KR102166769B1 - 스핀 홀 효과 조정을 이용한 스커미온 발진 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기는 면내 전류에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴은, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 의하여 정의된 배치평면 내에서 상기 제1 방향으로 연장되는 강자성층; 상기 강자성층의 하부에 배치된 하부 중금속층; 및 상기 강자성층의 상부에 배치된 상부 중금속층을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는 상기 제1 방향을 비스듬히 가로지른다.

Description

스핀 홀 효과 조정을 이용한 스커미온 발진 소자 {Spin-Hall-effect-modulation Skyrmion Oscillating Device}

본 발명은 스커미온 발진 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 스핀 홀 효과 조정 경계를 이용한 스커미온 발진 소자에 관한 것이다.

모바일 기기는 복수의 주파수 대역에서 작동해야할 필요가 있다. 하지만 복수의 대역폭에서 선택적으로 작동하는 발진기는 구현하기 어렵다. 현재 모바일 기기는 각 대역폭에서 동작하는 복수의 발진기를 요구한다.

스핀 토크 발진기는 동작 주파수를 조절할 수 있다. 하지만, 스핀 토크 발진기는 현재 저출력, 진동의 불안정성, 그리고 외부 자기장의 필요성 등에 의해 그 실현에 한계점을 가지고 있다.

스핀 토크 발진기는 강자성 재질의 고정층, 터널절연층, 및 강자성 재질의 자유층을 구비한다. 상기 자유층은 스핀 토크가 유입됨에 따라 자화 방향이 변하는 특성을 가진다. 상기 자유층은 스핀 토크에 의하여 세차 운동한다. 상기 자유층의 자화의 정렬 상태에 따라 자기 저항이 달라진다. 이 자기저항 효과에 기인하여, 자화의 상태를 전기적 신호로 얻어낼 수 있다. 상기 자유층의 자화의 세차 운동은 고정층의 자화 방향에 대하여 수직 성분을 포함한다. 상기 스핀 토크 발진기는 상기 수직 성분에 기인하여, 작은 자기 저항 효과를 제공한다. 또한, 자화의 세차 운동 효과를 얻어 주기 위해서는 외부 자기장이 필요하다. 따라서, 스핀 토크 발진기는 외부 자기장을 발생시킬 수 있는 소자를 같이 제작해야 한다. 또한, 자화 하나의 세차운동은 상대적으로 작은 부피의 운동이다. 따라서, 자화 하나의 세차운동은 불안정한 진동을 나타낼 수 있다.

이 문제점들을 해결하기 위해, 여러 스핀 토크 발진기들을 동기화시키는 기술(synchronization between multiple point contacts) 또는 자기 피드백 (self-injection locking) 기술들이 시도되었다. 또한, 이 문제점들을 해결하기 위해, 자기 보르텍스 발진기(magnetic vortex oscillator)가 제안되었다. 상기 자기 보르텍스 발진기는 자기 보르텍스의 세차운동을 이용한다. 상기 자기 보르텍스는 상대적으로 큰 부피를 가지고 운동하기 때문에 훨씬 안정적인 주파수를 제공한다. 그러나, 상기 자기 보르텍스 발진기의 발진 주파수는 큰 부피에 기인하여 수백 MHz에서 1~2 GHz 정도에 머무른다.

본 발명은 불안정한 진동, 외부 자기장, 낮은 자기저항 효과, 및 낮은 작동 주파수를 극복할 수 있는 스커미온 발진기에 관한 것이다. 본 발명의 스커미온 발진기는 10 GHz를 넘기는 높은 주파수 대역에서 외부 자기장 없이 안정적인 진동과 고출력을 발휘할 수 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 불안정한 진동, 외부 자기장, 낮은 자기저항 효과, 및 낮은 작동 주파수를 극복할 수 있는 스커미온 발진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기는 면내 전류에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴은, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 의하여 정의된 배치평면 내에서 상기 제1 방향으로 연장되는 강자성층; 상기 강자성층의 하부에 배치된 하부 중금속층; 및 상기 강자성층의 상부에 배치된 상부 중금속층을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는 상기 제1 방향을 비스듬히 가로지른다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역에서 상기 상부 중금속층의 제1 두께는 상기 제2 영역에서 상기 상부 중금속층의 제2 두께보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 크고, 상기 제2 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 작을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계가 폭 방향과 이루는 경사각은 15 도 내지 60도 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성 라인 패턴의 폭은 50 nm 내지 150 nm 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강자성층은 수직자기 이방성을 가진 물질일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성 라인 패턴의 일단에 배치되어 펄스 직류 전류에 상기 자성 패턴에 스커미온 생성시키는 스커미온 발생부; 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 배치되어 자기 저항 효과에 의하여 발진 신호를 추출하는 발진 신호 검출부를 더 포함할 수 있다. 상기 발진 신호 검출부는 상기 스커미온의 상기 폐 궤적의 일부와 중첩될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기는 면내 전류에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴은, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 의하여 정의된 배치평면 내에서 상기 제1 방향으로 연장되는 합성 페리자성층; 상기 합성 페리자성층의 하부에 배치된 하부 중금속층; 및 상기 합성 페리자성층의 상부에 배치된 상부 중금속층을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는 상기 제1 방향을 비스듬히 가로지른다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 합성 페리자성층은 차례로 적층된 하부 강자성층, 비자성 도전층, 및 상부 강자성층을 포함하고, 상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 서로 반대 방향의 자화 방향을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역에서 상기 상부 중금속층의 제1 두께는 상기 제2 영역에서 상기 상부 중금속층의 제2 두께보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 크고, 상기 제2 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 작을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계가 폭 방향과 이루는 경사각은 15 도 내지 60도 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성 라인 패턴의 폭은 50 nm 내지 150 nm 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자성 라인 패턴의 일단에 배치되어 펄스 직류 전류에 상기 자성 패턴에 스커미온 생성시키는 스커미온 발생부; 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 배치되어 자기 저항 효과에 의하여 발진 신호를 추출하는 발진 신호 검출부를 더 포함할 수 있다. 상기 발진 신호 검출부는 상기 스커미온의 상기 폐 궤적의 일부와 중첩될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기는 불안정한 진동, 외부 자기장, 낮은 자기저항 효과, 및 낮은 작동 주파수를 극복할 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기를 설명하는 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 스커미온 발진기의 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 스커미온 발진기에서 스커미온 생성 모드를 나타내는 단면도이다.
도 1d는 도 1a의 스커미온 발진기에서 스커미온 발진 모드를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 스커미온 발진기의 동작을 설명하는 평면도들이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 미소자기 시뮬레이션(micromagnetic simulation)을 통한 스커미온의 경로를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소자기 시뮬레이션(micromagnetic simulation)을 통한 스커미온의 경로를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성층의 폭에 따른 주파수를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 5b는 강자성층의 폭(w)이 50 nm 인 경우, 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.
도 5c는 강자성층의 폭(w)이 70 nm 인 경우, 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.
도 5d는 강자성층의 폭(w)이 100 nm 인 경우, 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.
도 6는 F_x,y ^SHE의 수치 계산을 표시한다.
도 7는 스핀홀 효과 각도(θ_SHE)를 나타낸다.
도 8은 3 개의 다른 θ_SkH 에 대하여 θ_B 에 대한 주파수를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스커미온 발진기를 설명하는 사시도이다.
도 10은 도 9의 스커미온 발진기의 단면도이다.
도 11a은 도 9의 스커미온 발진기에서 합성 페리 자성층의 각운동량비(r)에 따른 주파수를 나타내는 도면이다.
도 11b는 도 9의 스커미온 발진기에서 각운동량비(r)가 0.93인 경우, 스커미온의 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기는 상부 중금속층/수직자기 이방성을 가지는 강자성층/하부 중금속층의 적층 구조의 자성 라인 패턴을 포함한다. 상기 상부 중금속층 및 상기 하부 중금속층에 면내 전류가 흐르는 경우, 스핀 홀 효과에 의하여 스핀 편광된 스핀 전류가 생성된다. 상기 스핀 전류는 상기 강자성층의 배치평면에 수직한 방향으로 흐른다. 상기 자성 라인 패턴의 연장 방향을 따라 상기 상부 중금속층의 물질 또는 두께를 바꾸어줌으로써, 스핀 홀 효과는 상기 스핀 전류의 크기와 부호를 변경할 수 있다. 상기 강자성층의 상부 및 하부에 각각 배치된 상부 중금속층 및 하부 중금속층은 상기 강자성층에 서로 반대되는 스핀 전류를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 중금속층의 두께가 상기 자성 라인 패턴 중간에서 변경되면, 스핀 홀 효과의 부호가 바뀐 스핀 홀 효과 조정 경계가 형성될 수 있다. 즉, 상기 자성 라인 패턴은 음의 스핀 전류(또는 양의 스핀 홀 효과)를 가지는 제1 영역과 양의 스핀 전류(또는 음의 스핀 홀 효과)를 가지는 제2 영역을 포함한다. 상기 제1 영역에서, 상기 상부 중금속층에서 상기 강자성층으로 유입되는 제1 스핀 홀 전류는 상기 상부 중금속층의 두께에 비례할 수 있다. 상기 제1 영역에서, 상기 하부 중금속층에서 상기 강자성층으로 유입되는 제2 스핀 홀 전류는 상기 하부 중금속층의 두께에 비례할 수 있다.

상기 제1 스핀 전류의 크기가 상기 제2 스핀 전류보다 큰 경우, 상기 강자성층에 유입되는 순수 스핀 분극 방향은 상기 제1 스핀 전류의 스핀 분극 방향일 수 있다. 스핀 홀 효과에 의해 주입되는 스핀 전류의 상대적 크기는 상기 하부 중금속층 및 상기 하부 중금속층 각각의 두께로 조절될 수 있다.

또한, 상기 제2 영역에서, 상기 상부 중금속층에서 상기 강자성층으로 유입되는 제1 스핀 전류는 상기 상부 중금속층의 두께에 비례할 수 있다. 상기 제2 영역에서, 상기 하부 중금속층에서 상기 강자성층으로 유입되는 제2 스핀 전류는 상기 하부 중금속층의 두께에 비례할 수 있다. 상기 제1 스핀 전류의 크기가 상기 제2 스핀 전류보다 작은 경우, 상기 강자성층에 유입되는 순수 스핀 분극 방향은 상기 제2 스핀 전류의 스핀 분극 방향일 수 있다.

상기 제1 영역은 음의 스핀 전류 또는 양의 스핀 홀 효과를 가지고, 상기 제2 영역은 양의 스핀 전류 또는 음의 스핀 홀 효과를 가질 수 있다. 서로 반대 방향의 스핀홀 효과를 가지는 스핀 홀 효과 조정 경계(spin Hall effect modulation boundary)는 상기 자기 라인 패턴의 연장 방향에 수직한 폭 방향에서 기울어지도록 배치된다. 상기 스핀 홀 효과 조정 경계는 상기 자기 라인 패턴을 비스듬히 가로지르도록 형성된다. 이에 따라, 스커미온은 상기 스핀 홀 효과 조정 경계에서 폐루프 궤적(closed loop trajectory)을 가지고 궤도 운동할 수 있다. 스커미온의 폐루프 궤도는 스핀 홀 효과와 스커미온 홀 효과가 함께 작용하여 일어난다. 자기 저항 소자가 상기 스핀 홀 효과 조정 경계에 인접하여 배치된 경우, 상기 자기 저항 소자는 그 하부에 스커미온의 존재 여부에 따라 주기적인 전기 신호를 발생시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 라인 패턴에서, 강자성층 대신에 합성 페리자성 구조를 적용한 경우, 합성 페리자성 구조는 15 GHz 까지의 주파수를 보인다.

본 발명의 일 실시예에 스커미온 발진기는 큰 부피의 스커미온 운동이기 때문에 안정적인 주파수를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 발진기는 외부 자기장없이 발진한다. 본 발명의 일 실시예에 발진기는 고출력의 RF 신호를 출력할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온 발진기를 설명하는 사시도이다.

도 1b는 도 1a의 스커미온 발진기의 평면도이다.

도 1c는 도 1a의 스커미온 발진기에서 스커미온 생성 모드를 나타내는 단면도이다.

도 1d는 도 1a의 스커미온 발진기에서 스커미온 발진 모드를 나타내는 단면도이다.

도 2a 내지 도 2c는 도 1의 스커미온 발진기의 동작을 설명하는 평면도들이다.

도 1a 내지 도 1d 및 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 스커미온 발진기(100)는, 면내 전류(I)에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴(110)을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴(110)은, 제1 방향(x축 방향)으로 연장되는 강자성층(114); 상기 강자성층(114)의 하부에 배치된 하부 중금속층(112); 및 상기 강자성층(112)의 상부에 배치된 상부 중금속층(116)을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴(110)은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역(110a)과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역(110b)을 포함한다. 상기 제1 영역(110a)과 상기 제2 영역(110b)의 경계는 상기 자성 라인 패턴(110)을 가로지르도록 폭 방향에서 경사진다. 상기 자성 라인 패턴(110)은 xy 평면에서 x축 방향으로 연장된다. 양의 스핀 전류는 +z축 방향이고, 음의 스핀 전류는 -z축 방향이다.

스커미온은 소용돌이 형태의 모양을 하고 있는 스핀의 구조체이다. 상기 스커미온의 중심 스핀은 주변 스핀과 반평행 상태를 가진다.

상기 자성 라인 패턴(110)은 차례로 적층된 하부 중금속층(112), 강자성층(114), 및 상부 중금속층(116)을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴(110)은 일정한 폭(w)을 가지고 제1 방향(x축 방향)으로 연장될 수 있다. 면내 전류는 상기 자성 라인 패턴(110)을 따라 상기 제1 방향으로 흐른다. 제1 스핀 전류는 상기 하부 중금속층(112)에서 상기 강자성층(114) 방향으로 흐른다. 제2 스핀 전류는 상기 상부 중금속층(116)에서 상기 강자성층(114) 방향으로 흐른다. 제1 영역(110a)에서, 상기 제1 스핀 전류가 상기 제2 스핀 전류보다 작은 경우, 상기 제1 영역(110a)에서 순수 스핀 전류는 상기 제2 스핀 전류의 방향에 의존한다. 상기 제2 영역에서, 상기 제1 스핀 전류가 상기 제2 스핀 전류보다 큰 경우, 상기 제2 영역에서 순수 스핀 전류는 상기 제1 스핀 전류의 방향에 의존한다. 상기 제1 스핀 전류의 스핀 분극 방향은 y축 방향이고, 상기 제2 스핀 전류의 스핀 분극 방향은 -y축 방향일 수 있다.

상기 강자성층(114)은 수직자기 이방성 및 DMI(Dzyaloshinskii-Moriya interaction) 특성을 가지진 물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 강자성층(114)은 코발트일 수 있다. 상기 강자성층의 두께는 1nm 이하로 0.6 nm 일 수 있다. 상기 강자성층(114)는 면내 전류에 의하여 스커미온을 이동시킬 수 있다.

상기 하부 중금속층(112)은 스핀홀 효과를 유발하는 물질일 수 있다. 상기 하부 중금속층(112)은 Pt, W, Pd, Ta, Mo 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 자성 라인 패턴(100)의 일단에서 주입된 면내 전류(I)는 주로 도전성이 큰 하부 중금속층 및 상부 중금속층으로 흐를 수 있다.

상기 상부 중금속층(116)은 스핀홀 효과를 유발하는 물질일 수 있다. 상기 하부 중금속층(116)은 Pt, W, Pd, Ta, Mo 또는 이들의 합금일 수 있다.

상기 제1 영역(110a)에서 상기 상부 중금속층(116)의 제1 두께(T1)는 상기 제2 영역에서 상기 상부 중금속층(116)의 제2 두께(T1’)보다 클 수 있다. 상기 제1 두께(T1)는 상기 하부 중금속층(112)의 두께(T3)보다 크고, 상기 제2 두께(T1‘)는 상기 하부 중금속층(112)의 두께(T3)보다 작을 수 있다. 상기 강자성층의 두께(T2)는 상기 상부 중금속층(116)의 제1 두께(T1) 및 상기 하부 중금속층(112)의 두께(T3)보다 작을 수 있다.

상기 상부 중금속층(116)과 상기 하부 중금속층(112)은 동일한 재질일 수 있다. 상기 제1 영역(110a)과 상기 제2 영역(110b) 사이의 스핀 홀 효과 조정 경계(111)는 폭 방향과 이루는 경사각(θ_B)을 가질 수 있다. 상기 경사각(θ_B)은 15 도 내지 60도 일 수 있다. 상기 스핀 홀 효과 조정 경계(111)는 스핀홀효과의 부호를 변경되는 영역일 수 있다.

자성 라인 패턴(110)은 하부 중금속층/강자성층/상부 중금속층의 삼층 구조이다. 상기 자성 라인 패턴(110)에 수평하게 면내 전류가 흐르게 되면, 하부 중금속층(112) 및 상부 중금속층(116)에서 일어나는 스핀 홀 효과에 의해, 스핀 편광된 스핀 전류가 상기 강자성층(114)으로 유입된다. 상기 상부 중금속층(116) 및 상기 하부 중금속층(112)을 적당한 물질 및/또는 두께로 선택하면, 상기 상부 중금속층(116) 및 상기 하부 중금속층(112)에서 서로 반대되는 스핀 전류가 상기 강자성층(114)으로 유입된다.

상부 중금속층(116)의 두께를 상기 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에서 감소시키면, 상기 상부 중금속층(116)의 두께에 비례하는 스핀 전류가 생성된다. 이에 따라, 상기 강자성층(114)에 유입되는 순수 스핀 전류의 크기가 변한다. 스핀 전류의 크기 변화에 의해 스핀 홀 효과에 의한 스핀 전류의 부호가 변한다. 상기 순수 스핀 전류에 의해서 상기 강자성층(114)의 자화는 스핀 궤도 토크 (spin-orbit torque)를 받는다.

한 쌍의 전극 패드(118a, 118b)는 상기 자성 라인 패턴에서 상기 제1 방향의 양단에 각각 배치될 수 있다. 상기 전극 패드(118a, 118b)는 동작 모드에 따라 외부 회로에 접속될 수 있다. 구체적으로, 스커미온 발생 모드인 경우, 상기 한 쌍의 전극 패드(118a, 118b)는 접지될 수 있다.

스커미온 진동 모드인 경우, 한 쌍의 전극 패드(118a, 118b)는 직류 전원(102)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 면내 전류는 상기 자성 라인 패턴을 통하여 흐를 수 있다.

도 2a를 참조하면, 상기 강자성층(114)에 존재하는 스커미온(10)은 스핀 궤도 토크에 의해 힘을 받는다. 제1 영역(110a)은 양의 스핀홀 효과를 가지며, 제2 영역(110b)은 음의 스핀 홀 효과를 가질 수 있다. 상기 제1 영역(110a)에 배치된 스커미온은 양의 제1 방향으로 스핀홀 효과 구동력(Spin Hall effect driving force; F_SHE)을 받는다. 한편, 상기 제2 영역(110b)에 배치된 스커미온은 음의 제1 방향으로 스핀홀 효과 구동력(F_SHE)을 받는다. 스핀 궤도 토크의 부호는 스핀 홀 효과 조정에 의해 상기 제1 영역(110a) 및 상기 제2 영역(110b)에서 서로 반대이다. 따라서, 스커미온(10)은 각 영역에서 전류에 평행하지만 서로 반대되는 방향으로 힘을 받는다.

도 2b를 참조하면, 스커미온(10)은 자화의 세차 운동 때문에 일어나는 스커미온 홀 효과를 겪는다. 스커미온(10)은 스핀홀 효과 구동력 방향에서 스커미온 홀 효과의 각도 (θ_SkH) 만큼 돌아간 방향으로 움직인다. 각 영역에서 스커미온(10)은 v 방향으로 움직인다. v는 스커미온(10)의 속도이다.

도 2c를 참조하면, 양의 스핀 홀 효과를 가지는 제1 영역(110a)과 음의 스핀 홀 효과를 가지는 제2 영역(110b)은 서로 반대의 부호를 가지고, 스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 형성한다. 상기 스핀 홀 효과 조정 경계(111)는 제1 방향에서 경사각(θ_B)을 가지고 기울어진다. 이에 따라, 스커미온(10)은 폐루프를 가진 궤적을 가지고 일종의 회전 운동을 수행한다.

스커미온 발생부(120)는 상기 자성 라인 패턴(110)의 가장자리에 배치되어 펄스 전류에 상기 자성 라인 패턴(110) 내에 스커미온을 생성시킨다. 구체적으로, 상기 스커미온 발생부(120)는 상기 상부 중금속층(116)의 일측 상에 배치된 전류-유도 스커미온 발생 장치일 수 있다. 상기 스커미온 발생부(120)는 수직 자기 이방성을 가진 강자성 고정층을 포함할 수 있다. 상기 스커미온 발생부(120)와 상기 자성 라인 패턴(110) 사이에 펄스 전류가 흐르는 경우, 상기 강자성층(114)에 전류-유도 스커미온이 생성될 수 있다.

발진 신호 검출부(130)는 상기 제1 영역(110a)과 상기 제2 영역(110b)의 경계에 배치되어 자기 저항 효과에 의하여 발진 신호를 검출할 수 있다. 상기 발진 신호 검출부(130)는 상기 스커미온의 상기 폐 궤적의 일부와 중첩되어 배치된다. 상기 자성 라인 패턴(110)의 양단 사이에 전압이 인가되어, 면내 전류(I)가 상기 자성 라인 패턴(110)의 연장 방향으로 흐를 수 있다. 이에 따라, 스커미온(10)은 상기 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에서 폐 루프 궤적을 따라 진동할 수 있다. 발진 신호 검출부(130)는 수직 자기 이방성을 가진 강자성 고정층을 포함할 수 있다. 스커미온(10)이 상기 발진 신호 검출부(130)의 하부를 주기적으로 통과함에 따라, 상기 발진 신호 검출부(130)는 거대자기저항 효과 또는 자기터널 효과에 의하여 저항 변화에 따른 발진 신호를 검출할 수 있다. 상기 발진 신호 검출부(130)는 상기 스핀 홀 효과 조정 경계(111)과 정렬되어 배치될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 미소자기 시뮬레이션(micromagnetic simulation)을 통한 스커미온의 경로를 나타낸다.

도 3a를 참조하면, 스커미온(10)은 스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 끼고 폐 궤도에서 회전 운동한다. 상기 회전 운동은 스커미온 홀 효과의 각도(θ_SkH)와 스핀 홀 효과 조정 경계의 경사각(θ_B) 의 관계에 따라 크게 2가지 궤도를 가진다.

θ_SkH > θ_B 인 경우, 스커미온은 평행사변형 꼴의 궤도를 따라 회전한다. 이러한 궤적은 Thiele 의 공식을 이용하면 설명될 수 있다.

도 3a를 참조하면, 스커미온(10)은 제1 영역에서(110a) 자유로운 상태에서 스커미온 홀 효과를 따라 스핀 홀 효과에 의한 힘 방향에 스커미온 홀 각도(θ_SkH)만큼 기울어진 방향으로 움직인다.

도 3b를 참조하면, 스커미온(10)이 강자성층(114)의 모서리에 가까워지면, 스커미온에 작용하는 가장 자리 척력(edge repulsion force, F_Edge)은 증가한다. 결국, 상기 스커미온(10)은 모서리를 따라 평행하게 움직인다.

도 3c를 참조하면, 스커미온(10)이 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에 도달하면, 스커미온에 걸리는 스핀 홀 효과 구동력(F_SHE)은 서로 반대 방향의 스핀홀 효과에 의하여 상쇄되어 감소된다. 따라서, 스커미온(10)은 가장자리 척력(F_Edge)에 의해 제2 영역(110b)으로 이동한다. 동일한 과정이 제2 영역에서 반복된다. 이에 따라, 스커미온은 폐 루프 궤적을 따라 회전한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소자기 시뮬레이션(micromagnetic simulation)을 통한 스커미온의 경로를 나타낸다.

도 4를 참조하면, θ_SkH < θ_B 인 경우, 스커미온(10)은 스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 따라 움직이는 궤적을 보인다.

스커미온 홀 각도(θ_SkH)가 스핀 홀 효과 조정 경계(111)의 경사각(θ_B)보다 작기 때문에, 스커미온(10)이 제1 영역(110a)의 모서리가 아닌 부분에서 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에 도달한다. 상기 스커미온(10)이 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에 겹치게 되면, 스핀 홀 효과 구동력(F_SHE)이 전류 방향으로부터 점점 기울게 되고, 결국 스커미온이 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에 평행하게 움직인다. 이어서, 스커미온(10)은 스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 따라 강자성층의 모서리에 닿게 되면, 상기 스커미온(10)은 제2 영역(110b)으로 넘어간다. 결국 스커미온은 스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 따라 회전 운동을 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 홀 효과 조정 스커미온 발진기 (spin-Hall-effect-modulation skyrmion oscillator: SHEM-SO)는 스커미온의 폐루프 궤적을 따라 진동한다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성층의 폭에 따른 주파수를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

도 5a를 참조하면, 스커미온 발진기(100)의 주파수(f)는 스커미온이 움직이는 궤도의 길이와 스커미온의 속도에 의해 결정된다. 스커미온이 움직이는 궤도의 길이는 강자성층의 폭(w)에 비례한다. 따라서, 상기 주파수(f)는 강자성층(114)의 폭(w)에 반비례한다. 상기 강자성층의 폭(w)이 스커미온의 크기와 비슷한 경우, 상기 주파수는 최대값을 가진다.

스핀 홀 효과 조정 경계(111)의 경사각(θ_B)은 45도로 설정되고, 주파수는 스핀 홀 효과 조정 경계(111)의 경사각(θ_B)에 의존한다. 상기 주파수는 45도의 경사각(θ_B)에서 최대값을 가진다. 진동 궤적은 상기 강자성층(114) 내로 한정된다.

스커미온의 속도는 전류에 비례하여 증가한다. 하지만, 스커미온을 강자성층의 모서리로 밀어내는 힘은 상기 전류에 비례하여 증가한다. 한편, 가장 자리 척력은 무한대로 증가하지 않는다. 따라서, 어느 정도 이상의 전류가 걸리게 되면 스커미온은 강자성층의 모서리에서 그 자화 구조가 깨지게 되고 결국 사라진다.

도 5b는 강자성층의 폭(w)이 50 nm 인 경우, 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.

도 5c는 강자성층의 폭(w)이 70 nm 인 경우, 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.

도 5d는 강자성층의 폭(w)이 100 nm 인 경우, 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.

도 5b 내지 도 5d를 참조하면, 강자성층(114)의 폭(w)이 감소함에 따라, 스커미온은 더욱 구속되고, 상기 강자성층(114)의 길이 방향을 따라 연장되는 타원 경로를 가진다. 상기 타원 경로의 일부에 발진 신호 검출부(130)가 배치된 경우, 상기 발진 신호 검출부(130)는 상기 스커미온(10)이 상기 발진 신호 검출부(130)를 지나감에 따라 출력 신호를 제공할 수 있다.

스커미온 발진기(100)는 외부 자기장 없이도 동작할 수 있다. 또한, 스커미온이 수평 면내 전류에 의해 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에서 진동하기 때문에, 수직 전류를 이용한 자기저항 효과를 측정하기 위한 발진 신호 검출부(130)는 회전 궤도 상에 설치될 수 있다.

스커미온이 상기 발진 신호 검출부(130) 아래에 있을 때와 없을 때의 자기저항 효과 크기의 차이를 이용하여, 상기 발진 신호 검출부(130)는 고출력의 진동 신호를 제공할 수 있다.

스커미온 발진기(100)는 스커미온이라는 상대적으로 큰 부피의 자기 구조를 이용하기 때문에, 진동의 안정성을 보장한다. 또한, 스커미온 발진기(100)는 세차 운동 기반이 아닌 구조 특성 상 준강자성 물질의 각운동량 보상점을 이용할 수 있다. 스커미온 발진기(100)는 보르텍스나 스커미온 발진기가 종래 보여줄 수 없었던 15 GHz 크기의 주파수를 제공할 수 있다.

[스핀 홀 효과 조정 경계(111) 근처에서 스커미온 운동에 대한 Thiele 공식]

원통 대칭(cylindrical symmetry)을 가진 닐-타입 스커미온(Neel-type Skyrmion)이 구동력 (F_x ^ext,F_y ^ext)에 의하여 구동되는 경우, 스커미온의 정상-상태 속도 (v_x,v_y) (steady-state velocity)는 란다우-라이프니츠-길버트 방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert equation)의 Thiele 공식에 의하여 다음과 같이 주어진다.

[수학식 1]

여기서, α는 댐핑 파라미터이고, G는 적분 자이레이선 항(integrated gyration term)이고. 그리고 D는 적분 디시페이션 항(integrated dissipation term)이다. tan θ_SkH = - G/αD 의 스커미온 홀 앵글 θ_SkH (Skymion Hall angle)의 정의에 의하여, 위의 수학식1 은 다음과 같이 주어질 수 있다.

[수학식 2]

수학식 2는 외부 구동력으로부터 스커미온 홀 앵글(θ_SkH) 의 고정된 각도를 가진 방향으로 스커미온이 이동하는 것을 나타낸다.

전류 밀도 J의 주입 하에서 스핀홀 효과 유도 구동력(F_i ^SHE)은 전체 필름 면적 A 에 적분하여 주어진다.

[수학식 3]

여기서, γ는 자이로마그네틱 비(gyromagnetic ratio)이고, ε_SHE는 스핀홀효과 효율(spin Hall effect efficiency)이다. m은 강자성층에서 자화의 단위 벡터이고, m_p는 중금속층으로부터 주입되는 스핀홀 효과 전자들의 스핀 분극의 단위 벡터이다. m_p는 필름 평면 내에서 전류 밀도 J의 수직이다.

스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 가로지는 스핀홀 효과 유도 구동력(F_i ^SHE)을 추정하기 위하여, 우리는 원통 대칭을 가진 닐-타입 도메인 월(Neel-type domain wall)로 구성된 스커미온을 가정하면, 스커미온 구조는 다음과 같이 원통 좌표계(ρ,

,z)에서 기술될 수 있다.

[수학식 4]

또는 스커미온 구조는 다음과 같이 직각 좌표계에서 기술될 수 있다.

[수학식 5]

여기서, l은 스커미온의 사이즈이고, λ는 도메인 월 폭(domain wall width)이고, d는 DMI의 부호이고, N은 스커미온 내부에 자기 극성(magnetic polarity)에 의존하는 토폴로지 수(topology number = ±1)이다.

수학식 4에 의하여 정의된 스커미온 구조를 적용하면, 수학식 3의 적분은 다음과 같이 표시된다.

[수학식 6]

여기서, 힘 밀도(force densities) f_x(x,y) 그리고 f_y(x,y)는 다음과 같이 정의된다.

[수학식 7]

전류 밀도 J가 x축 방향으로 주입되고, 스핀 분극의 단위 벡터 mp가 y축에 평행한 경우, 균일한 스핀홀 효과의 면적 내에서, 수학식 6의 적분은 영이다 (

). 따라서, 스핀홀 효과 유도 구동력(F_i ^SHE)은 균일한 스핀홀 효과 영역에서 전류 방향에 평행하다.

스커미온이 규격화 거리 δ 만큼 스핀 홀 효과 조정 경계(111)에 접근하면, 수학식 6은 다음과 같이 수정된다.

[수학식 8]

여기서, θ_B는 스핀 홀 효과 조정 경계(111)의 경사각(θ_B)이다. 수학식 6에서

는 수학식 8에서

와 같다.

도 6는 F_x,y ^SHE의 수치 계산을 표시한다.

도 6를 참조하면, F_x ^SHE 은 규격화 거리 δ에 따라 단조적으로 영으로 감소한다. 한편, F_y ^SHE 은 영에서 최대값으로 증가하고, 규격화 거리 δ가 영에 접근함에 따라 소멸한다.

도 7는 스핀홀 효과 각도(θ_SHE)를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 스핀홀 효과 각도(θ_SHE)는

와 같이 정의된다. 스핀홀 효과 각도(θ_SHE)는 δ가 감소함에 따라 증가하고 소정의 각도에 수렴한다. 스핀홀 효과 각도 θ_SHE는 θ_B - θ_SkH 인 경우, 스커미온은 스핀 홀 효과 조정 경계(111)를 따라 이동한다.

[스핀 홀 효과 조정 경계(111)의 경사각(θ_B)에 대한 주파수 변화]

경사각(θ_B)가 증가함에 따라, 전체 경로 길이가 감소하기 때문에 주파수(f)가 증가하는 경향이 있다.

반면에 경사각(θ_B)가 증가함에 따라, 주파수(f)도 감소하는 경향이 있다. 이는 θ_B > θ_SkH 인 경우, 작은 δ로부터 오는 SHE 힘에 대한 큰 보상으로 스커미온의 속도가 감소되기 때문이다.

스커미온의 사이즈에 기인하여, 이 보상은 θ_B < θ_SkH 인 경우에도 가장 자리 근처에서 발생하고, 이 보상은 θ_B에 따라 증가한다. 따라서, 최대 주파수는 두 경향성 사이의 경쟁에 의하여 발생한다.

도 8은 3 개의 다른 θ_SkH 에 대하여 θ_B 에 대한 주파수를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 주파수의 최대값은 θ_B ∼45⁰ 근처에서 나타난다. 주파수는 그 최대값 근처에서 천천히 변한다.

고정된 발진 경로에 대하여, 스커미온 속도는 주파수를 결정한다. 스커미온 운동은 DC 전류에 의한 스핀홀 효과 토크에 의하여 구동된다. 따라서, 더 높은 전류 밀도(J)는 더 빠른 스커미온을 유도하고, 더 높은 주파수를 유도한다. 그러나, 전류 밀도(J)는 스커미온-홀 힘을 증가시킨다. 따라서, 스커미온은 초과적인 큰 전류밀도(J)에서 강자성층의 가장자리에서 파괴된다. 적용가능한 최대 전류 밀도(Jmax)는 스커미온-홀 힘과 가장자리 척력 사이의 카운터밸렌스(counterbalance)에 의하여 결정될 수 있다. 최대 주파수(fmax)는 최대 전류 밀도(Jmax)에서 얻어질 수 있다.

스커미온 발진기(100)의 주파수를 증가시켜주기 위해서는, 같은 전류에서 스커미온 속도가 빠른 시스템을 채택해야할 필요가 있다. 이를 위해 강자성 물질이 합성 페리자성층으로 대체될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스커미온 발진기를 설명하는 사시도이다.

도 10은 도 9의 스커미온 발진기의 단면도이다.

도 11a은 도 9의 스커미온 발진기에서 합성 페리 자성층의 각운동량비(r)에 따른 주파수를 나타내는 도면이다.

도 11b는 도 9의 스커미온 발진기에서 각운동량비(r)가 0.93인 경우, 스커미온의 진동 궤적 및 시간에 따른 위치를 나타낸다.

도 9 내지 도를 참조하면, 스커미온 발진기(200)는 면내 전류(I)에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴(210)을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴(210)은, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 의하여 정의된 배치평면 내에서 상기 제1 방향으로 연장되는 합성 페리자성층(214); 상기 합성 페리자성층(214)의 하부에 배치된 하부 중금속층(112); 및 상기 합성 페리자성층(214)의 상부에 배치된 상부 중금속층(116)을 포함한다. 상기 자성 라인 패턴(210)은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역(210a)과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역(210b)을 포함한다. 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계(111)는 상기 제1 방향을 비스듬히 가로지른다.

상기 합성 페리자성층(214)은 차례로 적층된 하부 강자성층(214a), 비자성 도전층(214b), 및 상부 강자성층(214c)을 포함할 수 있다. 상기 상부 강자성층(214c) 및 상기 하부 강자성층(214b)은 수직 자기 이방성 및 DMI를 가지고, 상기 상부 강자성층(214c) 및 상기 하부 강자성층(214a)은 서로 반대 방향의 자화 방향을 가지고, 서로 다른 포화 자화를 가질 수 있다. 상기 비자성 도전층(214b)은 자성이 없는 도전성 금속으로 Ru, 또는 Ti일 수 있다.

상기 제1 영역(210a)에서 상기 상부 중금속층(116)의 제1 두께(T1)는 상기 제2 영역(210b)에서 상기 상부 중금속층의 제2 두께(T1')보다 클 수 있다. 상기 제1 두께(T1)는 상기 하부 중금속층(112)의 두께(T3)보다 크고, 상기 제2 두께(T1')는 상기 하부 중금속층의 두께(T3)보다 작을 수 있다.

상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계가 폭 방향과 이루는 경사각은 15 도 내지 60도 일 수 있다. 상기 자성 라인 패턴의 폭은 50 nm 내지 150 nm 일 수 있다.

스커미온 발생부(120)는 상기 자성 라인 패턴의 일단에 배치되어 펄스 직류 전류에 상기 자성 패턴에 스커미온 생성시킬 수 있다.

발진 신호 검출부(130)는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 배치되어 자기 저항 효과에 의하여 발진 신호를 추출할 수 있다. 상기 발진 신호 검출부는 상기 스커미온의 상기 폐 궤적의 일부와 중첩될 수 있다.

최대 주파수(fmax)를 증가시키기 위하여, 합성 페리자성층(214)이 채택되었다. 상기 합성 페리자성층(214)은 각운동량 보상점(angular-momentum compensation point) 근처에서 더 높은 도메인 월(domain wall) 및 스커미온 속도를 제공할 수 있다. 상기 합성 페리자성층(214)은 비자성 도전층(214b)에 의하여 분리된 상부 강자성층(214c) 및 하부 강자성층(214a)을 포함할 수 있다. 상기 상부 강자성층(214c) 및 상기 하부 강자성층(214a)은 상기 비자성 도전층(214b)을 통하여 반강자성 결합(antiferromagnetic coupling)할 수 있다. 상기 상부 강자성층 및 하부 강자성층의 조합을 제어하여, 상기 합성 페리자성층은 각운동량 보상 조건에 도달하도록 조절될 수 있다. 각운동량 보상 조건은 다음과 같이 정의되는 각운동량비(r)에 의하여 제어될 수 있다.

[수학식 9]

r= γ₂M_S1t₁ / γ₁M_S2t₂

여기서, γ₂는 하부 강자성층(214a)의 자이로마그네틱 상수이고, M_S2는 하부 강자성층(214a)의 포화 자화이고, t₂는 하부 강자성층(214a)의 두께이다. 또한, γ₁는 상부 강자성층(214c)의 자이로마그네틱 상수이고, M_S1는 상부 강자성층(214c)의 포화 자화이고, t₁는 상부 강자성층(214c)의 두께이다.

각운동량비(r)가 1에 도달하면, 각운동량 보상 조건이 만족된다. 각운동량비(r)가 1에 접근함에 따라, 스핀 홀 효과-토크 효율은 상당히 증가하고, 자이로스코픽 힘(gyroscopic force)는 영으로 감소한다. 스핀 홀 효과-토크 효율은 스커미온 속도를 증가시키고, 자이로스코픽 힘은 전류밀도의 최대값(Jmax)를 증가시킨다.

각운동량비(r)가 1에 도달하는 경우, 최대 주파수(fmax)는 15 GHz에 도달한다. 이 경우, 전류밀도의 최대값(Jmax)은 5.0 X 10¹¹ A/m²이고, 상기 합성 페리자성층을 흐르는 전류는 30 μA에 대응한다.

각운동량비(r)가 0.5 내지 1 사이에 있도록, 하부 강자성층(214a) 및 상부 강자성층(214c)이 선택될 수 있다.

[미소 자기 시뮬레이션]

유한 요소 미세 자기 시뮬레이션은 Dzyaloshinskii-Moriya 상호 작용 (DMI) 모듈과 함께 OOMMF 코드(상표명)을 사용하여 수행되었다. 3층 강자성 필름의 경우, 강자성층(114)의 두께는 0.6nm로 설정되다. Pt/Co/Pt 구조에서, 강자성층의 전형적인 자기 파라미터가 사용되었다. 포화자화(saturation magnetization)는 580 kA/m 이고, 교환 강성(exchange stiffness)는 15 pJ/m이고, 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy)은 0.8 MJ/m² 이다. DMI 강도(DMI stiffness)는 3.5 mJ//m²이다.

합성 페리자성층(214)의 경우, 상부 강자성층, 하부 강자성층, 및 비자성 도전층의 두께는 모두 0.4nm로 설정되었다. 하부 강자성층의 포화 자화는 0에서 580 kA/m 사이에서 변화되었다. 하부 강자성층과 도전성 스페이서 사이의 교환 강도(exchange stiffness)는 -0.3 pJ/m으로 설정되었다.

모든 시뮬레이션에 대해 측면 셀 크기는 1 nm로 설정되었다. 스핀홀 효과로부터 댕핑-라이크 스핀-오빗 토크 효율(Damping-like spin-orbit torque efficiency)은 각 반대 스핀홀 효과 영역에서 ±10^-13 Tm²/A로 설정되었다. 필드-라이크 스핀-오빗 토크(field-like spin-orbit torque)는 본 시뮬레이션에서 포함되지 않았다. 전류 밀도는 0.01 ~ 0.5 X 10¹² A/m 범위에서 변했다. 감쇠 파라미터(damping parameter)는 대부분 0.01이다.

종래의 스핀 토크 발진기는 스핀 토크의 평형점에서 일어나는 세차 운동을 기반으로 하고 있다.

반면 본 발명은 세차 운동을 진동의 원리로 사용하는 것이 아닌, 인위적으로 부호가 반대인 스핀 홀 효과 조정 영역을 형성한다. 본 발명은 스핀 홀 효과에 의한 스핀 궤도 토크 (spin-orbit torque)를 진동 원리로 한다. 본 발명은 세차 운동 효과가 영이 되는 합성 페리자성 물질의 각운동량 보상점에서 일어나는 초고속 자기 역학을 이용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 합성 페리자성층을 이용한 경우, 스핀 홀 효과 조정 경계에서 스커미온이 최대 15 GHz의 주파수로 진동할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

100: 스커미온 발진기
110: 자성 라인 패턴
112: 하부 중금속층
114: 강자성층
116: 상부 중금속층

Claims (14)

1. 면내 전류에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴을 포함하는 스커미온 발진기에 있어서,
   상기 자성 라인 패턴은:
   제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 의하여 정의된 배치평면 내에서 상기 제1 방향으로 연장되는 강자성층;
   상기 강자성층의 하부에 배치된 하부 중금속층; 및
   상기 강자성층의 상부에 배치된 상부 중금속층을 포함하고,
   상기 자성 라인 패턴은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역을 포함하고,
   상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는 상기 제1 방향을 비스듬히 가로지르는 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 영역에서 상기 상부 중금속층의 제1 두께는 상기 제2 영역에서 상기 상부 중금속층의 제2 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 크고,
   상기 제2 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계가 폭 방향과 이루는 경사각은 15 도 내지 60도 인 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 자성 라인 패턴의 폭은 50 nm 내지 150 nm 인 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 강자성층은 수직자기 이방성을 가진 물질인 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 자성 라인 패턴의 일단에 배치되어 펄스 직류 전류에 상기 자성 라인 패턴에 스커미온 생성시키는 스커미온 발생부; 및
   상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 배치되어 자기 저항 효과에 의하여 발진 신호를 추출하는 발진 신호 검출부를 더 포함하고,
   상기 발진 신호 검출부는 상기 스커미온의 상기 폐 궤적의 일부와 중첩되는 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
8. 면내 전류에 의하여 스커미온의 폐 궤적(closed trajectory)을 제공하는 자성 라인 패턴을 포함하는 스커미온 발진기에 있어서,
   상기 자성 라인 패턴은:
   제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향에 의하여 정의된 배치평면 내에서 상기 제1 방향으로 연장되는 합성 페리자성층;
   상기 합성 페리자성층의 하부에 배치된 하부 중금속층; 및
   상기 합성 페리자성층의 상부에 배치된 상부 중금속층을 포함하고,
   상기 자성 라인 패턴은 음의 스핀 전류를 가지는 제1 영역과 양의 스핀 전류를 가지는 제2 영역을 포함하고,
   상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계는 상기 제1 방향을 비스듬히 가로지르는 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 합성 페리자성층은 차례로 적층된 하부 강자성층, 비자성 도전층, 및 상부 강자성층을 포함하고,
   상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 수직 자기 이방성을 가지고,
   상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 서로 반대 방향의 자화 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 상기 상부 중금속층의 제1 두께는 상기 제2 영역에서 상기 상부 중금속층의 제2 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 크고,
    상기 제2 두께는 상기 하부 중금속층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
12. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계가 폭 방향과 이루는 경사각은 15 도 내지 60도 인 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
13. 제8 항에 있어서,
    상기 자성 라인 패턴의 폭은 50 nm 내지 150 nm 인 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.
14. 제8 항에 있어서,
    상기 자성 라인 패턴의 일단에 배치되어 펄스 직류 전류에 상기 자성 라인 패턴에 스커미온 생성시키는 스커미온 발생부; 및
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 배치되어 자기 저항 효과에 의하여 발진 신호를 추출하는 발진 신호 검출부를 더 포함하고,
    상기 발진 신호 검출부는 상기 스커미온의 상기 폐 궤적의 일부와 중첩되는 것을 특징으로 하는 스커미온 발진기.

Images