11을 푸리에 변환(Fourier transform)을 사용해서 변환한 결과이다.

도 12를 참조하면, 기본 모드(fundamental mode) 주파수는 900 MHz 정도인 것을 알 수 있다. 이는 도 11에서 계산에 의해 얻은 결과와 동일하다.

도 13은 도 1의 발진기에서 자유층(100)에 인가하는 전류의 세기에 따른 발진 주파수의 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 자유층(100)으로는 Co/Pt층을, 분리층(150)으로는 MgO층을, 고정층(200)으로는 CoFeB층을 사용하였다. 그리고 자유층(100)의 양측면에 형성된 홈(groove)의 깊이(즉, X축 방향 길이)는 약 10nm 였다.

도 13을 참조하면, 세차운동(precession)을 위한 전류의 세기가 증가할수록 발진 주파수가 증가하는 것을 알 수 있다. 전류가 증가됨에 따라, 발진 주파수는 거의 직선적으로 증가하였다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 발진기는 주파수 가변 발진기(frequency tunable oscillator)로 사용될 수 있음을 알 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 간략히 설명한다. 본 동작방법에 대해서는 앞서 도 3에 대한 설명에서 언급한 바 있다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 14는 도 1 및 도 7과 연계하여 설명한다.

도 14를 참조하면, 자구벽의 자기모멘트를 세차운동(precession)시킨다(S10). 도 1의 경우, 자유층(100)의 일단에서 타단으로 자구벽(DW1)을 통과하는 소정의 전류를 인가하거나 자유층(100)과 고정층(200) 사이에 전류를 인가함으로써, 자구벽(DW1)의 자기모멘트를 세차운동(precession)시킬 수 있다. 또는 자유층(100)에 자기장을 인가하여 상기 세차운동(precession)을 유도할 수도 있다. 상 기 자기장은 상기 자유층(100)에 수직한 방향(즉, Z축 방향)으로 인가할 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 전류와 자기장을 함께 인가하여 상기 세차운동(precession)을 유도할 수도 있다. 도 7의 경우에도, 자유층(1000)의 일단과 타단 사이 또는 자유층(1000)과 고정층(2000) 사이에 전류를 인가하거나, 자유층(1000)에 자기장을 인가하거나, 또는 상기 전류와 상기 자기장을 함께 인가하여 자구벽들(DW)의 자기모멘트를 세차운동(precession)시킬 수 있다.

자구벽(DW1, DW)의 자기모멘트가 세차운동(precession) 하는 동안, 자유층(100, 1000)과 고정층(200, 2000) 사이의 전기 저항의 변화를 검출할 수 있다(S20). 상기 세차운동(precession)에 의해 자유층(100, 1000)과 고정층(200, 2000) 사이의 전기 저항은 주기적으로 변화될 수 있다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한바, 반복 설명은 생략한다.

상기 자유층(100, 1000)과 고정층(200, 2000) 사이의 전기 저항의 변화에 의해, 소정 주파수를 갖는 신호가 발생될 수 있다(S30). 상기 세차운동(precession)을 위한 전류나 자기장의 세기를 조절함으로써, 또는 자유층(100, 1000)의 모양, 크기, 물성 등을 조절함으로써 발진되는 주파수가 달라질 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 10의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이고, 그 동작방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실 시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

도 2의 (A) 및 (B)는 도 1의 발진기의 자유층과 고정층의 평면도이다.

도 3은 도 2의 자구벽의 자기모멘트가 세차운동(precession) 하는 모습을 보여주는 평면도이다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기에 사용될 수 있는 자유층을 보여주는 평면도이다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.

도 9는 도 7 및 도 8의 발진기에 사용될 수 있는 자유층의 평면도이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기에 사용될 수 있는 자유층의 평면도이다.

도 11은 도 1의 구조를 갖는 발진기에서 자구벽의 자기모멘트를 세차운동시킨 경우, 시간에 따른 상기 자구벽의 자화량 변화를 보여주는 그래프이다.

도 12는 도 11을 푸리에 변환(Fourier transform)으로 변환한 그래프이다.

도 13은 도 1의 발진기에서 자유층에 인가하는 전류의 세기에 따른 발진 주파수의 변화를 보여주는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *

10, 10a, 10b : 자유층의 제1영역 20 : 자유층의 제2영역

100, 100a∼100c : 자유층 150 : 분리층

200 : 고정층 1000, 1000' : 자유층

1500, 1500' : 분리층 2000, 2000' : 고정층

2500 : 층간절연층 C1, C2 : 도전층

D, D1, D1', D2', D2 : 자구 DW, DW', DW1 : 자구벽

n1∼n1", n2∼n2" : 노치(notch)

Claims

자구벽을 갖는 자유층;

상기 자유층 상에 구비된 분리층; 및

상기 분리층 상에 상기 자구벽에 대응하도록 구비된 고정층;을 포함하고,

상기 자구벽의 자기모멘트의 세차운동(precession)을 이용하여 신호를 발생시키는 것으로,

상기 자유층은 수평 방향으로 상호 이격하여 평행하게 연장된 제1 및 제2트랙영역; 및 상기 제1 및 제2트랙영역 사이에 구비된 것으로 이들의 양단부를 제외한 나머지 영역을 연결하는 복수의 연결영역;을 포함하고,

상기 복수의 연결영역 각각에 상기 자구벽이 구비된 발진기.
제 1 항에 있어서,

상기 자유층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖고, 상기 고정층은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖는 발진기.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 자유층은 제1영역; 및 상기 제1영역 양측으로 연장되고 상기 제1영역보다 폭이 큰 제2영역;을 포함하고,

상기 자구벽은 상기 제1영역 내에 위치하는 발진기.
제 4 항에 있어서,

상기 자유층의 상기 제1영역에 상기 자구벽의 핀닝(pinning)을 위한 노치(notch)가 구비된 발진기.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 자유층은 제1방향으로 연장되고, 상기 자구벽을 복수 개 포함하며,

상기 복수의 자구벽은 상기 제1방향으로 서로 이격하여 배치된 발진기.
제 8 항에 있어서,

상기 자유층 상에 상기 분리층과 상기 고정층으로 구성된 적층구조물이 복수 개 구비되고,

상기 각 적층구조물은 상기 각 자구벽에 대응하도록 구비된 발진기.
제 8 항에 있어서,

상기 분리층과 상기 고정층은 트랙 형상을 갖고, 상기 복수의 자구벽을 커버하도록 구비된 발진기.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제