KR102254252B1 - 자구벽 이동 소자 - Google Patents

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KR102254252B1
KR102254252B1 KR1020190149178A KR20190149178A KR102254252B1 KR 102254252 B1 KR102254252 B1 KR 102254252B1 KR 1020190149178 A KR1020190149178 A KR 1020190149178A KR 20190149178 A KR20190149178 A KR 20190149178A KR 102254252 B1 KR102254252 B1 KR 102254252B1
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KR
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최석봉
황현석
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는, 복수의 자구벽을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께와 일정한 폭을 가지고 연장되는 강자성층; 제2 두께를 가지고 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층; 및 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층;을 포함한다.

Description

자구벽 이동 소자{A Domain Wall Motion Device}
본 발명은 자구벽 이동 소자에 관한 것으로 스핀 홀 효과를 유발하는 비자성 중금속층의 형상에 의한 방향 선택성을 가진 디피닝을 제공하는 자구벽 이동 소자에 관한 것이다.
DRAM (dynamic random access memory)등의 휘발성 메모리는 기저 전력을 요구하여 그 응용에 한계를 가진다. 차세대 메모리의 후보로서 지목되고 있는 자기 랜덤 억세스 메모리(magnetic random access memory; MRAM)는 비휘발성으로 인해 기저 전력을 요구하지 않는다. 그러나, 자기 랜덤 억세스 메모리는 하나의 단위 셀에 적어도 하나의 트렌지스터를 요구하여 집적도에 한계가 있다.
전류 구동 자구벽 위치 제어를 응용한 레이스트랙 메모리 (racetrack memory) 또는 자구벽 메모리(Domain-Wall Memory)는 복수의 단위 셀들을 소수의 트렌지스터로 구동하여 저장 밀도를 증가시킬 수 있다. 상기 레이스트랙 메모리의 구현에는 자구벽 위치를 정확히 제어해 줄 수 있는 기술과 특정한 방향으로 이동할 수 있는 이동 방향 선택 수단이 필수적이다.
강자성 물질은 교환 상호작용(exchange interaction)에 의해 자구 (domain)를 가질 수 있으며, 자구(magnetic domain)는 비휘발성을 지닌다. 따라서, 강자성 물질이 가지는 자구의 자화 방향은 메모리로서 이용될 수 있다. 자유 전자의 스핀과 자화가 서로 상호작용하는 스핀 토크 현상에 의해, 강자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall)은 전류에 의하여 이동할 수 있다.
스핀 토크는 여러 방식으로 발생한다. 예를 들어, 비자성 중금속층이 강자성층에 이웃하게 배치되면, 상기 비자성 중금속층에서 일어나는 스핀 홀 효과 (spin Hall effect)에 의해 특정 방향의 스핀을 가진 전자들이 상기 강자성층으로 유입된다. 이에 의해 발생하는 토크를 스핀 궤도 토크 (spin orbit torque)라고 부른다.
이 스핀 궤도 토크는 상기 비자성 중금속층의 두께에 비례하여 결정될 수 있다. 상기 강자성층에 이웃한 위 및 아래에 각각 배치된 상부 비자성 중금속층 및 하부 비자성 중금속층의 두께와 물질을 적절히 조절해줌으로써, 스핀 궤도 토크의 크기 및 부호가 조절될 수 있다.
본 발명의 발명자는 한국 등록 특허 KR 10-1844128 B1에서 스핀 홀 효과 조정 기술을 이용한 자기 메모리를 제안하였다. 한국 등록 특허 KR 10-1844128 B1에서, 스핀 홀 효과 조정 기술을 이용하여 스핀 궤도 토크의 부호가 서로 반대인 영역의 경계면을 강자성층에 수직으로 만든다. 스핀 궤도 토크의 부호가 반대인 영역의 경계면은 자구벽을 상기 경계면에서 멈출 수 있다. 또한 전류를 반대로 걸어주면, 상기 경계면에서 자구벽이 임의의 방향으로 탈출하고, 탈출하는 방향을 일정하게 일 방향으로 만들어주기 위하여 노치 (Notch)와 같은 이동 방향 선택 부재가 필요하다. 하지만 이러한 이동 방향 선택을 위한 노치는 강자성층을 포함하는 도선의 저항을 증가시킨다. 상기 노치는 스핀 궤도 토크의 부호가 서로 반대인 영역의 경계면과 정확한 정렬을 요구하여, 상기 노치는 기술적으로 구현하기 어렵다. 따라서 노치 없이 자구벽을 스핀 홀 효과 조정 경계면으로부터 일 방향으로 디피닝 (depinning)시켜 줄 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 노치와 같은 이동 방향 선택 부재없이 비자성 중금속층의 형상으로 일 방향으로 자구벽을 디피닝시켜줄 수 있는 새로운 방법을 제시한다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 노치와 같은 별도의 이동 방향 선택 부재없이 비자성 중금속층의 형상으로 일 방향으로 자구벽을 특정 방향으로 디피닝 시키는 자구벽 이동 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는, 복수의 자구벽을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께와 일정한 폭을 가지고 연장되는 강자성층; 제2 두께를 가지고 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층; 및 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층;을 포함한다. 상기 상부 비자성 중금속층은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께를 가지는 제1 영역과 상기 제3 두께보다 큰 제4 두께를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 두께는 상기 제3 두께보다 크고 상기 제4 두께보다 작고, 상기 제1 영역은 음의 스핀궤도 효과를 제공하고, 상기 제2 영역은 양의 스핀궤도 효과를 제공하고, 상기 강자성층은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 영역에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 교번하여 주기적으로 배치되고, 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 서로 접하는 제1 경계선 및 제2 경계선 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차되도록 구부러진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 영역의 일단은 국부적으로 함몰되고, 상기 제2 영역의 타단은 국부적으로 돌출되고, 상기 제2 영역의 일단에서 함몰된 부위의 폭(W1)은 함몰되지 않은 폭(W-W1)보다 크고, 상기 제2 영역의 타단에서 돌출된 부위의 폭(W1)은 돌출되지 않은 폭(W-W1)보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 영역의 일단은 국부적으로 돌출되고, 상기 제2 영역의 타단은 국부적으로 함몰되고, 상기 제2 영역의 일단에서 돌출된 부위의 폭(W1')은 함몰되지 않은 폭(W-W1')보다 작고, 상기 제2 영역의 타단에서 함몰된 부위의 폭(W1')은 함몰되지 않은 폭(W-W1')보다 작다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 경계선은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역의 좌측에 배치되고, 상기 제2 경계선은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역의 우측에 배치되고, 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 폭 방향의 직선은 상기 제1 경계선 주위에서 상기 제2 영역보다 상기 제1 영역을 더 많이 가로지르고, 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 폭 방향의 직선은 상기 제2 경계선을 주위에서 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역을 더 많이 가로지른다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 경계선은 중심에서 국부적으로 돌출된 형상, 또는 중심에서 국부적으로 함몰된 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 경계선은 "<" 형상이고, 상기 강자성층은 모서리 피닝 사이트를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 하나의 상기 단위 셀에 대응하는 상기 하부 비자성 중금속층의 하부에 배치된 기록 강자성층; 상기 기록 강자성층의 하부에 배치된 하부 기록 전극; 상기 기록 강자성층에 대응하는 상기 상부 비자성 중금속층의 상부에 배치된 상부 기록 전극; 및 상기 하부 기록 전극과 상기 상부 기록 전극 사이에 전류를 인가하는 기록 전원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강자성층의 일단, 상기 하부 비자성 중금속층의 일단, 및 상기 상부 비자성 중금속층의 일단에 연결된 제1 전극; 상기 강자성층의 탄단, 상기 하부 비자성 중금속층의 탄단, 및 상기 상부 비자성 중금속층의 타단에 연결된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전류를 제공하는 자구벽 이동 전원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는, 복수의 자구벽을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께와 일정한 폭을 가지고 연장되는 강자성층; 제2 두께를 가지고 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층; 및 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층;을 포함한다. 상기 상부 비자성 중금속층은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께를 가지는 제1 영역과 상기 제3 두께보다 큰 제4 두께를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 두께는 상기 제3 두께보다 크고 상기 제4 두께보다 작고, 상기 제1 영역은 음의 스핀궤도 효과를 제공하고, 상기 제2 영역은 양의 스핀궤도 효과를 제공하고, 상기 강자성층은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 영역에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 교번하여 주기적으로 배치되고, 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 서로 접하는 제1 경계선 및 제2 경계선 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다. 상기 자구벽 이동 소자의 동작 방법은, 하부 비자성 중금속층, 강자성층, 및 상부 비자성 중금속층으로 구성된 나노와이어의 양의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 자구벽을 상기 제1 경계선에 대응하는 위치에 피닝하는 단계; 상기 나노와이어의 음의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 제1 경계선에 대응하는 위치에 피닝된 자구벽을 디피닝시킨 후 양의 연장 방향으로 이동시키어 상기 제2 경계선에 대응하는 위치에 피닝하는 단계; 및 상기 나노와이어의 양의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 제2 경계선에 대응하는 위치에 피닝된 상기 자구벽을 디피닝시킨 후 양의 연장 방향으로 이동시키어 다음 단위 셀의 제1 경계선에 대응하는 위치에 피닝하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는, 수직 자기 이방성을 가지고 연장되는 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 중금속층을 포함한다. 상기 비자성 중금속층은 음의 스핀궤도 효과를 제공하는 제1 비자성 중금속층 및 양의 스핀궤도 효과를 제공하는 제2 비자성 중금속층을 포함하고, 상기 강자성층의 자구벽은 상기 바자성 중금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고, 상기 강자성층은 상기 제1 비자성 중금속층에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 비자성 중금속층에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함하고, 상기 제1 비자성 금속층과 상기 제2 비자성 금속층은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 비자성 금속층과 상기 제12비자성 금속층이 서로 접하는 제1 경계선 및 제2 경계선 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 폭 방향의 직선은 상기 제2 비자성 중금속층보다 상기 제1 비자성 중금속층을 더 많이 가로지른다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는 노치와 같은 별도의 이동 방향 선택 부재없이 비자성 중금속층의 형상으로 일 방향으로 자구벽을 특정 방향으로 디피닝 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 2는 자구벽 이동 소자를 확대한 사시도이다.
도 3은 도 1의 자구벽 이동 소자의 전류 방향에 따른 동작을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1의 자구벽 이동의 동작 방법을 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 1의 자구벽 이동 소자의 미소 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 자구벽 이동 소자의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 6의 자구벽 이동 소자의 미소 시뮬레이션 결과이다.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 10은 도 9의 자구벽 이동 소자의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 11 도9 의 자구벽 이동 소자의 미소 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 13은 도 12의 자구벽 이동 소자의 전류 방향에 따른 동작을 나타내는 평면도이다.
자구벽 이동을 이용한 정보저장장치의 핵심 기술 중 하나는 자구벽의 피닝(pinning) 기술이다. 자성트랙에 인가된 전류에 의해 움직이기 시작한 자구벽은 소정 길이만큼 이동한 후, 자성트랙의 특정 위치에 정지, 즉, 피닝(pinning)될 수 있어야 한다. 따라서, 자구벽의 비트 단위 (또는 단위 셀)로 이동할 수 있다.
자구벽의 피닝(pinning)을 위해 주로 노치(notch)가 이용된다. 즉, 자성트랙에 노치(notch)를 형성하여, 상기 노치를 자구벽의 피닝 지점(pinning site)으로 사용한다. 그러나 노치(notch)만으로 자구벽을 피닝시키 위해서는 크기가 큰 구조의 노치(notch)가 필요하다. 상기 노치를 이용함에 있어서, 여러 문제점이 발생할 수 있다. 예컨대, 자성트랙의 노치(notch) 부분에 전류가 집중되어 열이 발생할 수 있다. 이로 인해, 자성트랙에 기록된 정보의 신뢰성이 떨어지고, 자성트랙 자체가 손상되는 등 다양한 문제가 유발될 수 있다. 또한 수 내지 수십 나노미터(nm) 정도의 두께 및 폭을 갖는 자성트랙에 크기가 큰 구조의 노치(notch)를 형성하는 것은 용이하지 않다. 크기가 큰 노치(notch)들을 균일한 간격, 크기 및 모양을 갖도록 형성하는 것은 더욱 어렵다. 노치(notch)의 간격, 크기 및 모양이 불균일하면, 그에 따라 자구벽을 정지시키는 자기장의 강도, 즉 피닝(pinning) 자기장의 강도가 달라지기 때문에, 노치만으로 자구 벽을 피닝시키는 경우에는 소자 특성이 불균일해질 수 있다.
수직자기 이방성(PMA, perpendicular magnetic anisotropy)이란 평면에 수직한 방향으로 스핀들이 정렬되어 있는 상태를 말한다. 상기 수직자기이방성을 가지는 강자성체 박막 구조에서, 자화 방향이 수직방향의 평행(parallel) 또는 반평행(antiparallel) 방향으로 정렬된 구역을 자구라고 하고, 자구와 자구 사이의 경계를 자구벽이라고 한다.
수직자기이방성을 가지는 비자성 중금속층/강자성층을 구비한 나노와이어에 자구벽 이동을 위하여, 스핀 전류( 또는 스핀 홀 전류, Spin Hall Current)가 인접한 비자성 중금속층에서 스핀홀 효과(spin Hall effect) 또는 라시바 효과(Rashiba effect)에 의하여 발생하여 강자성층에 유입된다. 상기 스핀 전류( 스핀 홀 전류)는 강자성층 내로 주입될 수 있다. 상기 스핀 홀 전류는 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 의하여 외부 자기장 없이 상기 자구 벽을 빠르게 이동시킨다. 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 의한 자구벽의 이동속도는 종래의 강자성층만에 흐르는 전하 전류에 의한 스핀 전달 토크(spin transfer torque)에 의한 자구벽의 이동속도보다 빠를 수 있다.
그러나, 상기 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 기인하여 이동하는 전류-유도 자구벽 이동 소자도 역시 특정한 위치에서 비트 단위로 자구 벽을 고정하는 피닝 기술 및 비트 단위로 일 방향으로 이동시키는 이동 기술이 요구된다.
스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 이동하는 전류-유도 자구벽 이동 소자는 서로 다른 부호의 스핀토크 계수를 가지는 영역을 교번하여 배치하여, 자구벽을 특정한 위치에서 멈출 수 있다.
한국 등록 특허 KR 10-1844128 B1를 참조하면, 스핀 토크 현상의 부호를 국소적으로 변조함으로써, 스핀 궤도 토크에 기반한 자구벽 소자에서 자구벽을 특정 위치에 고정시킬 수 있다.
자구벽의 이동방향(SDM)은 스핀토크 계수의 부호(SST)와 인가된 전류 부호(SJ)의 곱에 의해 결정된다. 즉, SDM = SST ㅧSJ 이다. 이때 스핀토크 계수의 부호는 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호(SSOT)와 비대칭 상호 교환결합(Dzyaloshinskii Moriya interaction, DMI) 부호(SDMI)의 곱에 의해 결정된다. 즉, SST =SSOT ㅧSDMI 이다. 여기서 스핀궤도 현상은 스핀 홀 효과(spin Hall effect) 또는 라시바 효과(Rashba effect)에 의해 발생한다. 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호(SSOT)는 전류 방향과 자벽 이동 방향에 의하여 정의된다.
전류-유도 자구벽 이동 소자의 국소 영역의 스핀궤도 현상의 부호(SSOT) 또는 비대칭 상호 교환결합의 부호(SDMI)를 소자의 연장 방향을 따라 주기적으로 변조하면, 스핀토크 계수의 부호(SST)가 반대인 영역을 생성할 수 있다. 이에 따라, 전류-유도 자구벽 이동 소자의 연장 방향을 따라, 상기 스핀토크 계수의 부호는 교번하면서 변경된다. 스핀토크 계수의 부호의 변조는 스핀 궤도 현상의 부호 변조에 의하여 수행될 수 있다. 스핀토크 계수의 부호(SST)는 비대칭 상호 교환결합(Dzyaloshinskii Moriya interaction, DMI) 부호(SDMI)를 일정하게 유지하고 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호(SSOT)를 공간적으로 변조하여 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에서, DMI 부호(SDMI)는 일정한 부호를 가지도록 설정되므로, 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호(SSOT)는 스핀홀 효과의 부호에 의하여 결정된다. 본 발명의 실시예들에서, 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호(SSOT)는 스핀홀 효과의 부호와 동일하도록 설정된다. 스핀홀 효과의 부호는 비자성 중금속층의 물질 자체의 특성에 의하여 변경되거나, 동일한 물질을 사용한 경우에도 적층 구조에 의하여 변경될 수 있다.
스핀토크 계수의 공간 변조 또는 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호 변조는 자구벽을 특정한 위치에 피닝할 수 있다. 그러나, 상기 자구벽은 상기 비자성 중금속층의 면내 전류에 의하여 디피닝 시 양 방향 중에서 어느 방향으로도 이동할 수 있다. 따라서, 특정한 이동 방향을 선택하는 이동 방향 선택 수단이 요구된다. 종래의 이동 방향 선택 수단은 강자성층에 형성된 노치, 상기 강자성층에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 강자성층 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다. 그러나, 강자성층에 형성된 노치는 열 집중, 소자 특성 불균일, 및 저항 증가를 유발할 수 있다. 또한, 별도의 자기장 인가 수단은 자구벽의 이동 방향을 선택하기 위하여 구조적인 복잡성을 유발한다. 또한, 강자성층의 이온 주입 불순물 영역은 상기 강자성층의 자화 특성을 변경하여 정보를 손실할 수 있다.
본 발명은 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 공간 변조를 이용하여 자구벽을 특정한 위치에 피닝하고, 비자성 중금속층의 표면 형상 또는 재질만으로 자구벽을 특정한 방향으로 디피닝시키어 일정한 방향으로 자구벽을 이동시키는 자구벽 이동 소자를 제공한다. 즉, 상기 강자성층은 비자성 중금속층의 특성에 따라 음의 스핀궤도 효과를 가진 제1 스핀 궤도 영역과 양의 스핀 궤도 효과를 가진 제2 스핀 궤도 영역으로 구분된다. 제1 스핀 궤도 영역은 음의 스핀 홀 효과를 제공하는 비자성 중금속층에 의하여 정의된다. 제2 스핀 궤도 영역은 양의 스핀 홀 효과를 제공하는 비자성 중금속층에 의하여 정의된다. 상기 자구벽은 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역의 경계에서 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역를 모두 가로질러 피닝된다. 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역은 동일한 형상을 가지고 교번하여 배치된다. 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역은 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치평면에서, 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역은 서로의 경계에서 함몰 부위와 돌출 부위가 서로 끼움 결합한 형태를 가진다. 상기 경계는 계단형상일 수 있다.
상기 자구벽의 피닝 동작시, 상기 자구벽은 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역의 경계 주위에서 폭 방향에서 연장 방향으로 활처럼 휘어져 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역을 가로지른다. 휘어진 자구벽이 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역을 가로지르는 영역비는 1:1 일 수 있다.
하지만, 면내 전류가 제거된 경우, 상기 자구벽은 폭 방향으로 직선으로 펴진다. 또한, 상기 자구벽이 직선으로 펴진 경우, 상기 자구벽은 상기 제2 스핀 궤도 영역보다 상기 제1 스핀 궤도 영역과 더 많이 교차한다. 구체적으로 직선 자구벽이 상기 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 스핀 궤도 영역을 가로지르는 면적비는 6 : 4 일 수 있다. 상기 비자성 중금속층 및 강자성층에 반대 방향의 면내 전류가 흘러 상기 자구벽이 디피닝하는 경우, 상기 자구벽은 상기 제2 스핀 궤도 영역보다 상기 제1 스핀 궤도 영역을 더 많이 교차한다. 따라서, 상기 제1 스핀 궤도 영역에 인가되는 제1 스핀 토크는 상기 제2 스핀 궤도 영역에 인가되는 제2 스핀 토크보다 더 크다. 이에 따라, 상기 자구벽은 더 많은 면적을 가로지르는 상기 제1 스핀 궤도 영역에 의하여 특정한 방향으로 이동한다. 한편, 상기 자구벽이 이동을 시작하는 순간, 상기 자구벽은 제1 스핀 토크에 의하여 상기 제1 스핀 궤도 영역 방향으로 활모양으로 휘어지며, 상기 자구벽은 더 큰 스핀 토크에 의하여 안정적으로 특정 방향으로 디피닝할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스핀토크 계수의 부호(SST)는 강자성층의 상부 및 하부에 각각 배치된 비자성 중금속층의 두께를 위치에 따라 주기적으로 변화시키어 변경될 수 있다. 상기 자구벽이 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 동시에 교차하도록 비자성 중금속층의 특정한 형상을 가진 경우, 상기 자구벽의 이동 방향은 특정한 방향으로 선택된다. 비자성 중금속층의 특정한 형상은 면내 전류에 의하여 양 방향 중 특정한 방향으로 더 많은 스핀 토크를 상기 자구벽에 제공하여 상기 자구벽의 이동 방향을 선택할 수 있다. 결국, 스핀 홀 효과의 부호를 공간 변조하는 스핀 홀 효과 조정 기술과 비자성 중금속층의 특정한 형상을 이용하면, 전류 방향을 순차적으로 바꾸어 주는 것만으로 원하는 위치로 자구벽은 단계적으로 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강자성층의 상부 및 하부에 상부 비자성 중금속층 및 하부 비자성 중금속층이 각각 배치된다. 상기 하부 비자성 중금속층의 두께는 일정하고, 상기 상부 비자성 중금속층의 두께는 연장방향에서 주기적으로 변조된다. 이에 따라, 상기 상부 비자성 중금속층은 제1 스핀홀 전류를 상기 강자성층에 주입하고, 상기 하부 비자성 중금속층은 제2 스핀홀 전류를 상기 강자성층에 주입한다. 상기 강자성층에 주입된 스핀홀 전류는 서로 상쇄되어 상기 상부 비자성 중금속층의 두께에 의존하는 스핀홀 전류 및 스핀 분극을 가진다. 상기 상부 비자성 중금속층의 두께에 따라, 스핀 홀 효과(spin Hall effect)의 부호 및 크기를 공간적으로 조절한다. 즉, 본 발명의 자구벽 이동 소자는 스핀 홀 효과 공간 변조 효과를 사용한다. 강자성층은 서로 같은 스핀 홀 효과 부호를 가지는 비자성 중금속층 사이에 샌드위치 (sandwiching)될 수 있다. 순수 스핀 홀 효과에 의해 강자성층에 주입되는 스핀 전류의 상대적 크기는 강자성층의 상부 및 하부에 각각 배치된 상부 비자성 중금속층 및 하부 비자성 중금속층의 두께를 조절하여 구현된다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 2는 자구벽 이동 소자를 확대한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자구벽 이동 소자(100)는, 복수의 자구벽(121)을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께(T1)와 일정한 폭(W)을 가지고 연장되는 강자성층(120); 제2 두께(T2)를 가지고 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층(110); 및 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층(130);을 포함한다. 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께(T3)를 가지는 제1 영역(130a)과 상기 제3 두께(T3)보다 큰 제4 두께(T4)를 가지는 제2 영역(130b)을 포함한다. 상기 제2 두께(T2)는 상기 제3 두께(T3)보다 크고 상기 제4 두께(T4)보다 작다. 상기 제1 영역(130a)은 음의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 제2 영역(130b)은 양의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 강자성층(130)은 상기 제1 영역(130a)에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 상기 제2 영역(130b)에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역(120b)을 포함한다. 상기 제1 영역(130a)과 상기 제2 영역(130b)은 교번하여 주기적으로 배치된다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축 방향)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 제1 영역(130a)과 상기 제2 영역(130b)이 서로 접하는 제1 경계선(131a) 및 제2 경계선(131b) 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다.
나노 와이어(101)는 차례로 적층된 하부 비자성 중금속층(110), 강자성층(120), 및 상부 비자성 중금속층(130)을 포함한다. 상기 나노와이어는 연장 방향(+x축 방향)으로 연장된다. 상기 나노 와이어(101)는 복수의 단위 셀들을 포함한다. 단위 셀은 상기 제1 영역(130a)과 상기 제2 영역(130b)에 대응하는 상기 나노와이어(101)의 구간이다. 상기 스핀궤도 효과는 스핀 홀 효과 및/또는 라시바 효과에 의하여 형성될 수 있다.
강자성층(120)은 수직자기 이방성 및 비대칭 상호 교환결합(Dzyaloshinskii Moriya interaction, DMI) 값을 가질 수 있다. 비대칭 상호 교환결합(Dzyaloshinskii Moriya interaction, DMI)의 값은 0.4 ~ 1 mJ/m2 일 수 있다. 상기 강자성층(120)의 제1 두께(T1)는 수 nm 이며, 코발트, 철, 니켈, 및 이들의 합금일 수 있다. 상기 강자성층(120)은 다층 박막으로 형성될 수 있다. 상기 강자성층(120)은 일정한 폭(W)을 가지고 연장 방향(x축 방향)으로 연장된다. 상기 강자성층(120)은 상기 제1 영역(130a)에 대응하는 상기 제1 스핀궤도 영역(120a) 및 상기 제2 영역(130b)에 대응하는 상기 제2 스핀궤도 영역(120b)을 포함한다. 상기 제1 스핀 궤도 영역(120a)은 음의 스핀 궤도 효과에 의하여 +x축 방향의 면내 전류에 의하여 상기 제1 스핀 궤도 영역(120a) 내에 배치된 자구벽(121)에 -x축 방향의 힘을 제공한다. 상기 제2 스핀 궤도 영역(120b)은 양의 스핀 궤도 효과에 의하여 +x축 방향의 면내 전류에 의하여 상기 제2 스핀 궤도 영역(120b) 내에 배치된 자구벽(121)에 +x축 방향의 힘을 제공한다.
하부 비자성 중금속층(110)은 백금, 탄탈, 텅스텐, 및 팔라듐일 수 있다. 상기 하부 비자성 중금속층(110)은 높은 스핀 홀 효과를 발생시킬 수 있다. 상기 하부 비자성 중금속층(110)은 제2 두께(T2)를 가지고, 상기 강자성층(120)의 하부에 상기 강자성층과 접촉하여 배치된다. 상기 하부 비자성 중금속층(110)은 상기 강자성층과 동일한 폭을 가지고 서로 정렬되어 연장 방향으로 연장된다. 면내 전류가 없는 경우, 상기 자구벽(121)은 단위 셀들 사이의 경계 마다 배치될 수 있다. 하지만, 이웃한 단위 셀들의 데이터가 동일한 경우, 자구벽(121)은 단위 셀들 사이에 배치되지 않는다.
상부 비자성 중금속층(130)은 백금, 탄탈, 텅스텐, 및 팔라듐일 수 있다. 상기 상부 비자성 중금속층(110)은 높은 스핀 홀 효과 또는 스핀 궤도 효과를 발생시킬 수 있다. 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 상기 강자성층의 상부에 상기 강자성층과 접촉하여 배치된다. 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 상기 강자성층과 동일한 폭을 가지고 서로 정렬되어 연장 방향으로 연장된다. 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께(T3)를 제1 영역(130a)과 상기 제3 두께(T3)보다 큰 제4 두께(T4)를 가지는 제2 영역(130b)을 포함한다. 상기 제2 두께(T2)는 상기 제3 두께(T3)보다 크고 상기 제4 두께(T4)보다 작다.
상기 상부 비자성 중금속층(130)의 재질은 상기 하부 비자성 중금속층(110)과 동일한 재질일 수 있다. 이 경우, 스핀 계수 효과의 부호는 단순히 두께 차이에 의하여 정의된다. 즉, (T2-T3)는 (T4-T2)일 수 있다.
하부 비자성 중금속층/강자성층/상부 비자성 중금속층의 나노와이어(101)에 면내 전류가 연장 방향(+x축 방향)으로 흐른다. 이 경우, 상기 제2 스핀 궤도 영역(120b)에서, 하부 비자성 중금속층(110)은 +z축 방향의 스핀 홀 전류(ISH_D)를 상기 강자성층(120)에 주입한다. 상기 스핀 홀 전류(ISH_D)의 스핀 분극 방향은 폭 방향(+y축 방향)이다. 또한, 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 -z축 방향의 스핀 홀 전류(ISH_T)를 상기 강자성층에 주입한다. 상기 스핀 홀 전류(ISH_T)의 스핀 분극 방향은 폭 방향(-y축 방향)이다. 상기 하부 중금속층의 두께(T2)가 상기 상부 중금속층(130)의 제2 영역(130b)의 두께(T4)보다 작다. 따라서, 상기 제2 영역(130a)에 대응하는 상기 강자성층에서 순수한 스핀 홀 전류는 -z축 방향이고, 스핀 분극 방향은 -y축 방향이다. 이에 따라, 순수 스핀궤도 효과는 양의 값을 가진다. 즉, +x축 방향의 면내 전류가 인가된 경우, 순수한 스핀 홀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 외부 자기장 없이 상기 제2 스핀 궤도 영역(120b)의 상기 자구벽(121)을 +x축 방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 제1 스핀 궤도 영역(120a)에서, 하부 비자성 중금속층(110)은 +z축 방향의 스핀 홀 전류(ISH_D)를 상기 강자성층(110)에 주입한다. 상기 스핀 홀 전류(ISH_D)의 스핀 분극 방향은 폭 방향(+y축 방향)이다. 또한, 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 -z축 방향의 스핀 홀 전류(ISH_T)를 상기 강자성층에 주입한다. 상기 스핀 홀 전류(ISH_T)의 스핀 분극 방향은 폭 방향(-y축 방향)이다. 상기 하부 중금속층의 두께(T2)가 상기 상부 중금속층의 제1 영역의 두께(T3)보다 크다. 따라서, 상기 제1 영역에 대응하는 상기 강자성층에서 순수 스핀 홀 전류는 +z축 방향이고, 스핀 분극 방향은 +y축 방향이다. 이에 따라, 순수 스핀궤도 효과는 음의 값을 가진다. 즉, +x축 방향의 면내 전류가 인가된 경우, 순수 스핀 홀 전류는 스핀 궤도 토크에 의하여 외부 자기장 없이 상기 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 상기 자구벽(121)을 -x축 방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 강자성층(120a)에는 제1 스핀궤도 영역(120a)과 제2 스핀궤도 영역(120b)이 교번하면서 배치된다. 면내 펄스 전류가 상기 나노 와이어(101)에 흐르는 경우, 상기 자구벽(121)은 제1 스핀궤도 영역(120a)과 제2 스핀궤도 영역(120b)의 경계에 피닝된다.
한편, 상기 경계에 피닝된 자구벽을 특정 방향(+x축 방향)으로 디피닝하기 위하여, 상기 제1 영역(130a) 및 상기 제2 영역(130b)은 특정한 형상을 가진다. 상기 자구벽(121)이 피닝된 위치에서, 상기 자구벽(121)은 서로 동일하지 않은 양의 스핀 궤도 토크 및 음의 스핀 궤도 토크를 받도록 상기 제1 영역(130a) 및 상기 제2 영역(130b)의 형상이 설정된다.
상기 제2 영역(130b)의 우측 일단은 국부적으로 중심에서 음의 연장 방향(-x축 방향)으로 함몰되고, 상기 제2 영역(130b)의 좌측 타단은 국부적으로 음의 연장 방향(-x축 방향)으로 돌출될 수 있다. 상기 제2 영역(130b)의 우측 일단에서 함몰된 부위(130bb)의 폭(W1)은 함몰되지 않은 부위의 폭(W-W1)보다 크고, 상기 제2 영역(130b)의 좌측 타단에서 돌출된 부위(130bc)의 폭(W1)은 돌출되지 않은 부위의 폭(W-W1)보다 크다. 즉, 함몰된 부위(130bb)의 폭(W1) 또는 돌출된 부위의 폭(W1)은 전체 폭(W)의 반(1/2) 보다 클 수 있다.
상기 제1 경계선(131a)은 상기 연장 방향(+x축 방향)에서 상기 제1 영역(130a)의 좌측에 배치되고, 상기 제2 경계선(131b)은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역(130a)의 우측에 배치될 수 있다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제1 경계선을 두 번 가로지를 수 있다. 예를 들어, 상기 경계선은 계단 형태일 수 있다.
함몰된 부위(130bb)의 폭(W1) 또는 돌출된 부위의 폭(W1)은 전체 폭(W)의 반(1/2) 보다 큰 경우, 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제1 경계선(131a) 주위에서 상기 제2 영역(130b)보다 상기 제1 영역(130a)을 더 많이 가로지른다. 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제2 경계선(131b) 주위에서 상기 제1 영역(130a)보다 상기 제2 영역(130b)을 더 많이 가로지른다.
상기 제1 경계선(131a)은 배치 평면(xy 평면)에서 음의 연장방향으로 제1 영역의 중심축에서 국부적으로 돌출된 형상일 수 있다. 상기 제1 경계선(131a)은 계단형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 경계선(131a)과 접하는 제2 영역(130b)은 함몰된 부위를 가질 수 있다.
상기 제2 경계선(131b)은 배치 평면(xy 평면)에서 음의 연장방향으로 제1 영역의 중심축에서 함몰된 형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 경계선과 접하는 제2 영역은 돌출된 부위를 가질 수 있다.
상기 자구벽이 면내 전류에 의하여 디피닝하는 경우, 상기 제1 경계선(131a) 및 상기 제2 경계선(131b)은 +x 방향으로 초기 디피닝을 유도할 수 있다. 이에 따라, 양의 면내 전류와 음의 면내 전류를 교번하여 제공하면, 상기 자구벽은 +x 방향으로 순차적으로 이동한다. 따라서, 상기 나노 와이어(101)에 저장된 정보는 순차적으로 +x 방향으로 이동한다.
상기 나노 와이어(101)의 좌측에는 정보를 기록하기 위한 자기 기록부(150)가 배치되고, 상기 나노 와이어의 우측에는 정보를 독출하기 위한 자기 독출부(160)가 배치될 수 있다.
한 쌍의 전극(104a,104b)은 상기 나노 와이어(101)의 양단에 각각 배치될 수 있다. 자구벽 이동 전원(142)은 상기 한 쌍의 전극(104a,104b)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 자구벽 이동 전원(142)은 양의 면내 펄스 전류 및 음의 면내 펄스 전류를 교번하여 인가할 수 있다. 제1 전극(104a)은 상기 강자성층(120)의 일단, 상기 하부 비자성 중금속층(110)의 일단, 및 상기 상부 비자성 중금속층(130)의 일단에 연결될 수 있다. 제2 전극(104b)은 상기 강자성층(120)의 타단, 상기 하부 비자성 중금속층(110)의 타단, 및 상기 상부 비자성 중금속층(130)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 자구벽 이동 전원(142)은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 양 또는 음의 면내 전류를 제공할 수 있다.
자기 기록부(150)는 상기 나노와이어(101)의 일단 주위에 배치되어 상기 강자성층(120)의 자구의 자화 방향을 변경할 수 있다. 상기 자기 기록부(150)는 거대자기저항 소자를 구성할 수 있다.
상기 자기 기록부는 하나의 상기 단위 셀에 대응하는 상기 하부 비자성 중금속층(110)의 하부에 배치된 기록 강자성층(152); 상기 기록 강자성층의 하부에 배치된 하부 기록 전극(154); 상기 기록 강자성층(154)에 대응하는 상기 상부 비자성 중금속층(130)의 상부에 배치된 상부 기록 전극(156); 및 상기 하부 기록 전극과 상기 상부 기록 전극 사이에 전류를 인가하는 기록 전원(158)을 포함할 수 있다. 상기 상부 기록 전극(156)은 서로 이웃한 상기 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)을 덮을 수 있다.
상기 기록 강자성층(152)은 수직 자기 이방성을 가지고 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 기록 강자성층(152)은 하나의 단위 셀에 대응하도록 배치될 수 있다.
상기 하부 기록 전극(152)은 상기 기록 전원과 전기적 연결을 위한 전극일 수 있다. 상기 상부 기록 전극(156)은 하나의 단위 셀에 대응하도록 배치되고, 상기 기록 전원과 전기적 연결을 위한 전극일 수 있다. 상기 기록 전원(158)은 기록 펄스 전류를 인가하여 스핀 전달 토크에 의하여 단위 셀에 대응하는 상기 강자성층에 자화 방향을 변경할 수 있다. 이에 이웃한 자구의 방향이 다른 경우, 자구벽이 생성된다.
자기 독출부(160)는 나노와이어(101)의 타단 가장 자리에 배치되어 상기 강자성층의 자구의 자화 방향을 독출할 수 있다. 상기 자기 독출부(160)는 상기 나노와이어에 인접하게 배치된 거대자기저항 소자를 구성할 수 있다.
자기 독출부(160)는 상기 제1 영역(130a) 또는 상기 제2 영역(130b)에 대응하고 상기 하부 비자성 중금속층(110)의 하부에 배치된 독출 강자성층(164); 상기 독출 강자성층의 하부에 배치된 하부 독출 전극(164); 상기 독출 강자성층(162)에 대응하는 상기 상부 비자성 중금속층의 상부에 배치된 상부 독출 전극(166); 및 상기 하부 독출 전극(164)과 상기 상부 독출 전극(166) 사이에 전류 또는 전압을 인가하는 독출 회로(168)를 포함할 수 있다. 상기 자기 독출부(168)는 두 개의 자성층 사이에 삽입된 비자성층에 의한 자기저항 효과를 이용하여 저항값의 변화를 검출하여 저장된 정보를 판독할 수 있다.
도 3은 도 1의 자구벽 이동 소자의 전류 방향에 따른 동작을 나타내는 평면도이다.
도 3의 (a)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1(t=T))가 나노와이어(101)에 연장 방향(+x 방향)으로 흐른다. 여기서 T는 펄스의 폭이다. 이 경우, 자구벽(121)은 +x 방향으로 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)를 받아, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에 도달한 후 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽(121)은 배치평면(xy 평면) 내에서 폭 방향(y축 방향)에서 연장되나, 음의 연장 방향(-x축 방향)으로 돌출되어 "(" 형태로 배치된다. 이 경우, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서, 상기 자구벽은 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)을 받는다. 상기 자구벽은 상기 경계에서 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 겹치는 부위에서 +x 축 방향의 힘을 받고, 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 겹치는 부위에서 -x축 방향의 힘을 받는다. 이에 따라, 상기 자구벽은 "(" 형태를 가질 수 있다. 이 경우, "(" 형태의 자구벽은 +x 축 방향의 힘과 -x축 방향의 힘이 동일한 위치 또는 가로지르는 면적비가 동일한 위치에서 피닝된다.
도 3(b)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 꺼진 경우, 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계 또는 제1 경계선(131a)에 대응하는 위치에 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽은 폭 방향으로 직선 형상으로 변경된다. 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 4:6의 면적비를 가지고 가로지른다. 즉, 상기 자구벽은 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 제2 스핀 궤도 영역(120b)보다 더 많이 가로지른다.
도 3(c)을 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2(t=0+))가 인가된 직 후, 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서 발산하는 힘을 받는다. 한편, 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)보다 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 더 많이 가로지르기 때문에, 상기 자구벽(121)은 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 더 큰 힘을 받는다. 또한, 상기 자구벽(121)은 발산하는 힘에 의하여 ")" 형태로 변형됨에 따라 용이하게 양의 연장 방향으로 이동한다. 상기 자구벽이 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여 제1 스핀 궤도 영역(120a)만으로 이동한 경우, 상기 자구벽(121)은 양의 진행 방향으로만 힘을 받아 다음의 경계로 이동한다. 즉, 자구벽(121)은 양의 연장 방향(+x축)으로 선택되어 디피닝된 후 양의 연장 방향으로 다음 경계까지 이동한다.
도 3(d)를 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2(t=T))에 의하여, 상기 자구벽(121)은 제2 경계선(131b)에 도달한다. 상기 자구벽(121)은 서로 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘을 받는다. 상기 제2 경계선(131b)에서 상기 자구벽(121)은 "(" 형태로 변형되어 서로 수렴하는 동일한 힘을 받아 피닝된다.
도 3(e)를 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1(t=T))가 인가된 경우, 상기 자구벽(121)은 제2 경계선(131b)에서 디피닝된 다음 단위 셀을 구성하는 제1 경계선(131a)에 도달한다.
이와 같이 양의 면내 펄스 전류와 음의 면내 펄스 전류를 나노 와이어(101)에 교번하여 인가하여 자구벽(121)을 양의 진행방향(+x축 방향)으로 순차적으로 이동시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 자구벽 이동의 동작 방법을 설명하는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 자구벽 이동 소자(100)는, 복수의 자구벽(121)을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께(T1)와 일정한 폭(W)을 가지고 연장되는 강자성층(120); 제2 두께(T2)를 가지고 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층(110); 및 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층(130);을 포함한다. 상기 상부 비자성 중금속층(130)은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께(T3)를 가지는 제1 영역(130a)과 상기 제3 두께(T3)보다 큰 제4 두께(T4)를 가지는 제2 영역(130b)을 포함한다. 상기 제2 두께(T2)는 상기 제3 두께(T3)보다 크고 상기 제4 두께(T4)보다 작다. 상기 제1 영역(130a)은 음의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 제2 영역(130b)은 양의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 강자성층(130)은 상기 제1 영역(130a)에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 상기 제2 영역(130b)에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역(120b)을 포함한다. 상기 제1 영역(130a)과 상기 제2 영역(130b)은 교번하여 주기적으로 배치된다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축 방향)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 제1 영역(130a)과 상기 제2 영역(130b)이 서로 접하는 제1 경계선(131a) 및 제2 경계선(131b) 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다.
자구벽 이동 소자의 동작 방법은 하부 비자성 중금속층(110), 강자성층(120), 및 상부 비자성 중금속층(130)으로 구성된 나노와이어(101)의 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 면내 전류(I1)를 인가하여 상기 자구벽(121)을 상기 제1 경계선(131a)에 대응하는 위치에 피닝하는 단계(S110); 상기 나노와이어(101)의 음의 연장 방향으로 면내 전류(I2)를 인가하여 상기 제1 경계선(131a)에 대응하는 위치에 피닝된 자구벽을 디피닝시킨 후 양의 연장 방향으로 이동시키어 상기 제2 경계선(131b)에 대응하는 위치에 피닝하는 단계(S120); 및 상기 나노와이어(101)의 양의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 제2 경계선(131b)에 대응하는 위치에 피닝된 상기 자구벽을 디피닝시킨 후 양의 연장 방향으로 이동시키어 다음 단위 셀의 제1 경계선(131a)에 대응하는 위치에 피닝하는 단계(S130); 를 포함한다.
도 5는 도 1의 자구벽 이동 소자의 미소 자기 시뮬레이션 결과이다.
도 5를 참조하면, Ms는 포화 자화를 나타낸다. DW는 자구벽을 표시한다. 변조 경계(modulation boundart)는 제1 경계선(131a) 또는 제2 경계선(131b)을 나타낸다. 상기 자구벽이 변조 경계에 도달하기 전에는, 직선 또는 사선 형태일 수 있다.
상기 자구벽이 양의 면내 전류 밀도(+J)에 의하여 변조 경계에 도달한 경우, 상기 자구벽은 "(" 자 형태로 휘어진다.
상기 자구벽이 음의 면내 전류 밀도(-J)에 의하여 상기 변조 경계에 디피닝하는 경우, 상기 자구벽은 ")" 자 형태로 휘어진다.
제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계를 배치 평면 상에서 계단형으로 만드는 것만으로 일 방향 디피닝이 구현될 수 있다. 또는 제1 경계선(131a) 및 제2 경계선(131b) 각각을 배치 평면 상에서 계단형으로 만드는 것만으로 일 방향 디피닝이 구현될 수 있다.
자구벽이 입사하는 방향의 계단형 구조의 경계의 폭(W1)이 전체 폭(W)에서 반(W1 > W/2)을 넘는 비율로만 만들어주면, 자구벽이 일 방향으로 디피닝된다.
전류가 꺼지거나 반대로 걸리게 되었을 때, 자구벽이 자구벽의 진행 방향에 있는 스핀궤도 영역에 영역비에 의해 더 많이 걸린 상태로 안정화되어, 상기 자구벽은 양의 진행 방향으로 디피닝된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 경계의 계단형 구조는 노치와 모서리 피닝없이 일 방향 디피닝을 구현할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 계단 구조는 하나의 계단에 한하지 않고 복수 걔일 수 있다. 즉, 상기 폭 방향의 직선은 상기 경계를 2 회 이상 가로지를 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 자구벽 이동 소자(200)는, 복수의 자구벽(121)을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께(T1)와 일정한 폭(W)을 가지고 연장되는 강자성층(120); 제2 두께(T2)를 가지고 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층(110); 및 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층(230);을 포함한다. 상기 상부 비자성 중금속층(230)은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께(T3)를 가지는 제1 영역(230a)과 상기 제3 두께(T3)보다 큰 제4 두께(T4)를 가지는 제2 영역(230b)을 포함한다. 상기 제2 두께(T2)는 상기 제3 두께(T3)보다 크고 상기 제4 두께(T4)보다 작다. 상기 제1 영역(230a)은 음의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 제2 영역(230b)은 양의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 강자성층(230)은 상기 제1 영역(230a)에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 상기 제2 영역(230b)에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역(120b)을 포함한다. 상기 제1 영역(230a)과 상기 제2 영역(230b)은 교번하여 주기적으로 배치된다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축 방향)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 제1 영역(230a)과 상기 제2 영역(230b)이 서로 접하는 제1 경계선(231a) 및 제2 경계선(231b) 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다.
상기 제2 영역(230b)의 우측 일단은 국부적으로 중심에서 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 돌출되고, 상기 제2 영역(230b)의 좌측 타단은 국부적으로 음의 연장 방향(+x축 방향)으로 함몰될 수 있다. 상기 제2 영역(230b)의 우측 일단에서 돌출된 부위(230bb)의 폭(W1')은 돌출되지 않은 부위의 폭(W-W1')보다 작고, 상기 제2 영역(230b)의 좌측 타단에서 함몰된 부위(230bc)의 폭(W1')은 함몰되지 않은 부위의 폭(W-W1')보다 작다. 즉, 돌출된 부위(230bb)의 폭(W1') 또는 함될된 부위(230bc)의 폭(W1')은 전체 폭(W)의 반(1/2) 보다 작을 수 있다.
상기 제1 경계선(231a)은 상기 연장 방향(+x축 방향)에서 상기 제1 영역(230a)의 좌측에 배치되고, 상기 제2 경계선(231b)은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역(230a)의 우측에 배치될 수 있다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제1 경계선(231a)을 두 번 가로지를 수 있다. 예를 들어, 상기 경계선은 계단형, '<' 형태일 수 있다.
돌출된 부위(230bb)의 폭(W1') 또는 함몰된 부위(230bc)의 폭(W1')은 전체 폭(W)의 반(1/2) 보다 작은 경우, 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제1 경계선(231a) 주위에서 상기 제2 영역(230b)보다 상기 제1 영역(230a)을 더 많이 가로지른다. 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제2 경계선(231b) 주위에서 상기 제1 영역(230a)보다 상기 제2 영역(230b)을 더 많이 가로지른다.
상기 제1 경계선(231a)은 배치 평면(xy 평면)에서 양의 연장방향으로 제1 영역의 중심축에서 국부적으로 함몰된 형상일 수 있다. 상기 제1 경계선(131a)은 계단형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 경계선(231a)과 접하는 제2 영역(230b)은 돌출된 부위(230bb)를 가질 수 있다.
상기 제2 경계선(231b)은 배치 평면(xy 평면)에서 양의 연장방향으로 제1 영역의 중심축에서 함몰된 형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 경계선과 접하는 제2 영역(230b)은 함몰된 부위(230bc)를 가질 수 있다.
도 7은 도 6의 자구벽 이동 소자의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 7(a)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 나노와이어(101)에 연장 방향(+x 방향)으로 흐른다. 이 경우, 자구벽(121)은 +x 방향으로 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)를 받아, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에 도달한 후 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽(121)은 배치평면(xy 평면) 내에서 폭 방향(y축 방향)에서 연장되고, 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 돌출되어 ")" 형태로 배치된다. 이 경우, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서, 상기 자구벽은 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)을 받는다. 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 겹치는 부위에서 +x 축 방향의 힘을 받고, 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 겹치는 부위에서 -x축 방향의 힘을 받는다. 이에 따라, 상기 자구벽은 ")" 형태를 가질 수 있다. 이 경우, ")" 형태의 자구벽은 +x 축 방향의 힘과 -x축 방향의 힘이 동일한 위치 또는 가로지르는 면적비가 동일한 위치에서 피닝된다.
도 7(b)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 꺼진 경우, 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계 또는 제1 경계선(231a)에 대응하는 위치에 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽은 폭 방향으로 직선 형상으로 변경된다. 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 4:6의 면적비를 가지고 가로지른다. 즉, 상기 자구벽은 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 제2 스핀 궤도 영역(120b)보다 더 많이 가로지른다.
도 7(c)을 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2)가 인가된 직 후, 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서 발산하는 힘을 받는다. 한편, 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)보다 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 더 많이 가로지르기 때문에, 상기 자구벽은 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 더 큰 힘을 받는다. 또한, 상기 자구벽은 발산하는 힘에 의하여 "(" 형태로 변형됨에 따라 용이하게 양의 연장 방향으로 이동한다. 상기 자구벽이 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여 제1 스핀 궤도 영역(120a)만으로 이동한 경우, 상기 자구벽은 양의 진행 방향으로만 힘을 받아 다음의 경계로 이동한다. 즉, 자구벽은 양의 연장 방향(+x축)으로 선택되어 디피닝된 후 양의 연장 방향으로 다음 경계까지 이동한다.
도 7(d)를 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여, 상기 자구벽은 제2 경계선(231b)에 도달한다. 상기 자구벽은 서로 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘을 받는다. 상기 제2 경계선에서 상기 자구벽은 ")" 형태로 변형되어 서로 수렴하는 동일한 힘을 받아 피닝된다.
도 7(e)를 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 인가된 경우, 상기 자구벽은 제2 경계선(231b)에서 디피닝된 다음 단위 셀을 구성하는 제1 경계선(231a)에 도달한다.
이와 같이 양의 면내 펄스 전류와 음의 면내 펄스 전류를 나노 와이어에 교번하여 인가하여 자구벽을 양의 진행방향(+x축 방향)으로 순차적으로 이동시킬 수 있다.
도 8은 도 6의 자구벽 이동 소자의 미소 시뮬레이션 결과이다.
도 8를 참조하면, Ms는 포화 자화를 나타낸다. DW는 자구벽을 표시한다. 변조 경계(modulation boundary)는 제1 경계선(231a) 또는 제2 경계선(231b)을 나타낸다. 상기 자구벽이 변조 경계에 도달하기 전에는, 직선 또는 사선 형태일 수 있다.
상기 자구벽이 양의 면내 전류 밀도(+J)에 의하여 변조 경계에 도달한 경우, 상기 자구벽은 ")" 자 형태로 휘어진다.
상기 자구벽이 음의 면내 전류 밀도(-J)에 의하여 상기 변조 경계에 디피닝하는 경우, 상기 자구벽은 "(" 자 형태로 휘어진다.
제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계를 배치 평면 상에서 계단형으로 만드는 것만으로 일 방향 디피닝이 구현될 수 있다. 또는 제1 경계선(231a) 및 제2 경계선(231b) 각각을 배치 평면 상에서 계단형으로 만드는 것만으로 일 방향 디피닝이 구현될 수 있다.
자구벽이 입사하는 방향의 계단형 구조의 경계의 폭(W1')이 전체 폭(W)에서 반(W1' < W/2)을 미만 비율로만 만들어주면, 자구벽이 일 방향으로 디피닝된다.
전류가 꺼지거나 반대로 걸리게 되었을 때, 자구벽이 자구벽의 진행 방향에 있는 스핀궤도 영역에 영역비에 의해 더 많이 걸린 상태로 안정화되어, 상기 자구벽은 양의 진행 방향으로 디피닝된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 경계의 계단형 구조는 노치와 모서리 피닝없이 일 방향 디피닝을 구현할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 계단 구조는 하나의 계단에 한하지 않고 복수 걔일 수 있다. 즉, 상기 폭 방향의 직선은 상기 경계를 2 회 이상 가로지를 수 있다.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 자구벽 이동 소자(300)는, 복수의 자구벽(121)을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께(T1)와 일정한 폭(W)을 가지고 연장되는 강자성층(120); 제2 두께(T2)를 가지고 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층(110); 및 상기 강자성층(120)과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층(330);을 포함한다. 상기 상부 비자성 중금속층(330)은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께(T3)를 가지는 제1 영역(330a)과 상기 제3 두께(T3)보다 큰 제4 두께(T4)를 가지는 제2 영역(330b)을 포함한다. 상기 제2 두께(T2)는 상기 제3 두께(T3)보다 크고 상기 제4 두께(T4)보다 작다. 상기 제1 영역(330a)은 음의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 제2 영역(330b)은 양의 스핀궤도 효과를 제공한다. 상기 강자성층(120)은 상기 제1 영역(330a)에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 상기 제2 영역(330b)에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역(120b)을 포함한다. 상기 제1 영역(330a)과 상기 제2 영역(330b)은 교번하여 주기적으로 배치된다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축 방향)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 제1 영역(330a)과 상기 제2 영역(330b)이 서로 접하는 제1 경계선(331a) 및 제2 경계선(331b) 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다.
상기 제2 영역(330b)의 우측 일단은 음의 연장 방향(-x축 방향)으로 "<" 형상으로 함몰되고, 상기 제2 영역(330b)의 좌측 타단은 음의 연장 방향(+x축 방향)으로 "<" 형상으로 돌출될 수 있다.
상기 제1 경계선(331a)은 상기 연장 방향(+x축 방향)에서 상기 제1 영역(330a)의 좌측에 배치되고, 상기 제2 경계선(331b)은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역(330a)의 우측에 배치될 수 있다. 상기 강자성층의 폭 방향(y축)과 연장 방향(x축 방향)에 의하여 정의되는 배치 평면(xy 평면)에서 상기 폭 방향(y축 방향)의 직선은 상기 제1 경계선(331a)을 두 번 가로지를 수 있다. 예를 들어, 상기 경계선은 '<' 형태일 수 있다.
제1 경계선(331a) 및 제2 경계선(331b) 각각은 삼각형 형태의 꺾인 선 형태이다. 상기 강자성층(120)은 그 모서리에 모서리 피닝 사이트(138)를 포함한다. 상기 모서리 피닝 사이트(138)는 표면 거칠기에 의하여 형성될 수 있다. 상기 모서리 피닝 사이트(138)가 존재하는 경우, 삼각형 형태의 꺾인 선 형태의 경계선에 피닝된 자구벽(121)은 면내 전류가 꺼지거나 반대로 걸릴 때, 상기 모서리 피닝 사이트(138)의 모서리 피닝에 의해 유동성이 더 떨어진다. 따라서, 자구벽(121)은 상기 강자성층의 모서리에서 덜 움직이고, 상기 자구벽(121)이 이동하는 방향의 오른쪽 영역에서 자구벽이 더 많이 걸린다. 따라서 자구벽(121)은 오른쪽으로 더 큰 힘을 받게 되어, 결국 다음 영역으로 일 방향 디피닝된다.
만약, 모서리 피닝이 없이 단순히 꺾인 삼각형 구조의 경계선을 이용하면 자구벽은 일 방향 디피닝이 되지 않는다. 결국 구조적으로 통제하기 어려운 노이즈에 해당하는 모서리 피닝과 경계선의 형상이 특정 방향 선택에 기여할 수 있다. 통상의 자기 메모리에서 모서리 피닝은 자구벽의 유동성을 떨어뜨리고, 위치의 불확정성을 증가시키기 때문에 기피되어야 한다. 그러나, 본 발명은 이러한 모서리 피닝을 디피닝시 방향 선택을 위하여 사용된다.
도 10은 도 9의 자구벽 이동 소자의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 10(a)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 나노와이어(101)에 연장 방향(+x 방향)으로 흐른다. 이 경우, 자구벽(121)은 +x 방향으로 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)를 받아, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에 도달한 후 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽(121)은 배치평면(xy 평면) 내에서 폭 방향(y축 방향)에서 연장되어 배치된다. 이 경우, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서, 상기 자구벽은 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)을 받는다. 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 겹치는 부위에서 +x 축 방향의 힘을 받고, 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 겹치는 부위에서 -x축 방향의 힘을 받는다. 이에 따라, 상기 자구벽은 +x 축 방향의 힘과 -x축 방향의 힘이 동일한 위치 또는 가로지르는 면적비가 동일한 위치에서 "(" 형태로 피닝된다.
도 10(b)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 꺼진 경우, 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계 또는 제1 경계선(331a)에 대응하는 위치에 피닝된다. 상기 자구벽은 상기 모서리 피닝에 의하여 상기 모소리 부위의 자구벽은 유동성이 감소한다. 이에 따라, 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 5:5의 면적비를 가지는 위치에 약간 +x축 방향으로 치우쳐 직선으로 펴진다.
도 10(c)을 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2)가 인가된 직 후, 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서 발산하는 힘을 받는다. 한편, 상기 자구벽은 상기 모서리 피닝 사이트에 의하여 유동성 감소에 의하여, 상기 자구벽은 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 휜다. 상기 자구벽은 발산하는 힘에 의하여 ")" 형태로 변형됨에 따라 용이하게 양의 연장 방향으로 이동한다. 상기 자구벽이 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여 제1 스핀 궤도 영역(120a)만으로 이동한 경우, 상기 자구벽은 양의 진행 방향으로만 힘을 받아 다음의 경계로 이동한다. 즉, 자구벽은 양의 연장 방향(+x축)으로 선택되어 디피닝된 후 양의 연장 방향으로 다음 경계까지 이동한다.
도 10(d)를 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여, 상기 자구벽은 제2 경계선(331b)에 도달한다. 상기 자구벽은 서로 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘을 받는다. 상기 제2 경계선에서 상기 자구벽은 "(" 형태로 변형되어 서로 수렴하는 동일한 힘을 받아 피닝된다.
도 10(e)를 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 인가된 경우, 상기 자구벽은 제2 경계선(331b)에서 디피닝된 다음 단위 셀을 구성하는 제1 경계선(331a)에 도달한다.
이와 같이 양의 면내 펄스 전류와 음의 면내 펄스 전류를 나노 와이어에 교번하여 인가하여 자구벽을 양의 진행방향(+x축 방향)으로 순차적으로 이동시킬 수 있다.
도 11 도9 의 자구벽 이동 소자의 미소 시뮬레이션 결과이다.
도 11를 참조하면, Ms는 포화 자화를 나타낸다. DW는 자구벽을 표시한다. 변조 경계(modulation boundart)는 제1 경계선(331a) 또는 제2 경계선(331b)을 나타낸다. 상기 자구벽이 변조 경계에 도달하기 전에는, 직선 또는 사선 형태일 수 있다.
상기 자구벽이 양의 면내 전류 밀도(+J)에 의하여 변조 경계에 도달한 경우, 상기 자구벽은 "(" 자 형태로 휘어진다.
상기 자구벽이 음의 면내 전류 밀도(-J)에 의하여 상기 변조 경계에 디피닝하는 경우, 상기 자구벽은 ")" 자 형태로 휘어진다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 12를 참조하면, 자벽 이동 소자(400)는, 수직 자기 이방성을 가지고 연장되는 강자성층(120); 및 상기 강자성층(120)과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 중금속층(430)을 포함한다. 상기 비자성 중금속층(430)은 음의 스핀궤도 효과를 제공하는 제1 비자성 중금속층(430a) 및 양의 스핀궤도 효과를 제공하는 제2 비자성 중금속층(430b)을 포함한다. 상기 강자성층(120)의 자구벽(121)은 상기 바자성 중금속층(430)의 면내 전류(I)에 의하여 이동한다. 상기 제1 비자성 금속층(430a)과 상기 제2 비자성 금속층(430b)은 서로 교번하여 배치된다. 상기 강자성층은 상기 제1 비자성 중금속층(430a)에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 비자성 중금속층(430b)에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함한다. 상기 제1 비자성 금속층(430a)과 상기 제12비자성 금속층(430b)이 서로 접하는 제1 경계선(431a) 및 제2 경계선(431b) 각각은 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진다.
나노 와이어(401)는 상기 강자성층(120) 및 상기 비자성 중금속층(430)을 포함한다. 상기 나노 와이어(401)를 따라 흐르면, 스핀 궤도 효과의 부호가 반대로 바뀌는 영역들 사이의 경계선들은 수렴하는 스핀 토크와 발산하는 스핀 토크를 교번하여 가진다. 상기 자구벽은 수렴하는 스핀 토크를 받아 경계선에서 멈춘다.
음의 스핀궤도 효과를 제공하는 제1 비자성 중금속층(430a)은 W 또는 Ta이고, 양의 스핀궤도 효과를 제공하는 제2 비자성 중금속층(430b)은 Pt 일 수 있다.
도 13은 도 12의 자구벽 이동 소자의 전류 방향에 따른 동작을 나타내는 평면도이다.
도 13(a)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 나노와이어(401)에 연장 방향(+x 방향)으로 흐른다. 이 경우, 자구벽(121)은 +x 방향으로 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)를 받아, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에 도달한 후 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽(121)은 배치평면(xy 평면) 내에서 폭 방향(y축 방향)으로 연장되나, 음의 연장 방향(-x축 방향)으로 돌출되어 "(" 형태로 배치된다. 이 경우, 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서, 상기 자구벽(121)은 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘(FSOT)을 받는다. 상기 자구벽(121)은 상기 경계에서 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 겹치는 부위에서 +x 축 방향의 힘을 받고, 제1 스핀 궤도 영역(120a)과 겹치는 부위에서 -x축 방향의 힘을 받는다. 이에 따라, 상기 자구벽은 "(" 형태를 가질 수 있다. 이 경우, "(" 형태의 자구벽은 +x 축 방향의 힘과 -x축 방향의 힘이 동일한 위치 또는 가로지르는 면적비가 동일한 위치에서 피닝된다.
도 13(b)을 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 꺼진 경우, 상기 자구벽(121)은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계 또는 제1 경계선(131a)에 대응하는 위치에 피닝된다. 이 경우, 상기 자구벽은 폭 방향으로 직선 형상으로 변경된다. 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 4:6의 면적비를 가지고 가로지른다. 즉, 상기 자구벽은 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 제2 스핀 궤도 영역(120b)보다 더 많이 가로진다.
도 13(c)을 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2)가 인가된 직 후, 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)과 제1 스핀 궤도 영역(120a)의 경계에서 발산하는 힘을 받는다. 한편, 상기 자구벽은 제2 스핀 궤도 영역(120b)보다 제1 스핀 궤도 영역(120a)을 더 많이 가로지르기 때문에, 상기 자구벽은 양의 연장 방향(+x축 방향)으로 더 큰 힘을 받는다. 또한, 상기 자구벽은 발산하는 힘에 의하여 ")" 형태로 변형됨에 따라 용이하게 양의 연장 방향으로 이동한다. 상기 자구벽이 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여 제1 스핀 궤도 영역(120a)만으로 이동한 경우, 상기 자구벽은 양의 진행 방향으로만 힘을 받아 다음의 경계로 이동한다. 즉, 자구벽은 양의 연장 방향(+x축)으로 선택되어 디피닝된 후 양의 연장 방향으로 다음 경계까지 이동한다.
도 13(d)를 참조하면, 음의 면내 펄스 전류(I2)에 의하여, 상기 자구벽은 제2 경계선(131b)에 도달한다. 상기 자구벽은 서로 수렴하는 스핀 궤도 토크에 의한 힘을 받는다. 상기 제2 경계선에서 상기 자구벽은 "(" 형태로 변형되어 서로 수렴하는 동일한 힘을 받아 피닝된다.
도 13(e)를 참조하면, 양의 면내 펄스 전류(I1)가 인가된 경우, 상기 자구벽은 제2 경계선(131b)에서 디피닝된 다음 단위 셀을 구성하는 제1 경계선(131a)에 도달한다.
이와 같이 양의 면내 펄스 전류와 음의 면내 펄스 전류를 나노 와이어에 교번하여 인가하여 자구벽을 양의 진행방향(+x축 방향)으로 순차적으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자구벽 이동 방향의 선택 또는 초기 조건의 치우침은 경계면의 2차원 모양만으로 구현된다. 스핀 홀 효과 변조 경계의 모양은 자구벽의 디피닝을 구현할 수 있다. 상기 자구벽이 경계면으로부터 발산하는 방향으로 힘을 받는 경우, 특정 방향의 힘이 반대 방향의 힘보다 크도록 설정된다. 스핀 궤도 토크의 크기는 자구벽과 중첩되는 양의 스핀 궤도 영역 및 음의 스핀 궤도 영역의 각각의 폭에 의존할 수 있다. 상기 자구벽은 경계면의 2차원 형상에 기반한 초기 조건의 치우침에 의해 특정 방향으로 디피닝 (depinning)된다.
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.
101: 나노 와이어
110: 하부 비자성 중금속층
120: 강자성층
130: 상부 비자성 중금속층

Claims (11)

  1. 복수의 자구벽을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께와 일정한 폭을 가지고 연장되는 강자성층;
    제2 두께를 가지고 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층; 및
    상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층;을 포함하고,
    상기 상부 비자성 중금속층은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께를 가지는 제1 영역과 상기 제3 두께보다 큰 제4 두께를 가지는 제2 영역을 포함하고,
    상기 제2 두께는 상기 제3 두께보다 크고 상기 제4 두께보다 작고,
    상기 제1 영역은 음의 스핀궤도 효과를 제공하고,
    상기 제2 영역은 양의 스핀궤도 효과를 제공하고,
    상기 강자성층은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 영역에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 교번하여 주기적으로 배치되고,
    상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 서로 접하는 제1 경계선 및 제2 경계선 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 영역의 일단은 국부적으로 함몰되고,
    상기 제2 영역의 타단은 국부적으로 돌출되고,
    상기 제2 영역의 일단에서 함몰된 부위의 폭(W1)은 함몰되지 않은 폭(W-W1)보다 크고,
    상기 제2 영역의 타단에서 돌출된 부위의 폭(W1)은 돌출되지 않은 폭(W-W1)보다 큰 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 영역의 일단은 국부적으로 돌출되고,
    상기 제2 영역의 타단은 국부적으로 함몰되고,
    상기 제2 영역의 일단에서 돌출된 부위의 폭(W1')은 함몰되지 않은 폭(W-W1')보다 작고,
    상기 제2 영역의 타단에서 함몰된 부위의 폭(W1')은 함몰되지 않은 폭(W-W1')보다 작은 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경계선은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역의 좌측에 배치되고,
    상기 제2 경계선은 상기 연장 방향에서 상기 제1 영역의 우측에 배치되고,
    상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 폭 방향의 직선은 상기 제1 경계선 주위에서 상기 제2 영역보다 상기 제1 영역을 더 많이 가로지르고,
    상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 폭 방향의 직선은 상기 제2 경계선을 주위에서 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역을 더 많이 가로지르는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경계선은 중심에서 국부적으로 돌출된 형상, 또는 중심에서 국부적으로 함몰된 형상인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경계선은 "<" 형상이고,
    상기 강자성층은 모서리 피닝 사이트를 가지는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    하나의 단위 셀에 대응하는 상기 하부 비자성 중금속층의 하부에 배치된 기록 강자성층;
    상기 기록 강자성층의 하부에 배치된 하부 기록 전극;
    상기 기록 강자성층에 대응하는 상기 상부 비자성 중금속층의 상부에 배치된 상부 기록 전극; 및
    상기 하부 기록 전극과 상기 상부 기록 전극 사이에 전류를 인가하는 기록 전원을 더 포함하는 것을 자구벽 이동 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 강자성층의 일단, 상기 하부 비자성 중금속층의 일단, 및 상기 상부 비자성 중금속층의 일단에 연결된 제1 전극;
    상기 강자성층의 탄단, 상기 하부 비자성 중금속층의 탄단, 및 상기 상부 비자성 중금속층의 타단에 연결된 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전류를 제공하는 자구벽 이동 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  9. 복수의 자구벽을 가지고 수직자기 이방성을 가지고 제1 두께와 일정한 폭을 가지고 연장되는 강자성층; 제2 두께를 가지고 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 하부면에 접촉하여 배치되는 하부 비자성 중금속층; 및 상기 강자성층과 정렬되고 상기 강자성층과 나란히 연장되고 상기 강자성층의 상부면에 접촉하여 배치되는 상부 비자성 중금속층;을 포함하고, 상기 상부 비자성 중금속층은 상기 연장 방향을 따라 제3 두께를 가지는 제1 영역과 상기 제3 두께보다 큰 제4 두께를 가지는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 두께는 상기 제3 두께보다 크고 상기 제4 두께보다 작고, 상기 제1 영역은 음의 스핀궤도 효과를 제공하고, 상기 제2 영역은 양의 스핀궤도 효과를 제공하고, 상기 강자성층은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 영역에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 교번하여 주기적으로 배치되고, 상기 강자성층의 폭 방향과 연장 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 서로 접하는 제1 경계선 및 제2 경계선 각각은 상기 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진 자구벽 이동 소자의 동작 방법에 있어서,
    하부 비자성 중금속층, 강자성층, 및 상부 비자성 중금속층으로 구성된 나노와이어의 양의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 자구벽을 상기 제1 경계선에 대응하는 위치에 피닝하는 단계;
    상기 나노와이어의 음의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 제1 경계선에 대응하는 위치에 피닝된 자구벽을 디피닝시킨 후 양의 연장 방향으로 이동시키어 상기 제2 경계선에 대응하는 위치에 피닝하는 단계; 및
    상기 나노와이어의 양의 연장 방향으로 면내 전류를 인가하여 상기 제2 경계선에 대응하는 위치에 피닝된 상기 자구벽을 디피닝시킨 후 양의 연장 방향으로 이동시키어 다음 단위 셀의 제1 경계선에 대응하는 위치에 피닝하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자의 동작 방법.
  10. 수직 자기 이방성을 가지고 연장되는 강자성층; 및
    상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 중금속층을 포함하고,
    상기 비자성 중금속층은 음의 스핀궤도 효과를 제공하는 제1 비자성 중금속층 및 양의 스핀궤도 효과를 제공하는 제2 비자성 중금속층을 포함하고,
    상기 강자성층의 자구벽은 상기 비자성 중금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고,
    상기 강자성층은 상기 제1 비자성 중금속층에 대응하는 제1 스핀 궤도 영역과 상기 제2 비자성 중금속층에 대응하는 제2 스핀 궤도 영역을 포함하고,
    상기 제1 비자성 금속층과 상기 제2 비자성 금속층은 서로 교번하여 배치되고,
    상기 제1 비자성 금속층과 상기 제2비자성 금속층이 서로 접하는 제1 경계선 및 제2 경계선 각각은 폭 방향의 직선과 2번 이상 교차도록 구부러진 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    폭 방향의 직선은 상기 제2 비자성 중금속층보다 상기 제1 비자성 중금속층을 더 많이 가로지르는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자.
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