KR20120024028A - Spin transfer torque oscillator - Google Patents

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KR20120024028A
KR20120024028A KR1020100086584A KR20100086584A KR20120024028A KR 20120024028 A KR20120024028 A KR 20120024028A KR 1020100086584 A KR1020100086584 A KR 1020100086584A KR 20100086584 A KR20100086584 A KR 20100086584A KR 20120024028 A KR20120024028 A KR 20120024028A
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transfer torque
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KR1020100086584A
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이성철
피웅환
김기원
김광석
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삼성전자주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Abstract

PURPOSE: A spin transport torque generator is provided to adjust oscillation wavelength by oscillation without the approval of the separate external magnetism. CONSTITUTION: A spin transport torque oscillator comprises a free layer(10), a first nonmagnetic layer(15), a pinned layer(20), a second nonmagnetic layer(25), and a pinned layer(30) and has the shape of a nano pillar. The electrode layer can be arranged on the top of the free layer and the lower part of the second pinned layer. The free layer and the second pinned layer can be used as an electrode. The free layer varies magnetization direction according to one between applied current and applied voltage. The oscillator comprises two or more free layers. The free layer has horizontal magnetic anisotropy.

Description

스핀전달토크 발진기{Spin transfer torque oscillator}Spin transfer torque oscillator

본 개시는 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스핀전달토크를 이용한 발진기에 관한 것이다. The present disclosure relates to an oscillator, and more particularly, to an oscillator using spin transfer torque.

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. 모든 이동통신 기기는 특정 주파수 대역의 정보를 전달하게 되는데, 여기서 특정 주파수 대역을 만들어내는 부품이 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(VCO)이다.Oscillator is a device that generates a signal of a certain period, mainly used in wireless communication systems such as mobile communication terminals, satellite and radar communication devices, wireless network devices, automotive communication devices, and also used in analog sound synthesis apparatus. All mobile devices carry information on a specific frequency band, where the component that produces that frequency band is a voltage controlled oscillator (VCO).

발진기에서 중요한 요소로는 출력 전력(output power), 품질 계수(quality factor) 및 위상 노이즈(phase noise) 등이 있다. 출력 전력과 품질 계수는 높을수록, 위상 노이즈는 작을수록 발진기는 우수한 특성을 갖는다. 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. Important factors in the oscillator include output power, quality factor and phase noise. The higher the output power and quality factor, the smaller the phase noise, the better the oscillator. In recent years, as the demand for high performance and miniaturization of communication devices increases and the operating frequency band increases, development of a high output oscillator which is small and has a high quality factor and low phase noise is required.

스핀전달토크 발진기(spin transfer torque oscillator)는 마이크로미터 이하의 작은 크기를 가지며, 넓은 범위의 주파수를 커버할 수 있다는 점에서, 높은 관심을 받아 왔다. Spin transfer torque oscillators have received high interest in that they have a small size of less than micrometers and can cover a wide range of frequencies.

임계전류밀도가 낮고 필드프리 진동이 가능한 스핀전달토크 발진기를 제공하고자 한다. To provide a spin-transfer torque oscillator with low critical current density and field-free vibration.

일 유형에 따르는 스핀전달토크 발진기는 고정된 자화방향을 갖는 제1 고정층; 고정층 상에 마련되는 제1 비자성층; 및 제1 비자성층 상에 마련되며 가변적인 자화방향을 갖는 자유층;을 구비하는 나노 기둥을 포함하며, 나노 기둥의 종횡비는 1 내지 1.2의 범위 내에 있다.A spin transfer torque oscillator according to one type includes: a first pinned layer having a fixed magnetization direction; A first nonmagnetic layer provided on the pinned layer; And a free layer provided on the first nonmagnetic layer and having a variable magnetization direction, wherein the aspect ratio of the nano pillars is in a range of 1 to 1.2.

제1 고정층의 자화방향은 인-플레인(in-plane)에 있을 수 있다. 또한, 자유층은 수평 자기 이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. The magnetization direction of the first pinned layer may be in-plane. In addition, the free layer may have in-plane magnetic anisotropy.

자유층의 자기 모멘트는 인가 자기장이 영인 상태에서 인가전류 또는 인가전압에 따라 세차 운동을 하고, 이에 따라 나노 기둥의 저항이 주기적으로 변경됨으로써 나노 기둥은 소정 주파수를 가진 신호를 생성할 수 있다.The magnetic moment of the free layer is precessed according to the applied current or the applied voltage in a state where the applied magnetic field is zero, and thus the resistance of the nano pillars is periodically changed, so that the nano pillars may generate a signal having a predetermined frequency.

나노 기둥은, 제1 고정층 밑에 마련되는 제2 비자성층; 및 제2 비자성층 밑에 마련되고 제1 고정층의 자화방향과 반대되는 자화방향을 갖는 제2 고정층;을 포함할 수 있다. The nano pillars may include a second nonmagnetic layer provided under the first pinned layer; And a second pinned layer provided under the second nonmagnetic layer and having a magnetization direction opposite to that of the first pinned layer.

나아가, 나노 기둥은, 자유층 상에 마련되는 제3 비자성층; 및 제3 비자성층 상에 마련되는 참조층;을 더 포함하며, 참조층의 자화방향은 인-플레인(in-plane)에 있으면서 제1 고정층의 자화방향에 수직할 수 있다.Furthermore, the nano-pillar, the third nonmagnetic layer provided on the free layer; And a reference layer provided on the third nonmagnetic layer, wherein the magnetization direction of the reference layer may be perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer while being in an in-plane.

개시된 실시예들에 의한 스핀전달토크 발진기는 스핀토크발진을 보이는 임계전류밀도가 낮으며, 별도의 외부자기장의 인가없이 발진이 가능하며, 발진파장이 조절가능하다.The spin transfer torque oscillator according to the disclosed embodiments has a low threshold current density showing spin torque oscillation, oscillation is possible without the application of an external magnetic field, and the oscillation wavelength is adjustable.

도 1은 일 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 스핀전달토크 발진기의 종횡비에 따른 스트레이 필드의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3i는 스핀전달토크 발진기의 종횡비에 따른 스핀토크 발진의 발생여부를 설명하는 히스토그램이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
10...자유층 15, 25, 35...비자성층
20, 20´, 30...고정층 40...참조층1 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to an embodiment.
2 is a graph showing the size of the stray field according to the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator.
3A to 3I are histograms illustrating whether or not spin torque oscillation occurs according to an aspect ratio of a spin transfer torque oscillator.
4 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to another embodiment.
5 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to another embodiment.
6 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to another embodiment.
Description of the Related Art [0002]
10 Free layer 15, 25, 35 Nonmagnetic layer
20, 20´, 30 ... fixed floor 40 ... reference floor

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings refer to like elements, and the size or thickness of each element may be exaggerated for clarity.

도 1은 일 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 자유층(free layer)(10), 제1 비자성층(15), 제1 고정층(pinned layer)(20), 제2 비자성층(25), 및 제2 고정층(30)을 포함하는 나노 기둥(nano pillar)의 형상을 가질 수 있다. 나노 기둥의 단면은 원형, 타원형, 다각형 등이 될 수 있다. 이때, 나노 기둥의 종횡비(aspect ratio)는 1 내지 1.2의 범위 내에 있을 수 있다. 나노 기둥의 종횡비는 길이 대 폭의 비 즉, b/a로 정의된다. 도시되지는 않았지만, 자유층(10)의 상부 및 제2 고정층(30)의 하부에는 전극층이 배치될 수 있다. 그러나, 자유층(10)과 제2 고정층(30)의 전기 저항이 충분히 낮은 경우에는 자유층(10)과 제2 고정층(30) 자체를 전극으로 사용할 수 있으므로 자유층(10)과 제2 고정층(30) 상에 별도의 전극층을 배치하지 않을 수도 있다.Referring to FIG. 1, the spin transfer torque oscillator of the present embodiment includes a free layer 10, a first nonmagnetic layer 15, a first pinned layer 20, and a second nonmagnetic layer 25. , And may have a shape of a nano pillar including the second pinned layer 30. The cross section of the nano pillars may be circular, elliptical, polygonal, or the like. In this case, the aspect ratio of the nano pillars may be in the range of 1 to 1.2. The aspect ratio of a nanopillar is defined as the ratio of length to width, ie b / a. Although not shown, an electrode layer may be disposed above the free layer 10 and below the second pinned layer 30. However, when the electrical resistance of the free layer 10 and the second pinned layer 30 is sufficiently low, the free layer 10 and the second pinned layer 30 can be used as the electrodes, so the free layer 10 and the second pinned layer 30 can be used as electrodes. It is not necessary to arrange a separate electrode layer on the (30).

자유층(10)은 인가 전류 및 인가 전압 중 적어도 하나에 따라 자화 방향이 가변적인 층이다. 본 실시예에서 발진기는 하나의 자유층(10)을 포함하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 경우에 따라서, 발진기는 적어도 두 개 이상의 자유층들을 포함할 수 있고, 이때, 적어도 두 개의 자유층들 각각의 사이에는 절연층 또는 도전층과 같은 분리층이 배치될 수 있다. 자유층(10)은 수평 자기 이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 즉, 자유층(10)은 인-플레인(in-plane)에 놓인 자기 모멘트를 가질 수 있다. 이러한 자유층(10)은 예를 들어, CoFeB 또는 NiFe 등과 같이 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중 적어도 하나를 포함하는 물질층일 수 있다. 그러나, 자유층(10)의 구성은 상술한 예시에 한정되지 않고, 일반적으로 자성 소자에 적용되는 자유층 물질은 자유층(10)의 물질로 적용될 수 있다.The free layer 10 is a layer whose magnetization direction is variable according to at least one of an applied current and an applied voltage. In this embodiment, the oscillator includes one free layer 10, but the present invention is not limited thereto. In some cases, the oscillator may include at least two free layers, wherein a separation layer such as an insulating layer or a conductive layer may be disposed between each of the at least two free layers. The free layer 10 may have in-plane magnetic anisotropy. In other words, the free layer 10 may have a magnetic moment lying in-plane. The free layer 10 may be, for example, a material layer including at least one of cobalt (Co), nickel (Ni), and iron (Fe), such as CoFeB or NiFe. However, the configuration of the free layer 10 is not limited to the above-described example, and in general, a free layer material applied to the magnetic element may be applied to the material of the free layer 10.

제1 비자성층(15)은 자유층910)과 제1 고정층(20)의 사이에 배치될 수 있고, 절연층 또는 도전층으로 구현될 수 있다. 제1 비자성층(15)이 절연층으로 구현되는 경우, 예를 들어, 제1 비자성층(15)은 마그네슘 산화물(MgO) 또는 알루마늄 산화물(AlOx)와 같은 산화물을 포함하는 층일 수 있고, 이때, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 TMR(Tunneling Magnetroresistance) 구조를 가질 수 있다. 한편, 제1 비자성층(15)이 도전층으로 구현되는 경우, 예를 들어, 제1 비자성층(15)은 구리(Cu), 알루마늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 층일 수 있고, 이때, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 GMR(Giant Magnetroresistance) 구조를 가질 수 있다. The first nonmagnetic layer 15 may be disposed between the free layer 910 and the first pinned layer 20, and may be implemented as an insulating layer or a conductive layer. When the first nonmagnetic layer 15 is implemented as an insulating layer, for example, the first nonmagnetic layer 15 may be a layer including an oxide such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (AlOx). At this time, the spin transfer torque oscillator of the present embodiment may have a TMR (Tunneling Magnetroresistance) structure. Meanwhile, when the first nonmagnetic layer 15 is implemented as a conductive layer, for example, the first nonmagnetic layer 15 may be copper (Cu), aluminum (Al), gold (Au), or silver (Ag). And it may be a layer including at least one of the mixture, wherein the spin transfer torque oscillator of the present embodiment may have a GMR (Giant Magnetroresistance) structure.

제1 고정층(20)은 인-플레인(in-plane)상에 고정된 자화방향을 갖는다. 제1 고정층(20)과 제2 고정층(30)은 교환 결합(exchange coupling)을 이룰 수 있고, 이로써, 제1 고정층(20)과 제2 고정층(30)은 서로 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 즉, 제1 고정층(20)과 제2 고정층(30)은 제2 비자성층(25)을 사이에 두고 합성 반강자성 결합(synthetic anti-ferromagnetic coupling)을 할 수 있다. 제1 및 제2 고정층(10, 20)은 예를 들어 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하는 강자성(ferromagnetic) 물질로 형성될 수 있고, 제2 비자성층(25)은 루테늄(Ru) 또는 크롬(Cr) 등과 같은 도전 물질로 형성될 수 있다.The first pinned layer 20 has a magnetization direction fixed on an in-plane. The first pinned layer 20 and the second pinned layer 30 may form an exchange coupling, whereby the first pinned layer 20 and the second pinned layer 30 have a magnetization direction fixed in opposite directions. Can have That is, the first pinned layer 20 and the second pinned layer 30 may perform synthetic anti-ferromagnetic coupling with the second nonmagnetic layer 25 therebetween. The first and second pinned layers 10 and 20 may be formed of, for example, a ferromagnetic material including at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni), and the second nonmagnetic layer. Reference numeral 25 may be formed of a conductive material such as ruthenium (Ru) or chromium (Cr).

도 2는 본 실시예의 스핀전달토크 발진기를 이루는 나노 기둥의 종횡비에 따른 자유층(도 1의 10)에서의 스트레이 필드의 크기를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 제1 고정층(20)의 고정된 자화 벡터가 +X 방향에 놓여있다. 이때, 제1 고정층(20)의 자화 벡터에 의한 자기장은 닫힌 루프를 이루고 있으며, 제1 고정층(20)의 상부에 인접한 자유층(10)에는 제1 고정층(20)의 자화 벡터와 반대되는 방향의 스트레이 필드가 형성되게 된다. 도 2는 자유층(10)에 형성되는 제1 고정층(20)으로부터의 스트레이 필드를 도시한다. 즉, 도 2는 제1 고정층(20)의 고정된 자화 벡터가 +X 방향에 대해, 자유층(10)에서 -X 방향으로는 스트레이 필드가 존재하나, Y 방향 및 Z 방향의 스트레이 필드가 없음을 도시하고 있다. 이때, X 방향의 스트레이 필드는 종횡비(b/a)에 따라 급격하게 변하고 있음을 볼 수 있다. 즉, 스핀전달토크 발진기를 이루는 나노 기둥의 종횡비(b/a)가 1.0인 경우를 기준으로, 1.0보다 작아지면 스트레이 필드의 크기가 작아지며, 1.0이상에서는 스트레이 필드의 크기가 거의 변화하지 않음을 볼 수 있다. 따라서, 스핀전달토크 발진기를 이루는 나노 기둥의 종횡비를 1.0이상으로 함으로써, 자유층(10)에 형성되는 제1 고정층(20)으로부터의 스트레이 필드를 충분히 확보할 수 있다.Figure 2 is a graph showing the size of the stray field in the free layer (10 in Figure 1) according to the aspect ratio of the nano-pillar constituting the spin transfer torque oscillator of the present embodiment. Referring to FIG. 1, the fixed magnetization vector of the first pinned layer 20 lies in the + X direction. In this case, the magnetic field by the magnetization vector of the first pinned layer 20 forms a closed loop, and the free layer 10 adjacent to the upper portion of the first pinned layer 20 is opposite to the magnetization vector of the first pinned layer 20. The stray field of is formed. 2 shows the stray fields from the first pinned layer 20 formed in the free layer 10. That is, in FIG. 2, the fixed magnetization vector of the first pinned layer 20 has a stray field in the -X direction in the free layer 10 with respect to the + X direction, but there is no stray field in the Y and Z directions. It is shown. In this case, it can be seen that the stray field in the X direction is rapidly changing according to the aspect ratio b / a. That is, when the aspect ratio (b / a) of the nano pillars forming the spin transfer torque oscillator is 1.0, the size of the stray field is smaller than 1.0, and the size of the stray field hardly changes at 1.0 or more. can see. Therefore, by setting the aspect ratio of the nano pillars constituting the spin transfer torque oscillator to 1.0 or more, the stray field from the first pinned layer 20 formed in the free layer 10 can be sufficiently secured.

한편, 도 3a 내지 도 3i는 전류인가시 스핀전달토크 발진기의 종횡비에 따른 스핀토크 발진의 발생여부를 설명하는 히스토그램이다. 도 3a 내지 도 3i에서 크기는 폭*길이를 나타낸다. 3A to 3I are histograms illustrating whether or not spin torque oscillation occurs according to an aspect ratio of the spin transfer torque oscillator when a current is applied. In Figures 3A-3I the size represents the width * length.

도 3a 내지 도 3c는 스핀전달토크 발진기의 종횡비(b/a)가 각각 0.53, 0.67, 및 0.8인 경우인데, 스핀토크발진이 보이지 않는다. 이는, 스핀전달토크 발진기의 형상 이방성에 대해 제1 고정층(20)으로부터 나오는 스트레이 필드가 작기에, 자유층(10)의 자화가 스핀 토크(spin torque)에 의해 일단 스위칭되면 그 이후에는 더 이상 스핀토크발진이 나타나지 않는 것으로 이해될 수 있다. 한편, 도 3h 및 도 3i는 스핀전달토크 발진기의 종횡비(b/a)가 각각 1.5 및 1.8인 경우인데, 스핀토크발진이 보이기는 하나, 임계전류밀도가 상당히 높은 것을 볼수 있다. 따라서, 스핀전달토크 발진기를 이루는 나노 기둥의 종횡비를 1.2보다 작게 함으로써, 임계전류밀도를 작게 할 수 있다.3A to 3C show the aspect ratio b / a of the spin transfer torque oscillator being 0.53, 0.67, and 0.8, respectively, in which no spin torque oscillation is seen. This is because the stray field coming out of the first pinned layer 20 with respect to the shape anisotropy of the spin transfer torque oscillator is small, so that once the magnetization of the free layer 10 is switched by spin torque, it is no longer spind thereafter. It can be understood that torque oscillation does not appear. 3H and 3I show that the aspect ratio (b / a) of the spin transfer torque oscillator is 1.5 and 1.8, respectively, the spin torque oscillation can be seen, but the critical current density can be seen to be quite high. Therefore, the critical current density can be reduced by making the aspect ratio of the nano pillars constituting the spin transfer torque oscillator smaller than 1.2.

다음으로 본 실시예의 스핀전달토크 발진기의 동작에 대해 설명하기로 한다.Next, the operation of the spin transfer torque oscillator of the present embodiment will be described.

스핀전달토크 발진기에 전류가 인가되면, 전자(e-)는 예를 들어, Y축 방향, 즉, 제1 고정층(20)에서 자유층(10)의 방향으로 이동할 수 있다. 제1 고정층(20)을 통과한 전자(e-)는 제1 고정층(20)과 동일한 스핀 방향, 즉, X축 방향의 스핀 방향을 가질 수 있고, 이에 따라, 자유층(10)에 X축 방향의 스핀 토크(spin torque)를 인가할 수 있다. 이러한 스핀 토크에 의해 자유층(10)의 자기 모멘트는 섭동(perturbation)할 수 있다. 한편, 스핀전달토크 발진기에 별도의 외부 자기장을 인가하지 않더라도, 제1 고정층(20a)에 의해 자유층(10)에는 X축의 반대 방향의 스트레이 필드가 인가된다. 이러한 스트레이 필드에 의해 자유층(10)의 자기 모멘트에 복원력(restoring force)이 인가될 수 있다.When a current is applied to the spin transfer torque oscillator, the electron e- may move in the Y-axis direction, that is, in the direction of the free layer 10 in the first pinned layer 20. The electron (e−) passing through the first pinned layer 20 may have the same spin direction as that of the first pinned layer 20, that is, the spin direction in the X-axis direction, and thus, the X axis in the free layer 10. Spin torque in the direction can be applied. Due to such spin torque, the magnetic moment of the free layer 10 may be perturbated. On the other hand, even if a separate external magnetic field is not applied to the spin transfer torque oscillator, the stray field in the opposite direction of the X axis is applied to the free layer 10 by the first pinned layer 20a. By this stray field, a restoring force may be applied to the magnetic moment of the free layer 10.

이와 같이, 자유층(10)에는 X축 방향의 스핀 토크와 X축의 반대 방향의 스트레이 필드가 인가될 수 있고, 스핀 토크에 의해 자유층(10)의 자기 모멘트가 섭동하려는 힘과 스트레이 필드에 의해 자유층(10)의 자기 모멘트가 복원하려는 힘이 균형을 이루면서 자유층(10)의 자기 모멘트는 제1 고정층(20)의 자화방향에 대해 평행/반평행(parallel/anti-parallel)한 상태로 진동하게 된다. 전술한 바와 같이, 스핀전달토크 발진기를 이루는 나노 기둥의 종횡비를 1.2보다 작게 함으로써 이와 같이 힘의 균형을 이루는데 요구되는 스트레이 필드의 크기를 충분히 확보할 수 있다. 이때, 자유층(10)의 자기 모멘트의 제1 고정층(20)의 자화방향에 대한 평행/반평행한 상태는 자기 모멘트의 세차 운동(precession)은 자화 방향의 회전으로 볼 수 있다. 결과적으로, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 소정의 주파수를 가진 신호를 생성할 수 있다. 한편, 인가전류의 크기에 따라 발생되는 주파수는 소정 범위 내에서 조절될 수 있다.As such, the spin layer in the X-axis direction and the stray field in the opposite direction of the X-axis may be applied to the free layer 10, and the force and the stray field of the magnetic moment of the free layer 10 may be perturbed by the spin torque. The magnetic moment of the free layer 10 is balanced / anti-parallel with respect to the magnetization direction of the first pinned layer 20 while the magnetic moment of the free layer 10 is balanced. It will vibrate. As described above, by reducing the aspect ratio of the nano pillars constituting the spin transfer torque oscillator to less than 1.2, it is possible to sufficiently secure the size of the stray field required to balance the force. In this case, the parallel / antiparallel state of the magnetic moment of the free layer 10 with respect to the magnetization direction of the first pinned layer 20 may be regarded as the precession of the magnetic moment as the rotation of the magnetization direction. As a result, the spin transfer torque oscillator of this embodiment can generate a signal having a predetermined frequency. On the other hand, the frequency generated according to the magnitude of the applied current can be adjusted within a predetermined range.

이와 같은 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 기존의 LC 발진기 및 FBAR(film bulk acoustic resonator) 발진기에 비해 소형으로 제조될 수 있고, 높은 품질 계수를 갖는 장점이 있다.Such a spin transfer torque oscillator of the present embodiment can be manufactured in a compact size compared to the conventional LC oscillator and film bulk acoustic resonator (FBAR) oscillator, and has the advantage of having a high quality factor.

도 4는 다른 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다. 4 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to another embodiment.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 자유층(10), 비자성층(15), 및 고정층(20')을 포함하는 나노 기둥의 형상을 가질 수 있다. 나노 기둥은, 전술한 바와 같이, 원형, 타원형, 다각형 등의 단면을 가질 수 있으며, 1 내지 1.2의 범위 내의 종횡비를 갖는다. 본 실시예는 고정층(20')을 좀 더 두텁게 함으로써, 단일 고정층(20')으로 자화방향을 고정시킨다. Referring to FIG. 4, the spin transfer torque oscillator of the present embodiment may have a shape of a nano pillar including a free layer 10, a nonmagnetic layer 15, and a pinned layer 20 ′. As described above, the nano pillars may have a cross section of a circle, an ellipse, a polygon, or the like, and have an aspect ratio in the range of 1 to 1.2. In this embodiment, the pinned layer 20 'is made thicker to fix the magnetization direction with a single pinned layer 20'.

본 실시예의 고정층(20')이 단일층으로 형성된다는 점을 제외하고는 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 2 및 도 3a 내지 도 3i에 도시된 도표의 결과는 본 실시예의 스핀전달토크 발진기에서도 그대로 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 스핀전달토크 발진기의 종횡비를 1.0보다 크게 함으로써 자유층(10)에 형성되는 고정층(20')으로부터의 스트레이 필드는 충분히 확보할 수 있고, 스핀전달토크 발진기의 종횡비를 1.2보다 작게 함으로써, 임계전류밀도를 작게할 수 있다. It is substantially the same as the above-described embodiment except that the pinned layer 20 'of the present embodiment is formed as a single layer. Therefore, the results of the diagrams shown in Figs. 2 and 3A to 3I can be applied as it is to the spin transfer torque oscillator of this embodiment. As described above, by increasing the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator to greater than 1.0, the stray field from the fixed layer 20 'formed in the free layer 10 can be sufficiently secured, and the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator to less than 1.2. Thus, the critical current density can be reduced.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다. 5 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to another embodiment.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 자유층(10), 제1 비자성층(15), 제1 고정층(20), 제2 비자성층(25), 제2 고정층(30), 제3 비자성층(35) 및 참조층(40)을 포함하는 나노 기둥의 형상을 가질 수 있다. 나노 기둥은 원형, 타원형, 다각형 등이 될 수 있으며, 1 내지 1.2의 범위 내의 종횡비를 가질 수 있다. Referring to FIG. 5, the spin transfer torque oscillator of the present embodiment includes a free layer 10, a first nonmagnetic layer 15, a first pinned layer 20, a second nonmagnetic layer 25, a second pinned layer 30, It may have a shape of a nano pillar including the third nonmagnetic layer 35 and the reference layer 40. Nano pillars may be circular, elliptical, polygonal, or the like, and may have an aspect ratio in the range of 1 to 1.2.

본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 도 1을 참조하여 설명한 실시예의 스핀전달토크 발진기와 비교하여, 자유층(10) 상에 제3 비자성층(35)이 마련되고, 제3 비자성층(35) 상에 참조층(40)이 마련된다는 점에서 차이가 있다. 참조층(40)은 인-플레인(in-plane)에 있으면서 제1 고정층(20)의 자화방향에 수직하게 고정된 자화방향을 갖는다. 즉, 도면에서 제1 고정층(20)의 자화방향이 X 방향일 때, 참조층(40)의 자화방향은 Y 방향일 수 있다.Compared with the spin transfer torque oscillator of the embodiment described with reference to FIG. 1, the spin transfer torque oscillator of the present embodiment is provided with a third nonmagnetic layer 35 on the free layer 10 and on the third nonmagnetic layer 35. There is a difference in that the reference layer 40 is provided. The reference layer 40 is in-plane and has a magnetization direction fixed perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer 20. That is, when the magnetization direction of the first pinned layer 20 is in the X direction, the magnetization direction of the reference layer 40 may be in the Y direction.

이러한 참조층(40)은 자유층(10)의 자기모멘트가 제1 고정층(20)의 자화방향에 대해 평행/반평행(parallel/anti-parallel)한 상태로 진동하는 것을 보다 용이하게 진동할 수 있도록 하며, 자기저항(magnetoresistance)을 크게 하여, 출력(power)을 크게 할 수 있다. The reference layer 40 can more easily vibrate to vibrate in a state where the magnetic moment of the free layer 10 is parallel / anti-parallel with respect to the magnetization direction of the first pinned layer 20. It is possible to increase the magnetoresistance and increase the power.

본 실시예는 제3 비자성층(35) 및 참조층(40)이 추가적으로 마련된다는 점을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 2 및 도 3a 내지 도 3i에 도시된 도표의 결과는 본 실시예의 스핀전달토크 발진기에서도 그대로 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 스핀전달토크 발진기의 종횡비를 1.0보다 크게 함으로써 자유층(10)에 형성되는 제1 고정층(20)으로부터의 스트레이 필드는 충분히 확보할 수 있고, 스핀전달토크 발진기의 종횡비를 1.2보다 작게 함으로써, 임계전류밀도를 작게할 수 있다.This embodiment is substantially the same as the embodiment described with reference to FIG. 1 except that the third nonmagnetic layer 35 and the reference layer 40 are additionally provided. Therefore, the results of the diagrams shown in Figs. 2 and 3A to 3I can be applied as it is to the spin transfer torque oscillator of this embodiment. As described above, by increasing the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator to greater than 1.0, the stray field from the first fixed layer 20 formed in the free layer 10 can be sufficiently secured, and the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator to 1.2. By making it small, the critical current density can be made small.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 스핀전달토크 발진기의 개략적인 구성도이다.6 is a schematic diagram of a spin transfer torque oscillator according to another embodiment.

도 6를 참조하면, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기는 자유층(10), 비자성층(15), 고정층(20'), 제3 비자성층(35) 및 참조층(40)을 포함하는 나노 기둥의 형상을 가질 수 있다. 나노 기둥은 원형, 타원형, 다각형 등이 될 수 있으며, 1 내지 1.2의 범위 내의 종횡비를 가질 수 있다. 본 실시예는 고정층(20')을 좀 더 두텁게 함으로써, 단일 고정층(20')으로 자화방향을 고정시킨다. 본 실시예의 고정층(20')이 단일층으로 형성된다는 점을 제외하고는 도 5를 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 실시예의 스핀전달토크 발진기의 종횡비를 1.0보다 크게 함으로써 자유층(10)에 형성되는 고정층(20')으로부터의 스트레이 필드는 충분히 확보할 수 있고, 스핀전달토크 발진기의 종횡비를 1.2보다 작게 함으로써, 임계전류밀도를 작게할 수 있으며, 참조층(40)에 의하여 출력을 크게 할 수 있다. Referring to FIG. 6, the spin transfer torque oscillator of the present embodiment includes a nano pillar including a free layer 10, a nonmagnetic layer 15, a pinned layer 20 ′, a third nonmagnetic layer 35, and a reference layer 40. It may have a shape of. Nano pillars may be circular, elliptical, polygonal, or the like, and may have an aspect ratio in the range of 1 to 1.2. In this embodiment, the pinned layer 20 'is made thicker to fix the magnetization direction with a single pinned layer 20'. It is substantially the same as the embodiment described with reference to FIG. 5 except that the pinned layer 20 'of the present embodiment is formed as a single layer. Therefore, by setting the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator of the present embodiment to greater than 1.0, the stray field from the fixed layer 20 'formed in the free layer 10 can be sufficiently secured, and the aspect ratio of the spin transfer torque oscillator is smaller than 1.2. As a result, the critical current density can be reduced, and the output can be increased by the reference layer 40.

전술한 본 발명인 스핀전달토크 발진기는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described spin transfer torque oscillator of the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings for clarity, but this is merely an example, and those skilled in the art may various modifications and other equivalent implementations therefrom. It will be appreciated that examples are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.

Claims (7)

고정된 자화방향을 갖는 제1 고정층;
상기 고정층 상에 마련되는 제1 비자성층; 및
상기 제1 비자성층 상에 마련되며 가변적인 자화방향을 갖는 자유층;을 구비하는 나노 기둥을 포함하며,
상기 나노 기둥의 종횡비는 1 내지 1.2의 범위 내에 있는 스핀전달토크 발진기.A first pinned layer having a fixed magnetization direction;
A first nonmagnetic layer provided on the pinned layer; And
And a nano pillar provided on the first nonmagnetic layer and having a free layer having a variable magnetization direction.
The aspect ratio of the nano-pillar spin transmission torque oscillator is in the range of 1 to 1.2. 제1 항에 있어서,
상기 제1 고정층의 자화방향은 인-플레인(in-plane)에 있는 스핀전달토크 발진기. The method according to claim 1,
The magnetization direction of the first pinned layer is in-plane (in-plane) spin transfer torque oscillator. 제2 항에 있어서,
상기 자유층은 수평 자기 이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖는 스핀전달토크 발진기. The method of claim 2,
And said free layer has in-plane magnetic anisotropy. 제1 항에 있어서,
상기 자유층의 자기 모멘트는 인가 자기장이 영인 상태에서 인가전류 또는 인가전압에 따라 세차 운동을 하고, 이에 따라 상기 나노 기둥의 저항이 주기적으로 변경됨으로써 상기 나노 기둥은 소정 주파수를 가진 신호를 생성하는 스핀전달토크 발진기. The method according to claim 1,
The magnetic moment of the free layer is precessed according to the applied current or the applied voltage in the state where the applied magnetic field is zero, and accordingly the resistance of the nanopillars is periodically changed so that the nanopillars spin to generate a signal having a predetermined frequency. Transmission torque oscillator. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 기둥은,
상기 제1 고정층 밑에 마련되는 제2 비자성층; 및
상기 제2 비자성층 밑에 마련되고 상기 제1 고정층의 자화방향과 반대되는 자화방향을 갖는 제2 고정층;을 더 포함하는 스핀전달토크 발진기.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The nano pillars,
A second nonmagnetic layer provided under the first pinned layer; And
And a second pinned layer provided under the second nonmagnetic layer and having a magnetization direction opposite to the magnetization direction of the first pinned layer. 제5 항에 있어서, 상기 나노 기둥은,
상기 자유층 상에 마련되는 제3 비자성층; 및
상기 제3 비자성층 상에 마련되는 참조층;을 더 포함하며,
상기 참조층의 자화방향은 인-플레인에 있으면서 상기 제1 고정층의 자화방향에 수직한 스핀전달토크 발진기. The method according to claim 5, wherein the nano pillars,
A third nonmagnetic layer provided on the free layer; And
And a reference layer provided on the third nonmagnetic layer.
And a magnetization direction of the reference layer is in-plane and perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노 기둥은,
상기 자유층 상에 마련되는 제3 비자성층; 및
상기 제3 비자성층 상에 마련되는 참조층;을 더 포함하며,
상기 참조층의 자화방향은 인-플레인에 있으면서 상기 제1 고정층의 자화방향에 수직한 스핀전달토크 발진기. 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The nano pillars,
A third nonmagnetic layer provided on the free layer; And
And a reference layer provided on the third nonmagnetic layer.
And a magnetization direction of the reference layer is in-plane and perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018021706A1 (en) * 2016-07-27 2018-02-01 고려대학교 산학협력단 Magnetic nano-oscillation element

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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