KR20120022087A - 발진기 및 그 동작방법 - Google Patents

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KR20120022087A
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Abstract

발진기 및 그 동작방법이 개시되어 있다. 개시된 발진기는 강자성 물질로 형성된 자성층 및 상기 자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 자화 고정요소를 포함할 수 있다. 상기 발진기는 상기 자성층의 자기 모멘트의 세차운동(precession)을 이용하여 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 자화 고정요소는 상기 자성층과 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조를 구성하는 요소일 수 있다. 또는 상기 자화 고정요소는 상기 자성층에 접촉된 반강자성층(antiferromagnetic layer)을 포함할 수 있다. 상기 발진기는 상기 자성층에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 스핀전달 자기요소(spin transfer magnetic element)를 더 포함할 수 있다.

Description

발진기 및 그 동작방법{Oscillator and method of operating the same}
발진기 및 그 동작방법에 관한 것이다.
발진기(Oscillator)는 일정한 주기의 신호를 발생시키는 장치로서, 주로 이동통신 단말기, 위성 및 레이더통신 기기, 무선네트워크 기기, 자동차용 통신 기기 등 무선통신 시스템에 사용되고, 아날로그 음향 합성장치 등에도 사용된다.
발진기에서 중요한 요소로는 품질 계수(quality factor), 출력 전력(output power), 위상 노이즈(phase noise) 등이 있다. 품질 계수와 출력 전력은 높을수록, 위상 노이즈는 작을수록 발진기의 특성은 우수할 수 있다. 최근, 통신 기기의 고성능화 및 소형화 요구가 증가하고 동작 주파수 대역이 높아짐에 따라, 소형이면서 높은 품질 계수 및 낮은 위상 노이즈를 갖는 고출력 발진기의 개발이 요구되고 있다.
스핀전달토크(spin transfer torque) 현상을 이용하는 스핀 토크 발진기가 제안된 바 있다. 스핀 토크 발진기는 기존의 LC 발진기 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 발진기에 비해 월등히 작은 초박형으로 제조할 수 있고, 비교적 높은 품질 계수를 갖기 때문에, 차세대 발진기로 주목받고 있다.
그러나 종래의 스핀 토크 발진기는 고주파 발진을 위해 큰 자기장을 필요로 한다. 예컨대, 10 GHz 정도의 주파수를 발생시키기 위해서는, 대략 1000 Oe(oersted), 즉, 0.1 T(tesla) 정도의 자기장을 인가해 주어야 한다. 하지만 이렇게 큰 자기장을 인가하는 것은 현실적으로 매우 어렵다.
스핀전달토크(spin transfer torque) 현상을 이용하는 것으로, 외부 자기장을 인가하지 않아도 고주파 신호를 발생할 수 있는 발진기를 제공한다.
상기 발진기의 동작방법을 제공한다.
본 발명의 한 측면(aspect)에 따르면, 강자성 물질로 형성된 자성층; 및 상기 자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 자화 고정요소;를 포함하고, 상기 자성층의 자기 모멘트의 세차운동(precession)을 이용하여 신호를 발생시키는 발진기가 제공된다.
상기 자화 고정요소는 상기 자성층과 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조를 구성하는 요소일 수 있다. 이 경우, 상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 일면에 순차로 구비된 제1분리층, 제1고정층 및 제1반강자성층(antiferromagnetic layer)을 포함할 수 있다.
상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 일면에 구비된 반강자성층을 포함할 수 있다.
상기 세차운동을 위한 스핀전달토크(spin transfer torque)는 상기 자화 고정요소로부터 유도될 수 있다.
상기 세차운동을 위한 스핀전달토크(spin transfer torque)는 별도로 구비된 스핀전달 자기요소(spin transfer magnetic element)로부터 유도될 수 있다.
상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 제1면에 구비될 수 있고, 상기 스핀전달 자기요소는 상기 자성층의 제2면에 순차로 구비된 제2분리층, 제2고정층 및 제2반강자성층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2고정층의 자화 방향은 상기 자성층과 다른 방향으로 고정될 수 있다.
상기 자화 고정요소가 상기 제1분리층을 포함하는 경우, 상기 제2분리층은 상기 제1분리층과 다른 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2분리층은 절연층 또는 도전층일 수 있다.
상기 자성층과 상기 자화 고정요소 사이의 교환결합 상수(exchange coupling constant)는 상기 제2고정층과 상기 제2반강자성층 사이의 교환결합 상수보다 작을 수 있다.
상기 자성층과 상기 자화 고정요소 사이의 교환결합 상수에 따라 발진 주파수가 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 강자성 물질로 형성된 자성층과 상기 자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 자화 고정요소를 포함하는 발진기의 동작방법에 있어서, 상기 자성층의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계; 및 상기 세차운동에 의한 상기 발진기의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함하는 발진기의 동작방법이 제공된다.
상기 자성층의 자기 모멘트를 세차운동시키는 단계는 상기 발진기에 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자화 고정요소는 상기 자성층과 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조를 구성하는 요소일 수 있다.
상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 일면에 구비된 반강자성층을 포함할 수 있다.
상기 발진기는 상기 자성층에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 스핀전달 자기요소(spin transfer magnetic element)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자성층의 자기 모멘트를 세차운동시키는 단계는 상기 자성층에서 상기 스핀전달 자기요소로 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 제1면에 구비될 수 있고, 상기 스핀전달 자기요소는 상기 자성층의 제2면에 순차로 구비된 제2분리층, 제2고정층 및 제2반강자성층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2고정층의 자화 방향은 상기 자성층과 다른 방향으로 고정될 수 있다.
외부 자기장을 인가하지 않아도 고주파 발진이 가능한 스핀 토크 발진기를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 6은 도 5의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
AF1, AF1', AF2 : 반강자성층 FF1, FF2 : 고정층
FP1 : 자성층 S1, S2 : 분리층
100, 100' : 자화 고정수단 200 : 스핀전달 자기요소
I : 전류 e- : 전자
이하, 본 발명의 실시예에 따른 발진기 및 그 동작방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 자성층(FP1)의 일면, 예컨대, 하면에 자성층(FP1)의 자화 방향을 고정하기 위한 "자화 고정요소"(100)가 구비될 수 있다. 자성층(FP1)은 Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 강자성(ferromagnetic) 물질로 형성될 수 있다. 상기 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 이외에 다른 원소를 더 포함할 수도 있다. 예컨대, 자성층(FP1)은 Fe, CoFe, CoFeB, NiFe 등으로 형성될 수 있다.
자화 고정요소(100)는, 예컨대, 자성층(FP1)의 하면에 순차로 구비된 분리층(S1), 고정층(fixed layer)(FF1) 및 반강자성층(antiferromagnetic layer)(AF1)을 포함할 수 있다. 반강자성층(AF1)에 의해 고정층(FF1)의 자화 방향이 소정 방향으로 고정될 수 있고, 자성층(FP1)의 자화 방향은 고정층(FF1)의 자화 방향과 반대 방향으로 고정될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 반강자성층(AF1)은 원자의 자기 모멘트가 규칙적으로 정방향 및 역방향으로 배열되는 특성을 갖는데, 고정층(FF1)의 자화 방향은 그에 인접한 반강자성층(AF1)의 최상부 자기 모멘트 방향으로 고정될 수 있다. 도시된 바와 같이, 반강자성층(AF1)의 최상부 자기 모멘트가 X축 방향일 때, 고정층(FF1)의 자화는 X축 방향으로 고정될 수 있다. 분리층(S1)을 사이에 두고 고정층(FF1)과 이격된 자성층(FP1)의 자화 방향은 고정층(FF1)과 반대 방향으로 고정될 수 있다. 이는 고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 교환결합(exchange coupling) 특성에 기인한 것이다. 이렇게 자성층(FP1)의 자화 방향이 고정층(FF1)과 반대 방향으로 고정되는 현상은 분리층(S1)의 물질과 두께가 소정의 조건을 만족할 때 나타날 수 있다. 이 경우, 자성층(FP1)과 고정층(FF1)은 분리층(S1)을 사이에 두고 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조를 형성한다고 할 수 있다. 다시 말해, 자성층(FP1)과 자화 고정요소(100)는 SAF 구조를 형성한다고 할 수 있다.
반강자성층(AF1)은, 예컨대, Mn 계열의 물질을 포함할 수 있다. 상기 Mn 계열의 물질은 InMn, FeMn 등일 수 있다. 그러나 반강자성층(AF1) 물질은 Mn 계열 물질에 한정되지 않는다. 반강자성 특성을 갖는 물질이면 어느 것이든 반강자성층(AF1) 물질로 사용될 수 있다. 고정층(FF1)은, 예컨대, Co, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 강자성 물질로 형성될 수 있다. 상기 강자성 물질은 Co, Fe, Ni 이외에 다른 원소를 더 포함할 수도 있다. 구체적인 예로, 고정층(FF1)은 Fe, CoFe, CoFeB, NiFe 등으로 형성될 수 있다. 고정층(FF1)의 물질은 자성층(FP1)과 같을 수 있으나, 다를 수도 있다. 분리층(S1)은 Ru 또는 Cr 등과 같은 도전 물질로 형성된 층(도전층)일 수 있다. 분리층(S1)의 두께는 수 nm 이하, 예컨대, 0.5?1.0 nm 정도일 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시예에 따른 발진기는 자성층(FP1)의 자기 모멘트(magnetic moment)의 세차운동(precession)을 이용해서 특정 주파수 대역의 신호를 발생시킬 수 있다. 자기 모멘트의 세차운동(precession)은 자기 모멘트의 축(axis)이 특정 궤도를 그리면서 회전하는 것을 의미한다. 여기서, 자기 모멘트의 축 방향은 자화 방향과 동일한 것으로 볼 수 있다. 따라서, 자기 모멘트의 세차운동(precession)은 자화 방향의 회전에 대응될 수 있다. 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 세차운동(precession)함에 따라, 고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 전기 저항이 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다.
본 실시예에서는 고정층(FF1)이 자성층(FP1)의 자화 방향을 고정해주는 역할을 하는데, 이러한 자화 방향의 고정은 세차운동(precession)을 위해 외부 자기장을 인가하는 것과 동일한 효과를 갖는다. 따라서, 본 실시예에 따른 발진기는 외부 자기장의 인가 없이 전류만으로 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다. 일반적으로 자기 모멘트의 세차운동(precession)을 위해서는, 자기 모멘트의 섭동(perturbation)을 위한 전류 유도 스핀전달토크(current-induced spin transfer torque)와 자기 모멘트의 복원력(restoring force)을 제공하는 외부 자기장이 요구된다. 자기 모멘트가 섭동하려는 힘과 소정 위치로 복원하려는 힘이 균형을 이루면서 자기 모멘트의 축(axis)이 특정 궤도를 그리면서 회전할 수 있다. 상기 복원력이 클수록 자기 모멘트의 회전 속도가 빨라지고, 결과적으로 발진 주파수가 커질 수 있다. 종래의 발진기는 자화 방향이 고정되지 않은 자성층, 즉, 자유층(free layer)을 이용하기 때문에, 상기 자유층의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시키기 위해서는, 상기 복원력을 제공하는 자기장을 인가해 주어야 하였다. 즉, 상기 자유층의 자화 방향을 한쪽으로 잡아주기 위한 외부 자기장이 요구된다. 그러나 본 실시예에서는 자성층(FP1)의 자화 방향이 자화 고정요소(100)에 의해 고정되어 있으므로, 자성층(FP1)의 자기 모멘트의 복원력은 자화 고정요소(100)에 의해 제공된다고 할 수 있다. 따라서, 외부 자기장을 인가하지 않고도 그와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 다시 말해, 외부 자기장 없이 전류의 인가만으로도 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다.
고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 교환결합 필드(exchange coupling field)는, 예컨대, 0.1 내지 0.5 T(tesla) 정도일 수 있다. 이는 고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 SAF 구조를 깨뜨리기 위해 0.1 내지 0.5 T 정도의 자기장이 필요하다는 것을 의미이다. 곧, 본 발진기의 유효 자기장(effective field)이 0.1 내지 0.5 T 정도라는 것으로, 이러한 발진기는 0.1 내지 0.5 T 정도의 자기장에서 작동하는 발진기와 유사한 주파수를 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 발진기는 대략 10 GHz 내지 50 GHz 정도의 고주파 신호를 발진할 수 있다. 고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 교환결합 필드(exchange coupling field)가 0.5 T 이상인 경우, 발진 주파수는 50 GHz 이상일 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 발진기에서는 고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 교환결합 상수(exchange coupling constant)에 따라 교환결합 필드(exchange coupling field)의 세기가 달라지고, 결과적으로, 발진 주파수가 변할 수 있다. 교환결합 상수(exchange coupling constant)는, 예컨대, 분리층(S1)의 두께에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 분리층(S1)의 두께를 조절함으로써 발진 주파수를 용이하게 조절할 수 있다.
도 2는 도 1의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2에는 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 세차운동(precession)하는 모습이 예시적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 발진기에 전류(I)를 인가함으로써, 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다. 상기 전류(I)는 자성층(FP1)에서 반강자성층(AF1)으로 인가할 수 있다. 이러한 전류(I)에 의해 전자(e-)는 반강자성층(AF1)에서 고정층(FF1)을 거쳐 자유층(FP1)으로 흐를 수 있다. 고정층(FF1)을 통과하는 자성층(FP1)으로 흐르는 전자(e-)는 고정층(FF1)과 동일한 스핀 방향을 갖고 자성층(FP1)에 스핀토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 이러한 스핀토크에 의해 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 섭동(perturbation)할 수 있다. 자성층(FP1)에는 SAF 구조에 기인한 복원력(restoring force)이 작용하고 있으므로, 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 섭동하려는 힘과 복원하려는 힘이 균형을 이루면서 자기 모멘트의 축(axis)이 특정 궤도를 그리면서 회전할 수 있다. 상기 자기 모멘트가 세차운동(precession)함에 따라, 발진기의 전기 저항이 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다. 본 실시예에서는 자성층(FP1)의 세차운동을 위한 스핀전달토크(spin transfer torque)가 자화 고정요소(100)(특히, 고정층(FF1))로부터 유도된다고 할 수 있다. 즉, 자화 고정요소(100)가 자성층(FP1)의 자화 방향을 고정하는 역할을 할 뿐 아니라, 자성층(FP1)에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 자성층(FP1)에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 스핀전달 자기요소(spin transfer magnetic element)를 별도로 구비시킬 수도 있다. 그 일례가 도 3에 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 자성층(FP1)의 제1면(예컨대, 하면)에 자화 고정요소(100)가 구비될 수 있고, 자성층(FP1)의 제2면(예컨대, 상면)에 스핀전달 자기요소(200)가 구비될 수 있다. 자화 고정요소(100)는 도 1의 자화 고정요소(100)와 동일할 수 있다. 이하에서는, 편의상 도 3의 자화 고정요소(100)의 분리층(S1), 고정층(FF1) 및 반강자성층(AF1)을 각각 제1분리층(S1), 제1고정층(FF1) 및 제1반강자성층(AF1)이라 한다. 스핀전달 자기요소(200)는 자성층(FP1)의 상면에 순차로 구비된 제2분리층(S2), 제2고정층(FF2) 및 제2반강자성층(AF2)을 포함할 수 있다. 제2반강자성층(AF2)에 의해 제2고정층(FF2)의 자화 방향이 소정 방향, 예컨대, 자성층(FP1)과 반대 방향(X축 방향)으로 고정될 수 있다. 스핀전달 자기요소(200)에서 특히 제2고정층(FF2)이 자성층(FP1)에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 요소라고 할 수 있다. 제2고정층(FF2)은 자성층(FP1)의 자화 방향을 고정하는 역할은 하지 않을 수 있다. 제1고정층(FF1)은 자성층(FP1)의 자화 방향을 고정하는 역할을 하는 반면, 제2고정층(FF2)은 그렇지 않을 수 있다. 이와 관련해서, 제2분리층(S2)의 물질 및/또는 두께는 제1분리층(S1)의 그것과 다를 수 있다. 예컨대, 제2분리층(S2)은 MgO층과 같은 도전층이거나, Cu층과 같은 도전층일 수 있다. 제2분리층(S2)이 제1분리층(S1)과 동일한 물질(예컨대, Ru)로 구성되는 경우라도, 제2분리층(S2)의 두께는 제1분리층(S1)의 두께와 다를 수 있다. 이와 같이, 제2분리층(S2)의 구성을 제1분리층(S1)과 다르게 함으로써, 제2고정층(FF2)과 자성층(FP1) 사이에 SAF 결합(coupling)이 나타나지 않을 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 자성층(FP1)과 반대 방향으로 자화가 고정된 제2고정층(FF2)은 자성층(FP1)에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 요소일 수 있다. 제2고정층(FF2)에서 제2분리층(S2)을 통한 자성층(FP1)으로의 스핀전달(spin transfer)은 제1고정층(FF1)에서 제1분리층(S1)을 통한 스핀전달보다 용이할 수 있다. 따라서 도 3과 같은 구조를 갖는 발진기는 고주파 신호를 보다 용이하게, 그리고 안정적으로 발진할 수 있다. 또한 제2분리층(S2)이 MgO층과 같은 절연층인 경우, 자성층(FP1)과 제2고정층(FF2) 사이의 자기저항비(MR ratio)는 자성층(FP1)과 제1고정층(FF1) 사이의 자기저항비(MR ratio)보다 상대적으로 클 수 있다. 따라서 도 3과 같은 구조를 갖는 발진기는 높은 출력 전력(output power)을 가질 수 있다. 또한 도 1의 구조와 유사하게, 도 3의 구조에서도 제1고정층(FF1)과 자성층(FP1) 사이의 교환결합 필드(exchange coupling field)를 조절하여 발진 주파수를 조절할 수 있다. 예컨대, 제1분리층(S1)의 두께를 조절하여 발진 주파수를 조절할 수 있다.
도 4는 도 3의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 발진기에 전류(I)를 인가함으로써, 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다. 상기 전류(I)는 자화 고정요소(100)에서 스핀전달 자기요소(200)로 인가할 수 있다. 이러한 전류(I)에 의해 전자(e-)는 스핀전달 자기요소(200)에서 자성층(FP1)을 거쳐 자화 고정요소(100)로 흐를 수 있다. 스핀전달 자기요소(200)의 제2고정층(FF2)에서 자성층(FP1)으로 흐르는 전자(e-)는 제2고정층(FF2)과 동일한 스핀 방향을 갖고 자성층(FP1)에 스핀토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 이러한 스핀토크에 의해 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 섭동(perturbation)할 수 있다. 자성층(FP1)에는 자화 고정요소(100)에 의한 복원력(restoring force)이 작용하고 있으므로, 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 섭동하려는 힘과 복원하려는 힘이 균형을 이루면서 자기 모멘트의 축(axis)이 특정 궤도를 그리면서 회전할 수 있다. 상기 자기 모멘트가 세차운동(precession)함에 따라, 발진기의 전기 저항이 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다. 본 실시예에서는 자성층(FP1)에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 요소(즉, 스핀전달 자기요소(200))와 자성층(FP1)의 자화 방향을 고정하는 역할(즉, 상기 복원력을 제공하는 역할)을 하는 요소(즉, 자화 고정요소(100))는 분리되어 있다고 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에서 자화 고정수단(100)의 구성은 변형될 수 있다. 예컨대, 자성층(FP1)과 SAF 구조를 구성하는 자화 고정수단(100)을 사용하는 대신에, 반강자성 물질로 형성된 단층 구조의 자화 고정수단을 사용할 수 있다. 그 예가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 자성층(FP1) 하면에 반강자성 물질로 형성된 단층 구조의 자화 고정수단(100')이 구비될 수 있다. 이하에서는 이를 반강자성층(AF1')이라 한다. 반강자성층(AF1')에 의해 자성층(FP1)의 자화 방향이 소정 방향, 예컨대, X축의 역방향으로 고정될 수 있다. 그 원리는 도 1에서 반강자성층(AF1)에 의해 고정층(FF1)의 자화 방향이 고정되는 원리와 동일하다. 이와 같이, 자성층(FP1)에 직접 접촉된 반강자성층(AF1')에 의해 자성층(FP1)의 자화 방향이 고정될 수 있고, 이에 따라, 자성층(FP1)에 외부 자기장을 인가한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 자성층(FP1)의 상면에는 스핀전달 자기요소(200)가 구비될 수 있다. 스핀전달 자기요소(200)는 도 3의 그것과 동일 혹은 유사한 구조를 가질 수 있다.
도 5와 같이, 자성층(FP1)에 반강자성층(AF1')을 직접 형성한 경우, 반강자성층(AF1')에 의한 유효 자기장(effective field)의 세기는 수 내지 수십 T(tesla) 정도로 높을 수 있다. 이는 도 1 및 도 3의 SAF 구조에 의한 유효 자기장보다 상당히 큰 값이다. 따라서 도 5의 구조를 갖는 발진기는 도 1 및 도 3의 발진기보다 높은 주파수를 갖는 신호를 발진할 수 있다. 예컨대, 도 5의 구조를 갖는 발진기는 GHz 영역을 넘어 1 THz 이상의 초고주파 신호까지 발진할 수 있다.
한편, 도 5에서 자성층(FP1)과 반강자성층(AF1')(즉, 자화 고정요소) 사이의 교환결합 상수(exchange coupling constant)는 제2고정층(FF2)과 제2반강자성층(AF2) 사이의 교환결합 상수보다 작을 수 있다. 다시 말해, 자성층(FP1)의 자화를 고정시키는 힘이 제2고정층(FF2)의 자화를 고정시키는 힘보다 약할 수 있다. 따라서 제2고정층(FF2)이 아닌 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 세차운동(precession) 할 수 있다. 예컨대, 자성층(FP1)과 반강자성층(AF1')을 각각 NiFe 및 IrMn 으로 형성하고, 제2고정층(FF2)과 제2반강자성층(AF2)을 각각 CoFeB 및 IrMn 으로 형성하면, 자성층(FP1)과 반강자성층(AF1') 사이의 교환결합 상수는 제2고정층(FF2)과 제2반강자성층(AF2) 사이의 그것보다 작을 수 있다. 자성층(FP1)과 반강자성층(AF1') 사이의 교환결합 상수에 따라, 발진 주파수가 달라질 수 있다. 이와 같이, 도 5의 구조에서는 자성층(FP1), 반강자성층(AF1'), 제2고정층(FF2) 및 제2반강자성층(AF2)의 물질에 따라 층간 교환 상호작용(exchange interaction)이 달라지므로, 이들의 물질을 조절함으로써 발진기의 특성(예컨대, 주파수)을 조절할 수 있다.
도 6은 도 5의 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 발진기에 전류(I)를 인가함으로써, 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시킬 수 있다. 상기 전류(I)는 자화 고정요소(100')(즉, 반강자성층(AF1'))에서 스핀전달 자기요소(200)로 인가할 수 있다. 이러한 전류(I)에 의해 전자(e-)는 스핀전달 자기요소(200)에서 자성층(FP1)을 거쳐 자화 고정요소(100')(즉, 반강자성층(AF1'))로 흐를 수 있다. 전류(I)에 의한 세차운동(precession)의 원리는 도 4를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있으므로, 반복 설명은 생략한다. 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 세차운동(precession)함에 따라, 발진기의 전기 저항이 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 7은 도 2, 도 4 및 도 6과 연계하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession)시킨다(S10). 발진기의 일단에서 타단으로 또는 그 반대 방향으로 자성층(FP1)을 통과하는 소정의 전류를 인가함으로써, 자성층(FP1)의 자기 모멘트를 세차운동(precession)시킬 수 있다. 자성층(FP1)의 자기 모멘트가 세차운동(precession) 하는 동안, 발진기의 전기 저항의 변화를 검출할 수 있다(S20). 상기 세차운동(precession)에 의해 발진기의 전기 저항은 주기적으로 변화될 수 있다. 상기 발진기의 전기 저항의 변화에 의해, 소정 주파수를 갖는 신호가 발생될 수 있다(S30). 상기 발진기를 구성하는 층들의 두께, 물질 등을 조절함으로써, 발진 주파수를 조절할 수 있다.
전술한 실시예에서는 자성층(FP1), 고정층(FF1, FF2), 반강자성층(AF1, AF1', AF2)이 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 자성층(FP1), 고정층(FF1, FF2), 반강자성층(AF1, AF1', AF2)이 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 경우에도, 발명의 사상 및 원리는 동일하게 적용될 수 있다. 상기 수직 자기이방성 물질을 사용하는 경우, 세차운동의 궤도와 방향은 달라질 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서는 강자성 물질로 형성된 자성층(FP1), 즉, 강자성층의 자기 모멘트가 세차운동하는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 경우에 따라서는, 반강자성층의 자기 모멘트를 세차운동시킬 수도 있다. 예컨대, 반강자성층/분리층/고정층 구조를 갖는 발진기를 구성하고, 상기 반강자성층의 적어도 일부의 자기 모멘트를 세차운동시켜 고주파 신호를 발생시킬 수도 있다. 여기서, 상기 분리층은 구비시키지 않을 수도 있고, 상기 고정층 상에 별도의 반강자성층을 더 구비시킬 수도 있다.
부가해서, 전술한 실시예에 따른 발진기의 원리를 역으로 적용하면, 고주파 신호를 DC 신호로 변환하는 RF 검출기(detector)를 구현할 수 있다. 즉, 도 1, 도 3 및 도 5의 구조는 발진기가 아닌 RF 검출기에 적용될 수 있다. 발진기의 원리를 역으로 적용하면 RF 검출기를 구현할 수 있다는 것은 당업자에게 잘 알려진바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 6의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이고, 그 동작방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 발진기를 구성하는 층들 사이에 또는 발진기의 상하면 중 적어도 하나에 다른 물질층을 추가적으로 구비시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 동작 전류를 발진기의 양단 사이가 아닌 발진기의 일단과 자성층(FP1) 사이에 인가할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 이와 같이 다양한 변형이 가능하기 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (17)

  1. 강자성 물질로 형성된 자성층; 및
    상기 자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 자화 고정요소;를 포함하고,
    상기 자성층의 자기 모멘트의 세차운동(precession)을 이용하여 신호를 발생시키는 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층과 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조를 구성하는 발진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 일면에 순차로 구비된 제1분리층, 제1고정층 및 제1반강자성층(antiferromagnetic layer)을 포함하는 발진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 일면에 구비된 반강자성층을 포함하는 발진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세차운동을 위한 스핀전달토크(spin transfer torque)는 상기 자화 고정요소로부터 유도되는 발진기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세차운동을 위한 스핀전달토크(spin transfer torque)는 별도로 구비된 스핀전달 자기요소(spin transfer magnetic element)로부터 유도되는 발진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 제1면에 구비되고,
    상기 스핀전달 자기요소는 상기 자성층의 제2면에 순차로 구비된 제2분리층, 제2고정층 및 제2반강자성층을 포함하며, 상기 제2고정층은 상기 자성층과 다른 방향으로 자화된 발진기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소가 제1분리층을 포함하는 경우, 상기 제2분리층은 상기 제1분리층과 다른 물질로 형성된 발진기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2분리층은 절연층 또는 도전층인 발진기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 자성층과 상기 자화 고정요소 사이의 교환결합 상수(exchange coupling constant)는 상기 제2고정층과 상기 제2반강자성층 사이의 교환결합 상수보다 작은 발진기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성층과 상기 자화 고정요소 사이의 교환결합 상수에 따라 발진 주파수가 조절되는 발진기.
  12. 강자성 물질로 형성된 자성층과 상기 자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 자화 고정요소를 포함하는 발진기의 동작방법에 있어서,
    상기 자성층의 자기 모멘트를 세차운동(precession) 시키는 단계; 및
    상기 세차운동에 의한 상기 발진기의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함하는 발진기의 동작방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 자성층의 자기 모멘트를 세차운동시키는 단계는 상기 발진기에 전류를 인가하는 단계를 포함하는 발진기의 동작방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층과 SAF(synthetic antiferromagnet) 구조를 구성하는 발진기의 동작방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 일면에 구비된 반강자성층을 포함하는 발진기의 동작방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 발진기는 상기 자성층에 스핀전달토크(spin transfer torque)를 인가하기 위한 스핀전달 자기요소(spin transfer magnetic element)를 더 포함하고,
    상기 자성층의 자기 모멘트를 세차운동시키는 단계는 상기 자성층에서 상기 스핀전달 자기요소로 전류를 인가하는 단계를 포함하는 발진기의 동작방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자화 고정요소는 상기 자성층의 제1면에 구비되고,
    상기 스핀전달 자기요소는 상기 자성층의 제2면에 순차로 구비된 제2분리층, 제2고정층 및 제2반강자성층을 포함하며, 상기 제2고정층은 상기 자성층과 다른 방향으로 자화된 발진기의 동작방법.
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