WO2018021706A1 - Magnetic nano-oscillation element - Google Patents

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WO2018021706A1
WO2018021706A1 PCT/KR2017/006879 KR2017006879W WO2018021706A1 WO 2018021706 A1 WO2018021706 A1 WO 2018021706A1 KR 2017006879 W KR2017006879 W KR 2017006879W WO 2018021706 A1 WO2018021706 A1 WO 2018021706A1
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magnetic layer
layer
nonmagnetic
pinned
free
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PCT/KR2017/006879
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이경진
이서원
장평화
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고려대학교 산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION 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
    • H03B15/00Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3295Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetic pinned or free layers are laminated without anti-parallel coupling within the pinned and free layers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION 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
    • H03B15/00Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a nano oscillation device using a magnetic tunnel junction (MTJ) or a giant magnetoresistive effect, and more particularly, precession of magnetization of a free magnetic layer by applying a current to a free magnetic layer having a cone magnetization state. It relates to a nano oscillation device that generates microwaves by inducing.
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • giant magnetoresistive effect a giant magnetoresistive effect
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin transfer torque and an external magnetic field.
  • the magnetic tunnel junction structure 100 includes a lower electrode 110, a fixed magnetic layer 120, an insulating layer 130, a free magnetic layer 140, and an upper electrode 150.
  • the pinned magnetic layer 120 has an in-plane fixed magnetization direction
  • the free magnetic layer has a magnetization direction switched in-plane.
  • a tunnel magnetoresistance effect in which electrical resistance varies depending on a relative magnetization direction between the pinned magnetic layer 120 and the free magnetic layer 140 is generated.
  • the tunnel magnetoresistance effect occurs because electrons of up-spin and down-spin tunnel through the insulating layer 130 in the magnetic tunnel junction structure.
  • This tunnel magnetic resistance effect is larger than the giant magnetoresistance generated in the spin valve structure (first magnetic material / nonmagnetic material / second magnetic material) in which a nonmagnetic material is inserted between two ferromagnetic materials. Therefore, in the case of a nano oscillation device, the magnetic tunnel junction structure has an advantage of generating microwaves with higher power.
  • the relative magnetization directions of the two magnetic layers control the flow of current.
  • a current is applied to the magnetic tunnel junction structure in a vertical (thickness) direction
  • the current spin-polarized by the fixed magnetic layer 120 passes through the free magnetic layer 140 to transmit its spin angular momentum. do.
  • the torque felt by magnetization by the transfer of spin angular momentum is called spin-transfer-torque.
  • spin transfer torque the magnetization of the free magnetic layer can be switched.
  • the external magnetic field (Bext) is caught together, magnetization precession motion is possible to continuously rotate the magnetization.
  • Conventional nano-oscillation device applying a magnetic tunnel junction structure composed of a magnetic material having magnetization in the in-plane direction is a free magnetic layer in which the direction of magnetization is changed by the lower electrode 110 / fixed magnetic layer 120 / insulating layer 130 / current Has a structure of 140 / upper electrode 150.
  • Transistors (not shown) are disposed above or below the magnetic tunnel junction structure. The transistor serves to provide a current flowing in a vertical direction to the magnetic tunnel junction located above or below.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin hole spin torque and an external magnetic field.
  • the nano oscillation device 200 includes a lower electrode 210, a fixed magnetic layer 220, an insulating layer 230, a free magnetic layer 240, and a conductive line 250.
  • the magnetization precession of the free magnetic layer 240 is induced by an external magnetic field (Bext) applied from the outside and a current flowing in the in-plane direction to the conductive wire 250.
  • the magnetization direction of the pinned magnetic layer 220 or free magnetic layer 240 is aligned in the x direction or the -x direction in the placement plane of the thin film.
  • the -z direction component that is, the spin current incident on the free magnetic layer
  • the free magnetic material 240 is subjected to spin torque by the spin current flowing into the free magnetic material 240.
  • the spin torque is called spin hole spin torque.
  • the magnetization of the free magnetic material 240 subjected to the spin hole spin torque performs magnetization precession around the + z axis or the -z axis according to the external magnetic field (Bext) and the magnitude and direction of the applied current.
  • the magnetization precession motion according to an embodiment of the present invention is an experimental and theoretical study in which the magnetization of the magnetic layer is reversed using spin hole spin torque [I. M. Miron et al., Nature 476, 189 (2011), L. Liu et al., Science 336, 555 (2012).
  • spin hole spin torque serves to reverse the magnetization of the magnetic layer, if the external magnetic field is applied together in the opposite direction, the magnetization is precessed.
  • the nano oscillation device using both spin transfer torque and external magnetic field has a limitation in practical use because it requires a device that additionally supplies an external magnetic field compared to the existing oscillation device.
  • a nano oscillation device that oscillates without an external magnetic field is required.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to use the magnetic anisotropy of the material without an external magnetic field to transfer the surface vertical current spin transfer torque to the free magnetic layer having a cone state to induce magnetization precession of the free magnetic layer.
  • Nano oscillation device the first pinned magnetic layer; A second pinned magnetic layer disposed on the first pinned magnetic layer; A free magnetic layer interposed between the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer; A first nonmagnetic layer interposed between the first pinned magnetic layer and the free magnetic layer; And a second nonmagnetic layer interposed between the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer.
  • the first pinned magnetic layer is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface.
  • the free magnetic layer has a cone state that is aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction.
  • the second pinned magnetic layer has a fixed magnetization direction and is made of a material that is magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
  • the free magnetic layer is
  • K 1 , K 2 , K 1, eff , and M s are the effective magnetic anisotropy, including the first term, second term, first term and demagnetization energy density of the magnetic anisotropy energy density, respectively. anisotropy energy density, and saturation magnetization value.
  • the first pinned magnetic layer may be a semi-magnetic structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second auxiliary magnetic layer stacked in sequence.
  • the second pinned magnetic layer may have a semimagnetic structure composed of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetic layer, which are sequentially stacked.
  • the magnetic layer may be made of a material including at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the nonmagnetic layer may be made of a material including at least one of Ru, Cu, and alloys thereof.
  • the first pinned magnetic layer may be an exchange-biased diamagnetic body structure consisting of an antiferromagnetic layer, a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetic layer, which are sequentially stacked.
  • the second pinned magnetic layer may be an exchange biased diamagnetic body structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, a magnetic layer, and an antiferromagnetic layer, which are sequentially stacked.
  • the antiferromagnetic layer may be made of a material selected from Ir, Pt, Mn, and alloys thereof.
  • Each of the magnetic layer and the magnetic layer may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the nonmagnetic layer may include at least one of Ru, Cu, and alloys thereof.
  • the free magnetic layer may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and their alloys.
  • the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer is an insulating layer
  • the insulating layer may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx.
  • the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer are metal layers, and the metal layers may include at least one of Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and alloys thereof. Can be.
  • the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and alloys thereof.
  • the free magnetic layer is CoFeB
  • the thickness of the free magnetic layer may be 0.8nm to 1.2nm.
  • the magnetic nano oscillation device having a novel structure according to the present invention uses the spin transfer torque and the cone state effective magnetic anisotropy magnetic field of the free magnetic layer to use the principle of inducing precession to the free magnetic layer without applying an external magnetic field.
  • the spin transfer torque is generated in the free magnetic layer by the spin current generated by spin polarization of the current through the fixed magnetic layer.
  • Nano oscillation device can solve the problem of 1) the need for an additional device to provide an external magnetic field and 2) difficult to adjust the tuning of the frequency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin transfer torque and an external magnetic field.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin hole spin torque and an external magnetic field.
  • FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a three-layer structure including a vertical polarizer (p-PL), a nonmagnetic layer, and a conically magnetized free layer (c-FL).
  • p-PL vertical polarizer
  • c-FL conically magnetized free layer
  • FIG. 4 (b) shows the theoretical prediction from Macrospin simulation results and Equation 4.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a nano oscillation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • each layer (region), region, hole or structure is formed on or “under” or above a substrate, each layer (film), region, pad or hole.
  • both above / on and “under” include both “directly” or “indirectly” formed.
  • the criteria for the top / top or bottom / bottom of each layer will be described based on the drawings.
  • a zero-field microwave oscillator having a perpendicular polarizer and using a conically magnetized free layer.
  • the conically magnetized free layer was implemented in a sample with a large second order anisotropy constant (K 2 ).
  • FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a three-layer structure including a vertical polarizer (p-PL), a nonmagnetic layer, and a conically magnetized free layer (c-FL).
  • p-PL vertical polarizer
  • c-FL conically magnetized free layer
  • the vertical polarizer p-PL is a pinned magnetic layer and has a fixed magnetization direction perpendicular to the plane.
  • the nonmagnetic layer may be an insulating layer or a nonmagnetic metal layer.
  • the nonmagnetic metal layer may include at least one of Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and alloys thereof.
  • the insulating layer may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx.
  • the conically magnetized free layer (c-FL) is embodied in a sample having a large second order anisotropy constant (K 2 ), and is aligned in a direction (cone state) maintaining a specific angle from the plane vertical direction. Has a cone state.
  • the conically magnetized free layer (c-FL) is a CoFeB material, and the thickness thereof may be 0.8 nm to 1.2 nm to maintain a cone state.
  • Electrons flowing from the vertical polarizer p-PL to the conically magnetized free layer c-FL correspond to the negative current density.
  • the effective magnetic anisotropy energy of the conically magnetized free layer (c-FL) is given by
  • K 1 and K 2 are the first and second order anisotropy constants.
  • M s is saturation magnetization.
  • the magnetic anisotropy easy axis is determined depending on the magnitude and sign of the demagnetization energy (K 1, eff ) and the quadratic anisotropy constant (K 2 ).
  • the demagnetization energy (K 1, eff ) and the quadratic anisotropy constant (K 2 ) are shown in the phase diagram.
  • the magnetic layer For positive demagnetization energy K 1, eff , the magnetic layer has a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) region.
  • the magnetic layer For negative demagnetization energy K 1, eff , the magnetic layer has an in-plane magnetic anisotropy (IMA) region or a magnetic easy cone state region. .
  • PMA perpendicular magnetic anisotropy
  • IMA in-plane magnetic anisotropy
  • the easily magnetized cone state has anisotropic constants of K 1, eff ⁇ 0 and K 2 >
  • Equation 1 the equilibrium polar angle ⁇ eq is given by:
  • the effective anisotropic energy E K, eff is an equilibrium angle ⁇ eq ⁇ 0.1 ⁇ ) shows the minimum.
  • ⁇ eq
  • the anisotropic magnetic field acting on magnetization disappears.
  • STT spin transfer torque
  • This spin transfer torque (STT) -induced tilting makes the effective anisotropic magnetic field non-zero.
  • the magnetization washes around the non-zero effective magnetic field H eff .
  • the spin transfer torque (STT) - induced tilding each (STT-induced tilted angle; ⁇ s) is Landau with Sloane positions ski wherein (Slonczewski term) - by life when tsu equation (Landau-Lifshitz equation) as follows: Can be analyzed.
  • Equation 3 the first and second terms describe the precession motion and the effective damping motion of magnetization, respectively.
  • the effective magnetic field due to the applied current ⁇ J / ⁇ is the spin transfer torque (STT) -induced tilting angle ( ⁇ s ) at the equilibrium angle ( ⁇ eq ) To get out of the way.
  • the conically magnetized free layer (c-FL) is negative with H H , 1 and positive at H K, eff .
  • H th, 2 It has two thresholds.
  • the magnetization deviates from ⁇ eq and the zero-field ultrahigh frequency oscillation is between two thresholds corresponding to the threshold current densities J th, 1 and J th, 2 .
  • spin torque is applied, it is realized.
  • ⁇ s is derived from the above condition and can be given as follows.
  • FIG. 4 (b) shows the theoretical prediction from Macrospin simulation results and Equation 4.
  • the spin transfer torque (STT) -induced tilting angle ( ⁇ s ) is shown as a function of the applied current density between two threshold current densities (J th, 1 and J th, 2 ). .
  • 0.01
  • M S 800 emu / cm 3
  • 0.5
  • t 1 nm
  • K 1, eff -4 x 10 5 erg / cm 3
  • K 2 2 x 10 6 erg / cm 3 .
  • the precession frequency is given by the product of a gyromagnetic ratio ( ⁇ ) and the effective magnetic isotropic magnetic field ( H K, eff ).
  • gyromagnetic ratio
  • H K, eff effective magnetic isotropic magnetic field
  • the oscillation frequency is given as follows.
  • the oscillation frequency f is linearly proportional to the current density, and the output power P ⁇ I 2 ( ⁇ R) 2 / R is given by
  • the oscillation frequency increases almost linearly with respect to the current density regardless of the current polarity. Only when the current density is between the two thresholds, the oscillation frequency is indicated. If the current density exceeds these thresholds, switching occurs instead of oscillation.
  • the oscillation frequency is at maximum ( ⁇ 9.5 GHz)
  • the oscillation angle is at positive current density. As it increases only, the output power increases only with a positive current density.
  • the maximum oscillation frequency and the maximum output power can be derived from equations (5) and (6) at the positive threshold current density of equation (10).
  • the Munter current density, maximum oscillation frequency, and maximum output power depend on the ratio of anisotropy constants ( ⁇ ). Therefore, in order to obtain a high oscillation frequency, it is necessary to increase the ratio of anisotropy constants ( ⁇ ).
  • K 1, eff is fixed at -4 x 10 5 erg / cm 3 .
  • the increased ratio of the anisotropy constant can be achieved by voltage-induced anisotropy change.
  • the first and second anisotropy constants K 1 and K 2 may be modified differently by the voltage-induced strain effect.
  • a zero-magnetic spin torque oscillator with wide frequency tunnability is proposed.
  • Nano oscillation device includes a vertical polarizer (p-PL) / non-magnetic layer / conically magnetized free layer (c-FL) stacked in sequence. Ultra-high frequency is generated by the precession of the magnetization of the free magnetic layer.
  • p-PL vertical polarizer
  • c-FL conically magnetized free layer
  • magnetic anisotropy causes the magnetization direction to be aligned in the in-plane direction, in the direction perpendicular to the plane, and in the direction of maintaining a specific angle from the plane perpendicular (cone state).
  • the angle of equilibrium ( ⁇ eq as shown in Equation 2 below) Can be obtained.
  • the magnetic anisotropic energy axis maintains a certain angle ⁇ eq between the direction perpendicular to the plane and the horizontal direction.
  • the magnetic anisotropic energy axis has a cone state having an angle of ( ⁇ eq ) from the z axis perpendicular to the plane.
  • K 1 , K 2 , K 1, eff , and M s are effective values including the first term, second term, first term and demagnetization energy density of the magnetic anisotropy energy density, respectively. Effective magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization value.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a nano oscillation device according to an embodiment of the present invention.
  • the nano oscillation device 300 may include a first pinned magnetic layer 320; A second pinned magnetic layer 360 disposed on the first pinned magnetic layer 320; A free magnetic layer 340 interposed between the first pinned magnetic layer 320 and the second pinned magnetic layer 360; A first nonmagnetic layer 330 interposed between the first pinned magnetic layer 320 and the free magnetic layer 340; And a second nonmagnetic layer 350 interposed between the free magnetic layer 340 and the second pinned magnetic layer 360.
  • the first pinned magnetic layer 320 is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface.
  • the free magnetic layer 340 has a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction.
  • the second pinned magnetic layer 360 is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
  • the lower electrode 310 may be disposed under the first pinned magnetic layer 320 and may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, or an alloy thereof.
  • the lower electrode 310 may have a multilayer structure of Ta / Ru.
  • the first pinned magnetic layer 320 may be disposed on the lower electrode 310.
  • the first pinned magnetic layer 320 may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the first pinned magnetic layer may have a perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Accordingly, the magnetization direction of the first pinned magnetic layer 320 may be perpendicular to the placement plane.
  • PMA perpendicular magnetic anisotropy
  • the first nonmagnetic layer 330 may be vertically aligned on the first pinned magnetic layer 320.
  • the first nonmagnetic layer 330 may be an insulating layer or a nonmagnetic metal layer.
  • the first nonmagnetic layer 330 may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx.
  • the first nonmagnetic layer 330 may have a MgO, MgAl 2 O 4, or Mg / MgO / Mg structure.
  • the first pinned magnetic layer 320 / the first nonmagnetic layer 330 / the free magnetic layer 340 may form a magnetic tunnel junction.
  • the first pinned magnetic layer 320 / the first nonmagnetic layer 330 / the free magnetic layer 340 may provide a giant magnetoresistive effect.
  • the first nonmagnetic layer 330 is a nonmagnetic metal layer
  • the first nonmagnetic layer may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, or an alloy thereof.
  • the free magnetic layer 340 may be vertically aligned on the first nonmagnetic layer 330.
  • the free magnetic layer 340 may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the free magnetic layer 340 may be CoFeB.
  • the free magnetic layer 340 may have a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from a plane vertical direction.
  • the free magnetic layer 340 may have a thickness of 0.8 nm to 1.2 nm for the cone state.
  • the magnetization of the free magnetic layer 340 precesses with respect to the z axis. Therefore, the vertical component of the magnetization of the free magnetic layer 340 is constant.
  • the first pinned magnetic layer 320 and the free magnetic layer 340 having a perpendicular magnetic anisotropy and a magnetization direction perpendicular to a plane have relatively no change in the magnetization direction, thereby providing a tunnel magnetoresistance characteristic or a giant magnetoresistance effect. You may not.
  • the pinned magnetic layer 360 may be disposed.
  • the second pinned magnetic layer 360 has a magnetization direction fixed in plane. That is, the second pinned magnetic layer 360 is made of a material that is magnetized in a direction parallel to the film surface. Accordingly, as the magnetization of the free magnetic layer 340 precesses with respect to the z axis, the horizontal component of the magnetization of the free magnetic layer rotates in plane. Accordingly, the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 360 and the horizontal component of the free magnetic layer 340 provide tunnel magnetoresistance characteristics or giant magnetoresistance effects due to changes in the magnetization directions relative to each other over time.
  • the second nonmagnetic layer 350 may be vertically aligned on the free magnetic layer 340.
  • the second nonmagnetic layer 350 may be an insulating layer or a nonmagnetic metal layer.
  • the second nonmagnetic layer may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx.
  • the second nonmagnetic layer 350 may have a MgO, MgAl 2 O 4, or Mg / MgO / Mg structure.
  • the second nonmagnetic layer 350 may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, or an alloy thereof.
  • the second pinned magnetic layer 360 may be vertically aligned on the second nonmagnetic layer 350.
  • the second pinned magnetic layer 360 may have a magnetization direction fixed in the thin film surface.
  • the second pinned magnetic layer 360 may be magnetized in the x-axis direction.
  • the second pinned magnetic layer 360 may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the upper electrode 370 may be disposed on the second pinned magnetic layer 360.
  • the upper electrode 370 may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and alloys thereof.
  • the upper electrode may have a multilayer structure of Ta / Ru.
  • the magnetization precession of the free magnetic layer 340 is induced by the current flowing in the plane vertical direction.
  • the magnetization direction of the first pinned magnetic layer 320 is aligned in the + z direction.
  • the current from the lower electrode 310 has a spin component biased in a direction parallel or antiparallel to the first pinned magnetic layer 320 according to the magnetization direction of the first pinned magnetic layer 320 and the direction of the current.
  • the free magnetic layer 340 When the current from the conductive wire or the lower electrode 310 flows in the + z direction, electrons passing through the first pinned magnetic layer 320 become a spin current deflected in the + z direction, and conversely, the free magnetic layer 340 has a -z direction.
  • the spin current is deflected by.
  • the magnetization of the free magnetic layer 340 is subjected to spin torque by the spin current flowing through the free magnetic layer 340, and is applied to the magnitude of the effective magnetic field corresponding to the intensity of the spin transfer torque and the intensity of the spin transfer torque by the applied current. Therefore, the magnetizing precession is performed at different frequencies around the + z axis.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the nano oscillation device 500 may include a first pinned magnetic layer 520; A second pinned magnetic layer 560 disposed on the first pinned magnetic layer 320; A free magnetic layer 340 interposed between the first pinned magnetic layer 520 and the second pinned magnetic layer 560; A first nonmagnetic layer 330 interposed between the first pinned magnetic layer 520 and the free magnetic layer 340; And a second nonmagnetic layer 350 interposed between the free magnetic layer 340 and the second pinned magnetic layer 560.
  • the first pinned magnetic layer 520 has a fixed magnetization direction and is a thin film made of a material that is magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface.
  • the free magnetic layer 340 has a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction.
  • the second pinned magnetic layer 560 is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
  • the first pinned magnetic layer 520 may include a lower magnetic layer 522 sequentially stacked; Nonmagnetic metal layer 524; And an upper magnetic layer structure formed of the upper magnetic layer 526.
  • the second pinned magnetic layer 560 may include a lower magnetic layer 562 stacked in sequence; Nonmagnetic metal layer 564; And an upper magnetic layer structure formed of the upper magnetic layer 566.
  • the lower magnetic layers 522 and 562 and the upper magnetic layers 526 and 566 may be formed of a material including at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the nonmagnetic metal layers 524 and 564 may be made of a material including at least one of Ru, Cu, and an alloy thereof.
  • the lower magnetic layer 522 and the upper magnetic layer 526 of the first pinned magnetic layer may have perpendicular magnetic anisotropy and have a fixed magnetization direction perpendicular to the plane. Meanwhile, the lower magnetic layer 562 and the upper magnetic layer 566 of the second pinned magnetic layer may have a fixed magnetization direction parallel to the plane.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the nano oscillation device 500a may include a first pinned magnetic layer 520a; A second pinned magnetic layer 560a disposed on the first pinned magnetic layer 520a; A free magnetic layer 340 interposed between the first pinned magnetic layer 520a and the second pinned magnetic layer 560a; A first nonmagnetic layer 330 interposed between the first pinned magnetic layer 520a and the free magnetic layer 340; And a second nonmagnetic layer 350 interposed between the free magnetic layer 340 and the second pinned magnetic layer 560a.
  • the first pinned magnetic layer 520a is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface.
  • the free magnetic layer 340 has a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction.
  • the second pinned magnetic layer 560a has a fixed magnetization direction and is a thin film made of a material that is magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
  • the first pinned magnetic layer 520a may include an antiferromagnetic layer 521 sequentially stacked; Lower magnetic layer 522; Nonmagnetic metal layer 522; And an exchange biased diamagnetic body structure composed of the upper magnetic layer 526.
  • the second pinned magnetic layer 560a may include a lower magnetic layer 562 stacked in this order; Nonmagnetic metal layer 564; It may be an exchange-biased diamagnetic body structure consisting of an upper magnetic layer 566 and an antiferromagnetic layer 567.
  • the antiferromagnetic layers 521 and 567 may be made of a material selected from Ir, Pt, Mn, and alloys thereof.
  • Each of the lower magnetic layers 522 and 562 and the upper magnetic layers 526 and 566 may be formed of a material including at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof.
  • the nonmagnetic metal layers 524 and 564 may be formed of a material including at least one of Ru, Cu, and an alloy thereof.

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Abstract

A nano-oscillation element according to one embodiment of the present invention comprises: a first fixed magnetic layer; a second fixed magnetic layer arranged on the first fixed magnetic layer; a free magnetic layer interposed between the first fixed magnetic layer and the second fixed magnetic layer; a first non-magnetic layer interposed between the first fixed magnetic layer and the free magnetic layer; and a second non-magnetic layer interposed between the free magnetic layer and the second fixed magnetic layer. The first fixed magnetic layer has a fixed magnetization direction and is a thin film made of a material to be magnetized in the direction perpendicular to a film surface thereof. The free magnetic layer has a cone state aligned in the direction for maintaining a specific angle with respect to the direction perpendicular to a surface thereof. The second fixed magnetic layer has a fixed magnetization direction and is made of a material to be magnetized in the direction parallel to the film surface thereof.

Description

자기 나노 발진 소자Magnetic Nano Oscillation Device
본 발명은 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 또는 거대자기저항 효과를 이용한 나노 발진 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘형 자화 상태를 갖는 자유 자성층에 전류를 인가하여 자유 자성층의 자화의 세차운동을 유도하여 마이크로파를 발생시키는 나노 발진 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nano oscillation device using a magnetic tunnel junction (MTJ) or a giant magnetoresistive effect, and more particularly, precession of magnetization of a free magnetic layer by applying a current to a free magnetic layer having a cone magnetization state. It relates to a nano oscillation device that generates microwaves by inducing.
도 1은 종래의 스핀전달토크와 외부 자기장을 이용한 나노 발진 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin transfer torque and an external magnetic field.
도 1을 참조하면, 자기터널접합 구조(100)는 하부전극(110)/고정 자성층(120)/절연층(130)/자유 자성층(140)/상부전극(150)을 가진다. 상기 고정 자성층(120)은 면내 고정된 자화 방향을 가지며, 상기 자유 자성층은 면내에 스위칭되는 자화 방향을 가진다. 상기 자기터널접합 구조(100)에서, 상기 고정 자성층(120)과 상기 자유 자성층(140)의 상대적인 자화 방향에 따라 전기 저항이 달라지는 터널 자기저항 효과가 발생한다. 상기 터널 자기저항 효과는 상기 자기터널접합 구조에서 업스핀(up-spin)과 다운스핀(down-spin)의 전자가 상기 절연층(130)를 터널링하여 흐르는 정도가 다르기 때문에 발생한다. 이러한 터널 자기저항(tunnel magnetic resistance) 효과는 두 강자성체 사이에 절연체가 아닌 비자성체를 삽입한 스핀밸브 구조 (제1 자성체/비자성체/제2 자성체)에서 발생하는 거대 자기저항보다 그 값이 크다. 따라서, 나노 발진 소자의 경우, 상기 자기터널접합 구조는 보다 높은 전력을 갖는 마이크로파를 발생시킨다는 장점을 가진다.Referring to FIG. 1, the magnetic tunnel junction structure 100 includes a lower electrode 110, a fixed magnetic layer 120, an insulating layer 130, a free magnetic layer 140, and an upper electrode 150. The pinned magnetic layer 120 has an in-plane fixed magnetization direction, and the free magnetic layer has a magnetization direction switched in-plane. In the magnetic tunnel junction structure 100, a tunnel magnetoresistance effect in which electrical resistance varies depending on a relative magnetization direction between the pinned magnetic layer 120 and the free magnetic layer 140 is generated. The tunnel magnetoresistance effect occurs because electrons of up-spin and down-spin tunnel through the insulating layer 130 in the magnetic tunnel junction structure. This tunnel magnetic resistance effect is larger than the giant magnetoresistance generated in the spin valve structure (first magnetic material / nonmagnetic material / second magnetic material) in which a nonmagnetic material is inserted between two ferromagnetic materials. Therefore, in the case of a nano oscillation device, the magnetic tunnel junction structure has an advantage of generating microwaves with higher power.
상기 터널 자기저항 효과로 인하여 두 자성층의 상대적인 자화방향이 전류의 흐름을 제어하는 현상을 가져오게 된다. 한편, 뉴턴의 제3 법칙인 작용-반작용 법칙에 따라, 상대적인 자화방향이 전류의 흐름을 제어할 수 있다면, 그 반작용으로 전류를 인가하여 자성층의 자화방향에 영향을 주는 것 역시 가능하다. 자기터널접합 구조에 수직(두께) 방향으로 전류를 인가하면, 상기 고정 자성층(120)에 의해 스핀 분극된 전류가 상기 자유 자성층(140)를 통과하면서 자신의 스핀 각운동량(spin angular momentum)을 전달하게 된다. 이러한 스핀 각운동량의 전달에 의해 자화가 느끼는 토크를 스핀전달토크 (Spin-transfer-torque)라고 한다. 스핀전달토크를 이용하면 자유 자성층의 자화는 스위칭(switching)될 수 있다. 외부 자기장(Bext)이 함께 걸린 경우, 자화를 지속적으로 회전시키는 자화 세차운동(Magnetization Precession Motion)이 가능하다. Due to the tunnel magnetoresistance effect, the relative magnetization directions of the two magnetic layers control the flow of current. On the other hand, according to Newton's third law of action-reaction, if the relative magnetization direction can control the flow of current, it is also possible to apply the current in the reaction to affect the magnetization direction of the magnetic layer. When a current is applied to the magnetic tunnel junction structure in a vertical (thickness) direction, the current spin-polarized by the fixed magnetic layer 120 passes through the free magnetic layer 140 to transmit its spin angular momentum. do. The torque felt by magnetization by the transfer of spin angular momentum is called spin-transfer-torque. Using spin transfer torque, the magnetization of the free magnetic layer can be switched. When the external magnetic field (Bext) is caught together, magnetization precession motion is possible to continuously rotate the magnetization.
면내 방향의 자화를 갖는 자성체로 구성된 자기터널접합 구조를 응용한 종래의 나노 발진 소자는 하부 전극(110)/고정 자성층(120)/절연층(130)/전류에 의해 자화의 방향이 변하는 자유 자성층(140)/상부 전극(150)의 구조를 갖는다. 이러한 자기터널접합 구조의 상부 혹은 하부에 트랜지스터(미도시)가 배치된다. 상기 트랜지스터는 상부 혹은 하부에 위치한 자기터널접합에 수직방향으로 흐르는 전류를 제공하는 역할을 한다. Conventional nano-oscillation device applying a magnetic tunnel junction structure composed of a magnetic material having magnetization in the in-plane direction is a free magnetic layer in which the direction of magnetization is changed by the lower electrode 110 / fixed magnetic layer 120 / insulating layer 130 / current Has a structure of 140 / upper electrode 150. Transistors (not shown) are disposed above or below the magnetic tunnel junction structure. The transistor serves to provide a current flowing in a vertical direction to the magnetic tunnel junction located above or below.
트랜지스터에 의한 전류가 막면에 수직한 방향으로 인가되고, 적절한 방향과 값을 갖는 외부 자기장(Bext)이 인가되면, 상기 자유 자성층(140)에는 자화가 지속적으로 회전하는 자화 세차 운동이 유도된다. 이때 면내에서 일정한 자화 방향을 갖는 고정 자성층(120)에 대해 상기 자유 자성층(140)의 자화가 회전함에 따라 계속해서 두 자화간의 상대적인 방향이 달라진다. 따라서, 터널자기저항에 의해 저항이 달라진다. 이를 통해 마이크로파가 발생하게 된다.When a current from the transistor is applied in a direction perpendicular to the membrane surface and an external magnetic field Bext having an appropriate direction and value is applied, a magnetization precession motion in which magnetization is continuously rotated is induced in the free magnetic layer 140. In this case, as the magnetization of the free magnetic layer 140 rotates with respect to the fixed magnetic layer 120 having a constant magnetization direction in plane, the relative direction between the two magnetizations is continuously changed. Therefore, the resistance varies depending on the tunnel magnetoresistance. This causes microwaves.
도 2는 종래의 스핀 홀 스핀토크와 외부 자기장을 이용한 나노 발진 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin hole spin torque and an external magnetic field.
도 2를 참조하면, 도선에 흐르는 면내전류에 의해 발생되는 스핀홀 스핀 토크(Spin Hall Spin Torque)와 외부 자기장을 함께 걸어 자화 세차운동을 유도하는 소자가 개발되었다. 상기 나노 발진 소자(200)는 하부 전극(210)/고정 자성층(220)/절연층(230)/자유 자성층(240)/도선(250)을 포함한다. 상기 자유 자성층(240)의 자화 세차운동은 외부에서 인가되는 외부 자기장(Bext)과 도선(250)에 면내방향으로 흐르는 전류에 의해 유도된다. 여기서, 상기 고정 자성층(220) 또는 자유 자성층(240)의 자화 방향은 박막의 배치 평면 내에서 x방향 또는 -x방향으로 정렬되어 있다. 상기 도선(250) 내 흐르는 업스핀(up-spin)과 다운스핀(down-spin)의 전자는 스핀-궤도 상호작용(spin-orbit interaction)에 의해 각기 다른 방향으로 편향(polarized)되는 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect)를 경험한다. 이에 따라, 전류방향에 수직인 모든 방향으로 스핀전류(spin current)의 발생이 이미 실험적으로 검증되었다. 이때 각 방향으로 발생한 스핀전류는 그 방향(스핀전류의 방향)에 수직으로 편향된 스핀성분을 가진다.Referring to FIG. 2, a device for inducing magnetized precession by walking a spin hole spin torque generated by an in-plane current flowing through a conductive wire and an external magnetic field has been developed. The nano oscillation device 200 includes a lower electrode 210, a fixed magnetic layer 220, an insulating layer 230, a free magnetic layer 240, and a conductive line 250. The magnetization precession of the free magnetic layer 240 is induced by an external magnetic field (Bext) applied from the outside and a current flowing in the in-plane direction to the conductive wire 250. Here, the magnetization direction of the pinned magnetic layer 220 or free magnetic layer 240 is aligned in the x direction or the -x direction in the placement plane of the thin film. Spin-hole effect in which the up-spin and down-spin electrons flowing in the conductive wire 250 are polarized in different directions by spin-orbit interaction Experience the Spin Hall Effect. Accordingly, the generation of spin current in all directions perpendicular to the current direction has already been experimentally verified. At this time, the spin current generated in each direction has a spin component biased perpendicular to the direction (direction of spin current).
도 2에 표시된 좌표계를 참조하면, 도선(250) 내의 면내 전류가 -y 방향 또는 +y 방향으로 흐르는 경우, 발생한 스핀전류 중에서 -z방향 성분(즉, 자유 자성층에 입사하는 스핀전류)은 -x방향 또는 +x 방향의 스핀성분을 가지며 자유 자성체로 흘러 들어간다. 상기 자유 자성체(240)에 흘러 들어간 스핀전류에 의해 상기 자유 자성체(240)는 스핀토크를 받는다. 이 경우, 상기 스핀토크는 스핀 홀 스핀토크(spin Hall spin-torque)라고 불린다. 상기 스핀 홀 스핀토크를 받은 상기 자유 자성체(240)의 자화는 인가되는 외부 자기장(Bext)과 인가되는 전류의 크기와 방향에 따라 +z축을 중심으로 또는 -z축을 중심으로 자화 세차운동을 한다.Referring to the coordinate system shown in FIG. 2, when the in-plane current in the conductive line 250 flows in the -y direction or the + y direction, the -z direction component (that is, the spin current incident on the free magnetic layer) among the generated spin currents is -x. It has a spin component in the direction or + x direction and flows into a free magnetic body. The free magnetic material 240 is subjected to spin torque by the spin current flowing into the free magnetic material 240. In this case, the spin torque is called spin hole spin torque. The magnetization of the free magnetic material 240 subjected to the spin hole spin torque performs magnetization precession around the + z axis or the -z axis according to the external magnetic field (Bext) and the magnitude and direction of the applied current.
본 발명의 일 실시예에 따른 자화 세차 운동은 스핀 홀 스핀토크를 이용해 자성층의 자화를 반전시키는 선행된 실험 및 이론 연구[I. M. Miron et al., Nature 476, 189 (2011), L. Liu et al., Science 336, 555 (2012)]를 토대로 하고 있다. 스핀 홀 스핀토크가 자성층의 자화를 반전시키는 역할을 할 때, 외부 자기장이 반대 방향으로 함께 인가되면, 자화는 세차 운동을 한다.The magnetization precession motion according to an embodiment of the present invention is an experimental and theoretical study in which the magnetization of the magnetic layer is reversed using spin hole spin torque [I. M. Miron et al., Nature 476, 189 (2011), L. Liu et al., Science 336, 555 (2012). When the spin hole spin torque serves to reverse the magnetization of the magnetic layer, if the external magnetic field is applied together in the opposite direction, the magnetization is precessed.
하지만 스핀전달토크와 외부 자기장을 모두 이용한 나노 발진 소자는 기존 발진 소자에 비해 외부 자기장을 추가로 공급해주는 장치가 필요하여 실용화에 한계를 갖는다. 이를 극복하기 위해서 외부에서 주어지는 외부 자기장이 없이 발진하는 나노 발진 소자가 요구된다. However, the nano oscillation device using both spin transfer torque and external magnetic field has a limitation in practical use because it requires a device that additionally supplies an external magnetic field compared to the existing oscillation device. In order to overcome this, a nano oscillation device that oscillates without an external magnetic field is required.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 외부 자기장 없이 재료의 자기 이방성 특성을 이용해 콘 상태를 갖는 자유 자성층에 면 수직 전류 스핀전달 토크를 전달하여 자유 자성층의 자화 세차운동을 유도한다. One technical problem to be solved of the present invention is to use the magnetic anisotropy of the material without an external magnetic field to transfer the surface vertical current spin transfer torque to the free magnetic layer having a cone state to induce magnetization precession of the free magnetic layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 발진 소자는 기존 구조에서처럼 자기터널접합 구조에서 수직방향 또는 도선의 면내방향으로 흐르는 전류에 의한 스핀전달토크 혹은 스핀 홀 스핀토크와 외부 자기장으로 인한 자유 자성층의 자화 세차운동을 유도하지 않는다. In the nano oscillation device according to an embodiment of the present invention, as in the conventional structure, the magnetization precession of the free magnetic layer due to spin transfer torque or spin hole spin torque due to the current flowing in the vertical direction or in-plane direction of the conductor in the magnetic tunnel junction structure and the external magnetic field Do not induce exercise.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 발진 소자는, 제1 고정 자성층; 상기 제1 고정 자성층 상에 배치된 제2 고정 자성층; 상기 제1 고정 자성층과 상기 제2 고정 자성층 사이에 개재된 자유 자성층; 상기 제1 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 제1 비자성층; 및 상기 자유 자성층과 상기 제2 고정 자성층 사이에 개재된 제2 비자성층을 포함한다. 상기 제1 고정 자성층은 고정된 자화 방향을 가지고, 막면에 대하여 수직한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다. 상기 자유 자성층은 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향으로 정렬하는 콘 상태(cone state)를 가진다. 상기 제2 고정 자성층은 고정된 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 평행한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진다.Nano oscillation device according to an embodiment of the present invention, the first pinned magnetic layer; A second pinned magnetic layer disposed on the first pinned magnetic layer; A free magnetic layer interposed between the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer; A first nonmagnetic layer interposed between the first pinned magnetic layer and the free magnetic layer; And a second nonmagnetic layer interposed between the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer. The first pinned magnetic layer is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface. The free magnetic layer has a cone state that is aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction. The second pinned magnetic layer has a fixed magnetization direction and is made of a material that is magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
본 발명의 일 실시예에 있어서,In one embodiment of the invention,
상기 자유 자성층은The free magnetic layer is
(
Figure PCTKR2017006879-appb-I000001
)을 만족하고,
(
Figure PCTKR2017006879-appb-I000001
),
K1, K2, K1,eff, 그리고 Ms 는 각각 자기이방성 에너지 밀도의 1차항, 2차항, 1차항과 탈자장 에너지 밀도(demagnetization energy density)를 포함하는 유효 자기이방성 에너지 밀도(effective magnetic anisotropy energy density), 그리고 포화 자화값(Saturation Magnetization Value)을 의미한다.K 1 , K 2 , K 1, eff , and M s are the effective magnetic anisotropy, including the first term, second term, first term and demagnetization energy density of the magnetic anisotropy energy density, respectively. anisotropy energy density, and saturation magnetization value.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 고정 자성층은 차례로 적층된 자성층, 비자성층, 및 제2 보조 자성층으로 이루어진 반자성체구조일 수 있다. 상기 제2 고정 자성층은 차례로 적층된 자성층, 비자성층, 및 자성층으로 이루어진 반자성체구조일 수 있다. 상기 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 비자성층은 Ru, Cu 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first pinned magnetic layer may be a semi-magnetic structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second auxiliary magnetic layer stacked in sequence. The second pinned magnetic layer may have a semimagnetic structure composed of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetic layer, which are sequentially stacked. The magnetic layer may be made of a material including at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The nonmagnetic layer may be made of a material including at least one of Ru, Cu, and alloys thereof.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 고정 자성층은 차례로 적층된 반강자성층, 자성층, 비자성층, 및 자성층으로 이루어진 교환 바이어스된 반자성체구조일 수 있다. 상기 제2 고정 자성층은 차례로 적층된 자성층, 비자성층, 자성층, 및 반강자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체구조일 수 있다. 상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 합금 중에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 자성층 및 자성층 각각은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 비자성층은 Ru, Cu 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first pinned magnetic layer may be an exchange-biased diamagnetic body structure consisting of an antiferromagnetic layer, a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetic layer, which are sequentially stacked. The second pinned magnetic layer may be an exchange biased diamagnetic body structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, a magnetic layer, and an antiferromagnetic layer, which are sequentially stacked. The antiferromagnetic layer may be made of a material selected from Ir, Pt, Mn, and alloys thereof. Each of the magnetic layer and the magnetic layer may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The nonmagnetic layer may include at least one of Ru, Cu, and alloys thereof.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the free magnetic layer may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and their alloys.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 비자성층 및 상기 제2 비자성층은 절연층이고, 상기 절연층은 AlOx, MgO, TaOx, 및 ZrOx 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer is an insulating layer, the insulating layer may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 비자성층 및 상기 제2 비자성층은 금속층이고, 상기 금속층은 Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer are metal layers, and the metal layers may include at least one of Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and alloys thereof. Can be.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and alloys thereof.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층은 CoFeB이고, 상기 자유 자성층의 두께는 0.8nm 내지 1.2nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the free magnetic layer is CoFeB, the thickness of the free magnetic layer may be 0.8nm to 1.2nm.
본 발명에 따른 새로운 구조의 자기 나노 발진 소자는 스핀전달토크와 자유자성층의 콘 상태 유효 자기이방성 자기장을 이용해 외부 자기장의 인가 없이 자유 자성층에 화 세차 운동을 유도하는 원리를 이용한다. 스핀전달토크는 전류가 고정 자성층을 지나 스핀 편향되어(spin polarized) 생기는 스핀전류에 의해 자유 자성층에서 발생한다.The magnetic nano oscillation device having a novel structure according to the present invention uses the spin transfer torque and the cone state effective magnetic anisotropy magnetic field of the free magnetic layer to use the principle of inducing precession to the free magnetic layer without applying an external magnetic field. The spin transfer torque is generated in the free magnetic layer by the spin current generated by spin polarization of the current through the fixed magnetic layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 발진 소자는 기존 구조에서 1) 외부 자기장을 제공하는 추가적인 장치가 필요 하다는 문제점과 2) 주파수의 조율성을 조절하기 힘들다는 문제점을 해결 할 수 있다. Nano oscillation device according to an embodiment of the present invention can solve the problem of 1) the need for an additional device to provide an external magnetic field and 2) difficult to adjust the tuning of the frequency.
도 1은 종래의 스핀전달토크와 외부 자기장을 이용한 나노 발진 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin transfer torque and an external magnetic field.
도 2는 종래의 스핀 홀 스핀토크와 외부 자기장을 이용한 나노 발진 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nano oscillation device using a conventional spin hole spin torque and an external magnetic field.
도 3(a)은 수직 편광자(p-PL)/비자성층/ 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)을 포함하는 3층 구조를 설명하는 개념도이다.FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a three-layer structure including a vertical polarizer (p-PL), a nonmagnetic layer, and a conically magnetized free layer (c-FL).
도 3(b)는 탈자화 에너지(K1,eff ) 그리고 2차항 이방성 상수(K2)의 위상 다이어그램이다.3 (b) is a phase diagram of the demagnetization energy K 1, eff and the quadratic anisotropy constant K 2 .
도 4(a)는 전류 밀도에 따른 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)을 나타낸다.4 (a) shows spin transfer torque (STT) -induced tilting angle (θ s ) according to current density.
도 4(b)는 마크로스핀(Macrospin) 시뮬레이션 결과와 수학식 4로부터 이론적 예측을 나타낸다.FIG. 4 (b) shows the theoretical prediction from Macrospin simulation results and Equation 4. FIG.
도 5(a)은 전류 밀도에 대한 발진 주파수의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.5 (a) shows the simulation result of the oscillation frequency with respect to the current density.
도 5(b)는 전류 밀도에 대한 파워의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.5 (b) shows a simulation result of power versus current density.
도 6은 비 K2 / |K1,eff| (= -1/2 κ) 의 함수로써 최대 발진 주파수와 출력 전력을 나타낸다.6 shows the ratio K 2 / | K 1, eff | Maximum oscillation frequency and output power are represented as a function of (= -1/2 κ).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 발진 소자를 나타내는 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a nano oscillation device according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진 소자를 설명하는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진 소자를 설명하는 단면도이다.9 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 홀 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 홀들의 상/위(on)에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on)와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.In the description of an embodiment, each layer (region), region, hole or structure is formed on or "under" or above a substrate, each layer (film), region, pad or hole. In the case of what is described as being to be taken, both above / on and "under" include both "directly" or "indirectly" formed. In addition, the criteria for the top / top or bottom / bottom of each layer will be described based on the drawings.
도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the several aspects.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시예에 기초하여 설명하도록 하며, 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, specific details for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings, and these embodiments will be described in detail enough to enable those skilled in the art to practice the present invention.
본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조, 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention with respect to one embodiment.
또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신, 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the following detailed description is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined only by the appended claims, along with the full range of equivalents to which such claims are entitled.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 발진 소자의 동작 원리가 설명된다.Hereinafter, the operating principle of the oscillation element according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우리는 수직 편광자(a perpendicular polarizer)를 가지고 코니컬리 자화된 자유층(a conically magnetized free layer)을 사용하는 제로 필드 초고주파 발진기(zero-field microwave oscillator )를 제안한다. 상기 코니컬리 자화된 자유층은 큰 2차 이방성 상수(second order anisotropy constant, K2)를 가진 시료에서 구현되었다.According to one embodiment of the present invention, we propose a zero-field microwave oscillator having a perpendicular polarizer and using a conically magnetized free layer. . The conically magnetized free layer was implemented in a sample with a large second order anisotropy constant (K 2 ).
도 3(a)은 수직 편광자(p-PL)/비자성층/ 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)을 포함하는 3층 구조를 설명하는 개념도이다.FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a three-layer structure including a vertical polarizer (p-PL), a nonmagnetic layer, and a conically magnetized free layer (c-FL).
도 3(b)는 탈자화 에너지(K1,eff ) 그리고 2차항 이방성 상수(K2)의 위상 다이어그램이다.3 (b) is a phase diagram of the demagnetization energy K 1, eff and the quadratic anisotropy constant K 2 .
도 3(a)를 참조하면, 수직 편광자(p-PL)는 고정 자성층으로, 면에 수직한 고정된 자화 방향을 가진다. 상기 비자성층은 절연층 또는 비자성 금속층일 수 있다. 상기 비자성 금속층은 Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연층은 AlOx, MgO, TaOx, 및 ZrOx 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)은 큰 2차 이방성 상수(second order anisotropy constant, K2)를 가진 시료에서 구현되고, 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향(cone 상태)으로 정렬하는 콘 상태를 가진다. 상기 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)은 CoFeB 재질이고, 그 두께는 콘 상태(cone state)를 유지하기 위하여 0.8 nm 내지 1.2 nm 일 수 있다. Referring to FIG. 3A, the vertical polarizer p-PL is a pinned magnetic layer and has a fixed magnetization direction perpendicular to the plane. The nonmagnetic layer may be an insulating layer or a nonmagnetic metal layer. The nonmagnetic metal layer may include at least one of Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and alloys thereof. The insulating layer may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx. The conically magnetized free layer (c-FL) is embodied in a sample having a large second order anisotropy constant (K 2 ), and is aligned in a direction (cone state) maintaining a specific angle from the plane vertical direction. Has a cone state. The conically magnetized free layer (c-FL) is a CoFeB material, and the thickness thereof may be 0.8 nm to 1.2 nm to maintain a cone state.
수직 편광자(p-PL)에서 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)으로 흐르는 전자는 음의 전류 밀도에 대응한다. 상기 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)의 유효 자기 이방성 에너지는 다음과 같이 주어진다.Electrons flowing from the vertical polarizer p-PL to the conically magnetized free layer c-FL correspond to the negative current density. The effective magnetic anisotropy energy of the conically magnetized free layer (c-FL) is given by
[수학식 1][Equation 1]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000002
Figure PCTKR2017006879-appb-I000002
여기서, θ는 구좌표계에서 자화의 극각(polar angle)이고, K1,eff (= K1 - 2πMs 2) 는 탈자화 에너지(demagnetization energy)를 포함하는 1차항 유효 이방성 상수(first-order effective anisotropy constant)이다. K1 그리고 K2 는 1차 및 2차항 이방성 상수들이다. Ms 는 포화자화(saturation magnetization)이다.Where θ is the polar angle of magnetization in the spherical coordinate system, and K 1, eff (= K 1 -2πM s 2 ) is a first-order effective anisotropy constant that includes demagnetization energy. K 1 and K 2 are the first and second order anisotropy constants. M s is saturation magnetization.
자화 이방성 용이축(magnetic anisotropy easy axis)은 탈자화 에너지(K1,eff) 그리고 2차항 이방성 상수(K2)의 크기와 부호(sign)에 의존하여 결정된다. 탈자화 에너지(K1,eff ) 그리고 2차항 이방성 상수(K2)는 위상 다이어그램에서 표시된다.The magnetic anisotropy easy axis is determined depending on the magnitude and sign of the demagnetization energy (K 1, eff ) and the quadratic anisotropy constant (K 2 ). The demagnetization energy (K 1, eff ) and the quadratic anisotropy constant (K 2 ) are shown in the phase diagram.
양의 탈자화 에너지(K1,eff) 에 대하여, 자성층은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA) 영역을 가진다. 음의 탈자화 에너지(K1,eff) 에 대하여, 상기 자성층은 면내 자기 이방성(in-plane (easy-plane) magnetic anisotropy; IMA) 영역 또는 자화 용이 콘 상태 영역(magnetic easy cone state region)을 가진다.For positive demagnetization energy K 1, eff , the magnetic layer has a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) region. For negative demagnetization energy K 1, eff , the magnetic layer has an in-plane magnetic anisotropy (IMA) region or a magnetic easy cone state region. .
상기 자화 용이 콘 상태는 이방성 상수들이 K1,eff < 0 그리고 K2 > | K1,eff /2| 조건을 만족하는 경우, 안정화된다.The easily magnetized cone state has anisotropic constants of K 1, eff <0 and K 2 > | K 1, eff / 2 | If the condition is met, it is stabilized.
수학식 1로부터, 평형 극각(equilibrium polar angle; θeq)은 다음과 같이 주어진다.From Equation 1, the equilibrium polar angle θ eq is given by:
[수학식 2][Equation 2]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000003
Figure PCTKR2017006879-appb-I000003
우리는 왜 스핀전달토크(STT)가 상기 자화 용이 콘 상태에 대하여 제로-필드 발진을 유발하는 지를 설명한다.We explain why spin transfer torque (STT) causes zero-field oscillation for the magnetization cone state.
도 4(a)는 K1,eff = -4 x 105 erg/cm3 및 K2 = 2 x 106 erg/cm3 에 대하여 상기 자화 용이 콘 상태에 대한 조건을 만족하는 유효 이방성 에너지(effective anisotropy energy; EK,eff)를 나타낸다.4 (a) shows the effective anisotropic energy satisfying the conditions for the easy magnetization cone state for K 1, eff = -4 x 10 5 erg / cm 3 and K 2 = 2 x 10 6 erg / cm 3 anisotropy energy; E K, eff ).
도 4(a)는 전류 밀도에 따른 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)을 나타낸다.4 (a) shows spin transfer torque (STT) -induced tilting angle (θ s ) according to current density.
도 4(a)를 참조하면, 유효 이방성 에너지( EK,eff)는 평형 각(equilibrium angle; θeq ~ 0.1π)에서 최소를 보인다. θ=θeq에서, 자화에 작용하는 이방성 자기장은 소멸한다. 전류(electrical current)가 이 구조에 인가되는 경우, 스핀전달토크(STT)는 평형 각(θeq)에서 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)로 자화 각을 틸팅시킨다. 이 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩은 유효 이방성 자기장을 제로이외(non-zero)로 만든다. 따라서, 상기 자화는 제로이외 유효 자기장(Heff) 주위로 세차한다. Referring to FIG. 4 (a), the effective anisotropic energy E K, eff is an equilibrium angle θ eq ~ 0.1π) shows the minimum. At θ = θ eq , the anisotropic magnetic field acting on magnetization disappears. When electrical current is applied to this structure, the spin transfer torque (STT) tilts the magnetization angle from the equilibrium angle (θ eq ) to the spin transfer torque (STT) -induced tilting angle (θ s ). This spin transfer torque (STT) -induced tilting makes the effective anisotropic magnetic field non-zero. Thus, the magnetization washes around the non-zero effective magnetic field H eff .
상기 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(STT-induced tilted angle; θs)은 슬론체위스키 항(Slonczewski term)을 가진 란다우-라이프시츠 방정식(Landau-Lifshitz equation)에 의하여 다음과 같이 분석될 수 있다.The spin transfer torque (STT) - induced tilding each (STT-induced tilted angle; θ s) is Landau with Sloane positions ski wherein (Slonczewski term) - by life when tsu equation (Landau-Lifshitz equation) as follows: Can be analyzed.
[수학식 3][Equation 3]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000004
Figure PCTKR2017006879-appb-I000004
여기서, α는 댐핑 상수(damping constant)이고,
Figure PCTKR2017006879-appb-I000005
은 상기 자유층 자화를 따른 단위 벡터이고, γ는 자이로마그네틱 비(gyromagnetic ratio)이고, H K,eff 는 유효 자기 이방성 자기장(effective magnetic anisotropy field)이고, H K,eff 는 수학식 1의 미분에 의하여
Where α is a damping constant,
Figure PCTKR2017006879-appb-I000005
Is a unit vector along the free layer magnetization, γ is a gyromagnetic ratio, H K, eff is an effective magnetic anisotropy field, and H K, eff is a derivative of Equation 1 By
Figure PCTKR2017006879-appb-I000006
Figure PCTKR2017006879-appb-I000006
로 주어진다. αJ (=
Figure PCTKR2017006879-appb-I000007
)는 STT 세기(STT magnitude)이고, η는 스핀 분극 펙터(spin polarization factor)이고, t는 상기 자유 층의 두께이고, J는 전류 밀도(current density)이고,
Figure PCTKR2017006879-appb-I000008
는 스핀 분극의 단위 벡터(unit vector of spin polarization)이다.
Is given by α J (=
Figure PCTKR2017006879-appb-I000007
Is the STT magnitude, η is the spin polarization factor, t is the thickness of the free layer, J is the current density,
Figure PCTKR2017006879-appb-I000008
Is the unit vector of spin polarization.
여기서, 비록, 자기 터널 접합에서 필드-라이크 STT(field-like STT)가 무시할 수 없는 경우에도, 우리는 단순화를 위하여 필드-라이크 STT(field-like STT)를 무시한다.Here, we ignore the field-like STT for simplicity, even if the field-like STT at the magnetic tunnel junction cannot be ignored.
수학식 3의 우측(right-hand-side)에서 제1 및 제2 항은 자화의 세차 운동 및 유효 댐핑 운동을 각각 기술한다. 제2 항으로부터, 인가 전류(applied current= αJ/α)에 기인한 유효 자기장은 상기 자화 각(magnetization angle)을 평형 각(θeq)에서 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)로 벗어나도록 구동한다.In the right-hand-side of Equation 3, the first and second terms describe the precession motion and the effective damping motion of magnetization, respectively. From the second term, the effective magnetic field due to the applied current = α J / α is the spin transfer torque (STT) -induced tilting angle (θ s ) at the equilibrium angle (θ eq ) To get out of the way.
수직 자화 자유층(perpendicularly magnetized free layer;p-FL) 및 코니컬리 자화된 자유층(c-FL) 모두에 대하여, 스핀 토크에 기인한 상기 유효 자기장이 문턱을 초과하는 경우, 스위칭이 발생한다.For both the vertically magnetized free layer (p-FL) and the conically magnetized free layer (c-FL), switching occurs when the effective magnetic field due to spin torque exceeds a threshold.
그러나, θ=0에서 문턱 이방성 자기장 값을 가진 수직 자화 자유층(p-FL)과 달리, 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)은 HK,eff에서 음의 Hth,1 과 양의 Hth,2을 가지는 두 개의 문턱을 가진다.However, unlike the vertical magnetized free layer (p-FL) with threshold anisotropy magnetic field value at θ = 0, the conically magnetized free layer (c-FL) is negative with H H , 1 and positive at H K, eff . With H th, 2 It has two thresholds.
따라서, 수직 자화 자유층(p-FL)의 경우에는, 스핀 토크가 θ=0에서 상기 유효 이방성 자기장을 초과할 때 까지 상기 자화 운동은 움직이지 못한다. 한편, 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)의 경우에는, 자화는 θeq 로부터 벗어나고, 제로-필드 초고주파 발진이, 문턱 전류 밀도 Jth,1 그리고 Jth,2 에 대응하는 두 문턱 사이에서 스핀 토크가 인가된 경우, 실현된다.Therefore, in the case of the vertical magnetization free layer p-FL, the magnetization motion does not move until the spin torque exceeds the effective anisotropic magnetic field at θ = 0. On the other hand, in the case of the conically magnetized free layer (c-FL), the magnetization deviates from θ eq and the zero-field ultrahigh frequency oscillation is between two thresholds corresponding to the threshold current densities J th, 1 and J th, 2 . When spin torque is applied, it is realized.
θ=θs에서, HK,eff - αJ/α = 0이다. 또한, 2차 항은 이 조건에서 소멸한다. 따라서, θs 은 위 조건으로부터 유도되고, 다음과 같이 주어질 수 있다.In θ = θ s , H K, eff − α J / α = 0. Also, the secondary term vanishes under this condition. Therefore, θ s is derived from the above condition and can be given as follows.
[수학식 4][Equation 4]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000009
Figure PCTKR2017006879-appb-I000009
Figure PCTKR2017006879-appb-I000010
Figure PCTKR2017006879-appb-I000010
도 4(b)는 마크로스핀(Macrospin) 시뮬레이션 결과와 수학식 4로부터 이론적 예측을 나타낸다.FIG. 4 (b) shows the theoretical prediction from Macrospin simulation results and Equation 4. FIG.
도 4(b)를 참조하면, 두 문턱 전류 밀도(Jth,1 그리고 Jth,2) 사이의 인가된 전류 밀도의 함수로 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)가 표시된다.Referring to FIG. 4 (b), the spin transfer torque (STT) -induced tilting angle (θ s ) is shown as a function of the applied current density between two threshold current densities (J th, 1 and J th, 2 ). .
시뮬레이션에서, 우리는 다음과 같은 파라미터를 사용하였다. α = 0.01, MS = 800 emu/cm3, η = 0.5, t = 1 nm, K1,eff = -4 x 105 erg/cm3, 그리고 K2 = 2 x 106 erg/cm3. In the simulation, we used the following parameters. α = 0.01, M S = 800 emu / cm 3 , η = 0.5, t = 1 nm, K 1, eff = -4 x 10 5 erg / cm 3 , and K 2 = 2 x 10 6 erg / cm 3 .
상기 시뮬레이션 결과는 이론적 예측과 일치한다. 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)은 음의 전류 밀도에서 평형 각(θeq)으로 부터 감소한다. 한편, 스핀전달토크(STT)-유도 틸딩 각(θs)은 양의 전류밀도에서 평형 각(θeq)으로부터 증가한다.The simulation results are in agreement with theoretical predictions. Spin transfer torque (STT) -induced tilting angle θ s decreases from the equilibrium angle θ eq at negative current density. On the other hand, the spin transfer torque (STT) -induced tilting angle θ s increases from the equilibrium angle θ eq at a positive current density.
상기 세차 주파수(precession frequency)는 자이로마그네틱 비(gyromagnetic ratio; γ)와 상기 유효 자기 이성방 자기장(H K,eff)의 곱으로 주어진다. 이 경우, STT에 기인한 상기 유효 자기 이성방 자기장(H K,eff)은 αJ /α로 주어진다. 따라서, 발진 주파수(oscillation frequency)는 다음과 같이 주어진다.The precession frequency is given by the product of a gyromagnetic ratio (γ) and the effective magnetic isotropic magnetic field ( H K, eff ). In this case, the effective magnetic isotropic magnetic field H K, eff due to STT is α J given by / α. Therefore, the oscillation frequency is given as follows.
[수학식 5][Equation 5]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000011
Figure PCTKR2017006879-appb-I000011
상기 발진 주파수(oscillation frequency; f)는 전류 밀도에 선형적으로 비례한다, 또한 출력 파워(P ∝ I2 (ΔR)2 /R )는 다음과 같이 주어진다.The oscillation frequency f is linearly proportional to the current density, and the output power P ∝ I 2 (ΔR) 2 / R is given by
[수학식 6][Equation 6]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000012
Figure PCTKR2017006879-appb-I000012
도 5(a)은 전류 밀도에 대한 발진 주파수의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.5 (a) shows the simulation result of the oscillation frequency with respect to the current density.
도 5(b)는 전류 밀도에 대한 파워의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.5 (b) shows a simulation result of power versus current density.
도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 상기 발진 주파수는 전류 극성을 불문하고 전류 밀도에 대한 거의 선형적으로 증가한다. 전류 밀도가 두 문턱들 사이에 있는 경우에만, 상기 발진 주파수가 나타낸다. 상기 전류 밀도가 이들 문턱들을 초과하는 경우, 발진 대신에 스위칭이 발생한다. 양의 문턱 전류 밀도((Jth,2 = 16 ×105 A/cm2)에서, 상기 발진 주파수는 최대(~ 9.5 GHz)가 된다. 한편, 발진 각(oscillation angle)은 양의 전류 밀도에 한하여 증가하기 때문에, 출력 전력은 양의 전류 밀도에 한하여 증가한다.5 (a) and 5 (b), the oscillation frequency increases almost linearly with respect to the current density regardless of the current polarity. Only when the current density is between the two thresholds, the oscillation frequency is indicated. If the current density exceeds these thresholds, switching occurs instead of oscillation. At a positive threshold current density ((J th, 2 = 16 × 10 5 A / cm 2 ), the oscillation frequency is at maximum (˜9.5 GHz), while the oscillation angle is at positive current density. As it increases only, the output power increases only with a positive current density.
우리는 수학식 3으로부터 두 문터 자기장(Hth,1, Hth,2)과 이에 대응하는 문턱 전류 밀도(Jth,1, Jth,2)를 얻었고 다음과 같이 주어진다. From equation 3 we have two two-field magnetic fields (H th, 1 , H th, 2 ) and the corresponding threshold current densities (J th, 1 , J th, 2 ) are obtained and given by
[수학식 7][Equation 7]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000013
Figure PCTKR2017006879-appb-I000013
[수학식 8][Equation 8]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000014
Figure PCTKR2017006879-appb-I000014
[수학식 9][Equation 9]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000015
Figure PCTKR2017006879-appb-I000015
[수학식 10][Equation 10]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000016
Figure PCTKR2017006879-appb-I000016
최대 발진 주파수와 최대 출력 전력은 수학식 10의 양의 문턱 전류 밀도에서 수학식 5 및 6으로부터 유도될 수 있다. 문터 전류 밀도, 최대 발진 주파수, 및 최대 출력 전력은 이방성 상수의 비(the ratio of anisotropy constants; κ)에 의존한다. 따라서, 높은 발진 주파수를 얻기 위하여, 이방성 상수의 비(the ratio of anisotropy constants; κ)를 증가시킬 필요가 있다.The maximum oscillation frequency and the maximum output power can be derived from equations (5) and (6) at the positive threshold current density of equation (10). The Munter current density, maximum oscillation frequency, and maximum output power depend on the ratio of anisotropy constants (κ). Therefore, in order to obtain a high oscillation frequency, it is necessary to increase the ratio of anisotropy constants (κ).
도 6은 비 K2 / |K1,eff| (= -1/2 κ) 의 함수로써 최대 발진 주파수와 출력 전력을 나타낸다.6 shows the ratio K 2 / | K 1, eff | Maximum oscillation frequency and output power are represented as a function of (= -1/2 κ).
도 6을 참조하면, K1,eff는 -4 x 105 erg/cm3로 고정된다. 상기 비 K2 / |K1,eff| (= -1/2 κ) 가 2.5에서 20으로 증가함에 따라, 최대 발진 주파수는 ~ 4 GHz에서 ~ 40 GHz로 약 10 배 변화된다. 또한, 최대 전력은 ~32에서 ~3500으로 약 100 배 증가한다. 비 K2 / |K1,eff| (= -1/2 κ) 의 크기가 클수록, 발진 주파수의 전류-유도 튜닝 범위를 더 증가시킨다.Referring to Figure 6, K 1, eff is fixed at -4 x 10 5 erg / cm 3 . The ratio K 2 / | K 1, eff | As (= -1/2 κ) increases from 2.5 to 20, the maximum oscillation frequency varies about 10 times from -4 GHz to -40 GHz. In addition, the maximum power increases approximately 100 times from ~ 32 to ~ 3500. Ratio K 2 / K 1, eff | The larger (= -1/2 κ) increases the current-induced tuning range of the oscillation frequency.
상기 이방성 상수의 증가된 비는 전압-유도 이방성 변화에 의하여 달성될 수 있다. 제1 및 제2 이방성 상수(K1 and K2)은 전압-유도 스트레인 효과(voltage-induced strain effect)에 의하여 다르게 수정될 수 있다.The increased ratio of the anisotropy constant can be achieved by voltage-induced anisotropy change. The first and second anisotropy constants K 1 and K 2 may be modified differently by the voltage-induced strain effect.
결론적으로, 우리는 자화 용이 상태의 STT-유도 제로-필드 발진을 제안한다. 우리는 상기 발진 주파와 출력 전력의 분석 공식(analytical formula)을 도출하였다. 최대 발진 주파수와 파워는 제1 이방성 상수에 대한 제2 이방성 상수의 비(the ratio of the second to first anisotropy constants (= K2/|K1,eff|))에 의하여 결정된다. In conclusion, we propose an STT-induced zero-field oscillation with an easy magnetization state. We have derived an analytical formula of the oscillation frequency and output power. The maximum oscillation frequency and the power are determined by the ratio of the second to first anisotropy constants (= K 2 / | K 1, eff |).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 넓은 파장 조절성(wide frequency tunnability)을 가진 제로-자기장 스핀 토크 발진기가 제안된다.According to one embodiment of the invention, a zero-magnetic spin torque oscillator with wide frequency tunnability is proposed.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 발진 소자는 차례로 적층된 수직 편광자(p-PL)/비자성층/ 코니컬리 자화된 자유층(c-FL)을 포함한다. 상기 자유 자성층의 자화의 세차 운동에 의하여 초고주파가 발생한다.Nano oscillation device according to an embodiment of the present invention includes a vertical polarizer (p-PL) / non-magnetic layer / conically magnetized free layer (c-FL) stacked in sequence. Ultra-high frequency is generated by the precession of the magnetization of the free magnetic layer.
강자성체에서는, 자기 이방성에 의해 그 자화방향이 면내 방향(in-plane direction), 면에 수직 방향(perpendicular-plane direction), 그리고 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향(cone 상태)으로 정렬하는 세 가지 상태가 존재한다. 자기 이방성 에너지 밀도(magnetic anisotropy energy density)를 나타내는 1차항(K1)과 2차항(K2)이 [수학식 11] 을 만족할 때, 아래 [수학식 2]와 같은 평형상태의 각도(θeq) 을 얻을 수 있다. 이는 자기 이방성 에너지 축이 면에 수직한 방향과 수평한 방향 사이의 특정 각도(θeq)를 유지한다는 것을 의미한다. 수학식 2를 참조하면, 이때 자기 이방성 에너지 축은 면에 수직방향인 z축으로부터 (θeq) 의 각도를 갖는 콘 상태(cone state)를 갖는다.In ferromagnetic materials, magnetic anisotropy causes the magnetization direction to be aligned in the in-plane direction, in the direction perpendicular to the plane, and in the direction of maintaining a specific angle from the plane perpendicular (cone state). There are three states. When the first term (K 1 ) and the second term (K 2 ) representing the magnetic anisotropy energy density satisfy Equation (11), the angle of equilibrium (θ eq as shown in Equation 2 below) Can be obtained. This means that the magnetic anisotropic energy axis maintains a certain angle θ eq between the direction perpendicular to the plane and the horizontal direction. Referring to Equation 2, the magnetic anisotropic energy axis has a cone state having an angle of (θ eq ) from the z axis perpendicular to the plane.
[수학식 11][Equation 11]
Figure PCTKR2017006879-appb-I000017
Figure PCTKR2017006879-appb-I000017
[수학식 11]에서, K1, K2, K1,eff, 그리고 Ms 는 각각 자기이방성 에너지 밀도의 1차항, 2차항, 1차항과 탈자장 에너지 밀도(demagnetization energy density)를 포함하는 유효 자기이방성 에너지 밀도(effective magnetic anisotropy energy density), 그리고 포화 자화값(Saturation Magnetization Value)을 의미한다. In Equation 11, K 1 , K 2 , K 1, eff , and M s are effective values including the first term, second term, first term and demagnetization energy density of the magnetic anisotropy energy density, respectively. Effective magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization value.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 발진 소자를 나타내는 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a nano oscillation device according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 나노 발진 소자(300)는 제1 고정 자성층(320); 상기 제1 고정 자성층(320) 상에 배치된 제2 고정 자성층(360); 상기 제1 고정 자성층(320)과 상기 제2 고정 자성층(360) 사이에 개재된 자유 자성층(340); 상기 제1 고정 자성층(320)과 상기 자유 자성층(340) 사이에 개재된 제1 비자성층(330); 및 상기 자유 자성층(340)과 상기 제2 고정 자성층(360) 사이에 개재된 제2 비자성층(350)을 포함한다. 상기 제1 고정 자성층(320)은 고정된 자화 방향을 가지고, 막면에 대하여 수직한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다. 상기 자유 자성층(340)은 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향으로 정렬하는 콘 상태(cone state)를 가진다. 상기 제2 고정 자성층(360)은 고정된 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 평행한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다.Referring to FIG. 7, the nano oscillation device 300 may include a first pinned magnetic layer 320; A second pinned magnetic layer 360 disposed on the first pinned magnetic layer 320; A free magnetic layer 340 interposed between the first pinned magnetic layer 320 and the second pinned magnetic layer 360; A first nonmagnetic layer 330 interposed between the first pinned magnetic layer 320 and the free magnetic layer 340; And a second nonmagnetic layer 350 interposed between the free magnetic layer 340 and the second pinned magnetic layer 360. The first pinned magnetic layer 320 is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface. The free magnetic layer 340 has a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction. The second pinned magnetic layer 360 is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
상기 하부 전극(310)은 상기 제1 고정 자성층(320)의 하부에 배치되고, Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금일 수 있다. 상기 하부 전극(310)은 Ta/Ru의 다층 구조일 수 있다.The lower electrode 310 may be disposed under the first pinned magnetic layer 320 and may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, or an alloy thereof. The lower electrode 310 may have a multilayer structure of Ta / Ru.
상기 제1 고정 자성층(320)은 상기 하부 전극(310) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 고정 자성층(320)은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 고정 자성층(320)은 CoFeB/NM(=Ru,Ta)/CoFe의 다층 구조 또는 Co/Pt의 멀티 스택 구조일 수 있다. 상기 제1 고정 자성층은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA)을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 고정 자성층(320)의 자화 방향은 배치 평면에서 수직할 수 있다.The first pinned magnetic layer 320 may be disposed on the lower electrode 310. The first pinned magnetic layer 320 may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The first pinned magnetic layer 320 may have a multilayer structure of CoFeB / NM (= Ru, Ta) / CoFe or a multi stack structure of Co / Pt. The first pinned magnetic layer may have a perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Accordingly, the magnetization direction of the first pinned magnetic layer 320 may be perpendicular to the placement plane.
상기 제1 비자성층(330)은 상기 제1 고정 자성층(320) 상에 수직으로 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 제1 비자성층(330)은 절연층 또는 비자성 금속층일 수 있다. 상기 제1 비자성층(330)이 절연층인 경우, 상기 제1 비자성층(330)은 AlOx, MgO, TaOx, 및 ZrOx 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 비자성층(330)은 MgO, MgAl2O4, 또는 Mg/MgO/Mg 구조일 수 있다. 상기 제1 비자성층이 절연체인 경우, 상기 제1 고정 자성층(320)/상기 제1 비자성층(330)/상기 자유 자성층(340)은 자기 터널 접합을 형성할 수 있다. The first nonmagnetic layer 330 may be vertically aligned on the first pinned magnetic layer 320. The first nonmagnetic layer 330 may be an insulating layer or a nonmagnetic metal layer. When the first nonmagnetic layer 330 is an insulating layer, the first nonmagnetic layer 330 may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx. The first nonmagnetic layer 330 may have a MgO, MgAl 2 O 4, or Mg / MgO / Mg structure. When the first nonmagnetic layer is an insulator, the first pinned magnetic layer 320 / the first nonmagnetic layer 330 / the free magnetic layer 340 may form a magnetic tunnel junction.
상기 제1 비자성층(330)이 비자성 금속층인 경우, 상기 제1 고정 자성층(320)/상기 제1 비자성층(330)/상기 자유 자성층(340)은 거대자기저항 효과를 제공할 수 있다. 상기 제1 비자성층(330)이 비자성 금속층인 경우, 상기 제1 비자성층은 Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금일 수 있다. When the first nonmagnetic layer 330 is a nonmagnetic metal layer, the first pinned magnetic layer 320 / the first nonmagnetic layer 330 / the free magnetic layer 340 may provide a giant magnetoresistive effect. When the first nonmagnetic layer 330 is a nonmagnetic metal layer, the first nonmagnetic layer may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, or an alloy thereof.
상기 자유 자성층(340)은 상기 제1 비자성층(330) 상에 수직으로 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 자유 자성층(340)은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 자유 자성층(340)은 CoFeB일 수 있다. 상기 자유 자성층(340)은 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향으로 정렬되는 콘 상태(cone state)를 가질 수 있다. 상기 자유 자성층(340)의 두께는 콘 상태를 위하여 0.8 nm 내지 1.2 nm일 수 있다.The free magnetic layer 340 may be vertically aligned on the first nonmagnetic layer 330. The free magnetic layer 340 may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The free magnetic layer 340 may be CoFeB. The free magnetic layer 340 may have a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from a plane vertical direction. The free magnetic layer 340 may have a thickness of 0.8 nm to 1.2 nm for the cone state.
상기 자유 자성층(340)의 자화는 z 축을 기준으로 세차 운동한다. 따라서, 상기 자유 자성층(340)의 자화의 수직 성분은 일정하다. 수직 자기 이방성을 가지고 면에 수직한 자화 방향을 가지는 상기 제1 고정 자성층(320)과 상기 자유 자성층(340)은 상대적으로 서로 자화 방향의 변화가 없어 터널 자기저항 특성 또는 거대자기저항 효과를 제공하지 않을 수 있다. The magnetization of the free magnetic layer 340 precesses with respect to the z axis. Therefore, the vertical component of the magnetization of the free magnetic layer 340 is constant. The first pinned magnetic layer 320 and the free magnetic layer 340 having a perpendicular magnetic anisotropy and a magnetization direction perpendicular to a plane have relatively no change in the magnetization direction, thereby providing a tunnel magnetoresistance characteristic or a giant magnetoresistance effect. You may not.
따라서, 터널 자기저항 특성 또는 거대자기저항 효과에 의하여, 상기 자유 자성층의 세차 운동의 효과를 검출하기 위하여, 별도의 자기 터널 접합 또는 거대자기저항 효과를 발생시키는 제2 비자성층(350) 및 제2 고정 자성층(360)이 배치될 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(360)은 면내에서 고정된 자화 방향을 가진다. 즉, 상기 제2 고정 자성층(360)은 막면에 대하여 평행한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진다. 이에 따라, 상기 자유 자성층(340)의 자화는 z 축을 기준으로 세차 운동함에 따라, 상기 자유 자성층의 자화의 수평 성분은 면 내에서 회전한다. 따라서, 상기 제2 고정 자성층(360)의 자화 방향과 상기 자유 자성층(340)의 수평 성분은 시간에 따라 상대적으로 서로 자화 방향의 변화에 기인하여 터널 자기저항 특성 또는 거대자기저항 효과를 제공한다.Accordingly, in order to detect the effect of precession of the free magnetic layer by the tunnel magnetoresistance characteristic or the giant magnetoresistance effect, the second nonmagnetic layer 350 and the second nonmagnetic layer 350 and the second magnetoresistive effect which generate a separate magnetoresistance effect The pinned magnetic layer 360 may be disposed. The second pinned magnetic layer 360 has a magnetization direction fixed in plane. That is, the second pinned magnetic layer 360 is made of a material that is magnetized in a direction parallel to the film surface. Accordingly, as the magnetization of the free magnetic layer 340 precesses with respect to the z axis, the horizontal component of the magnetization of the free magnetic layer rotates in plane. Accordingly, the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 360 and the horizontal component of the free magnetic layer 340 provide tunnel magnetoresistance characteristics or giant magnetoresistance effects due to changes in the magnetization directions relative to each other over time.
상기 제2 비자성층(350)은 상기 자유 자성층(340) 상에 수직으로 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 제2 비자성층(350)은 절연층 또는 비자성 금속층일 수 있다. 절연층인 경우, 제2 비자성층은 AlOx, MgO, TaOx, 및 ZrOx 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 비자성층(350)은 MgO, MgAl2O4, 또는 Mg/MgO/Mg 구조일 수 있다.The second nonmagnetic layer 350 may be vertically aligned on the free magnetic layer 340. The second nonmagnetic layer 350 may be an insulating layer or a nonmagnetic metal layer. In the case of the insulating layer, the second nonmagnetic layer may include at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx. The second nonmagnetic layer 350 may have a MgO, MgAl 2 O 4, or Mg / MgO / Mg structure.
상기 제2 비자성층(350)이 비자성 금속층인 경우, 상기 제2 비자성층(350)은 Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금일 수 있다. When the second nonmagnetic layer 350 is a nonmagnetic metal layer, the second nonmagnetic layer 350 may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, or an alloy thereof.
상기 제2 고정 자성층(360)은 상기 제2 비자성층(350) 상에 수직으로 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(360)은 박막 면 내에 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 고정 자성층(360)은 x축 방향으로 자화될 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(360)은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(360)은 CoFeB/비자성금속(=Ru,Ta)/CoFe의 다층 구조 또는 Co/Pt의 멀티 스택 구조일 수 있다. The second pinned magnetic layer 360 may be vertically aligned on the second nonmagnetic layer 350. The second pinned magnetic layer 360 may have a magnetization direction fixed in the thin film surface. For example, the second pinned magnetic layer 360 may be magnetized in the x-axis direction. The second pinned magnetic layer 360 may include at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The second pinned magnetic layer 360 may have a multilayer structure of CoFeB / nonmagnetic metal (= Ru, Ta) / CoFe or a multi stack structure of Co / Pt.
상기 상부 전극(370)은 상기 제2 고정 자성층(360) 상에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(370)은 Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금일 수 있다. 상기 상부 전극은 Ta/Ru의 다층 구조일 수 있다.The upper electrode 370 may be disposed on the second pinned magnetic layer 360. The upper electrode 370 may be Cu, Ta, Ru, Pt, W, Gd, Bi, Ir, and alloys thereof. The upper electrode may have a multilayer structure of Ta / Ru.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부 전극(310)/제1 고정자성층(320) /제1 비자성층(330) /자유 자성층(340) /제2 비자성층(350) /제2고정자성층(360) /상부전극(370)을 포함한다. 상기 자유 자성층(340)의 자화 세차운동은 면 수직 방향으로 흐르는 전류에 의해 유도된다. 여기서, 제1고정 자성층(320)의 자화방향은 +z 방향으로 정렬된다. 상기 하부 전극(310)으로부터 나온 전류는 제1 고정자성층(320)의 자화방향과 전류의 방향에 따라 상기 제1 고정 자성층(320)과 평행 또는 반평행한 방향으로 편향된 스핀성분을 가진다. According to an embodiment of the present invention, the lower electrode 310 / the first pinned magnetic layer 320 / the first nonmagnetic layer 330 / the free magnetic layer 340 / the second nonmagnetic layer 350 / the second pinned magnetic layer ( 360) / upper electrode 370. The magnetization precession of the free magnetic layer 340 is induced by the current flowing in the plane vertical direction. Here, the magnetization direction of the first pinned magnetic layer 320 is aligned in the + z direction. The current from the lower electrode 310 has a spin component biased in a direction parallel or antiparallel to the first pinned magnetic layer 320 according to the magnetization direction of the first pinned magnetic layer 320 and the direction of the current.
도선 또는 하부 전극(310)으로부터 나오는 전류가 +z 방향으로 흐르는 경우, 제1 고정자성층(320)을 통과한 전자는 +z 방향으로 편향된 스핀전류가 되고, 반대로 자유 자성층(340)에는 -z 방향으로 편향된 스핀전류가 생긴다. 상기 자유 자성층(340)에 흐르는 스핀 전류에 의해 상기 자유 자성층(340)의 자화는 스핀토크를 받고, 인가되는 전류에 의한 스핀전달토크의 세기와 스핀전달토크의 세기에 상응하는 유효 자기장의 크기에 따라 +z 축을 중심으로 서로 다른 진동수로 자화 세차운동을 한다. When the current from the conductive wire or the lower electrode 310 flows in the + z direction, electrons passing through the first pinned magnetic layer 320 become a spin current deflected in the + z direction, and conversely, the free magnetic layer 340 has a -z direction. The spin current is deflected by. The magnetization of the free magnetic layer 340 is subjected to spin torque by the spin current flowing through the free magnetic layer 340, and is applied to the magnitude of the effective magnetic field corresponding to the intensity of the spin transfer torque and the intensity of the spin transfer torque by the applied current. Therefore, the magnetizing precession is performed at different frequencies around the + z axis.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진 소자를 설명하는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 나노 발진 소자(500)는 제1 고정 자성층(520); 상기 제1 고정 자성층(320) 상에 배치된 제2 고정 자성층(560); 상기 제1 고정 자성층(520)과 상기 제2 고정 자성층(560) 사이에 개재된 자유 자성층(340); 상기 제1 고정 자성층(520)과 상기 자유 자성층(340) 사이에 개재된 제1 비자성층(330); 및 상기 자유 자성층(340)과 상기 제2 고정 자성층(560) 사이에 개재된 제2 비자성층(350)을 포함한다. 상기 제1 고정 자성층(520)은 고정된 자화 방향을 가지고, 막면에 대하여 수직한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다. 상기 자유 자성층(340)은 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향으로 정렬하는 콘 상태(cone state)를 가진다. 상기 제2 고정 자성층(560)은 고정된 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 평행한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다.Referring to FIG. 8, the nano oscillation device 500 may include a first pinned magnetic layer 520; A second pinned magnetic layer 560 disposed on the first pinned magnetic layer 320; A free magnetic layer 340 interposed between the first pinned magnetic layer 520 and the second pinned magnetic layer 560; A first nonmagnetic layer 330 interposed between the first pinned magnetic layer 520 and the free magnetic layer 340; And a second nonmagnetic layer 350 interposed between the free magnetic layer 340 and the second pinned magnetic layer 560. The first pinned magnetic layer 520 has a fixed magnetization direction and is a thin film made of a material that is magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface. The free magnetic layer 340 has a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction. The second pinned magnetic layer 560 is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
상기 제1 고정 자성층(520)은 차례로 적층된 하부 자성층(522); 비자성 금속층(524); 및 상부 자성층(526)으로 이루어진 반자성체구조일 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(560)은 차례로 적층된 하부 자성층(562); 비자성 금속층(564); 및 상부 자성층(566)으로 이루어진 반자성체구조일 수 있다. 상기 하부 자성층(522,562) 및 상기 상부 자성층(526,566)은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 비자성 금속층(524,564)은 Ru, Cu 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 고정 자성층의 하부 자성층(522) 및 상부 자성층(526)은 수직 자기 이방성을 가지고 면내 수직한 고정된 자화 방향을 가질 수 있다. 한편, 제2 고정 자성층의 하부 자성층(562) 및 상부 자성층(566)은 면내에 평행한 고정된 자화 방향을 가질 수 있다.The first pinned magnetic layer 520 may include a lower magnetic layer 522 sequentially stacked; Nonmagnetic metal layer 524; And an upper magnetic layer structure formed of the upper magnetic layer 526. The second pinned magnetic layer 560 may include a lower magnetic layer 562 stacked in sequence; Nonmagnetic metal layer 564; And an upper magnetic layer structure formed of the upper magnetic layer 566. The lower magnetic layers 522 and 562 and the upper magnetic layers 526 and 566 may be formed of a material including at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The nonmagnetic metal layers 524 and 564 may be made of a material including at least one of Ru, Cu, and an alloy thereof. The lower magnetic layer 522 and the upper magnetic layer 526 of the first pinned magnetic layer may have perpendicular magnetic anisotropy and have a fixed magnetization direction perpendicular to the plane. Meanwhile, the lower magnetic layer 562 and the upper magnetic layer 566 of the second pinned magnetic layer may have a fixed magnetization direction parallel to the plane.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진 소자를 설명하는 단면도이다.9 is a cross-sectional view illustrating an oscillation element according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 나노 발진 소자(500a)는 제1 고정 자성층(520a); 상기 제1 고정 자성층(520a) 상에 배치된 제2 고정 자성층(560a); 상기 제1 고정 자성층(520a)과 상기 제2 고정 자성층(560a) 사이에 개재된 자유 자성층(340); 상기 제1 고정 자성층(520a)과 상기 자유 자성층(340) 사이에 개재된 제1 비자성층(330); 및 상기 자유 자성층(340)과 상기 제2 고정 자성층(560a) 사이에 개재된 제2 비자성층(350)을 포함한다. 상기 제1 고정 자성층(520a)은 고정된 자화 방향을 가지고, 막면에 대하여 수직한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다. 상기 자유 자성층(340)은 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향으로 정렬하는 콘 상태(cone state)를 가진다. 상기 제2 고정 자성층(560a)은 고정된 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 평행한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이다.Referring to FIG. 9, the nano oscillation device 500a may include a first pinned magnetic layer 520a; A second pinned magnetic layer 560a disposed on the first pinned magnetic layer 520a; A free magnetic layer 340 interposed between the first pinned magnetic layer 520a and the second pinned magnetic layer 560a; A first nonmagnetic layer 330 interposed between the first pinned magnetic layer 520a and the free magnetic layer 340; And a second nonmagnetic layer 350 interposed between the free magnetic layer 340 and the second pinned magnetic layer 560a. The first pinned magnetic layer 520a is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface. The free magnetic layer 340 has a cone state aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction. The second pinned magnetic layer 560a has a fixed magnetization direction and is a thin film made of a material that is magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
상기 제1 고정 자성층(520a)은 차례로 적층된 반강자성층(521); 하부 자성층(522); 비자성 금속층(522); 및 상부 자성층(526)으로 이루어진 교환 바이어스된 반자성체구조일 수 있다. 상기 제2 고정 자성층(560a)은 차례로 적층된 하부 자성층(562); 비자성 금속층(564); 상부 자성층(566), 및 반강자성층(567)으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체구조일 수 있다. 상기 반강자성층(521,567)은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 합금 중에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 하부 자성층(522,562) 및 상부 자성층(526,566) 각각은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 비자성층 금속층(524,564)은 Ru, Cu 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.The first pinned magnetic layer 520a may include an antiferromagnetic layer 521 sequentially stacked; Lower magnetic layer 522; Nonmagnetic metal layer 522; And an exchange biased diamagnetic body structure composed of the upper magnetic layer 526. The second pinned magnetic layer 560a may include a lower magnetic layer 562 stacked in this order; Nonmagnetic metal layer 564; It may be an exchange-biased diamagnetic body structure consisting of an upper magnetic layer 566 and an antiferromagnetic layer 567. The antiferromagnetic layers 521 and 567 may be made of a material selected from Ir, Pt, Mn, and alloys thereof. Each of the lower magnetic layers 522 and 562 and the upper magnetic layers 526 and 566 may be formed of a material including at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof. The nonmagnetic metal layers 524 and 564 may be formed of a material including at least one of Ru, Cu, and an alloy thereof.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.In the present invention as described above has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is only provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments. For those skilled in the art, various modifications and variations are possible from these descriptions.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the scope of the claims as well as the claims to be described later belong to the scope of the present invention.

Claims (9)

  1. 제1 고정 자성층; A first pinned magnetic layer;
    상기 제1 고정 자성층 상에 배치된 제2 고정 자성층;A second pinned magnetic layer disposed on the first pinned magnetic layer;
    상기 제1 고정 자성층과 상기 제2 고정 자성층 사이에 개재된 자유 자성층; A free magnetic layer interposed between the first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer;
    상기 제1 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 제1 비자성층; 및A first nonmagnetic layer interposed between the first pinned magnetic layer and the free magnetic layer; And
    상기 자유 자성층과 상기 제2 고정 자성층 사이에 개재된 제2 비자성층을 포함하고,A second nonmagnetic layer interposed between the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer,
    상기 제1 고정 자성층은 고정된 자화 방향을 가지고, 막면에 대하여 수직한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막이며,The first pinned magnetic layer is a thin film made of a material having a fixed magnetization direction and magnetized in a direction perpendicular to the membrane surface,
    상기 자유 자성층은, 면수직 방향으로 전류가 흐르지 않은 경우, 면 수직 방향으로부터 특정각도를 유지하는 방향으로 정렬하는 콘 상태(cone state)를 가지고,The free magnetic layer has a cone state that is aligned in a direction maintaining a specific angle from the plane vertical direction when no current flows in the plane vertical direction.
    상기 제2 고정 자성층은 고정된 자화 방향을 갖고, 막면에 대하여 평행한 방향으로 자화되는 물질로 이루어진 박막인 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.And the second pinned magnetic layer has a fixed magnetization direction and is a thin film made of a material magnetized in a direction parallel to the membrane surface.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 자유 자성층은The free magnetic layer is
    (
    Figure PCTKR2017006879-appb-I000018
    )을 만족하고,
    (
    Figure PCTKR2017006879-appb-I000018
    ),
    K1, K2, K1,eff, 그리고 Ms 는 각각 자기이방성 에너지 밀도의 1차항, 2차항, 1차항과 탈자장 에너지 밀도(demagnetization energy density)를 포함하는 유효 자기이방성 에너지 밀도(effective magnetic anisotropy energy density), 그리고 포화 자화값(Saturation Magnetization Value)을 의미하고,K 1 , K 2 , K 1, eff , and M s are the effective magnetic anisotropy, including the first term, second term, first term and demagnetization energy density of the magnetic anisotropy energy density, respectively. anisotropy energy density, and saturation magnetization value,
    면수직 방향으로 구동 전류가 흐르는 경우, 상기 구동 전류가 두 개의 문턱 전류들 사이에 있는 경우에만 발진하는 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.When the driving current flows in the surface vertical direction, the oscillation device is characterized in that the oscillation only when the drive current is between the two threshold currents.
  3. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 고정 자성층은 차례로 적층된 자성층, 비자성층, 및 제2 보조 자성층으로 이루어진 반자성체구조이고,The first pinned magnetic layer is a semi-magnetic structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second auxiliary magnetic layer stacked in sequence,
    상기 제2 고정 자성층은 차례로 적층된 자성층, 비자성층, 및 자성층으로 이루어진 반자성체구조이고,The second pinned magnetic layer is a semi-magnetic structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetic layer laminated in sequence,
    상기 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어지며,The magnetic layer is made of a material containing at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and their alloys,
    상기 비자성층은 Ru, Cu 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The nonmagnetic layer is a nano oscillation device, characterized in that made of a material containing at least one of Ru, Cu and alloys thereof.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 고정 자성층은 차례로 적층된 반강자성층, 자성층, 비자성층, 및 자성층으로 이루어진 교환 바이어스된 반자성체구조이고,The first pinned magnetic layer is an exchange-biased diamagnetic body structure consisting of an antiferromagnetic layer, a magnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetic layer, which are sequentially stacked,
    상기 제2 고정 자성층은 차례로 적층된 자성층, 비자성층, 자성층, 및 반강자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체구조이고,The second pinned magnetic layer is an exchange-biased diamagnetic body structure consisting of a magnetic layer, a nonmagnetic layer, a magnetic layer, and an antiferromagnetic layer, which are sequentially stacked.
    상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 합금 중에서 선택되는 물질로 이루어지고,The antiferromagnetic layer is made of a material selected from Ir, Pt, Mn, and alloys thereof,
    상기 자성층 및 자성층 각각은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하고,Each of the magnetic layer and the magnetic layer includes at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, and alloys thereof,
    상기 비자성층은 Ru, Cu 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The nonmagnetic layer is a nano oscillation device comprising at least one of Ru, Cu and alloys thereof.
  5. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 자유 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The free magnetic layer is a nano oscillation device comprising at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and alloys thereof.
  6. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 비자성층 및 상기 제2 비자성층은 절연층이고,The first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer are insulating layers,
    상기 절연층은 AlOx, MgO, TaOx, 및 ZrOx 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The insulating layer is a nano oscillation device comprising at least one of AlOx, MgO, TaOx, and ZrOx.
  7. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 비자성층 및 상기 제2 비자성층은 금속층이고,The first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer are metal layers,
    상기 금속층은 Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The metal layer is a nano oscillation device comprising at least one of Cu, Ta, Pt, W, Gd, Bi, Ir and alloys thereof.
  8. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr 및 이들의 합금 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The first pinned magnetic layer and the second pinned magnetic layer is at least one of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr and alloys thereof.
  9. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 자유 자성층은 CoFeB이고, The free magnetic layer is CoFeB,
    상기 자유 자성층의 두께는 0.8nm 내지 1.2nm인 것을 특징으로 하는 나노 발진 소자.The thickness of the free magnetic layer is a nano oscillation device, characterized in that 0.8nm to 1.2nm.
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