KR102394058B1 - 층상구조 자성체를 포함하는 전압 제어 자기 저항 소자 - Google Patents

층상구조 자성체를 포함하는 전압 제어 자기 저항 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 저항 소자에 관한 것으로, 전압에 따라 자화 방향이 제어되는 제1 층상구조 자성체층, 자화 방향이 일정 방향으로 고정된 제2 층상구조 자성체층, 및 제1 및 제2 층상구조 자성체층 사이에 위치한 층상구조 절연체층을 포함한다.

Description

층상구조 자성체를 포함하는 전압 제어 자기 저항 소자{VOLTAGE CONTROLLED MAGNETORESISTANCE DEVICE COMPRISING LAYERED MAGNETIC MATERIAL}
본 발명은 층상구조 자성체를 포함하는 전압 제어 자기 저항 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전압을 이용하여 층상구조를 갖는 자성체의 자기 저항을 제어할 수 있는 자기 저항 소자에 관한 것이다.
최근 반데르발스(Van der Waals) 결합을 하고 있어 쉽게 이차원으로 박리가 되는 층상구조 자성체를 자기 저항 소자에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, CrI3나 CrGeTe3와 같은 층상구조 자성체는 스핀-궤도 결합에 의한 자기 이방성에 의해 단일 원자층 두께의 상태에서도 자성이 유지된다는 점이 밝혀졌다.
또한, 현재 CrSiTe3, VSe2, Fe3GeTe2, Fe5GeTe2, MnSe2 등의 다양한 층상구조 자성체가 발견되고 있고, 전자/홀 도핑이나 스트레인(strain)을 가해주는 등의 방법을 통해 자성 소자로의 응용이 가능하도록 물성(퀴리 온도, 자화, 보자력 등)을 향상시키는 연구가 활발히 진행 중이다. 이러한 층상구조 자성체를 이용한 자기 저항 소자로는 Fe3GeTe2를 이용한 스핀 밸브 소자나 CrI3의 터널링 자기 저항이 10,000%의 크기를 갖는 스핀 필터 소자가 개발되고 있다.
한편, 최근 연구에서 층상구조 자성체인 CrI3에서 전기장과 도핑에 의해 반강자성과 강자성 간의 상전이 현상이 발견되었다. 또한, 전기장을 이용하여 CrI3, Fe3GeTe2 등의 층간구조 자성체의 퀴리 온도, 교환 결합 크기 등을 제어하는 연구들이 보고되고 있다.
그러나, 이와 같은 전기장을 이용한 층상구조 자성체의 자성 특성 제어 연구는 매우 초기 단계이다. 특히, 층상구조 자성체들은 자기 이방성이 매우 크기 때문에 전기적인 방법으로 스핀 스위칭 동작을 구현하기 어렵다. 따라서, 층상구조 물질 기반의 초저전력 자기 저항 소자를 개발하기 위해서는 전기장을 이용하여 스위칭 필드(보자력, coercivity)를 가역적으로 변화시키는 기술 개발이 필요하다.
한국등록특허 제10-1967352호(2019.04.03)
본 발명의 일 실시예는 전압을 이용하여 층상구조를 갖는 자성체의 자기 저항을 제어할 수 있는 자기 저항 소자를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 자기 저항 소자는 전압에 따라 자화 방향이 제어되는 제1 층상구조 자성체층; 상기 자화 방향이 일정 방향으로 고정된 제2 층상구조 자성체층; 및 상기 제1 및 제2 층상구조 자성체층 사이에 위치한 층상구조 절연체층을 포함한다.
여기에서, 상기 제1 층상구조 자성체층, 상기 제2 층상구조 자성체층 및 상기 층상구조 절연체층의 면(plane)들은 서로 평행하다.
여기에서, 상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 제2 층상구조 자성체층 보다 상대적으로 작은 보자력을 갖는다.
여기에서, 상기 제1 층상구조 자성체층은 FexGeTe2(여기에서, x는 2.7~5), Cr2Ge2Te6, Cr2Si2Te6, CrI3, CrBr3, VSe2, MnSex(여기에서, x는 1~2) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 제2 층상구조 자성체층은 Fe0.25TaS2 및 FexGeTe2(여기서, x는 2.7~5) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 전압은 상기 제1 및 제2 층상구조 자성체층 사이에 인가되고, 상기 제1 층상구조 자성체층은 일정 크기의 자기장이 인가된 상태에서 상기 전압에 의해 발생한 전기장에 의해 상기 자화 방향이 제어된다.
여기에서, 상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 전압의 크기 변화에 따라 상기 자화 방향이 상기 제2 층상구조 자성체층과 동일하거나 반대로 제어된다.
여기에서, 상기 자기장은 상기 전압이 제1 레벨로 인가될 때 상기 제1 층상구조 자성체층의 스위칭 필드와 상기 전압이 제2 레벨로 인가될 때 상기 제1 층상구조 자성체층의 스위칭 필드 사이의 범위 내에서 미리 결정된 크기로 인가된다.
여기에서, 상기 층상구조 절연체층은 육방정계 질화 붕소를 포함한다.
여기에서, 상기 자기 저항 소자는 층상구조 금속층; 및 상기 제1 층상구조 자성체층과 상기 층상구조 금속층 사이에 위치한 층상구조 강유전체층을 더 포함한다.
여기에서, 상기 전압은 상기 제1 층상구조 자성체층과 상기 층상구조 금속층 사이에 인가되고, 상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 전압에 의해 상기 층상구조 강유전체층 내에 생성된 분극에 의해 상기 자화 방향이 제어된다.
여기에서, 상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 분극의 방향에 따라 상기 자화 방향이 상기 제2 층상구조 자성체층과 동일하거나 반대로 제어된다.
여기에서, 상기 층상구조 강유전체층은 CuInP2S6, CuCrP2S6 및 CrCl2 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 층상구조 금속층은 그래핀을 포함한다.
여기에서, 상기 층상구조 강유전체층과 상기 층상구조 금속층의 면(plane)들은 서로 평행하다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자는 전압을 이용하여 층상구조를 갖는 자성체의 자기 저항을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자를 도시한 도면이다.
도 2는 전기장에 의해 층상구조 자성체의 스위칭 필드가 변화되는 자기적 성질을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 구동 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 구동을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 소자를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.
청구항들에서의 용어 "또는"의 사용은 본 개시 내용이 단지 선택가능한 것들 및 "및/또는"을 나타내는 정의를 지지하더라도, 선택가능한 것은 상호 배타적이거나 단지 선택가능한 것들을 나타내는 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.
본 발명의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내 다양한 변경들 및 변형들이 본 상세한 설명으로부터 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 구체적인 예들은 본 발명의 구체적인 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는, 첨부 도면들에 대하여 아래에서 상세하게 논의된다. 구체적인 구현예들이 논의되지만, 이는 단지 예시 목적들을 위해 행해진다. 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 다른 구성요소들 및 구성들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 같은 번호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자(100)는 제1 층상구조 자성체층(110), 층상구조 절연체층(120) 및 제2 층상구조 자성체층(130)을 포함한다. 제1 층상구조 자성체층(110), 층상구조 절연체층(120) 및 제2 층상구조 자성체층(130) 각각은 반데르발스 상호 작용으로 결합되고, 이차원으로 박리 가능한 복수의 층으로 형성될 수 있다. 제1 층상구조 자성체층(110), 층상구조 절연체층(120) 및 제2 층상구조 자성체층(130)의 면(plane)들은 서로 평행할 수 있다. 제1 층상구조 자성체층(110)과 층상구조 절연체층(120)의 계면 및 층상구조 절연체층(120)과 제2 층상구조 자성체층(130)의 계면은 이종 접합을 형성할 수 있다.
제1 층상구조 자성체층(110)은 강자성체(ferromagnetic; FM)로 형성될 수 있다. 제1 층상구조 자성체층(110)은 제2 층상구조 자성체층(130) 보다 상대적으로 보자력이 작은 자성체층으로 형성될 수 있다. 제1 층상구조 자성체층(110)은 FexGeTe2(여기에서, x는 2.7~5), Cr2Ge2Te6, Cr2Si2Te6, CrI3, CrBr3, VSe2, MnSex(여기에서, x는 1~2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 층상구조 자성체층(110)은 인가되는 전압으로 발생하는 전기장에 의해 자화 방향(스핀 방향)이 변화 가능한 자유층(free layer)으로 동작한다. 제1 층상구조 자성체층(110)은 일정 크기의 자기장이 인가된 상태에서 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130) 사이에 인가된 전압(V)의 크기에 따라 자화 방향이 상부 방향 또는 하부 방향으로 제어될 수 있다.
여기에서, 본 발명의 일 실시예는 별도의 자계 발생 수단(미도시)에 의해 자기 저항 소자(100)에 일정 크기의 자기장이 인가될 수 있다. 자기 저항 소자(100)에 인가되는 자기장의 크기는 전압(V)의 크기에 따라 변화되는 제1 층상구조 자성체층(110)의 스위칭 필드에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 전압(V)이 제1 레벨로 인가될 때 제1 층상구조 자성체층(110)의 스위칭 필드와 전압(V)이 제1 레벨과 다른 제2 레벨로 인가될 때 제1 층상구조 자성체층(110)의 스위칭 필드 사이의 자기장 범위 내에서 미리 결정된 크기로 인가될 수 있다.
여기에서, 제1 층상구조 자성체층(110)으로서 Fe3GeTe2(FGT)가 이용되었을 때 전압(전기장)에 의해 스위칭 필드가 변화되는 자기적 성질은 도 2의 실험 결과를 참조하여 구체적으로 설명한다.
층상구조 절연체층(120)은 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130) 사이에 위치한다. 층상구조 절연체층(120)은 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130) 각각에 접합하여 위치할 수 있다. 층상구조 절연체층(120)은 절연체로 형성될 수 있다. 여기에서, 층상구조 절연체층(120)은 육방정계 질화 붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함할 수 있다.
제2 층상구조 자성체층(130)은 강자성체로 형성될 수 있다. 제2 층상구조 자성체층(130)은 제1 층상구조 자성체층(110) 보다 상대적으로 보자력이 큰 자성체층으로 형성될 수 있다. 제2 층상구조 자성체층(130)은 Fe0.25TaS2 및 FexGeTe2(여기서, x는 2.7~5) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 제2 층상구조 자성체층(130)은 스위칭 필드가 1T 이상으로 커서 자화 방향(스핀 방향)이 일정 방향(상부 방향)으로 고정된 고정층(pinned layer)으로 동작한다.
도 2는 전기장에 의해 층상구조 자성체의 스위칭 필드가 변화되는 자기적 성질을 설명하기 위해 도시한 도면으로서, (a)는 층상구조 자성체를 소자로 제작하여 도시한 모식도이고, (b)는 광학 현미경 이미지이며, (c)는 전기장에 따른 자기이력곡선의 변화를 도시한 도면이다.
도 2에서, 층상구조 자성체인 Fe3GeTe2(FGT)를 자기 저항 소자(1)로 제작하고, 특이홀효과(anomalous Hall effect; AHE) 및 자기광커효과(magneto-optical Kerr effect; MOKE)를 이용하여 자기 저항 소자(1)에 전압을 인가하면서 자기적 성질을 측정하였다. 여기에서, 자기 저항 소자(1)는 FGT를 물리적 박리법으로 얇게 분리시키고, 산화층(SiO2)이 있는 실리콘 기판(Si) 상에 전사시킨 후, 이빔(e-beam) 리소그래피 및 스퍼터 공정으로 전극(electrode,EL)을 증착하여 제작할 수 있다.
상기와 같이 제작한 자기 저항 소자(1)에 백 게이트 전압(V)을 서로 다른 레벨로 인가하여 스위칭 필드의 변화를 관측한 결과, (c)에 도시된 바와 같이, 0V에서 300Oe인 스위칭 필드(보자력)가 백 게이트 전압(V)을 +15V로 인가하면 750Oe으로 크게 변화하는 것을 볼 수 있다. 즉, 전압에 따라 층상구조 자성체의 스위칭 필드를 크게 변화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 구동 방법을 설명하기 위해 도시한 도면으로서, (a)는 자기 저항 소자의 자화 방향을 설명하기 위해 도시한 도면이고, (b)는 제2 층상구조 자성체층(130)에서의 자기이력곡선을 도시한 도면이고, (c)는 제1 층상구조 자성체층(110)에서의 자기이력곡선을 도시한 도면이다.
도 3a에서, 자기 저항 소자(100)에 일정 크기의 자기장(H1)이 인가된 상태에서 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130) 사이에 전압(V)이 낮은 레벨(V1)로 인가되면 제1 층상구조 자성체층(110)의 자화(M1)는 화살표로 표시한 바와 같이, 하부 방향으로 제어된다. 여기에서, 자기 저항 소자(100)에 인가되는 자기장은 제1 층상구조 자성체층(110)의 낮은 전압 레벨(V1)에서의 스위칭 필드와 높은 전압 레벨(V2)에서의 스위칭 필드 사이의 범위(H2) 내에서 인가될 수 있다.
이때, 제2 층상구조 자성체층(130)의 자화 방향은 상부 방향으로 고정된 상태이다. 따라서, 제1 층상구조 자성체층(110)의 자화 방향이 제2 층상구조 자성체층(130)과 반대(비평형) 방향이므로 자기 저항 소자(100)의 자기 저항은 상대적으로 큰 값을 갖고, 이 값은 '1'로 리드(read)된다. 여기에서, 자기 저항 소자(100)의 자기 저항은 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130)의 상대적 자화 방향에 따라 저항이 결정되는 터널 자기 저항 효과(tunneling magnetoresistance; TMR)를 이용하여 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130) 양단에서 측정될 수 있다.
도 3b에서, 자기 저항 소자(100)에 일정 크기의 자기장(H1)이 인가된 상태에서 제1 및 제2 층상구조 자성체층(110, 130) 사이에 전압(V)이 높은 레벨(V2, V2>V1)로 인가되면 제1 층상구조 자성체층(110)의 자화(M1)는 화살표로 표시한 바와 같이, 상부 방향으로 제어된다. 이때, 제2 층상구조 자성체층(130)의 자화 방향은 상부 방향으로 고정된 상태이다. 따라서, 제1 층상구조 자성체층(110)의 자화 방향이 제2 층상구조 자성체층(130)과 동일(평형) 방향이므로 자기 저항 소자(100)의 자기 저항은 상대적으로 작은 값을 갖고, 이 값은 '0'으로 리드(read)된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 층상구조 자성체층(110)은 인가된 전압(V)으로 발생한 전기장에 의해 자화 방향이 제어된다. 이로 인해, 전압(전기장)에 따라 자기 저항이 제어되는 자기 저항 소자(100)의 구현이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 구동을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4에서, 자기 저항 소자(100)에 -600Oe의 자기장을 인가한 상태에서 전압(V)을 0V에서 +15V로 인가하는 경우 제1 층상구조 자성체층(110)의 자화가 하부 방향(M1)에서 상부 방향(M2)으로 변하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 전압(V)에 따라 자기 저항 소자(100)의 자기 저항을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5에서, 먼저 제1 층상구조 자성체층(110), 층상구조 절연체층(120) 및 제2 층상구조 자성체층(130) 각각을 물리적 박리법을 이용하여 얇은 막으로 분리시킨다. 그 다음, 폴리머 지지층(2)으로 제2 층상구조 자성체층(130)을 들어 올린다(pick-up)(a).
이 상태에서 폴리머 지지층(2)으로 층상구조 절연체층(120)도 들어 올리고(b), 제1 층상구조 자성체층(110) 상에 전사한다(c). 이와 같은 방법에 의해 제1 층상구조 자성체층(110), 층상구조 절연체층(120) 및 제2 층상구조 자성체층(130)이 이종 접합된 자기 저항 소자(100)를 제조(d)할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 물리적 박리법 및 건식 전사법을 이용하여 자기 저항 소자(100)를 제조하는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 이종 물질 간 접합 구조를 제조할 수 있는 다른 제조 방법을 이용할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 소자를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 소자(200)는 제1 층상구조 자성체층(210), 층상구조 절연체층(220), 제2 층상구조 자성체층(230), 층상구조 강유전체층(240) 및 층상구조 금속층(250)을 포함한다. 제1 층상구조 자성체층(210), 층상구조 절연체층(220), 제2 층상구조 자성체층(230), 층상구조 강유전체층(240) 및 층상구조 금속층(250) 각각은 반데르발스 상호 작용으로 결합되고, 이차원으로 박리 가능한 복수의 층으로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 층상구조 자성체층(210), 층상구조 절연체층(220), 제2 층상구조 자성체층(230), 층상구조 강유전체층(240) 및 층상구조 금속층(250)의 면(plane)들은 서로 평행할 수 있다. 또한, 제1 층상구조 자성체층(210), 층상구조 절연체층(220), 제2 층상구조 자성체층(230), 층상구조 강유전체층(240) 및 층상구조 금속층(250) 사이의 각 계면은 이종 접합을 형성할 수 있다.
제1 층상구조 자성체층(210)은 강자성체로 형성될 수 있다. 여기에서, 제1 층상구조 자성체층(210)은 제2 층상구조 자성체층(230) 보다 상대적으로 보자력이 작은 자성체층으로 형성될 수 있다. 제1 층상구조 자성체층(210)은 FexGeTe2(여기에서, x는 2.7~5), Cr2Ge2Te6, Cr2Si2Te6, CrI3, CrBr3, VSe2, MnSex(여기에서, x는 1~2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 제1 층상구조 자성체층(210)은 제1 층상구조 자성체층(210)과 층상구조 금속층(250) 사이에 인가된 전압(V12)에 의해 자화 방향(스핀 방향)이 변화 가능한 자유층(free layer)으로 동작한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 층상구조 자성체층(210)은 전압(V12)에 의해 층상구조 강유전체층(240) 내에 생성된 분극의 방향에 따라 자화 방향이 제어될 수 있다.
층상구조 절연체층(220)은 제1 및 제2 층상구조 자성체층(210, 230) 사이에 위치한다. 층상구조 절연체층(220)은 절연체로 형성될 수 있다. 여기에서, 층상구조 절연체층(220)은 육방정계 질화 붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함할 수 있다.
제2 층상구조 자성체층(230)은 강자성체로 형성될 수 있다. 제2 층상구조 자성체층(230)은 제1 층상구조 자성체층(210) 보다 상대적으로 보자력이 큰 자성체층으로 형성될 수 있다. 제2 층상구조 자성체층(230)은 Fe0.25TaS2 및 FexGeTe2(여기서, x는 2.7~5) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 제2 층상구조 자성체층(230)은 스위칭 필드가 1T 이상으로 커서 자화 방향(스핀 방향)이 일정 방향(상부 방향)으로 고정된 고정층(pinned layer)으로 동작한다.
층상구조 강유전체층(ferroelectric)(240)은 제1 층상구조 자성체층(210)과 접합하고 있고, 제1 층상구조 자성체층(210)과 층상구조 금속층(250) 사이에 인가된 전압(V12)에 의해 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향을 제어한다. 층상구조 강유전체층(240)은 InP2S6, CuCrP2S6 및 CrCl2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
층상구조 금속층(250)은 층상구조 강유전체층(240)과 접합하고 있다. 층상구조 금속층(250)은 전극으로 동작하며, 그래핀을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 자기 저항 소자(200)는 제1 층상구조 자성체층(210)과 층상구조 금속층(250) 사이에 전압(V12)이 인가되면 층상구조 강유전체층(240) 내에 분극(polarization)이 생성된다. 여기에서, 층상구조 강유전체층(240) 내에 생성된 분극의 방향은 전압(V12)의 방향(+, -)으로 결정될 수 있다.
이와 같이 생성된 분극은 전기장의 역할을 수행하며, 분극에 의해 제1 층상구조 자성체층(210)과 층상구조 강유전체층(240) 간의 계면에 전자 밀도 변화가 유도된다. 이로 인해, 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향이 상부 방향 또는 하부 방향으로 제어된다. 예를 들어, 전압(V12)이 높은 전압 레벨(+15V)로 인가되면 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향을 상부 방향으로 제어하고, 전압(V12)이 낮은 전압 레벨(-15V)로 인가되면 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향을 하부 방향으로 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 소자(200)는 본 발명의 일 실시예와 같이 제1 및 제2 층상구조 자성체층(210, 230) 사이에 인가된 전압으로 발생하는 전기장으로 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향을 제어하는 대신 전압(V12)에 의해 층상구조 강유전체층(240) 내에 전기장 역할을 하는 분극을 생성하여 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향을 제어한다. 층상구조 강유전체층(240) 내에 생성된 분극은 전압(V12)이 제거되어도 유지되기 때문에 본 발명의 일 실시예와 달리 별도의 자기장을 인가할 필요가 없다.
여기에서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 소자(200)는 제1 및 제2 층상구조 자성체층(210, 230) 간에 인가된 전압(V11)을 이용하여 자기 저항을 측정할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예는 전압(V11)을 이용하여 자기 저항 소자(200)의 자기 저항 값을 리드(read)하고, 전압(V12)을 이용하여 제1 층상구조 자성체층(210)의 자화 방향을 제어하여 자기 저항 값을 제어한다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 자기 저항 소자
110, 210: 제1 층상구조 자성체층
120, 220: 층상구조 절연체층
130, 230: 제2 층상구조 자성체층
240: 층상구조 강유전체층
250: 층상구조 금속층

Claims (15)

  1. 전압에 따라 자화 방향이 제어되는 제1 층상구조 자성체층;
    상기 자화 방향이 일정 방향으로 고정된 제2 층상구조 자성체층; 및
    상기 제1 및 제2 층상구조 자성체층 사이에 위치한 층상구조 절연체층을 포함하고,
    상기 제1 층상구조 자성체층, 상기 제2 층상구조 자성체층 및 상기 층상구조 절연체층의 면(plane)들은 서로 평행하고,
    상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 제2 층상구조 자성체층 보다 상대적으로 작은 보자력을 가지고,
    상기 제1 층상구조 자성체층은 FexGeTe2(여기에서, x는 2.7~5), Cr2Ge2Te6, Cr2Si2Te6, CrI3, CrBr3, VSe2, MnSex(여기에서, x는 1~2) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제2 층상구조 자성체층은 Fe0.25TaS2 및 FexGeTe2(여기서, x는 2.7~5) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 전압은 상기 제1 및 제2 층상구조 자성체층 사이에 인가되고,
    상기 제1 층상구조 자성체층은 일정 크기의 자기장이 인가된 상태에서 상기 전압에 의해 발생한 전기장에 의해 상기 자화 방향과 보자력이 제어되는 자기 저항 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 전압의 크기 변화에 따라 상기 자화 방향이 상기 제2 층상구조 자성체층과 동일하거나 반대로 제어되는 자기 저항 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자기장은 상기 전압이 제1 레벨로 인가될 때 상기 제1 층상구조 자성체층의 스위칭 필드와 상기 전압이 제2 레벨로 인가될 때 상기 제1 층상구조 자성체층의 스위칭 필드 사이의 범위 내에서 미리 결정된 크기로 인가되는 자기 저항 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 층상구조 절연체층은 육방정계 질화 붕소를 포함하는 자기 저항 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    층상구조 금속층; 및
    상기 제1 층상구조 자성체층과 상기 층상구조 금속층 사이에 위치한 층상구조 강유전체층을 더 포함하는 자기 저항 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압은 상기 제1 층상구조 자성체층과 상기 층상구조 금속층 사이에 인가되고,
    상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 전압에 의해 상기 층상구조 강유전체층 내에 생성된 분극에 의해 상기 자화 방향이 제어되는 자기 저항 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 층상구조 자성체층은 상기 분극의 방향에 따라 상기 자화 방향이 상기 제2 층상구조 자성체층과 동일하거나 반대로 제어되는 자기 저항 소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 층상구조 강유전체층은 CuInP2S6, CuCrP2S6 및 CrCl2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 자기 저항 소자.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 층상구조 금속층은 그래핀을 포함하는 자기 저항 소자.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 층상구조 강유전체층과 상기 층상구조 금속층의 면들은 서로 평행한 자기 저항 소자.
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