KR20190109874A - Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same - Google Patents

Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR20190109874A
KR20190109874A KR1020180031495A KR20180031495A KR20190109874A KR 20190109874 A KR20190109874 A KR 20190109874A KR 1020180031495 A KR1020180031495 A KR 1020180031495A KR 20180031495 A KR20180031495 A KR 20180031495A KR 20190109874 A KR20190109874 A KR 20190109874A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
spin
heavy metal
based spin
synaptic
Prior art date
Application number
KR1020180031495A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102088209B1 (en
Inventor
홍진표
양승모
Original Assignee
에스케이하이닉스 주식회사
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이하이닉스 주식회사, 한양대학교 산학협력단 filed Critical 에스케이하이닉스 주식회사
Priority to KR1020180031495A priority Critical patent/KR102088209B1/en
Publication of KR20190109874A publication Critical patent/KR20190109874A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102088209B1 publication Critical patent/KR102088209B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • H01L43/02
    • H01L43/08
    • H01L43/10
    • H01L43/12
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • H10N50/85Magnetic active materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)

Abstract

Disclosed are a skyrmion-based spin synapse device and a manufacturing method thereof, capable of securing extremely low power, multilevel, and linearity through physical property control of a skyrmion. According to the present invention, the skyrmion-based spin synapse device comprises a heavy metal layer made of a heavy metal material, a free layer disposed on the heavy metal layer and made of a ferromagnetic material, and a tunneling barrier layer disposed on the free layer; and has a structure in which the heavy metal layer, the free layer, and the tunneling barrier layer are sequentially laminated.

Description

스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법 {SKYRMION BASED SPIN SYNAPTIC DEVICES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Scorpion-based spin synaptic device and its manufacturing method {SKYRMION BASED SPIN SYNAPTIC DEVICES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스커미온의 물성 제어를 통하여 극 저전력, 다치화 및 선형성을 확보할 수 있는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a scumion-based spin synaptic device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a scumion-based spin synaptic device and a method for manufacturing the same, which can secure extremely low power, multi-valued, and linearity through control of the property of the cumumion. It is about.

인간의 두뇌는 1,000억 개가 넘는 신경세포가 시냅스라는 연결고리를 통해 매우 적은 전력으로 다른 뉴런과 서로 신호를 주고 받으면서 동시 및 순식간에 많은 정보를 처리하고 저장한다. 이러한 배경에서, 최근에는 인간의 뇌를 모사하여 감각과 인지, 상호작용 등이 가능한 인공지능(AI)을 구현하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.The human brain processes and stores a lot of information simultaneously and instantly, with more than 100 billion nerve cells signaling to and from other neurons with very little power through a synaptic link. Against this background, recently, studies are being actively conducted to emulate artificial intelligence (AI) that can sense, perceive, and interact with the human brain.

아날로그적 시냅스 동작을 모방하기 위해서는 물리적인 물체(Object)가 필요하다. 최근에는 스핀 소재에서 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque: STT)를 통한 자구벽(Domain wall) 제어를 이용한 시냅스 소자가 제안되어 왔다.To mimic analog synaptic behavior, a physical object is required. Recently, synaptic devices using domain wall control through spin transfer torque (STT) in spin materials have been proposed.

그러나, 자구벽 기반의 스핀 시냅스 소자는 각각의 상태가 안정하지 않고, 자구벽의 이동 또한 제어하기 쉽지 않을 뿐만 아니라, 자구벽의 생성이 다양한 지점에서 일어난다는 점에서 자구벽을 기반으로 한 스핀 시냅스 소자에 대한 접근은 한계점을 가질 것으로 예상된다.However, the magnetic domain wall-based spin synaptic element is not stable in each state, the movement of the magnetic domain wall is not easy to control, and the generation of the magnetic domain wall occurs at various points. Access to the device is expected to have limitations.

또한, 시냅스의 기본 정보 단위인 마그넷 옵젯(magnetic object) [기존의 경우 자구벽] 을 조작하는 전기적 방법은 지금까지 스핀 전달 토크(STT)에 의존하여 왔다. 그러나, 스핀 전달 토크는 구동 전류가 크다는 점에서 기존 스핀 전달 토크를 사용한 소자 조작 방식은 기존의 연구 방식을 뛰어넘는 획기적인 방식이라 보기 어렵다.In addition, the electric method of manipulating a magnetic object (formerly magnetic domain wall), which is a basic information unit of synapses, has been dependent on the spin transfer torque (STT). However, since the spin transfer torque has a large driving current, the device manipulation method using the conventional spin transfer torque is not a breakthrough method that goes beyond the conventional research method.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1588980호(2016.01.27. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 뉴로모픽 시스템 응용을 위한 시냅스 소자 및 그 제조방법이 기재되어 있다.Related prior art documents are Korean Patent Publication No. 10-1588980 (January 27, 2016.), which discloses a synaptic device and a method of manufacturing the same for neuromorphic system applications.

본 발명의 목적은 스커미온의 물성 제어를 통하여 극 저전력, 다치화 및 선형성을 확보할 수 있는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a skumion-based spin synaptic device and a method of manufacturing the same, which can secure extremely low power, multi-valued, and linearity through control of the properties of scumion.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자는 중금속 물질로 이루어진 중금속층; 상기 중금속층 상에 배치되며, 강자성체 물질로 이루어진 자유층; 및 상기 자유층 상에 배치된 터널링 배리어층; 을 포함하며, 상기 중금속층, 자유층 및 터널링 배리어층이 차례로 적층되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.According to one or more embodiments of the present invention, a skimion-based spin synapse device may include a heavy metal layer made of a heavy metal material; A free layer disposed on the heavy metal layer and made of a ferromagnetic material; And a tunneling barrier layer disposed on the free layer. It includes, characterized in that having a structure in which the heavy metal layer, the free layer and the tunneling barrier layer is sequentially stacked.

상기 자유층에 위상물체인 스커미온의 생성 및 생성 위치가 제어된다.In the free layer, generation and position of generation of scumions as phase objects are controlled.

이때, 상기 스커미온은 1nm3 이하의 면적을 갖는 것이 바람직하다.In this case, the scumion preferably has an area of 1 nm 3 or less.

상기 스커미온은 닐 타입 스커미온(Neel-type Skyrmion) 또는 블로치 타입 스커미온(Bloch-type Skyrmion)일 수 있다.The skimion may be a Neil-type Skyrmion or a Bloch-type Skyrmion.

특히, 상기 스핀 시냅스 소자는 상기 중금속 물질 및 강자성체 물질 간의 스핀 궤도 토크 결합에 의해 자화 상태의 전기적인 동작이 이루어지게 된다.In particular, the spin synaptic device is an electrical operation of the magnetized state by the spin orbital torque coupling between the heavy metal material and the ferromagnetic material.

상기 중금속 물질은 백금(Pt), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn), 아연(Zn), 바륨(Ba), 안티몬(Sb), 카드뮴(Cd), 비스무트(Bi), 바나듐(V) 및 셀레늄(Se) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 중금속층은 0.1 ~ 3nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.The heavy metal material is platinum (Pt), nickel (Ni), manganese (Mn), tin (Sn), zinc (Zn), barium (Ba), antimony (Sb), cadmium (Cd), bismuth (Bi), vanadium It may include one or more selected from (V) and selenium (Se), the heavy metal layer is preferably having a thickness of 0.1 ~ 3nm.

상기 강자성체 물질은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W 및 Ta 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 터널링 배리어층은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The ferromagnetic material may include at least one selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, and Ta, and the tunneling barrier layer may include MgO, Al 2 O 3 , It may include one or more selected from HfO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 .

또한, 상기 스핀 시냅스 소자는 상기 터널링 배리어층 상에 적층된 고정층을 더 포함할 수 있다.In addition, the spin synaptic device may further include a pinned layer stacked on the tunneling barrier layer.

상기 고정층은 상기 터널링 배리어층 상에 배치되며, 강자성체 물질로 이루어진 강자성체층; 상기 강자성체층 상에 배치된 제1 산소 리저버층; 상기 제1 산소 리저버층 상에 배치된 제1 결정화 보조층; 상기 제1 결정화 보조층 상에 배치된 제2 산소 리저버층; 및 상기 제2 산소 리저버층 상에 배치된 제2 결정화 보조층;을 포함한다.The pinned layer is disposed on the tunneling barrier layer, the ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material; A first oxygen reservoir layer disposed on the ferromagnetic layer; A first crystallization auxiliary layer disposed on the first oxygen reservoir layer; A second oxygen reservoir layer disposed on the first crystallization auxiliary layer; And a second crystallization auxiliary layer disposed on the second oxygen reservoir layer.

이때, 상기 제1 및 제2 산소 리저버층 각각은 Ta, Ru 및 Ta-Ru 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.In this case, each of the first and second oxygen reservoir layers may include any one of Ta, Ru, and Ta-Ru alloys.

또한, 상기 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자는 상기 중금속층 하부에 배치된 기판; 및 상기 제2 결정화 보조층 상에 배치된 캡핑층;을 더 포함할 수 있다.In addition, the skimion-based spin synapse device is a substrate disposed under the heavy metal layer; And a capping layer disposed on the second crystallization auxiliary layer.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법은 기판 상에 중금속 물질로 이루어진 중금속층을 형성하는 단계; 상기 중금속층 상에 강자성체 물질로 이루어진 자유층을 형성하는 단계; 및 상기 자유층 상에 터널링 배리어층을 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 중금속층, 자유층 및 터널링 배리어층이 차례로 적층되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a skimion-based spin synapse device, the method including: forming a heavy metal layer made of a heavy metal material on a substrate; Forming a free layer of ferromagnetic material on the heavy metal layer; And forming a tunneling barrier layer on the free layer; It includes, characterized in that having a structure in which the heavy metal layer, the free layer and the tunneling barrier layer is sequentially stacked.

이때, 상기 스핀 시냅스 소자는 상기 자유층에 위상물체인 스커미온의 생성 및 생성 위치가 제어되며, 상기 스커미온은 1nm3 이하의 면적을 갖는다.In this case, the spin synaptic element is controlled to generate and generate the position of the phase object squameon in the free layer, the skimion has an area of 1nm 3 or less.

상기 스커미온은 닐 타입 스커미온(Neel-type Skyrmion) 또는 블로치 타입 스커미온(Bloch-type Skyrmion)일 수 있다.The skimion may be a Neil-type Skyrmion or a Bloch-type Skyrmion.

상기 스핀 스냅스 소자는 상기 중금속층 및 자유층 간의 스핀 궤도 토크 결합에 의해 자화 상태의 전기적인 동작이 이루어지게 된다.The spin snap element has an electrical operation in a magnetized state by coupling a spin orbital torque between the heavy metal layer and the free layer.

또한, 상기 터널링 배리어층 상에 고정층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a pinned layer on the tunneling barrier layer.

본 발명에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법은 스커미온의 물성 제어를 통하여 극 저전력, 다치화 및 선형성을 확보할 수 있으므로, 신경 모방 기술에 적용할 시, 인식, 판단, 저전력 등이 가능한 수준에 이르러 관련 기술의 패러다임을 바꾸어 놓을 수 있게 된다.The scumion-based spin synaptic device and its manufacturing method according to the present invention can secure extremely low power, multi-valued, and linearity through the control of the property of the scumion, and thus, when applied to the nerve mimic technology, recognition, judgment, low power, etc. As far as possible, the paradigm of related technologies can be changed.

또한, 본 발명에 따른 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법은 인공지능 하드웨어 분야의 새로운 소자 구현을 가능하게 함으로써, 차후 인공지능 알고리즘 및 회로기술과 통합하여 시스템 구현으로 확장하는 것이 가능해질 수 있다.In addition, the spin synapse device and the method of manufacturing the same according to the present invention enable the implementation of new devices in the field of artificial intelligence hardware, and can be extended to the system implementation by integrating with the artificial intelligence algorithm and circuit technology in the future.

또한, 본 발명에 따른 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법은 최근에 발전된 딥뉴럴 알고리즘 네트워크가 극초 저전력에서 더 빠른 속도로 구현될 수 있으므로, 연속적 및 실시간으로 처리하기에 어려울 뿐만 아니라 전력 소모가 매우 큰 CMOS 기반의 인공지능 하드웨어 분야의 문제점을 해결할 수 있게 된다.In addition, the spin synaptic device and the method of manufacturing the same according to the present invention can be implemented at a higher speed at an ultra-low power, since the recently developed deep neural algorithm network is not only difficult to process continuously and in real time, but also has a very high power consumption CMOS. It will be able to solve the problems in the field of artificial intelligence hardware.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자를 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자를 보다 구체적으로 나타낸 단면도.
도 3은 도 2의 자유층을 확대하여 나타낸 사시도.
도 4는 스커미온의 타입별 형태를 나타낸 모식도.
도 5는 인가 펄스에 따른 스커미온의 생성 및 이동 경로를 설명하기 위한 모식도.
도 6은 스커미온의 개수 위치에 따른 아날로그 저항 변화를 설명하기 위한 모식도.
도 7은 스핀 궤도 토크 사용시의 스핀 홀 효과 및 라쉬바 효과를 설명하기 위한 모식도.
도 8은 스핀 궤도 토크 사용시의 라쉬바 효과를 구체적으로 설명하기 위한 모식도.
도 9는 스핀 궤도 토크를 보다 구체적으로 설명하기 위한 모식도.
도 10는 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자 동작에서의 스위칭 특성을 설명하기 위한 모식도.
도 11은 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자 동작에서의 쓰기 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 12는 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자 동작에서의 쓰기 및 읽기에 따른 스위칭 전압 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
1 is a schematic diagram showing a scumion-based spin synaptic device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing in more detail the skumion-based spin synaptic device according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged perspective view of the free layer of FIG. 2;
Figure 4 is a schematic diagram showing the form for each type of skimion.
5 is a schematic diagram for explaining the generation and movement path of the scumion according to the applied pulse.
6 is a schematic diagram for explaining the change in analog resistance according to the position of the number of skimions.
7 is a schematic diagram for explaining the spin hole effect and the lash bar effect when using the spin trajectory torque.
Fig. 8 is a schematic diagram for specifically describing the lash bar effect when using spin orbital torque.
9 is a schematic diagram for explaining the spin trajectory torque in more detail.
10 is a schematic diagram for explaining switching characteristics in spin synaptic element operation using spin orbital torque.
Fig. 11 is a schematic diagram for explaining a writing process in spin synaptic element operation using spin orbital torque.
12 is a graph of switching voltage versus writing and reading in spin synaptic device operation using spin orbital torque.
FIG. 13 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a scumion-based spin synaptic device according to an embodiment of the present invention. FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, only the present embodiments to make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a skimion-based spin synaptic device and a method of manufacturing the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a scumion-based spin synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자(100)는 중금속층(110), 자유층(120) 및 터널링 배리어층(130)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the skimion-based spin synaptic device 100 according to an embodiment of the present invention includes a heavy metal layer 110, a free layer 120, and a tunneling barrier layer 130.

중금속층(110)은 중금속 물질로 이루어진다. 이때, 중금속 물질은 백금(Pt), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn), 아연(Zn), 바륨(Ba), 안티몬(Sb), 카드뮴(Cd), 비스무트(Bi), 바나듐(V) 및 셀레늄(Se) 중 선택된 1종 이상을 포함하며, 이 중, 백금(Pt)을 이용하는 것이 바람직하다.The heavy metal layer 110 is made of a heavy metal material. At this time, the heavy metal material is platinum (Pt), nickel (Ni), manganese (Mn), tin (Sn), zinc (Zn), barium (Ba), antimony (Sb), cadmium (Cd), bismuth (Bi), At least one selected from vanadium (V) and selenium (Se) is included, and among these, platinum (Pt) is preferably used.

이러한 중금속층(110)은 매우 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로는 0.1 ~ 3nm의 두께를 갖는 것이 좋은데, 이는 0.1 ~ 3nm의 상당히 얇은 두께 범위로 중금속층(110)을 형성해야 자유층(120)과의 계면에서 스커미온 핵생성(Skyrmion nucleation)이 일어날 수 있기 때문이다.The heavy metal layer 110 preferably has a very thin thickness, specifically, it is preferable to have a thickness of 0.1 to 3 nm, which is required to form the heavy metal layer 110 in a considerably thin thickness range of 0.1 to 3 nm free layer ( This is because skirmion nucleation may occur at the interface with 120).

자유층(120)은 중금속층(110) 상에 배치되며, 강자성체 물질로 이루어진다. 이러한 자유층(120)은 정보를 저장하는 역할을 한다.The free layer 120 is disposed on the heavy metal layer 110 and is made of a ferromagnetic material. The free layer 120 serves to store information.

이때, 자유층(120)의 재질로는 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체 물질이 이용된다. 구체적으로, 강자성체 물질로는 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 등에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이 중 CoFe 기반의 합금을 이용하는 것이 바람직하고, 가장 바람직한 재질로는 CoFeB를 제시할 수 있다.In this case, a ferromagnetic material having vertical magnetic anisotropy is used as the material of the free layer 120. Specifically, the ferromagnetic material may include one or more selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta, etc. Among them, using a CoFe-based alloy Preferably, the most preferred material may be presented CoFeB.

터널링 배리어층(130)은 자유층(120) 상에 배치된다. 이러한 터널링 배리어층(130)의 재질로는 절연물질이 이용될 수 있다. 구체적으로, 터널링 배리어층(130)의 재질로는 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으며, 이 중 MgO를 이용하는 것이 바람직하다.The tunneling barrier layer 130 is disposed on the free layer 120. An insulating material may be used as the material of the tunneling barrier layer 130. Specifically, at least one selected from MgO, Al 2 O 3 , HfO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3, and Yb 2 O 3 may be used as the material of the tunneling barrier layer 130, and MgO may be used. It is preferable to use.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자(100)는 중금속층(110), 자유층(120) 및 터널링 배리어층(130)이 차례로 적층되는 구조를 갖는다.The skimion-based spin synaptic device 100 according to the embodiment of the present invention has a structure in which the heavy metal layer 110, the free layer 120, and the tunneling barrier layer 130 are sequentially stacked.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자(100)는 하이젠베르크(Heisenberg) 상호작용과 DMI(Dzaloshinskii-Moriya) 상호작용 현상이 동시에 존재하는 다양한 자기 시스템, 즉 중금속층(110), 자유층(120) 및 터널링 배리어층(130)이 차례로 적층되는 구조에서 위상물체(Topology Object)로 알려진 스커미온(Skyrmion)이 형성된다.As such, the scumion-based spin synaptic device 100 according to the embodiment of the present invention may have various magnetic systems in which Heisenberg interaction and DMI (Dzaloshinskii-Moriya) interaction occur simultaneously, that is, the heavy metal layer 110. In the structure in which the free layer 120 and the tunneling barrier layer 130 are sequentially stacked, a skirmion known as a topology object is formed.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자(100)는 스핀 궤도 토크(Spin orbit torque : SOT)를 이용한 스커미온 거동 제어를 통하여 그 형태가 매우 안정적으로 유지되면서 이동되는 큰 장점을 가질 수 있게 된다.In addition, the skimion-based spin synaptic device 100 according to the embodiment of the present invention has a great advantage of being moved while maintaining its shape very stably through the control of the skimion behavior using spin orbit torque (SOT). I can have it.

이에 대해서는, 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail with reference to the accompanying drawings below.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자를 보다 구체적으로 나타낸 단면도이다.Figure 2 is a cross-sectional view showing in more detail the scumion-based spin synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 2을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자(100)는 기판(101), 고정층(140) 및 캡핑층(150)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the scumion-based spin synaptic device 100 according to the embodiment of the present invention may further include a substrate 101, a pinned layer 140, and a capping layer 150.

기판(101)은 중금속층(110)의 배면에 배치되어, 중금속층(110)을 지지한다. 이러한 기판(101)으로는 공지된 다양한 물질이 이용될 수 있다. 일 예로, 기판(101)으로는 실리콘 기판이 이용될 수 있다. 또한, 이러한 기판(101)은 전극으로 구현될 수도 있으며, 경우에 따라 생략될 수도 있다.The substrate 101 is disposed on the rear surface of the heavy metal layer 110 to support the heavy metal layer 110. As the substrate 101, various known materials may be used. For example, a silicon substrate may be used as the substrate 101. In addition, the substrate 101 may be implemented as an electrode, or may be omitted in some cases.

고정층(140)은 터널링 배리어층(130) 상에 적층된다. 이러한 고정층(140)은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다.The pinned layer 140 is stacked on the tunneling barrier layer 130. The pinned layer 140 is set so that the magnetization direction is fixed so as not to be affected by external magnetization.

보다 구체적으로, 고정층(140)은 터널링 배리어층(130) 상에 배치되며, 강자성체 물질로 이루어진 강자성체층(141)과, 강자성체층(141) 상에 배치된 제1 산소 리저버층(142)과, 제1 산소 리저버층(142) 상에 배치된 제1 결정화 보조층(143)을 포함한다.More specifically, the pinned layer 140 is disposed on the tunneling barrier layer 130, a ferromagnetic layer 141 made of a ferromagnetic material, a first oxygen reservoir layer 142 disposed on the ferromagnetic layer 141, and And a first crystallization auxiliary layer 143 disposed on the first oxygen reservoir layer 142.

또한, 고정층(140)은 제1 결정화 보조층(143) 상에 배치된 제2 산소 리저버층(144)과, 제2 산소 리저버층(144) 상에 배치된 제2 결정화 보조층(145)을 더 포함할 수 있다.In addition, the pinned layer 140 may include a second oxygen reservoir layer 144 disposed on the first crystallization auxiliary layer 143 and a second crystallization auxiliary layer 145 disposed on the second oxygen reservoir layer 144. It may further include.

이때, 강자성체층(141)은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 등에서 선택된 1종 이상을 포함하는 강자성체 물질로 형성될 수 있으며, 이 중 CoFe 기반의 합금을 이용하는 것이 바람직하고, 가장 바람직한 재질로는 CoFeB를 제시할 수 있다.At this time, the ferromagnetic layer 141 may be formed of a ferromagnetic material containing at least one selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta, etc. Among these, CoFe It is preferable to use a base alloy, and CoFeB may be proposed as the most preferable material.

제1 산소 리저버층(142)은 제1 결정화 보조층(143)에서 빠져나간 산소를 저장하는 역할을 하고, 제2 산소 리저버층(144)은 제2 결정화 보조층(145)에서 빠져나간 산소를 저장하는 역할을 한다. 이를 위해, 제1 및 제2 산소 리저버층(142, 144) 각각은 Ta, Ru 및 Ta-Ru 합금 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.The first oxygen reservoir layer 142 stores oxygen released from the first crystallization auxiliary layer 143, and the second oxygen reservoir layer 144 stores oxygen released from the second crystallization auxiliary layer 145. It serves to store. To this end, each of the first and second oxygen reservoir layers 142 and 144 preferably include any one of Ta, Ru, and Ta-Ru alloys.

제1 및 제2 결정화 보조층(143, 145) 각각은 강자성체 물질을 주 원소로 하는 산화물계 물질층과 비자성 물질층이 교대로 적어도 1회 이상 반복적층된 다층 박막의 형태를 가질 수 있다. 이때, 비자성 물질층은 Pd 또는 Pt 재질이 이용될 수 있다.Each of the first and second crystallization auxiliary layers 143 and 145 may have the form of a multilayer thin film in which an oxide-based material layer and a non-magnetic material layer, each of which has a ferromagnetic material as a main element, are alternately stacked at least one or more times. In this case, Pd or Pt material may be used as the nonmagnetic material layer.

일 예로, 제1 및 제2 결정화 보조층(143, 145) 각각은 [(Co-O 또는 Fe-O) / (Pd 또는 Pt]m 다층 박막일 수 있다(여기서, m은 2 ~ 10임).For example, each of the first and second crystallization auxiliary layers 143 and 145 may be a ((Co-O or Fe-O) / (Pd or Pt) m multilayer thin film, where m is 2 to 10. .

캡핑층(150)은 제2 결정화 보조층(145) 상에 배치된다. 이러한 캡핑층(150)은 제2 결정화 보조층(145) 상부를 덮어 고정층(140)이 산화되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이를 위해, 캡핑층(150)으로는 Ta가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The capping layer 150 is disposed on the second crystallization auxiliary layer 145. The capping layer 150 covers the upper portion of the second crystallization auxiliary layer 145 to prevent the pinned layer 140 from being oxidized. To this end, Ta may be used as the capping layer 150, but is not limited thereto.

한편, 도 3은 도 2의 자유층(120)을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 스커미온의 타입별 형태를 나타낸 모식도로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.Meanwhile, FIG. 3 is an enlarged perspective view of the free layer 120 of FIG. 2, and FIG. 4 is a schematic view showing types of skimions by type, which will be described with reference to FIG. 2.

먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자(100)는 중금속층(110), 자유층(120) 및 터널링 배리어층(130)이 차례로 적층되는 구조에 의하여, 자유층(120)에 위상물체인 스커미온(125)의 생성 및 생성 위치가 제어된다.First, as shown in FIGS. 2 and 3, the skimion-based spin synaptic device 100 according to the embodiment of the present invention may include a heavy metal layer 110, a free layer 120, and a tunneling barrier layer 130 in turn. By the stacked structure, the generation and the position of the cumulion 125 which is a phase object in the free layer 120 are controlled.

이때, 스커미온(125)은 하이젠베르크(Heisenberg) 상호작용과 DMI(Dzaloshinskii-Moriya) 상호작용 현상이 동시에 존재하는 다양한 자기 시스템, 즉 중금속층(110), 자유층(120) 및 터널링 배리어층(130)이 차례로 적층되는 구조에서 형성된다.In this case, the scumion 125 may have various magnetic systems in which Heisenberg interaction and DMI (Dzaloshinskii-Moriya) interaction occur simultaneously, that is, the heavy metal layer 110, the free layer 120, and the tunneling barrier layer ( 130 is formed in a stacked structure in turn.

이러한 스커미온(125)은 면적이 1nm3 이하로 매우 작고, 기존보다 몇 배 적은 에너지로도 작동이 가능하기 때문에 미래의 정보 소자의 기본 단위로 매우 적합하다. 또한, 스커미온(125)은 위상적인 '솔리톤'으로 주변과 상호작용하여 매우 안정적인 상태가 동일한 속도로 이동이 가능하다는 점에서 기존의 자구벽 기반 스핀 시냅스 소자 보다 큰 장점을 갖는다.The scumion 125 has a very small area of 1 nm 3 or less, and can be operated with several times less energy than the conventional one, and thus is suitable as a basic unit of an information device of the future. In addition, the scumion 125 has a great advantage over the conventional magnetic domain wall-based spin synaptic element in that the phase is solitone, interacting with the surroundings, the very stable state can be moved at the same speed.

한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 스커미온(125)은 DMI(Dzaloshinskii-Moriya) 상호작용 현상이 크게 존재할 경우에 생기는 특별한 스핀 구조를 말한다.On the other hand, as shown in Figures 3 and 4, the skimion 125 refers to a special spin structure occurs when there is a large DMI (Dzaloshinskii-Moriya) interaction phenomenon.

이때, DMI는 결정 구조나 계면 상태에 따라 결정되는 것으로 알려져 있으며, 이러한 DMI의 형태에 따라 스커미온(125)은 닐 타입 스커미온(Neel-type Skyrmion) 및 블로치 타입 스커미온(Bloch-type Skyrmion) 중 어느 하나의 형태를 가지게 된다.At this time, the DMI is known to be determined according to the crystal structure or the interface state, and according to the shape of the DMI, the skimion 125 may be a Neil-type Skyrmion and a Bloch-type Skyrmion. ) Will have any one form.

즉, 도 4의 (a)에 도시된 닐 타입 스커미온(Neel-type Skyrmion)은 스핀 방향을 나타내는 화살표가 구의 중심에서 밖으로 뻗어가는 방향으로 균일하게 솟아나와 있는 배열 구조를 갖는다.That is, the Neil-type Skyrmion illustrated in FIG. 4A has an arrangement structure in which an arrow indicating a spin direction evenly extends out from the center of the sphere.

또한, 도 4의 (b)에 도시된 블로치 타입 스커미온(Bloch-type Skyrmion)은 스핀 방향을 나타내는 화살표가 구의 가장자리에서 중심으로 뻗어가는 소용돌이 배열 구조를 갖는다.In addition, the Bloch-type Skyrmion illustrated in FIG. 4B has a spiral arrangement in which an arrow indicating the spin direction extends from the edge of the sphere to the center.

이때, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 스냅스 소자는 중금속 물질 및 강자성체 물질 간의 스핀 궤도 토크 결합에 의해 자화 상태의 전기적인 동작이 이루어지게 된다.In this case, the scumion-based spin snap device according to the embodiment of the present invention is an electrical operation of the magnetized state by the spin orbital torque coupling between the heavy metal material and the ferromagnetic material.

한편, 도 5는 인가 펄스에 따른 스커미온의 생성 및 이동 경로를 설명하기 위한 모식도이고, 도 6은 스커미온의 개수 위치에 따른 아날로그 저항 변화를 설명하기 위한 모식도이다.5 is a schematic diagram for explaining generation and movement paths of skirmions according to an applied pulse, and FIG. 6 is a schematic diagram for explaining changes in analog resistance depending on the number positions of skirmions.

도 5에 도시된 바와 같이, 스커미온의 생성 및 이동 경도를 나타낸 평면도(Top view)와 단면도(Cross-sectional view)가 각각 도시되어 있다.As shown in FIG. 5, a top view and a cross-sectional view showing the generation and movement hardness of the cumeonion are shown, respectively.

이때, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 인가 펄스에 따라 스커미온의 생성 및 생성 위치가 이동하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 각 도메인에서 인가 펄스에 따른 스커미온의 수가 달라지는 것을 확인할 수 있으며, 스커미온의 수 위치에 따라 아날로그 저항의 변화가 나타남에 따라 스핀 시냅스 소자의 무게가 변화하게 된다.At this time, as shown in Figures 5 and 6, it can be seen that the generation and generation position of the skimion in accordance with the applied pulse. That is, it can be seen that the number of skimions according to the applied pulses in each domain is changed, and the weight of the spin synaptic element changes as the analog resistance changes depending on the number position of the skimions.

이에 따라, 반복적인 외부 펄스 자극에 따른 스커미온의 이동을 소자 구조에서 개수를 제어함에 따라 저항변화를 유도할 수 있다. 이러한 스커미온의 물성 제어를 통하여 극 저전력으로 선형적인 다치화를 확보하여 스핀 시냅스 기능을 구현하는 것이 가능해질 수 있게 된다.Accordingly, the resistance change may be induced by controlling the number of scumions in the device structure according to the repeated external pulse stimulus. Through the control of the properties of the Scumion it is possible to implement a spin synapse function by ensuring a linear multi-valued at an extremely low power.

즉, 기존의 자구벽 기반 스핀 시냅스 소자에서 자구벽(domain wall)의 생성은 자기소거(demagnetization) 때문에 항상 불안정한 소자의 가장자리 부근에서 나타나기 때문에 생성 포인트를 지정하기 어려울 뿐만 아니라, 자구벽의 생성 전류가 대략 106 A/㎠로 상당히 크다.In other words, in the existing magnetic domain wall-based spin synaptic devices, the generation of domain walls is not only difficult to specify the generation point because the demagnetization always occurs near the edge of the unstable device. Quite large, approximately 10 6 A / cm 2.

또한, 기존의 자구벽 기반 스핀 시냅스 소자에서 자구벽 모션은 결함이나 계면 불순물에 의한 자기소거(demagnetization)에 의해 항상 영향을 받기 때문에 다결정 및 열처리 계면이라는 특성상 일정한 운동을 제어하기 쉽지 않다.In addition, in the existing magnetic domain wall-based spin synaptic device, the magnetic domain wall motion is always affected by demagnetization due to defects or interfacial impurities.

이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자에서, 스커미온의 생성은 소자 구조가 특별한 형태, 즉 중금속층, 자유층 및 터널링 배리어층이 차례로 적층되는 구조에서만 나타날 수 있기 때문에 인위적으로 생성 포인트를 지정할 수 있으며 생성 전류가 대략 104 A/㎠ 이하로 상당히 낮다. 또한, 스커미온은 위상적으로 보존된 솔리톤(soliton)의 종류로써, 주변 결함이나 불순물에 영향을 받지 않으므로 소자 동작시 일정한 동작 제어를 가능하게 하여 대략 102 A/㎠ 이하의 극저전력으로 구동시킬 수 있게 된다.In contrast, in the skimion-based spin synapse device according to an embodiment of the present invention, the generation of the skimion is artificial because the device structure may appear only in a special form, that is, a structure in which a heavy metal layer, a free layer, and a tunneling barrier layer are sequentially stacked. The generation point can be specified and the generation current is considerably low, about 10 4 A / cm 2 or less. In addition, Scumion is a type of soliton that is preserved in phase, and is not affected by peripheral defects or impurities, so that it can be operated at a very low power of about 10 2 A / cm 2 or less by enabling constant operation control during device operation. It becomes possible.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자는 스핀 궤도 토크(SOT)를 이용한 스커미온 거동 제어를 통하여 그 형태가 매우 안정적으로 유지되면서 이동되는 큰 장점을 가질 수 있게 된다.Accordingly, the skimion-based spin synaptic device according to the embodiment of the present invention may have a great advantage of being moved while maintaining its shape very stably through the control of the skimion behavior using the spin orbital torque (SOT).

특히, 현재 보고된 많은 시냅스 관련 논문들에서 공통적으로 나타나는 문제점인 시냅스의 선형성과 대칭성의 문제를 해결하기에 매우 좋은 형태를 보여주는데, 이는 특별한 대칭성에 의해서만 움직이는 스커미온의 특성 때문에 외부의 열이나 형태에 영향을 받지 않고, 동작 전류에 의해서만 반응을 하기 때문인 것으로 파악된다.In particular, it shows a very good form to solve the problem of linearity and symmetry of synapse, which is a common problem in many synapses related papers, which is due to the nature of scumions that are moved only by special symmetry. It is considered that it is not affected and reacts only by the operating current.

특히, 스커미온의 거동 제어를 이용하면 기존 자구벽 이동 제어의 결과보다 우수한 선형성을 가지면서 단계적인 저항 변화(다치성)를 확보할 수 있다. 또한, 적절한 도핑 및 소자의 형태 변화를 통해 스커미온의 속도 및 이동 정도를 제어함으로써, 극 저전력으로 작동하는 스핀 시냅스의 선형성 및 다치성 확보가 가능해질 수 있게 된다.In particular, using the behavior control of the skimion it is possible to secure a step resistance change (multi-value) while having a linearity superior to the results of the existing magnetic domain wall movement control. In addition, by controlling the speed and the degree of movement of the cumeon through appropriate doping and morphology of the device, it is possible to ensure the linearity and multi-value of the spin synapse operating at a very low power.

한편, 도 7은 스핀 궤도 토크 사용시의 스핀 홀 효과 및 라쉬바 효과를 설명하기 위한 모식도로, 도 7의 (a)은 스핀 홀 효과를 나타낸 것이고, 도 7의 (b)는 라쉬바 효과를 나타낸 것이다.On the other hand, Figure 7 is a schematic diagram for explaining the spin hole effect and the lash bar effect when using the spin orbital torque, Figure 7 (a) shows the spin hole effect, Figure 7 (b) shows the lash bar effect. will be.

도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 스핀 궤도 토크를 사용하는 스핀 시냅스 소자의 경우에는 스핀 홀 효과(Spin hall effect) 및 라쉬바 효과(Rashba effect) 중 어느 하나, 또는 스핀 홀 효과와 라쉬바 효과의 복합 작용을 일으키게 된다.As shown in FIGS. 7A and 7B, in the case of a spin synaptic device using spin orbital torque, any one of the spin hall effect and the rashba effect, or spin It causes a combination of the Hall effect and the lash bar effect.

여기서, 스핀 홀 효과는 외부 자기장이 없을 때도 자체 유발된 스핀에 의한 자기장에 의해서 홀 효과가 나타나게 되는 것을 말한다. 다만, 충분히 강한 자기장이 표면의 스핀의 배향에 수직인 방향으로 걸리면 스핀 홀 효과는 자기장의 방향 주위로 스핀 세차 운동을 하기 때문에 사라지게 된다. 반면, 라쉬바 효과는 전자가 이동할 때 전계를 가하면 자기장이 발생하는 현상으로, 높은 전자 이동도를 갖는 곳에서 주로 발생하게 된다.Here, the spin hole effect means that the hole effect is caused by the magnetic field caused by the spin induced even when there is no external magnetic field. However, if a sufficiently strong magnetic field is caught in a direction perpendicular to the orientation of the spin of the surface, the spin hole effect disappears because the spin precession moves around the direction of the magnetic field. On the other hand, the Rashba effect is a phenomenon in which a magnetic field is generated when an electric field is applied when an electron moves, and mainly occurs in a place having high electron mobility.

이때, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 일반 금속에서 전기장에 의해 가속되는 전자들은 특별한 상황에서 스핀 의존 산란(spin-dependent scattering)을 경험하게 된다.In this case, as shown in FIG. 7A, electrons accelerated by an electric field in a general metal may experience spin-dependent scattering in a special situation.

한편, 불순물 원자가 없는 순수 매커니즘에서는 스핀 궤도 커플링(spin orbit coupling)이 발생시키는 아로노프-보옴 상(Aharonov-Bohm phase) 변화가 나타난다.On the other hand, in the pure mechanism without impurity atoms, an Aharonov-Bohm phase change occurs due to spin orbit coupling.

한편, 도 8은 스핀 궤도 토크 사용시의 라쉬바 효과를 구체적으로 설명하기 위한 모식도로, 도 7의 (b)와 연계하여 설명하도록 한다.On the other hand, Figure 8 is a schematic diagram for explaining in detail the effect of the lash bar when using the spin orbital torque, will be described in connection with Figure 7 (b).

도 7의 (b) 및 도 8에 도시된 바와 같이, 중심대칭 결정체의 표면에서, 포텐셜의 변화는 z축 방향으로의 전기장을 만든다. 즉, αR = 0일 경우 전기장에 수직한 방향으로 전자의 스핀 배열이 이루어지는데 반해, αR ≠ 0일 경우에는 전기장에 대하여 전자의 스핀이 수직 배열을 이루지 못하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 7B and 8, at the surface of the centrally symmetrical crystal, the change in potential creates an electric field in the z-axis direction. That is, α R When = 0, the spin array of electrons is made in a direction perpendicular to the electric field, whereas when α R ≠ 0, it can be seen that the spin of electrons does not form a vertical array with respect to the electric field.

이때, 일반적으로 금속의 계면에서 유도되는 전기장은 차폐 효과(screening effect) 길이에 의해 표면 및 계면에 집중된다.At this time, the electric field generally induced at the interface of the metal is concentrated on the surface and the interface by the screening effect length.

따라서, 라쉬바 효과는 극박의 강자성층(ultrathin ferromagnetic layers)에서만 영향을 가진다.Thus, the Rashva effect only affects ultrathin ferromagnetic layers.

한편, 도 9는 스핀 궤도 토크를 보다 구체적으로 설명하기 위한 모식도이고, 도 10는 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자 동작에서의 스위칭 특성을 설명하기 위한 모식도이다.9 is a schematic diagram for explaining the spin trajectory torque in more detail, and FIG. 10 is a schematic diagram for explaining switching characteristics in the spin synaptic element operation using the spin trajectory torque.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자의 경우에는 주입되는 스핀의 방향이 기존 자화 방향의 90도의 각도 방향이므로, 정확히 한 방향으로 강한 토크가 걸려 반전에 걸리는 스위칭 시간이 대략 100ps로 상당히 짧은 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 9 and 10, in the case of the spin synaptic element using the spin orbital torque, since the direction of the injected spin is an angular direction of 90 degrees of the existing magnetization direction, switching is performed due to strong torque in exactly one direction. It can be seen that the time is quite short, approximately 100ps.

도 11은 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자 동작에서의 쓰기 과정을 설명하기 위한 모식도이고, 도 12는 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자 동작에서의 쓰기 및 읽기에 따른 스위칭 전압 그래프이다.FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a writing process in a spin synaptic device operation using spin orbital torque, and FIG. 12 is a graph of switching voltages according to writing and reading in spin synaptic device operation using spin orbital torque.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 스핀 궤도 토크를 사용한 스핀 시냅스 소자의 경우에는 쓰기 과정에서 전류가 중금속층(Heavy Metal)을 직접 통과하므로, 터널링 배리어층(MgO)을 통과하지 않아 터널링 배리어층의 브레이크 다운에 대한 문제를 해결할 수 있게 된다.As shown in FIGS. 11 and 12, in the case of the spin synaptic device using the spin orbital torque, since the current passes directly through the heavy metal layer during writing, the tunneling barrier layer MgO does not pass through the tunneling barrier layer. The problem of breakdown of floors can be solved.

한편, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Meanwhile, FIG. 13 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a scumion-based spin synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법은 기판 상에 중금속 물질로 이루어진 중금속층을 형성하는 중금속층 형성 단계(S110), 중금속층 상에 강자성체 물질로 이루어진 자유층을 형성하는 자유층 형성 단계(S120), 자유층 상에 터널링 배리어층을 형성하는 터널링 배리어층 형성 단계(S130)를 포함한다. 이때, 중금속층, 자유층 및 터널링 배리어층이 차례로 적층되는 구조를 갖는다.As shown in FIG. 13, the method of manufacturing a skimion-based spin synapse device according to an embodiment of the present invention includes forming a heavy metal layer made of a heavy metal material on a substrate (S110), and a ferromagnetic material on the heavy metal layer. A free layer forming step (S120) of forming a free layer consisting of, a tunneling barrier layer forming step (S130) of forming a tunneling barrier layer on the free layer. In this case, the heavy metal layer, the free layer, and the tunneling barrier layer are sequentially stacked.

또한, 터널링 배리어층 형성 단계(S130) 이후에 실시되는 고정층 형성 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.In addition, the method may further include a pinned layer forming step S140 performed after the tunneling barrier layer forming step S130.

도면으로 도시하지는 않았지만, 고정층 형성 단계(S140) 이후에 캡핑층을 더 형성할 수 있다.Although not shown in the drawings, a capping layer may be further formed after the pinned layer forming step (S140).

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.

100 : 스핀 스냅스 소자 101 : 기판
110 : 중금속층 120 : 자유층
125 : 스커미온 130 : 터널링 배리어층
140 : 고정층 141 : 강자성체층
142 : 제1 산소 리저버층 143 : 제1 반강자성층
144 : 제2 산소 리저버층 145 : 제2 반강자성층
150 : 캡핑층
100: spin snap element 101: substrate
110: heavy metal layer 120: free layer
125: skimion 130: tunneling barrier layer
140: fixed layer 141: ferromagnetic layer
142: first oxygen reservoir layer 143: first antiferromagnetic layer
144: second oxygen reservoir layer 145: second antiferromagnetic layer
150: capping layer

Claims (18)

중금속 물질로 이루어진 중금속층;
상기 중금속층 상에 배치되며, 강자성체 물질로 이루어진 자유층; 및
상기 자유층 상에 배치된 터널링 배리어층; 을 포함하며,
상기 중금속층, 자유층 및 터널링 배리어층이 차례로 적층되는 구조를 갖는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
A heavy metal layer made of a heavy metal material;
A free layer disposed on the heavy metal layer and made of a ferromagnetic material; And
A tunneling barrier layer disposed on the free layer; Including;
A scumion-based spin synaptic device having a structure in which the heavy metal layer, the free layer, and the tunneling barrier layer are sequentially stacked.
제1항에 있어서,
상기 자유층에 위상물체인 스커미온의 생성 및 생성 위치가 제어되는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
A spinumion-based spin synaptic device in which the generation and position of a phase object, the squamion, is controlled in the free layer.
제2항에 있어서,
상기 스커미온은
1nm3 이하의 면적을 갖는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 2,
The skimion is
Scumion-based spin synaptic devices with an area of less than 1 nm 3 .
제2항에 있어서,
상기 스커미온은
닐 타입 스커미온(Neel-type Skyrmion) 또는 블로치 타입 스커미온(Bloch-type Skyrmion)인 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 2,
The skimion is
Skirmion-based spin synaptic devices that are Neil-type Skyrmion or Bloch-type Skyrmion.
제1항에 있어서,
상기 중금속층 및 자유층 간의 스핀 궤도 토크 결합에 의해 자화 상태의 전기적인 동작이 이루어지는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
A spinumion-based spin synaptic device in which the magnetization state is electrically operated by the spin orbital torque coupling between the heavy metal layer and the free layer.
제1항에 있어서,
상기 중금속 물질은
백금(Pt), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn), 아연(Zn), 바륨(Ba), 안티몬(Sb), 카드뮴(Cd), 비스무트(Bi), 바나듐(V) 및 셀레늄(Se) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
The heavy metal material is
Platinum (Pt), Nickel (Ni), Manganese (Mn), Tin (Sn), Zinc (Zn), Barium (Ba), Antimony (Sb), Cadmium (Cd), Bismuth (Bi), Vanadium (V) and Scumion-based spin synaptic device comprising at least one selected from selenium (Se).
제1항에 있어서,
상기 중금속층은
0.1 ~ 3nm의 두께를 갖는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
The heavy metal layer is
Scumion-based spin synaptic devices with a thickness of 0.1-3 nm.
제1항에 있어서,
상기 강자성체 물질은
Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W 및 Ta 중 선택된 1종 이상을 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
The ferromagnetic material is
Scumion-based spin synaptic device comprising at least one selected from Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, and Ta.
제1항에 있어서,
상기 터널링 배리어층은
MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3 중 선택된 1종 이상을 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
The tunneling barrier layer is
A scumion-based spin synaptic device comprising at least one selected from MgO, Al 2 O 3 , HfO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3, and Yb 2 O 3 .
제1항에 있어서,
상기 터널링 배리어층 상에 적층된 고정층을 더 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 1,
A spinumion-based spin synaptic device further comprising a pinned layer stacked on the tunneling barrier layer.
제10항에 있어서,
상기 고정층은
상기 터널링 배리어층 상에 배치되며, 강자성체 물질로 이루어진 강자성체층;
상기 강자성체층 상에 배치된 제1 산소 리저버층;
상기 제1 산소 리저버층 상에 배치된 제1 결정화 보조층;
상기 제1 결정화 보조층 상에 배치된 제2 산소 리저버층; 및
상기 제2 산소 리저버층 상에 배치된 제2 결정화 보조층;
을 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 10,
The pinned layer is
A ferromagnetic layer disposed on the tunneling barrier layer and formed of a ferromagnetic material;
A first oxygen reservoir layer disposed on the ferromagnetic layer;
A first crystallization auxiliary layer disposed on the first oxygen reservoir layer;
A second oxygen reservoir layer disposed on the first crystallization auxiliary layer; And
A second crystallization auxiliary layer disposed on the second oxygen reservoir layer;
Scumion-based spin synaptic device comprising a.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 산소 리저버층 각각은
Ta, Ru 및 Ta-Ru 합금 중 어느 하나를 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 11,
Each of the first and second oxygen reservoir layers
Scumion-based spin synaptic devices comprising any of Ta, Ru, and Ta-Ru alloys.
제11항에 있어서,
상기 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자는
상기 중금속층 하부에 배치된 기판; 및
상기 제2 결정화 보조층 상에 배치된 캡핑층;
을 더 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 11,
The scumion-based spin synapse device
A substrate disposed under the heavy metal layer; And
A capping layer disposed on the second crystallization auxiliary layer;
A skimion-based spin synaptic device further comprising.
기판 상에 중금속 물질로 이루어진 중금속층을 형성하는 단계;
상기 중금속층 상에 강자성체 물질로 이루어진 자유층을 형성하는 단계; 및
상기 자유층 상에 터널링 배리어층을 형성하는 단계; 를 포함하며,
상기 중금속층, 자유층 및 터널링 배리어층이 차례로 적층되는 구조를 갖는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법.
Forming a heavy metal layer made of a heavy metal material on the substrate;
Forming a free layer of ferromagnetic material on the heavy metal layer; And
Forming a tunneling barrier layer on the free layer; Including;
Method of manufacturing a scumion-based spin synaptic device having a structure in which the heavy metal layer, the free layer and the tunneling barrier layer are sequentially stacked.
제14항에 있어서,
상기 자유층에 위상물체인 스커미온의 생성 및 생성 위치가 제어되며, 상기 스커미온은 1nm3 이하의 면적을 갖는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자.
The method of claim 14,
The generation and position of the generation of the phase object skumion in the free layer is controlled, the skumion-based spin synapse device having an area of 1nm 3 or less.
제15항에 있어서,
상기 스커미온은
닐 타입 스커미온(Neel-type Skyrmion) 또는 블로치 타입 스커미온(Bloch-type Skyrmion)인 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법.
The method of claim 15,
The skimion is
Method of manufacturing a skimmerion-based spin synaptic device, which is a Neil-type Skyrmion or a Bloch-type Skyrmion.
제14항에 있어서,
상기 중금속층 및 자유층 간의 스핀 궤도 토크 결합에 의해 자화 상태의 전기적인 동작이 이루어지는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법.
The method of claim 14,
A method of manufacturing a scumion-based spin synaptic device in which an electrical operation of a magnetized state is performed by spin orbital torque coupling between the heavy metal layer and the free layer.
제14항에 있어서,
상기 터널링 배리어층 상에 고정층을 형성하는 단계를 더 포함하는 스커미온 기반 스핀 시냅스 소자 제조 방법.
The method of claim 14,
And forming a pinned layer on the tunneling barrier layer.
KR1020180031495A 2018-03-19 2018-03-19 Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same KR102088209B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180031495A KR102088209B1 (en) 2018-03-19 2018-03-19 Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180031495A KR102088209B1 (en) 2018-03-19 2018-03-19 Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190109874A true KR20190109874A (en) 2019-09-27
KR102088209B1 KR102088209B1 (en) 2020-03-12

Family

ID=68096773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180031495A KR102088209B1 (en) 2018-03-19 2018-03-19 Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102088209B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111785828A (en) * 2020-07-03 2020-10-16 北京航空航天大学 Sgimen-based artificial synapse device
CN113161476A (en) * 2021-03-08 2021-07-23 湖北大学 Storage device of neuron synapse based on siganus
WO2023121353A1 (en) * 2021-12-23 2023-06-29 재단법인대구경북과학기술원 Spin-orbit torque magnetic device with on-off control based on electric field effect and manufacturing method therefor
WO2024005274A1 (en) * 2022-06-28 2024-01-04 울산과학기술원 Metal structure having magnetic domain wall formed and method for generating skyrmion

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140169085A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-19 The Regents Of The University Of California Voltage-controlled magnetic memory element with canted magnetization
WO2017151735A1 (en) * 2016-03-01 2017-09-08 Virginia Commonwealth University Switching skyrmions with vcma/electric field for memory, computing, and information processing

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140169085A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-19 The Regents Of The University Of California Voltage-controlled magnetic memory element with canted magnetization
WO2017151735A1 (en) * 2016-03-01 2017-09-08 Virginia Commonwealth University Switching skyrmions with vcma/electric field for memory, computing, and information processing

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111785828A (en) * 2020-07-03 2020-10-16 北京航空航天大学 Sgimen-based artificial synapse device
CN113161476A (en) * 2021-03-08 2021-07-23 湖北大学 Storage device of neuron synapse based on siganus
WO2023121353A1 (en) * 2021-12-23 2023-06-29 재단법인대구경북과학기술원 Spin-orbit torque magnetic device with on-off control based on electric field effect and manufacturing method therefor
WO2024005274A1 (en) * 2022-06-28 2024-01-04 울산과학기술원 Metal structure having magnetic domain wall formed and method for generating skyrmion

Also Published As

Publication number Publication date
KR102088209B1 (en) 2020-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Ferroic tunnel junctions and their application in neuromorphic networks
KR102088209B1 (en) Skyrmion based spin synaptic devices and method of manufacturing the same
JP4533837B2 (en) Voltage controlled magnetization reversal recording type MRAM element and information recording and reading method using the same
KR101998268B1 (en) Semiconductor Device
US7679155B2 (en) Multiple magneto-resistance devices based on doped magnesium oxide
KR20180134121A (en) Resistance Change Memory Device
Moodera et al. Frontiers in spin-polarized tunneling
US11569439B2 (en) Double spin filter tunnel junction
CN109952662B (en) Spin device, method of operating the same, and method of manufacturing the same
US20170229160A1 (en) Heavy metal multilayers for switching of magnetic unit via electrical current without magnetic field, method and applications
US20130148418A1 (en) Magnetoresistive device and a writing method for a magnetoresistive device
CN102856488A (en) Logic device based on reversible electroresistance effects
JP4701427B2 (en) Switching element and array type functional element using the same
US8446752B2 (en) Programmable metallization cell switch and memory units containing the same
Hwang et al. Physics, Structures, and Applications of Fluorite‐Structured Ferroelectric Tunnel Junctions
JP5201489B2 (en) Logic circuit
JP2001339110A (en) Magnetism control element, magnetic component using the same and memory device
US10998490B2 (en) Magnetic element
CN113243052A (en) Electric field controllable spin filter tunnel junction magnetoresistive memory device and method of manufacturing the same
KR102108399B1 (en) Semiconductor Device
WO2020178732A1 (en) Magnetic domain wall-based non-volatile, linear and bi-directional synaptic weight element
JP5311375B2 (en) Switching element
US10964748B1 (en) Electric field controllable spin filter tunnel junction magnetoresistive memory devices and methods of making the same
KR102251766B1 (en) Neuron, neuromorphic system including the same
EP3916729A1 (en) Magnetic memory element having deterministic switching and method for writing such magnetic memory element

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right