KR101740485B1 - 발진기와 그 제조 및 동작방법 - Google Patents

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Abstract

발진기와 그 제조 및 동작방법이 개시되어 있다. 개시된 발진기는 고정층(pinned layer)과 자유층(free layer) 사이에 적어도 하나의 필라멘트(filament)를 갖는 베리어층을 포함할 수 있다. 상기 필라멘트에 대응하는 상기 자유층 영역의 자기모멘트(magnetic moment)의 세차운동(precession)에 의해 신호가 발생할 수 있다. 상기 고정층 및 상기 자유층 각각은 수평 자기이방성 또는 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 상기 필라멘트는 소프트 절연파괴(soft breakdown) 공정에 의해 형성된 것일 수 있다.

Description

발진기와 그 제조 및 동작방법{Oscillator and methods of manufacturing and operating the same}
발진기와 그 제조 및 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. 특히, 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 파워(output power), 위상 노이즈(phase noise) 등이 있다. 품질 계수와 출력 파워는 높을수록, 위상 노이즈는 작을수록 발진기는 우수한 특성을 가질 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.
스핀전달토크(spin transfer torque) 현상을 이용하는 스핀토크 발진기가 제안된 바 있다. 기제안된 스핀토크 발진기는 나노기둥(nanopillar) 구조와 포인트 콘택(point contact) 구조가 있다. 이러한 스핀토크 발진기는 기존의 LC(inductor and capacitor) 발진기 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 발진기에 비해 월등히 작은 초박형으로 제조할 수 있고, 비교적 높은 품질 계수를 갖기 때문에, 차세대 발진기로 주목받고 있다. 그러나 종래의 스핀토크 발진기는 출력 파워(output power)가 낮은 문제가 있다.
스핀전달토크(spin transfer torque) 현상을 이용하는 것으로, 높은 출력 파워(high output power) 및 적은 노이즈(low niose)를 갖는 발진기를 제공한다.
상기 발진기의 제조방법을 제공한다.
상기 발진기의 동작방법을 제공한다.
본 발명의 한 측면(aspect)에 따르면, 자화 방향이 고정된 고정층(pinned layer); 상기 고정층과 이격된 자유층(free layer); 및 상기 고정층과 자유층 사이에 구비되고, 적어도 하나의 필라멘트(filament)를 갖는 베리어층(barrier layer);을 포함하는 발진기가 제공된다.
상기 고정층은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있고, 상기 자유층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다.
상기 고정층과 자유층은 모두 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 고정층은 수직 자기이방성을 가질 수 있고, 상기 자유층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 자유층과 이격된 기준층(reference layer)이 더 구비될 수 있다. 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 분리층(separation layer)이 더 구비될 수 있다.
상기 기준층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 베리어층은 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 베리어층은 복수의 상기 필라멘트를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고정층과 자유층 및 이들 사이에 베리어층을 포함하는 적층구조물을 형성하는 단계; 및 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 전압을 인가하여 상기 베리어층에 적어도 하나의 필라멘트(filament)를 형성하는 단계;를 포함하는 발진기의 제조방법이 제공된다.
상기 고정층은 수평 자기이방성을 가질 수 있고, 상기 자유층은 수직 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 고정층과 자유층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 고정층은 수직 자기이방성을 가질 수 있고, 상기 자유층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
본 실시예의 제조방법은 상기 자유층 상에 분리층을 형성하는 단계; 및 상기 분리층 상에 기준층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 기준층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고정층과 자유층 사이에 적어도 하나의 필라멘트(filament)를 갖는 베리어층을 포함하는 발진기의 동작방법에 있어서, 상기 필라멘트에 대응하는 상기 자유층 영역의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계; 및 상기 세차운동에 의한 상기 발진기의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함하는 발진기의 동작방법이 제공된다.
상기 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전류는 상기 고정층에서 상기 베리어층을 거쳐 상기 자유층으로 전자가 흐르도록 인가할 수 있다.
상기 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 자유층에 자기장을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자기장은 상기 자유층의 자화 용이축(magnetization easy axis)에 평행한 방향으로 인가할 수 있다.
상기 고정층은 수평 자기이방성을 가질 수 있고, 상기 자유층은 수직 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 고정층과 자유층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 고정층은 수직 자기이방성을 가질 수 있고, 상기 자유층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 자유층과 이격된 기준층 및 상기 자유층과 상기 기준층 사이에 구비된 분리층이 더 구비될 수 있다.
상기 기준층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다.
출력 파워(output power)는 높고 노이즈(noise)는 적은 스핀토크 발진기를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 발진기에서 고정층과 자유층이 가질 수 있는 자화 방향을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 2의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 8은 도 7의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10: 필라멘트 100 : 고정층
150 : 베리어층 200 : 자유층
250 : 분리층 300 : 기준층
I : 전류 e- : 전자
이하, 본 발명의 실시예에 따른 발진기와 그 제조 및 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, 고정층(pinned layer)(100)과 자유층(free layer)(200)이 서로 이격하여 배치될 수 있고, 이들(100, 200) 사이에 베리어층(150)이 구비될 수 있다. 베리어층(150)은 적어도 하나의 필라멘트(filament)(10)를 가질 수 있다. 여기서는 세 개의 필라멘트(10)가 구비된 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시적인 것이고 필라멘트(10)의 개수는 달라질 수 있다. 이하에서는, 전술한 구성 요소들에 대해 보다 상세히 설명한다.
고정층(100)은 자화 방향이 소정 방향으로 고정된 층으로서, 예컨대, Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 강자성 물질로 형성될 수 있다. 상기 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 이외에 다른 원소를 더 포함할 수도 있다. 고정층(100)의 자화 방향을 고정하기 위한 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 예컨대, 고정층(100)의 자화 방향을 고정시키기 위해, SAF(synthetic antiferromagnet) 구조(미도시) 또는 반강자성층(antiferromagnetic layer)(미도시)을 이용할 수 있다. 상기 SAF 구조나 반강자성층을 이용하지 않고, 고정층(100) 자체의 두께를 두껍게 하는 방법 또는 형상 이방성(shape anisotropy)을 이용하는 방법으로 자화 방향을 소정 방향으로 고정시킬 수도 있다. 즉, 부가적인 층의 도움 없이도 고정층(100)의 자화 방향을 고정시킬 수 있다.
자유층(200)은 자화 방향이 변동 가능한 층으로서, 일반적인 강자성(ferromagnetic) 물질로 형성될 수 있다. 상기 강자성 물질은 Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 원소(예컨대, B, Cr, Pt, Pd 등)를 더 포함할 수도 있다. 자유층(200)은 고정층(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있지만, 그렇지 않을 수도 있다.
베리어층(150)은 MTJ(magnetic tunnel junction) 구조에서 사용하는 절연 베리어 물질이면 어떤 물질이든 적용할 수 있다. 예컨대, 상기 베리어층(150)은 Mg 산화물 또는 Al 산화물과 같은 절연층(유전층)을 포함할 수 있다. 이러한 물질들을 베리어층(150) 물질로 적용하면 발진기의 자기저항비(magnetoresistance ratio)(즉, MR 비)를 증가시킬 수 있기 때문에, 출력 파워(output power)를 높이는데 유리할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 Mg 산화물 및 Al 산화물 이외에 RRAM(resistive random access memory)에서 사용하는 저항변화 물질을 상기 베리어층(150) 물질로 적용할 수도 있다. 예를 들어, Ni 산화물, Zr 산화물, Ta 산화물, Ti 산화물, Cu 산화물, Co 산화물, Hf 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, TiNi 산화물, LiNi 산화물, InZn 산화물, V 산화물, SrZr 산화물, SrTi 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물 등의 저항변화 물질을 베리어층(150) 물질로 적용할 수도 있다.
베리어층(150)은 적어도 하나의 필라멘트(10)를 포함할 수 있다. 필라멘트(10)는 소프트 절연파괴(soft breakdown) 공정에 의해 형성된 것일 수 있다. 필라멘트(10)는 고정층(100)과 자유층(200)을 잇는 전류 경로(current path)로서, 고정층(100)에서 자유층(200)으로 스핀토크(spin torque)를 전달하는 채널(channel)로 작용할 수 있다. 따라서 필라멘트(10)에 대응하는 자유층(200) 영역에서 자기모멘트(magnetic moment)의 세차운동(precession)이 유도될 수 있다. 필라멘트(10)가 여러 개인 경우, 자유층(200)의 복수의 영역에서 자기모멘트의 세차운동(precession)이 유도될 수 있다. 이와 같이, 자유층(200)의 복수의 영역에서 자기모멘트의 세차운동(precession)을 동시에 발생시키면, 발진기의 출력 파워(output power)를 증가시킬 수 있다.
또한 필라멘트(10)는 베리어층(150)의 저항을 낮추는 역할을 할 수 있다. 즉, 필라멘트(10)에 의해 베리어층(150)의 "RA"(즉, 저항×면적) 값이 감소할 수 있다. 베리어층(150)의 "RA" 값이 감소할수록 발진기의 샷 노이즈(shot noise)가 감소할 수 있다. 따라서 필라멘트(10)에 의해 발진기의 노이즈가 감소할 수 있다. 필라멘트(10) 없이 자기저항비(magnetoresistance ratio)(즉, MR 비)가 큰 MTJ 구조를 사용하면, 출력 파워(output power)를 어느 정도까지 증가시킬 수 있지만, 이 경우, 노이즈도 함께 증가하는 문제가 있다. 그러나 본 실시예에서는 필라멘트(10)를 포함하는 베리어층(150)을 사용하기 때문에, 발진기의 노이즈는 감소시키고 출력 파워(output power)는 증가시킬 수 있다.
한편, 베리어층(150)의 두께는 약 10 nm 이하, 예컨대, 약 5 nm 이하일 수 있다. 베리어층(150)의 두께가 과도하게 두꺼운 경우, 필라멘트(10) 형성이 용이하지 않을 수 있고, 또한 베리어층(150)의 "RA" 값이 증가하여 노이즈가 증가할 수 있다. 따라서 베리어층(150)의 두께는 약 10 nm 이하에서 결정되는 것이 적절할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는 적어도 하나의 필라멘트(10)를 갖는 베리어층(150)을 고정층(100)과 자유층(200) 사이에 적용함으로써, 출력 파워(output power)는 높고 노이즈(noise)는 적은 스핀토크 발진기를 구현할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 스핀토크 발진기는 약 1 ㎼ 이상의 높은 출력 파워(output power)를 가질 수 있다.
도 1에 도시하지는 않았지만, 고정층(100) 하면에 제1 전극을 구비시킬 수 있고, 자유층(200) 상면에 제2 전극을 구비시킬 수 있다. 고정층(100) 및 자유층(200)의 물질에 따라, 상기 제1 및 제2 전극을 구비시키는 것은 선택적(optional)일 수 있다. 예컨대, 고정층(100) 및 자유층(200)의 전기 저항이 충분히 낮은 경우, 고정층(100) 및 자유층(200) 자체를 전극으로 사용할 수 있으므로, 상기 제1 및 제2 전극을 구비시키지 않을 수 있다.
도 1에서 고정층(100)은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy) 또는 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있고, 자유층(200)도 수평 자기이방성 또는 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 다시 말해, 고정층(100)은 XY 평면과 평행한 자화 방향을 갖거나 Z축에 평행한 자화 방향을 가질 수 있고, 자유층(200)은 XY 평면과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖거나 Z축에 평행한 자화 용이축을 가질 수 있다.
도 2는 도 1의 발진기에서 고정층(100)과 자유층(200)이 가질 수 있는 자화 방향을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 고정층(100)은 수평 자기이방성을 갖고, 자유층(200)은 수직 자기이방성을 갖는다. 예컨대, 고정층(100)은 X축에 평행한 자화 방향을 가질 수 있고, 자유층(200)은 Z축에 평행한 자화 방향을 가질 수 있다. 고정층(100) 및 자유층(200)에 도시한 화살표는 이들의 자화 방향을 나타낸다. 이는 이하의 다른 도면에서도 마찬가지이다.
도 3은 도 2의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 발진기에 전류(I)를 인가함으로써, 자유층(200)의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다. 상기 전류(I)는 자유층(200)에서 고정층(100)으로 인가할 수 있다. 이러한 전류(I)에 의해 전자(e-)는 고정층(100)에서 자유층(200)으로 흐를 수 있다. 고정층(100)에서 자유층(200)으로 흐르는 전자(e-)는 고정층(100)과 동일한 스핀 방향을 갖고 자유층(200)에 스핀토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 필라멘트(10)는 전류의 경로이므로 상기 스핀토크를 전달하는 채널로 작용할 수 있다. 따라서 필라멘트(10)에 대응하는 자유층(200) 영역에 집중적으로 스핀토크가 전달될 수 있다. 이러한 스핀토크에 의해 필라멘트(10)에 대응하는 자유층(200) 영역의 자기모멘트가 세차운동(precession)할 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. 필라멘트(10)가 복수인 경우, 자유층(200)의 복수의 영역에서 자기모멘트가 동시에 세차운동(precession)할 수 있다. 상기 자기모멘트가 세차운동(precession)함에 따라, 발진기의 전기 저항이 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다. 여기서 설명한 세차운동(precession)의 메커니즘은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 원리가 더 적용될 수도 있다. 또한 도 3에 도시한 세차운동(precession)의 궤적은 예시적인 것이고, 전류(I)의 세기 등에 따라 세차운동(precession)의 궤도와 방향은 달라질 수 있다.
도 3에 도시하지는 않았지만, 본 실시예에 따른 발진기의 동작을 위해 발진기에 외부 자기장을 추가로 인가할 수 있다. 예컨대, 자유층(200)에 외부 자기장을 인가할 수 있고, 이 경우, 상기 외부 자기장의 방향은 Z축 방향일 수 있다. 즉, 상기 외부 자기장은 자유층(200)의 자화 용이축 방향과 평행한 방향으로 인가될 수 있다. 상기 외부 자기장이 자유층(200)의 자기모멘트에 미치는 힘과 전류(I)에 의한 스핀토크가 자유층(200)의 자기모멘트에 미치는 힘이 동시에 작용하여 세차운동(precession)이 유도될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 자유층(200)의 복수의 영역에서 자기모멘트가 동시에 세차운동(precession)할 수 있고, 이들로부터 발생된 신호가 동기화(synchronization) 될 수 있으므로, 높은 출력 파워(high output power)를 얻을 수 있다. 필라멘트(10)의 수가 많을수록 출력 파워(output power)는 더 크게 증가할 수 있다. 또한 필라멘트(10)에 의해 베리어층(20)의 "RA"(즉, 저항×면적) 값이 감소하여, 결과적으로 노이즈가 감소할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 도 1의 고정층(100)과 자유층(200)이 가질 수 있는 자화 방향을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 고정층(100) 및 자유층(200)은 모두 수평 자기이방성을 가질 수 있다. 예컨대, 고정층(100)의 자화 방향은 X축 방향일 수 있고, 자유층(200)의 자화 방향은 X축의 역방향일 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 4의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 발진기에 전류(I)를 인가함으로써, 자유층(200)의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다. 상기 전류(I)는 자유층(200)에서 고정층(100)으로 인가할 수 있다. 전류(I)에 의해 전자(e-)는 고정층(100)에서 자유층(200)으로 흐를 수 있다. 고정층(100)에서 필라멘트(10)를 거쳐 자유층(200)으로 흐르는 전자(e-)는 고정층(100)과 동일한 스핀 방향을 갖고 자유층(200)에 스핀토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 따라서 필라멘트(10)에 대응하는 자유층(200) 영역의 자기모멘트가 세차운동(precession)할 수 있다.
도 5의 구조에서 고정층(100)으로부터 자유층(200)에 스트레이 필드(stray field)(미도시)가 인가될 수 있는데, 상기 스트레이 필드(stray field)는 외부 자기장과 유사한 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 스트레이 필드(stray field)가 자유층(200)에 미치는 힘과 전류(I)에 기인한 스핀토크가 자유층(200)에 미치는 힘이 균형을 이루면서 전술한 세차운동(precession)이 유도될 수 있다. 따라서, 이 경우, 별도의 외부 자기장을 인가하지 않을 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는 발진기에 외부 자기장을 추가로 인가할 수도 있다. 이때, 상기 외부 자기장은 자유층(200)의 자화 용이축과 평행한 방향, 예컨대, X축의 역방향으로 인가될 수 있다.
도 5의 자유층(200)에 도시한 자기모멘트의 세차운동(precession)의 궤적은 예시적인 것이고, 전류(I)의 세기 등에 따라 상기 세차운동(precession)의 궤도와 방향은 달라질 수 있다. 예컨대, 자유층(200)의 자기모멘트의 세차운동(precession)의 궤적은 도 6에 도시된 바와 같이 달라질 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 1에서 변형된 것이다.
도 7을 참조하면, 고정층(100)은 수직 자기이방성을 가질 수 있고, 자유층(200)은 수평 자기이방성을 가질 수 있다. 이 경우, 자유층(200) 상에 기준층(reference layer)(300)이 더 구비될 수 있다. 자유층(200)과 기준층(300) 사이에는 분리층(250)이 구비될 수 있다. 기준층(300)은 고정층(100)과 유사하게 자화 방향이 고정된 층일 수 있다. 즉, 기준층(300)도 일종의 고정층일 수 있다. 따라서 기준층(300)은 고정층(100)과 유사한 강자성 물질로 형성될 수 있다. 기준층(300)의 자화 방향은 고정층(100)의 자화 방향과 비평행할 수 있다. 예컨대, 기준층(300)의 자화 방향은 고정층(100)의 자화 방향과 수직할 수 있다. 다시 말해, 기준층(300)은 자유층(200)과 유사하게 수평 자기이방성을 가질 수 있다. 신호 발생을 위해, 자유층(200)의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시킨 후, 자유층(200)과 기준층(300) 사이의 저항 변화를 검출할 수 있다. 이에 대해서는 추후에 도 8을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 한편, 분리층(250)은 절연층 또는 도전층일 수 있다. 상기 절연층은, 예컨대, Mg 산화물 또는 Al 산화물과 같은 산화물을 포함할 수 있다. 상기 도전층은, 예컨대, Cu, Al, Au, Ag, Ru 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 분리층(250)의 두께는 약 10 nm 이하, 예컨대, 약 5 nm 이하일 수 있다.
도 8은 도 7의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 자유층(200)의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키기 위한 전류(I)는 기준층(300)에서 자유층(200)을 거쳐 고정층(100)으로 인가될 수 있다. 이러한 전류(I)에 의해 전자(e-)는 고정층(100)에서 자유층(200)을 거쳐 기준층(300)으로 흐를 수 있다. 고정층(100)에서 필라멘트(10)를 거쳐 자유층(200)으로 흐르는 전자(e-)는 고정층(100)과 동일한 스핀 방향을 갖고 자유층(200)에 스핀토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 이러한 스핀토크에 의해 자유층(200)의 자기모멘트가 세차운동(precession)할 수 있다. 자유층(200)의 자기모멘트가 세차운동(precession) 하는 궤적을 고려했을 때, 상기 세차운동(precession)에 따른 고정층(100)과 자유층(200) 사이의 저항 변화는 적을 수 있다. 그러나 상기 세차운동(precession)에 따른 자유층(200)과 기준층(300) 사이의 저항 변화는 상대적으로 클 수 있다. 따라서 상기 세차운동(precession)을 유도한 후, 자유층(200)과 기준층(300) 사이의 저항 변화로부터 특정 주파수 대역의 신호를 발생시킬 수 있다. 도 8에서도 세차운동(precession)의 궤도와 방향은 달라질 수 있다. 또한 도 8의 발진기의 동작방법에서도 외부 자기장을 추가로 인가할 수 있다. 예컨대, 상기 외부 자기장은 X축의 역방향으로 자유층(200)에 인가할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 9는 도 3, 도 5, 도 6 및 도 8의 설명과 연계되어 있다.
도 9를 참조하면, 발진기에 전류 또는 전류/자기장을 인가하여 자유층(200)의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다(S10). 자유층(200)의 자기모멘트가 세차운동(precession) 하는 동안, 발진기의 전기 저항의 변화를 검출할 수 있다(S20). 상기 세차운동(precession)에 의해 발진기의 전기 저항은 주기적으로 변화될 수 있다. 도 3, 도 5 및 도 6의 경우, 상기 발진기의 전기 저항의 변화는 고정층(100)과 자유층(200) 사이의 전기 저항의 변화일 수 있다. 도 8의 경우, 상기 발진기의 전기 저항의 변화는 자유층(200)과 기준층(300) 사이의 전기 저항의 변화일 수 있다. 상기 발진기의 전기 저항의 변화에 의해, 소정 주파수를 갖는 신호가 발생될 수 있다(S30).
본 실시예에 따른 발진기는 동작 전류(도 3, 도 5, 도 6 및 도 8의 전류(I))의 조건에 따라 발진 주파수가 달라지는 주파수 조절가능(frequency tunable) 발진기일 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 발진기의 발진 주파수는 발진기를 구성하는 층들의 두께, 물질 등에 따라서도 조절될 수 있다.
부가해서, 전술한 실시예에 따른 발진기의 원리를 역으로 적용하면, 고주파 신호를 DC 신호로 변환하는 RF 검출기(detector)를 구현할 수 있다. 즉, 도 1, 도 2, 도 4 및 도 7의 구조는 발진기가 아닌 RF 검출기에 적용될 수 있다. 발진기의 원리를 역으로 적용하면 RF 검출기를 구현할 수 있다는 것은 당업자에게 잘 알려진바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10a를 참조하면, 고정층(100), 자유층(200) 및 이들 사이에 베리어층(150A)을 포함하는 적층구조물을 형성할 수 있다. 고정층(100) 및 자유층(200)은 도 1을 참조하여 설명한 고정층(100) 및 자유층(200)에 대응될 수 있다. 베리어층(150A)은 필라멘트(filament)가 형성되지 않았다는 것을 제외하면 도 1의 베리어층(150)에 대응될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 고정층(100)과 자유층(200) 사이에 전압(V)을 인가하여 베리어층(150A)에 적어도 하나의 필라멘트(10)를 형성할 수 있다. 필라멘트(10)가 형성된 베리어층(150A)을 참조번호 150으로 표시한다. 이렇게 전압(V)을 인가하여 베리어층(150A)에 필라멘트(10)를 형성하는 공정을 소프트 절연파괴(soft breakdown) 공정이라 할 수 있다. 고정층(100)과 자유층(200) 사이에 인가하는 전압(V)의 세기가 너무 크면, 베리어층(150)의 전기 저항이 원치 않는 수준으로 과도하게 낮아질 수 있다. 따라서 적절한 세기의 전압(V)을 사용해서 소프트 절연파괴(soft breakdown) 공정을 수행하여 하나 또는 복수의 필라멘트(10)를 발생시킴으로써, 베리어층(150)의 저항을 적정 수준으로 낮출 수 있다. 소프트 절연파괴(soft breakdown) 공정에 필요한 적절한 전압(V)은 베리어층(150)의 물질 및 두께 등에 따라 달라질 수 있다.
도 10b에서 고정층(100)은 수평 자기이방성을 가질 수 있고, 자유층(200)은 수직 자기이방성을 가질 수 있다(도 2). 또는 고정층(100)과 자유층(200)은 모두 수평 자기이방성을 가질 수 있다(도 4). 또는 고정층(100)은 수직 자기이방성을 갖고, 자유층(200)은 수평 자기이방성을 가질 수 있다(도 7). 고정층(100)이 수직 자기이방성을, 자유층(200)이 수평 자기이방성을 갖는 경우, 본 실시예에 따른 발진기의 제조방법은 자유층(200) 상에 분리층(미도시)을 형성하는 단계 및 상기 분리층 상에 기준층(미도시)을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 기준층은 수평 자기이방성을 가질 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 8의 구조 및 동작방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 발진기를 구성하는 층들 사이에 또는 발진기의 상하면 중 적어도 하나에 다른 물질층을 추가적으로 구비시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 도 10a 및 도 10b의 제조방법도 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (24)

  1. 자화 방향이 고정된 고정층(pinned layer);
    상기 고정층과 이격된 자유층(free layer); 및
    상기 고정층과 자유층 사이에 구비되고, 복수의 필라멘트(filament)를 갖는 베리어층(barrier layer);을 포함하고,
    상기 베리어층의 제1면에 상기 고정층이 직접 접촉되고, 상기 베리어층의 제2면에 상기 자유층이 직접 접촉되며,
    상기 복수의 필라멘트는 상기 고정층에서 상기 자유층으로 스핀토크(spin torque)를 전달하는 요소이고,
    상기 복수의 필라멘트에 대응하는 상기 자유층의 복수의 영역에서 자기모멘트를 동시에 세차운동(precession)시키고, 상기 자유층의 상기 복수의 영역에서 발생된 자기모멘트의 세차운동에 의해 주파수 신호를 발진하도록 구성된 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖고,
    상기 자유층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 발진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층과 자유층은 수평 자기이방성을 갖는 발진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층은 수직 자기이방성을 갖고,
    상기 자유층은 수평 자기이방성을 갖는 발진기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자유층과 이격된 것으로, 수평 자기이방성을 갖는 기준층(reference layer); 및
    상기 자유층과 상기 기준층 사이에 구비된 분리층(separation layer);을 더 포함하는 발진기.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 베리어층은 10 nm 이하의 두께를 갖는 발진기.
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  15. 청구항 1에 기재된 발진기의 동작방법에 있어서,
    상기 복수의 필라멘트에 대응하는 상기 자유층의 복수의 영역의 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계; 및
    상기 세차운동에 의한 상기 발진기의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함하는 발진기의 동작방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 고정층과 상기 자유층 사이에 전류를 인가하는 단계를 포함하고,
    선택적으로(optionally), 상기 자기모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계는 상기 자유층에 자기장을 인가하는 단계를 더 포함하는 발진기의 동작방법.
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