KR102421973B1 - 스커미온 가이딩 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

스커미온이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역; 및 상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역;을 포함하는 스커미온 가이딩 소자가 개시된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자는 스커미온의 최대 이동 속도를 향상시킬 수 있으며, 스커미온의 소멸을 방지하면서 스커미온의 이동 방향을 손쉽게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

스커미온 가이딩 소자 및 그 제조방법{Skyrmion guiding device and its manufacturing method}
본 발명의 스커미온 가이딩 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 컴퓨터는 보조 기억 장치로써 하드 디스크를 구비하여 하드 디스크에 정보를 자기적으로 기록하므로 내부에 전원을 공급하지 않는 때에도 기록된 정보를 하드 디스크에 그대로 유지시키도록 제조된다. 여기서, 상기 하드 디스크는 자성물질로 코팅된 원판 그리고 원판에 정보를 쓰거나 원판으로부터 정보를 읽는 헤드를 갖는다.
상기 하드디스크는 원판과 헤드를 서로로부터 이격시키고 서로에 대해 물리적으로 회전시켜서 원판의 목적하는 정보 위치에 헤드를 접근시키도록 구성된다. 그러나, 상기 원판과 헤드의 회전은 컴퓨터에서 하드디스크의 구동 동안 많은 전력을 소비하기 때문에 컴퓨터의 성능을 저하시킨다.
데이터 증가로 인하여, 저전력 메모리 소자(low power memory device)의 개발이 요구되고 있으며, 상기 하드디스크의 단점을 보완하기 위해, 스핀트로닉 메모리인 MRAM(magnetic random access memory)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이는 하드디스크와 같이 기계적으로 회전하는 부분이 없고, 전류로 각 소자의 자화를 조절하여 정보를 읽고 쓴다.
이외에는 비공선 스핀 구조(noncolinear spin structure)를 이용한 스핀트로닉 메모리 소자가 최근 제안되어 많은 연구가 진행되고 있다. 비공선 스핀 구조는 공간상에 분포한 스핀들이 임의의 방향을 가질 수 있는 구조로, 위 또는 아래(up or down) 방향만을 가질 수 있는 공선 스핀 구조(colinear spin structure)와 반대되는 개념이다. 대표적인 비공선 스핀 구조로 자구벽(magnetic domain wall)과 자기 스커미온(magnetic skyrmion), 스핀파(spin wave)가 있다. 이들 비공선 스핀 구조를 기반으로 한 자구벽 레이스트랙 메모리(racetrack memory)와 그 구조를 차용한 스커미온 레이스트랙 메모리가 새로운 메모리 소자로 주목받고 있다.
특히, 스커미온 기반 메모리는 스커미온을 전보 전달자(information carrier)로 사용한다.
스커미온 레이스트랙 메모리(도 1 참조)에서는 스커미온의 유무를 1과 0으로 보고, 레이스트랙을 따라 전류를 흘려주는 것으로 스커미온을 이동시킨다. 스커미온 기반 메모리는 자구벽 기반 메모리와 마찬가지로 비휘발성 메모리임과 동시에 하드디스크처럼 기계적 회전 또한 필요하지 않다. 게다가 스커미온은 상온에서 지름이 약 1 nm ~ 100 nm의 작은 크기를 갖기 때문에 메모리 소자를 작게 만들 수 있어 고집적성이라는 장점이 있다. 또한 스커미온은 전류로 움직이기 위한 임계전류 밀도(threshold current density)가 자구벽에 비해 낮으므로 더 약한 전력 환경에서도 작동이 가능하다.
이러한 상기 스커미온 메모리는 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0116801호(특허문헌 1), 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0042308호(특허문헌 2) 등에 개시되어 있다.
다만, 기존 스커미온 소자의 핵심적인 문제점은 스커미온이 이동 중에 소멸할 수 있다는 점이다. 스커미온은 위상학적 원리에 의해 안정하다는 성질을 가지고 있어, 자성체 내부에서는 쉽게 소멸하지 않는다. 그러나 스핀 시스템의 가장자리, 즉 자성체의 물리적 경계(physical edge, physical boundary)에서는 경계 건너편의 자화가 존재하지 않으므로 스커미온 주변의 스핀 방향을 3차원 매핑하였을 때 구를 채울 수 없어 스커미온의 위상학적 성질이 더 이상 유지되지 않기 때문에 소멸할 수 있다. 이러한 물리학적 이유로 인해 스커미온은 자성층의 물리적 경계에 다가갔을 때 쉽게 소멸하게 된다.
정보 전달자인 스커미온이 소멸한다는 것은 저장된 정보가 손실되는 것을 의미하므로 이는 메모리 소자로서 큰 결함이 되나, 전류를 이용한 스커미온 구동에서 필연적으로 나타나는 스커미온 홀 효과에 의하여, 이를 통제하는 것이 쉽지 않다.
따라서, 이러한 스커미온의 소멸을 제어할 수 있는 소자가 필요하게 되었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0116801호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0042308호
Jiang, W. et al. Direct observation of the skyrmion Hall effect. Nature Physics 13, 162 (2016)
본 발명의 일 측면에서의 목적은 스커미온을 가이딩 할 수 있는 스커미온 가이딩 소자를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
스커미온(10)이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역(100); 및
상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역(200);
을 포함하는 스커미온 가이딩 소자(1000)가 제공된다.
또한, 상기 스커미온 가이딩 소자의 일 실시예로서,
스커미온(10)이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역(100); 및
상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역(200);
을 포함하는 스커미온 메모리 소자가 제공된다.
또한, 상기 스커미온 가이딩 소자의 다른 일 실시예로서,
스커미온(10)이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역(100); 및
상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역(200);
을 포함하는 스커미온 논리 소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
수직 자기 이방성을 가지며, 자기 이방성 크기가 상이한 제1 영역(100) 및 제2 영역(200)을 형성하는 단계; 및
자기장을 가하여 상기 제1 영역 및 제2 영역의 자화 방향을 서로 반대로 정렬시키는 단계;
를 포함하는 제1항의 스커미온 가이딩 소자(1000) 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서
상기 스커미온 가이딩 소자(1000)를 이용하여 스커미온을 특정 방향으로 정렬시키는 방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기 스커미온 가이딩 소자(1000)를 이용하여 스커미온의 크기를 조절하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자는 스커미온의 최대 이동 속도를 향상시킬 수 있으며, 스커미온의 소멸을 방지하면서 스커미온의 이동 방향을 손쉽게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 스커미온을 이용만 메모리 소자의 일 예를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 비교예와 같이 물리적 경계를 가지는 소자 내에서 스커미온을 이동시켰을 때의 거동을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예와 같이 위상학적 경계를 가지는 소자 내에서 스커미온을 이동시켰을 때의 거동을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일 비교예 및 실시예의 소자를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예의 소자에 대한 평면도 및 일 실시예의 소자의 폭 방향의 스핀 배열을 나타낸 것이고,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 비교예의 소자 내에서 특정 전류 밀도에서의 스커미온의 거동을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예의 소자 내에서 특정 전류 밀도에서의 스커미온의 거동을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예에서의 스커미온 크기에 따른 스커미온 소멸임계 전류 밀도를 나타낸 그래프이고,
도 11은 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예에서의 전류 밀도에 따른 스커미온 수송 속도를 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명의 다른 일 비교예에 따른 소자에서의 스커미온의 이동을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 13은 본 발명의 다른 일 비교예에 따른 소자에서의 시간에 따른 위상학적 수(topological number)를 나타낸 그래프이고,
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소자에서의 스커미온의 이동을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소자에서의 시간에 따른 위상학적 수를 나타낸 그래프이고,
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소자에서의 스커미온의 크기 변화를 모식적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 두 영역이 접한다는 의미는 두 영역이 바로 접하거나 또는 두 영역 사이에 형성되는 자구벽을 두 영역 사이에 두고 접하는 것을 모두 포함한다.
본 발명의 일 측면에서
스커미온(10)이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역(100); 및
상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역(200);
을 포함하는 스커미온 가이딩 소자(1000)가 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자를 각 구성별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자(1000)는 제1 영역(100)을 포함한다.
상기 제1 영역은 스커미온(10)이 존재한다.
상기 제1 영역은 제1 자화 방향을 갖는다.
스커미온(skyrmion)은 2차원 평면에서 소용돌이 모양을 가지며, 각 지점의 스핀 방향 벡터를 3차원 공간에 매핑하였을 때 구면 위 모든 지점에 일대일 대응이 되는 스핀 구조체를 의미한다.
상기 스커미온의 크기는 1 nm 내지 100 nm 일 수 있으며, 바람직하게는 1 nm 내지 80 nm 일 수 있고, 더 바람직하게는 1 nm 내지 50 nm일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자는 제2 영역(200)을 포함한다.
상기 제2 영역은 상기 제1 영역(100)에 접할 수 있다.
상기 제2 영역은 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가질 수 있다.
상기 제1 영역 및 제2 영역은 모두 수직 자기 이방성을 가질 수 있다.
상기 스커미온은 상기 제1 영역 내에서, 상기 제1 영역 및 제2 영역의 경계를 따라 이동할 수 있다.
상기 스커미온은 상기 스커미온 가이딩 소자에 인가되는 전류에 의하여 이동할 수 있다.
상기 제1 영역 및 제2 영역의 경계에서 스커미온을 소멸시키기 위한 전류 밀도는 1.0 × 1011 A/m2 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1.5 × 1011 A/m2 이상, 더 바람직하게는 2.0 × 1011 A/m2 이상, 더 바람직하게는 3.0 × 1011 A/m2 이상, 더 바람직하게는 3.3 × 1011 A/m2 이상, 더 바람직하게는 3.5 × 1011 A/m2, 가장 바람직하게는 4.0 × 1011 A/m2 이상일 수 있다.
상기 스커미온은 상기 스커미온 소자에 인가되는 전류에 의하여 이동할 수 있다.
상기 제1 영역 및 제2 영역이 접하는 영역에 자구벽(domain wall)이 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 제1 영역의 자기 이방성 크키는 제2 영역의 자기 이방성 보다 작을 수 있다.
상기 제1 영역의 자기 이방성 크기가 제2 영역보다 큰 경우, 상기 제1 영역 및 제2 영역의 접하는 영역에 형성되는 자구벽이 고정되지 않고 이동되어 스커미온을 가이딩하기 어렵다는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 제1 영역(100)은 복수의 제2 영역(200) 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 영역은 스커미온을 이동하고자 하는 방향으로 연장될 수 있으며, 상기 제1 영역의 양 측면에 상기 제1 영역과 나란히 2 개의 제2 영역이 연장될 수 있다.
예를 들어, 도 3과 같이 두 개의 제2 영역 사이에 제1 영역이 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스커미온 가이딩 소자(1000)는 비자성층 및 상기 비자성층 위에 형성되는 자성층을 포함할 수 있다.
상기 자성층은 상기 제1 영역(100) 및 제2 영역(200)을 포함할 수 있다.
상기 제1 영역 및 제2 영역은 면 내 방향으로 접할 수 있다.
상기 비자성층은 비자성 금속 및 위상 절연체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 비자성 금속은 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 위상 절연체는 예를 들어, Bi2Se3, Bi2Te3 및 Ag2Te3 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 자성층은 강자성체 및 페리자성체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 강자성체는 금속 및 비금속, 도체 및 부도체를 모두 포함하며, 예를 들어, 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이들의 합금일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페리자성체는 금속 및 비금속, 도체 및 부도체를 모두 포함하며, 예를 들어, TbCo, TbFe, GdCo, GdFe, GdFeCo, Fe3O4, YIG(Yttrium iron garnet), TmIG, TbIG 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 스커미온 가이딩 소자는 상기 비자성층에 전류를 인가하여 상기 스커미온(10)을 제1 영역 내에서 이동시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자(1000)는 자화 방향이 서로 반대인 제1 영역 및 제2 영역을 포함함으로써, 제1 영역 및 제2 영역 사이에 위상학적 경계(400)를 형성할 수 있다.
스커미온은 위상학적 원리에 의해 안정하다는 성질을 가지고 있어, 자성체 내부에서는 쉽게 소멸하지 않지만, 스핀 시스템의 가장자리, 즉 자성체의 물리적 경계(physical edge, physical boundary, 300)에서는 경계 건너편의 자화가 존재하지 않으므로 스커미온 주변의 스핀 방향을 3차원 매핑하였을 때 구를 채울 수 없어 스커미온의 위상학적 성질이 더 이상 유지되지 않기 때문에 소멸할 수 있다(도 2 참조).
다만, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자는 상술한 위상학적 경계(400)를 포함함으로써, 이러한 위상학적 경계는 스커미온이 접근할 경우, 스커미온과 경계 사이의 반발을 유도함으로써 스커미온이 제1 영역 내에서 계속하여 이동할 수 있도록 한다(도 3 참조).
따라서, 스커미온이 물리적 경계(300)에 접근하는 것을 막음으로써, 스커미온의 소멸을 방지할 수 있다.
상기 위상학적 경계는 상술한 제1 영역과 제2 영역이 접하는 영역에 형성되는 자구벽일 수 있다.
상기 스커미온 가이딩 소자를 이용한 일 실시예로서,
스커미온(10)이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역(100); 및
상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역(200);
을 포함하는 스커미온 메모리 소자가 제공된다.
상기 메모리 소자는 상기 스커미온 가이딩 소자를 응용한 것으로서, 상기 스커미온 가이딩 소자에 대하여 설명한 내용이 모두 적용될 수 있다.
상기 스커미온 메모리 소자는 스커미온이 제1 영역(100) 내에서 이동할 수 있다.
상기 스커미온 메모리 소자는 스커미온의 존재 유무에 따라 데이터 '1' 또는 '0'으로 읽을 수 있다.
상기 스커미온 메모리 소자는 전류를 인가함으로써 구동될 수 있다.
일 구체예로서, 상기 스커미온 메모리 소자는 비자성층 및 상기 비자성층 위에 형성되는 자성층을 포함할 수 있다.
상기 자성층은 면 내 방향으로 접하는 상기 제1 영역(100) 및 제2 영역(200)을 포함할 수 있다.
상기 스커미온 메모리 소자는 상기 비자성층에 전류를 인가하여 상기 스커미온을 제1 영역 내에서 이동시킬 수 있다.
상기 스커미온 가이딩 소자를 이용한 다른 실시예로서,
스커미온(10)이 존재하며, 제1 자화 방향을 가지는 제1 영역(100); 및
상기 제1 영역에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역(200);
을 포함하는 스커미온 논리 소자가 제공된다.
상기 논리 소자는 상기 스커미온 가이딩 소자를 응용한 것으로서, 상기 스커미온 가이딩 소자에 대하여 설명한 내용이 모두 적용될 수 있다.
상기 스커미온 가이딩 소자를 이용한 다른 일 실시예로서, 스커미온을 특정 방향으로 정렬시키는 스커미온 정렬 소자가 제공된다.
기존의 스커미온 형성하는 방법으로 스커미온을 형성시키는 경우, 스커미온이 무작위로 형성되게 된다. 따라서, 이를 메모리 소자 등으로 활용하기 위하여는 무작위하게 배열된 스커미온들을 특정 방향으로 정렬할 필요가 있다.
따라서, 상기 스커미온 정렬 소자를 이용하여 스커미온을 특정 방향으로 정렬시킬 수 있다.
상기 스커미온 정렬 소자는 스커미온을 정렬시키고자 하는 방향으로 제1 영역이 연장되고, 상기 방향과 나란히 제2 영역이 연장될 수 있다.
상기 스커미온 가이딩 소자를 이용한 다른 일 실시예로서, 스커미온의 크기를 조절하는 스커미온 크기 조절 소자가 제공된다.
예를 들어, 특정한 형태의 상기 스커미온 크기 조절 소자를 이용하여, 임의의 크기의 스커미온 버블을 특정 크기의 스커미온으로 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 스커미온 크기 조절 소자가 제1 영역이 비교적 넓은 영역을 가지는 제1 부분 및 비교적 좁은 영역을 가지는 제2 부분을 포함할 수 있고, 이러한 제1 영역의 경계에 제2 영역이 위치할 수 있다.
만약, 상기 제1 영역의 제1 부분에 제2 부분의 폭보다 크기가 큰 스커미온이 존재하고, 이를 상기 제2 부분으로 이동시킨다면 스커미온의 크기를 제2 부분의 폭에 맞게 축소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서
수직 자기 이방성을 가지며, 자기 이방성 크기가 상이한 제1 영역(100) 및 제2 영역(200)을 형성하는 단계; 및
자기장을 가하여 상기 제1 영역 및 제2 영역의 자화 방향을 서로 반대로 정렬시키는 단계;
를 포함하는 상기 스커미온 가이딩 소자(1000) 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다. 여기서 상술한 스커미온 가이딩 소자에 대한 설명은 모두 적용될 수 있다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자(1000)는 제1 영역(100) 및 제2 영역(200)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 영역 및 제2 영역은 수직 자기 이방성을 가지며, 자기 이방성의 크기가 서로 상이할 수 있다.
일 예로서, 이온조사(ion-irradiation)을 통하여, 제1 영역 및 제2 영역의 자기 이방성의 크기를 다르게 할 수 있다.
보다 상세하게는, 자기 이방성 영역을 형성하고자 하는 물질에 레지스트(resist)를 코팅하는 단계, 특정 영역에 리소그래피를 수행하는 단계 및 상기 물질 전체에 이온조사 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 리소그래피를 수행하는 단계에서, 특정 영역에 리소그래피를 수행하여, 레지스트를 제거할 수 있다.
이후 이온조사 하는 단계에서, 리소그래피가 수행되지 않은 영역에는 레지스트가 남아 있어 이온조사를 하여도 영향이 없지만, 리소그래피가 수행된 영역에서는 레지스트가 없어 해당 영역의 자기 이방성이 변화할 수 있다.
이러한 방법을 통하여 제1 영역 및 제2 영역의 자기 이방성의 크기를 다르게 할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 스커미온 가이딩 소자(1000)는 상기 제1 영역(100) 및 제2 영역(200)의 자화 방향을 서로 반대로 정렬시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계는 자기장을 인가함으로써 수행될 수 있다.
수직 자기 이방성을 가지며, 자기 이방성 크기가 상이한 상기 제1 영역과 제2 영역에서는 보자장(coercive field)이 서로 다르므로 단순히 자기장을 인가하는 것 만으로도 상기 제1 영역과 제2 영역의 자화 방향을 서로 반대로 정렬시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서 상기 스커미온 가이딩 소자(1000)를 이용하여 스커미온(10)을 특정 방향으로 정렬시키는 방법이 제공된다.
기존의 스커미온 형성하는 방법으로 스커미온을 형성시키는 경우, 스커미온이 무작위로 형성되게 된다. 따라서, 이를 메모리 소자 등으로 활용하기 위하여는 무작위하게 배열된 스커미온들을 특정 방향으로 정렬할 필요가 있다.
따라서, 상기 스커미온 가이딩 소자, 보다 구체적으로는 상술한 스커미온 정렬 소자를 이용하여 스커미온을 특정 방향으로 정렬시킬 수 있다.
상기 스커미온 가이딩 소자는 스커미온을 정렬시키고자 하는 방향으로 제1 영역(100)이 연장되고, 상기 방향과 나란히 제2 영역(200)이 연장될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서 상기 스커미온 가이딩 소자(1000)를 이용하여 스커미온(10)의 크기를 조절하는 방법이 제공된다.
상기 스커미온 가이딩 소자는 보다 구체적으로는 상술한 스커미온 크기 조절 소자일 수 있다.
예를 들어, 특정한 형태의 상기 스커미온 가이딩 소자를 이용하여, 임의의 크기의 스커미온 버블을 특정 크기의 스커미온으로 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 스커미온 가이딩 소자가 제1 영역(100)이 비교적 넓은 영역을 가지는 제1 부분 및 비교적 좁은 영역을 가지는 제2 부분을 포함할 수 있고, 이러한 제1 영역의 경계에 제2 영역(200)이 위치할 수 있다.
만약, 상기 제1 영역의 제1 부분에 제2 부분의 폭보다 크기가 큰 스커미온이 존재하고, 이를 상기 제2 부분으로 이동시킨다면 스커미온의 크기를 제2 부분의 폭에 맞게 축소시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
<비교예 1>
백금 위에 코발트층이 적층된 형태의 이종 접합 구조를 가지고, 단순히 물리적 경계만을 갖는 일반적인 스커미온 가이딩 소자를 제조하였으며, 그 구체적인 형상, 크기 등은 도 4 및 도 5에 나타내었다.
+z 방향(지면을 뚫고 나오는 방향, 붉은색)으로 자화된 제1 영역 한가운데에 -z 방향(지면을 뚫고 들어가는 방향, 파란색)의 중심 극성을 갖는 스커미온을 배치하였다.
<실시예 1>
비교예 1과 동일한 구조를 가지되, 제1 영역의 y 방향 양 쪽에 -z 방향(지면을 뚫고 들어가는 방향, 파란색)으로 자화된 제2 영역을 배치하였다.
그 구체적인 형상, 크기 등은 도 4 및 도 5에 나타내었다.
<비교예 2>
비교예 1을 응용하되, 도 12의 형태와 같이 깔대기 모양의 응용 소자를 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1을 응용하되, 도 14, 도 16 등의 형태와 같이 깔대기 모양의 응용 소자를 제조하였다.
<실험예 1> 스커미온의 수송 안정성 비교
상기 비교예 1 및 실시예 1에 대하여, x 방향으로 백금층에 전류를 흘러주는 상황을 가정하여, 미소자기 전산모사를 실시하였다.
이 때 각 지점의 자화 m의 시간변화를 지배하는 식은 하기 수학식 1과 같이 LLG (Landau-Lifshitz-Gilbert) 방정식으로 주어진다.
<수학식 1>
Figure 112020035031132-pat00001
Figure 112020035031132-pat00002
는 자기회전비(gyromagnetic ratio), Heff은 유효 자기장(effective magnetic field), α는 길버트 감쇠 상수(Gilbert damping constant), β =
Figure 112020035031132-pat00003
, h는 디랙 상수, μ0는 진공의 투자율, e는 전자의 전하량, d는 자성층의 두께, j는 전류 밀도, ε = P/2, P는 스핀 편극(spin polarization)이다. 우변의 마지막 항이 슬롱츄스키(Slonczewski) 스핀전달토크(spin transfer torque) 항으로 전류에 의한 SOT 효과를 나타낸다.
또한, 포화자화(Saturation magnetization) 값인 Ms = 5.8 × 105 A/m, 교환강성(Exchange stiffness) 값인 A = 1.5 × 10-11 J/m, 단축이방성 상수(Uniaxial anisotropy constant) 값인 KU = 8 × 105 J/m3, 길버트 감쇠 상수(Gilbert damping constant) 값인 α = 0.3, 계면 쟐로신스키-모리야 상호작용 상수(Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) constant) 값인 Dind = 3.8 × 10-3 J/m2로 설정하였다.
미소자기 전산모사 결과, 물리적 경계만이 형성된 비교예 1에 비하여, 실시예 1과 같이 자구벽과 같은 위상학적 경계가 형성된 실시예 1의 경우 스커미온이 더 안정적으로 수송됨을 확인할 수 있었다.
즉, 도 6과 같이 6.0 × 1010 A/m2 수준의 전류 밀도에서는 비교예 1의 경우도 스커미온이 소멸되지는 않으나, 동일한 전류 밀도인 1.0 × 1011 A/m2 에서는 비교예 1의 경우 스커미온이 경계에 부딪혀 소멸되나, 실시예 1의 경우에는 스커미온이 위상학적 경계에서 소멸되지 않고 안정적으로 보존되며 이동함을 확인할 수 있다(도 7 및 도 8). 실시예 1의 경우, 200 ns 동안 스커미온이 일정한 크기, 일정한 속도로 이동하였다(도 8).
실시예 1의 경우 2.5 × 1011 A/m2의 높은 전류 밀도에서는 스커미온이 위상학적 경계에서 그 크기가 작아지다가 소멸됨을 확인할 수 있다(도 9).
이러한 안정성 향상을 정량적으로 분석하기 위해, 스커미온이 경계에서 소멸하게 되는 전류 밀도 조건인 소멸임계전류 밀도(threshold current density for annihilation)를 비교하였다. 도 10은 전산모사 시 셀(cell)의 크기를 바꾸어 가며 비교예 1 및 실시예 1의 경계에서의 스커미온 소멸임계전류 밀도를 비교한 그래프이다. 이 때 소멸임계전류 밀도는 전류 밀도 값을 0.1 × 1011 A/m2 단위로 바꾸어 가며 스커미온이 사라지거나 보존되는지를 확인하고 스커미온이 소멸한 가장 낮은 전류 밀도와 스커미온이 보존된 가장 높은 전류 밀도의 중간 값으로 정하였다.
도 10에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1의 위상학적 경계가 비교예 1의 물리학적 경계보다 소멸임계전류 밀도가 2.5 배 이상 높음을 알 수 있다.
<실험예 2> 스커미온의 수송 속도 비교
스커미온의 이동 속도는 메모리 소자의 데이터 처리 속도를 결정하는 중요한 요인이므로, 비교예 1 및 실시예 1의 스커미온 이동 속도를 비교하여, 도 11에 나타내었다.
스커미온은 경계에 도달하면 경계를 타고 이동하기 시작하며 충분한 시간이 지나면 일정한 속도로 움직인다. 특정 경계를 따라 +x 방향으로 이동하는 스커미온의 속력은 띨레 방정식(Thiele equation)에 의해 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.
<수학식 2>
Figure 112020035031132-pat00004
이 때 D = -(16/3)π(Msd/γ), σ = -πhP/(2e), h는 플랑크 상수, κ는 스커미온의 특성길이(characteristic length), j는 전류 밀도, Fb x는 경계가 스커미온에 주는 경계력(boundary force)의 x방향 성분을 나타낸다. 여기서 α, D, σ는 물질 값이므로, 스커미온의 속력은 전류 밀도 j와 스커미온의 특성길이 κ, 경계력 Fb x에만 의존한다.
도 11에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 비교예 1에서의 스커미온의 이동 속도는 동일한 전류 밀도일 경우, 거의 동일한 것을 알 수 있다.
즉, 물리적 경계와 위상학적 경계 모두 수평 방향으로 놓여 있어 x 방향으로 대칭성을 가지므로 Fb x = 0이라고 볼 수 있고, 따라서 스커미온의 수송 속도는 흘려 준 전류 밀도에 비례하는 바, 경계의 종류에 상관 없이 같은 전류 밀도에서의 스커미온의 이동 속도는 동일하게 된다.
그러나 스커미온의 소멸임계전류 밀도가 더 높아질 수 있으므로 최대 수송 속도가 향상될 수 있다.
도 11에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1의 경우, 7.0 × 1010 A/m2 이상의 전류 밀도에서는 스커미온이 소멸되어, 해당 전류 밀도에서의 구동이 불가하나, 실시예 1의 경우, 1.6 × 1011 A/m2 이상의 전류 밀도에서도 스커미온이 소멸되지 않아, 높은 전류 밀도로 구동이 가능한 만큼 더 높은 스커미온 수송 속도를 얻을 수 있다.
<실험예 3> 스커미온의 정렬 및 크기 조절
비교예 1 및 실시예 1의 소자를 응용한 비교예 2 및 실시예 2 소자에 대하여, 넓은 영역에 있던 18개의 스커미온을 4 × 1010 A/m2의 전류밀도로 오른쪽 좁은 영역으로 주입하였다(도 12, 도 14).
도 12에서 볼 수 있듯이, 비교예 2의 경우 넓은 영역에 있던 15개의 스커미온은 오른쪽 좁은 영역으로 들어가며 소멸하여, 6개의 스커미온이 남는다. 도 13에서는 이를 위상학적 수(topological number)로 나타내었는데, 위상학적 수가 -15에서 -6으로 감소한 것을 볼 수 있다.
반면, 도 14에서 볼 수 있듯이, 실시예 2의 경우 주입된 15개의 스커미온이 모두 보존되며, 도 15와 같이 그 위상학적 수 또한 일정한 값을 유지한다.
즉, 이는 실시예 2와 같은 형태의 소자를 이용하여 무작위로 생성된 스커미온 집단을 손실 없이 특정 방향으로 배열할 수 있음을 의미한다.
또한, 실시예 2 소자에 대하여, 스커미온 버블(skyrmion bubble)을 주입하였다. 스커미온 버블은 스커미온과 거의 동일한 스핀 구조를 가지나 스커미온보다 크기가 큰 스핀 구조체를 의미한다.
도 16에서 볼 수 있듯이, 이를 실시예 2의 좁은 영역으로 주입하는 경우, 오른쪽의 좁은 영역의 두께에 맞게 압축되어 진행한다.
즉, 이는 실시예 2와 같은 형태의 소자를 이용하여 임의의 크기의 스커미온 버블을 특정 크기의 스커미온으로 크기를 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
10 스커미온
100 제1 영역
200 제2 영역
300 물리적 경계
400 위상학적 경계
1000 스커미온 가이딩 소자

Claims (19)

  1. 스커미온이 존재하고, 제1 자화 방향을 가지며, 상기 스커미온이 이동하는 방향으로 연장 형성된 제1 영역; 및
    상기 제1 영역이 연장 형성된 방향과 나란하도록 상기 제1 영역의 양 측면에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역;을 포함하는 스커미온 가이딩 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스커미온 가이딩 소자는
    비자성층; 및
    상기 비자성층 위에 형성되는 자성층;
    을 포함하고,
    상기 자성층은 면 내 방향으로 접하는 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스커미온 가이딩 소자는 상기 비자성층에 전류를 인가하여 상기 스커미온을 제1 영역 내에서 이동시키는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스커미온은 제1 영역 내에서, 상기 제1 영역 및 제2 영역의 경계를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스커미온은 상기 스커미온 가이딩 소자에 인가되는 전류에 의하여 이동하는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역 및 제2 영역은 모두 수직 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역은 복수의 제2 영역 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역 및 제2 영역이 접하는 영역에 자구벽(domain wall)이 형성되는 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역 및 제2 영역의 경계에서 스커미온을 소멸시키기 위한 전류 밀도는 1.0 × 1011 A/m2 이상인 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스커미온의 크기는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역의 자기 이방성의 크기는 제2 영역의 자기 이방성의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 스커미온 가이딩 소자.
  12. 스커미온이 존재하고, 제1 자화 방향을 가지며, 상기 스커미온이 이동하는 방향으로 연장 형성된 제1 영역; 및
    상기 제1 영역이 연장 형성된 방향과 나란하도록 상기 제1 영역의 양 측면에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역;
    을 포함하는 스커미온 메모리 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스커미온 메모리 소자는 스커미온이 제1 영역 내에서 이동하며, 스커미온의 존재 유무에 따라 데이터 '1' 또는 '0'으로 읽는 것을 특징으로 하는 스커미온 메모리 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 스커미온 메모리 소자는
    비자성층; 및
    상기 비자성층 위에 형성되는 자성층;
    을 포함하고,
    상기 자성층은 면 내 방향으로 접하는 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 스커미온 메모리 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스커미온 메모리 소자는 상기 비자성층에 전류를 인가하여 상기 스커미온을 제1 영역 내에서 이동시키는 것을 특징으로 하는 스커미온 메모리 소자.
  16. 스커미온이 존재하고, 제1 자화 방향을 가지며, 상기 스커미온이 이동하는 방향으로 연장 형성된 제1 영역; 및
    상기 제1 영역이 연장 형성된 방향과 나란하도록 상기 제1 영역의 양 측면에 접하며 상기 제1 자화 방향과 반대의 자화 방향을 가지는 제2 영역;
    을 포함하는 스커미온 논리 소자.
  17. 수직 자기 이방성을 가지며, 자기 이방성 크기가 상이한 제1 영역 및 제2 영역을 형성하는 단계; 및
    자기장을 가하여 상기 제1 영역 및 제2 영역의 자화 방향을 서로 반대로 정렬시켜 제1항의 스커미온 가이딩 소자를 제조하는 단계;를 포함하는 스커미온 가이딩 소자 제조방법.
  18. 제1항의 스커미온 가이딩 소자를 이용하여 스커미온을 특정 방향으로 정렬시키는 방법.
  19. 제1항의 스커미온 가이딩 소자를 이용하여 스커미온의 크기를 조절하는 방법.
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