WO2020141848A1 - 스핀 궤도 토크를 이용하는 신경망 소자의 동작 방법 - Google Patents

스핀 궤도 토크를 이용하는 신경망 소자의 동작 방법 Download PDF

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WO2020141848A1
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홍진표
양승모
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Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a neural network element, and more particularly, to a method of operating a neural network element using a Hall voltage that increases or decreases step by step according to the movement of a magnetic domain wall using spin orbital torque.
  • a device that performs learning and computation functions similar to the human brain is required.
  • hardware that acts as neurons and synapses is required, which is referred to as a neural network element.
  • the neural network element needs to perform an operation similar to the biological snap operation according to the applied stimulus.
  • Synapses are connected between neurons, and spike signals between neurons are transmitted through synapses.
  • the intensity of the synapse may be changed according to the number of repetitions of signals of the same type transmitted to a neuron or the weight of information transmitted.
  • the memristor element whose resistance changes according to the applied stimulus or current realizes the above-described operation. That is, as the number of repetitions of the stimulus is increased in the device, the resistance of the memristor device is continuously lowered or continuously increased. This allows synapse behavior to be implemented.
  • the memristor element whose resistance is changed according to the applied stimulus must apply a voltage or current to sense the resistance, and senses a change in current or a change in output voltage according to the applied voltage. Therefore, the variation of the output voltage or current is determined according to the change in resistance, and it is necessary to perform a reset operation using a high reverse voltage. The reset operation returns to the state before the change of resistance, and induces the disappearance or formation of the conductive filament in the resistance change layer constituting the memristor.
  • the resistive change layer is composed of a bicomponent oxide or chalcogenide material having a non-stoichiometric composition. They use a model of generation and dissipation of conductive filaments, and the resistance state is changed according to the number or density of conductive filaments.
  • the conductive filament needs to be applied with a long reverse bias for a reset or forming operation, and stability of operation may be problematic after a reset or forming operation. That is, the resistance state may fluctuate according to repeated use, thereby harming stable operation.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of operating a neural network device that implements the operation of a neural network device by changing the hall voltage according to the number of pulse currents applied using the abnormal Hall effect.
  • the present invention for achieving the above-described technical problem is, in a method of operating a neural network element having a hole pattern portion having a cross-shaped shape on a substrate and a wiring portion electrically connected to the hole pattern portion, the pulse current in the hole pattern portion Applying, and applying an external magnetic field in the pulse current direction; And gradually increasing the Hall voltage by inducing magnetization reversal and movement of the magnetic domain wall using the spin current orbital torque in the ferromagnetic layer of the hole pattern portion by the pulse current and an external magnetic field. to provide.
  • the hole pattern portion of the present invention has a cross shape, and has a current input terminal and a current output terminal facing each other around the crossing area.
  • the magnetic domain wall having vertical magnetic anisotropy expands toward the crossing area.
  • the movement of the magnetic domain wall is performed by reversing magnetization, and the spin current is deflected in the ferromagnetic layer having vertical magnetic anisotropy, and the hall voltage at the hole voltage output terminal arranged perpendicularly to the rod shape defined by the current input terminal and the current output terminal It is formed.
  • the movement of the magnetic domain wall due to the reversal of the magnetization generated at the region of the crossing region causes the hole voltage to rise.
  • the pulse current needs to be applied repeatedly. Through this, the magnetic domain wall moves in the crossing region, and the region having vertical magnetic anisotropy is enlarged. Therefore, the magnitude of the hall voltage due to the applied pulse current also increases.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a neural network device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of the neural network element of FIG. 1 taken along line AA' to explain the operation of the neural network element of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the neural network element of FIG. 1 taken along the line BB' to explain the movement of the magnetic domain wall according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an image showing a neural network device according to a manufacturing example of the present invention.
  • FIG. 5 is an image showing the movement of the magnetic domain wall of the neural network device of FIG. 4 according to the manufacturing example of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the Hall voltage of the neural network device disclosed in FIG. 4 according to the manufacturing example of the present invention.
  • FIG. 7 is an image continuously photographing the movement of the magnetic domain wall when applying a pulse voltage to the neural network device of FIG. 4 according to the manufacturing example of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph measuring hole resistance according to the movement of the magnetic domain wall of FIG. 7 according to the manufacturing example of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a neural network device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the neural network element of the present embodiment has a hole pattern part 200 and a wiring part 300.
  • the hole pattern portion 200 has a cross-shaped shape formed on the substrate 100, and the wiring portion 300 is electrically connected to the hole pattern portion 200.
  • the hole pattern portion 200 has a non-magnetic metal layer 201, a ferromagnetic layer 202 and a tunnel barrier layer 203 on the substrate 100.
  • a capping layer (not shown) is formed on the tunnel barrier layer 203 according to the embodiment.
  • the non-magnetic metal layer 201 has Ta, Hf, W, Nb or alloys thereof.
  • the ferromagnetic layer 202 has Co, Fe, Ni, Mn, or one or more alloys thereof, and preferably includes CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt, or FePd.
  • As the tunnel barrier layer 203 an oxide of MgOx or AlOx is used.
  • the ferromagnetic layer 202 formed on the non-magnetic metal layer 201 has vertical magnetic anisotropy.
  • the ferromagnetic layer 202 preferably has a thickness of 0.5nm to 2.0nm.
  • the thickness of the ferromagnetic layer 202 is less than 0.5 nm, the ferromagnetic layer 202 is not formed with a uniform film quality, and a problem occurs in the form of an island on the non-magnetic metal layer 201.
  • the thickness of the ferromagnetic layer 202 exceeds 2.0 nm, vertical magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer 202 cannot be secured.
  • spin orbital bonding occurs in the nonmagnetic metal layer 201.
  • Spin electrons having the same spin are aggregated in a specific direction by spin orbital bonding.
  • rotational force is applied to the magnetization of the ferromagnetic material. This is called spin orbital torque. That is, in the ferromagnetic layer 202, a phenomenon occurs in which magnetization is aligned in a specific direction under the influence of a direction in which a current is applied by spin trajectory torque.
  • the hole pattern unit 200 has a cross-shaped structure, and has a current input terminal 210, a current output terminal 220, and a hall voltage output terminal 230, 240.
  • the current input terminal 210 faces the current output terminal 220 and is a terminal to which a pulse current or pulse voltage is applied.
  • the applied pulse current or pulse voltage flows toward the current output terminal 220, and the movement of the magnetic domain wall may start at the current input terminal 210 and end at the current output terminal 220.
  • the hole voltage tends to increase or decrease according to the movement phenomenon of the magnetic domain wall.
  • the wiring unit 300 is composed of an input current wiring 310, an output current wiring 320 and hole voltage wirings 330 and 340.
  • the input current wiring 310 is connected to the current input terminal 210 of the hole pattern unit 200
  • the output current wiring 320 is connected to the current output terminal 220.
  • the hall voltage wirings 330 and 340 are connected to the hall voltage output terminals 230 and 240.
  • the wiring part 300 may be in a form in which the non-magnetic metal layer 201 of the hole pattern part 200 is physically stretched, and may be formed of a separate metal layer electrically connected to the ferromagnetic layer 202.
  • the pulse current from the input current wiring 310 is applied to the current input terminal 210, and the pulse current passes through the current output terminal 220 and is discharged to the outside through the output current wiring 320.
  • An abnormal Hall effect is generated in the hole pattern unit 200 through the flow of the pulse current, and a Hall voltage is generated between two terminals constituting the Hall voltage wirings 330 and 340 by the abnormal Hall effect.
  • FIG. 2 is a schematic view of the neural network element of FIG. 1 taken along line AA' to explain the operation of the neural network element of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • pulse current is applied through the input current wiring 310.
  • the applied pulse current is discharged through the output current wire 320.
  • Spin orbital bonding occurs in the non-magnetic metal layer 201 by the pulse current.
  • the magnetization torque is generated in the ferromagnetic layer 202 by the spin orbital coupling, which causes the spin orbital torque.
  • the magnetic domain wall of the ferromagnetic layer 202 moves toward the current output terminal 320 by the spin orbital torque.
  • the movement of the magnetic domain wall may not be smooth with only the pulse current applied.
  • an external magnetic field parallel to the surface of the ferromagnetic layer 202 and perpendicular to the virtual line of the current output terminal 220 from the current input terminal 210 is applied.
  • the movement of the magnetic domain wall in the ferromagnetic layer 202 is enhanced by the application of an external magnetic field.
  • the movement of the magnetic domain wall is generated only between the current input terminal 210 and the current output terminal 220 in the cross-shaped hole pattern portion. That is, the magnetic domain wall does not move toward the hole voltage output terminal. This is due to the applied pulse current or pulse voltage flowing between the current input terminal 210 and the current output terminal 220. That is, the area in which the spin orbital torque is generated by the pulse current flowing through the non-magnetic metal layer 201 and the ferromagnetic layer 202 is an area occupied by the current input terminal 210 and the current output terminal 220 in the form of a bar, in particular, crossing
  • the movement of the magnetic domain wall according to the reversal of magnetization occurring in the region 205 has a great influence on the change in the hole voltage.
  • the abnormal Hall effect is intensified by the movement of the magnetic domain wall, which is strengthened by the application of an external magnetic field, and the Hall voltage is increased.
  • the magnetization in a specific direction within the ferromagnetic layer 202 serves as an external magnetic field. Electrons flowing through the input current wiring 310 or the output current wiring 320 are formed in the same ratio of up spin and down spin, but when flowing in the ferromagnetic layer 202, the up spin and down spin are ferromagnetic layer 202. ), and accordingly, electrons having an up spin and electrons having a down spin are biased to a hole voltage output terminal corresponding to a side surface in a cross-shaped hole pattern portion.
  • the spin electrons moving between the current input terminal 210 and the current output terminal 220 of the hole pattern part collide with an impurity (a substance having a spin orbital bond) that is a ferromagnetic substance, scattering occurs and electrons The direction of scattering varies depending on the spin direction. If the ferromagnetic layer 202 does not have perpendicular magnetic anisotropy and has a random magnetic moment, the scattering of spin electrons is also generated randomly and no Hall voltage is generated.
  • an impurity a substance having a spin orbital bond
  • the ferromagnetic layer 202 has vertical magnetic anisotropy through the movement of the magnetic domain wall, since the impurity itself is a ferromagnetic material, the degree of scattering due to spin of electrons varies due to spin dependent scattering and the hole voltage The amount of electrons moving to the output stage changes and generates a Hall voltage. Through this, an abnormal hall effect can be obtained.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the neural network element of FIG. 1 taken along the line BB' to explain the movement of the magnetic domain wall according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 conceptual diagrams show a state when a current output terminal is viewed from a current input terminal.
  • the ferromagnetic layer 202 has vertical magnetic anisotropy toward the tunnel barrier layer 203.
  • the magnetic moment of the ferromagnetic layer 202 is switched in the horizontal direction by the influence of spin orbital torque.
  • spin orbital torque due to the original limitations of the spin orbital torque, there is no factor for reversing the upward magnetization to the downward magnetic moment. Therefore, when the pulse is removed from the pulse current, the magnetization in a state lying horizontally in the current direction appears in the form of a mixture of upward and downward magnetic moments. That is, when an external magnetic field is not applied, movement of the magnetic domain wall does not occur, and when no current is supplied, random vertical magnetic anisotropy is exhibited.
  • the ferromagnetic layer 202 has a magnetic moment in the upward direction, and the magnetization of the ferromagnetic layer 202 is switched in the horizontal direction by spin trajectory torque in a state in which the current is directed toward the ground, thereby exhibiting horizontal magnetic anisotropy.
  • torque of B (magnetic field) ⁇ M (magnetic moment) is generated, and a switching operation is performed to convert the horizontal magnetic moment in the downward direction. This leads to the reversal of magnetization.
  • Neural network elements are fabricated.
  • the fabricated neural network element has a hole pattern portion and a wiring portion through a patterning process.
  • FIG. 4 is an image showing a neural network device according to a manufacturing example of the present invention.
  • the hole pattern portion has a cross shape.
  • the distance between the ends of the current input terminal and the current output terminal is 110 um, and the width is 10 um. Further, the width of the wiring portion is set to 20 um.
  • SiO2 is used as the lower substrate, and W is used as the non-magnetic metal layer.
  • the thickness of the nonmagnetic metal layer is 2 nm.
  • the ferromagnetic layer formed on the nonmagnetic metal layer has a material of CoFeB and has a thickness of 1.5 nm.
  • the tunnel barrier layer formed on the ferromagnetic layer is made of MgO and has a thickness of 1.2 nm.
  • the wiring portion is composed of W.
  • the pulse current between the input current wiring and the output current wiring of the wiring unit can be applied at a level of about 7mA, and the time for supplying one pulse is 0.5sec to 1.5sec.
  • an external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the current direction.
  • the external magnetic field may be applied in various sizes.
  • FIG. 5 is an image showing the movement of the magnetic domain wall of the neural network device of FIG. 4 according to the manufacturing example of the present invention.
  • a region indicated by a dotted line represents a hole pattern portion, and a dark portion therein represents a magnetization region with magnetic moments facing the surface.
  • FIG. 6 is a graph showing the Hall voltage of the neural network device disclosed in FIG. 4 according to the manufacturing example of the present invention.
  • the time at which one pulse current is applied is 100 msec, and the time interval between pulses is 500 msec.
  • the magnitude of the applied pulse current is 6.8mA to 7mA, and the applied external magnetic field is 70 Oe.
  • the Hall voltage When the magnitude of the pulse current is 6.8 mA, the hall voltage is not generated even if the number of pulse currents is increased. In addition, as it increases to 7mA, the Hall voltage increases rapidly as the number of pulses increases. In general, as the magnitude of the pulse current increases, a high Hall voltage is formed, and as the number of pulse currents increases, the Hall voltage tends to gradually increase.
  • FIG. 7 is an image continuously photographing the movement of the magnetic domain wall when applying a pulse voltage to the neural network device of FIG. 4 according to the manufacturing example of the present invention.
  • a driving voltage having a pulse train shape is applied. That is, the driving voltage is applied from the input current wiring to the output current wiring.
  • the applied driving voltage is applied for 50 ms with a peak value of 12 V.
  • the image is taken through a magneto-optical kerr effect (MOKE) microscope.
  • MOKE magneto-optical kerr effect
  • the external magnetic field is applied at 450 gauss, and in FIG. 4, it is directed from V- to V+.
  • the dark color in the image indicates that the magnetic moment is directed from the inside of the ground to the outside by the movement of the magnetic domain wall of the hole pattern portion. It can be seen that when the number of times the pulse voltage is applied increases, the magnetic domain wall of the hole pattern portion moves linearly to the right.
  • a pulse in the reverse direction is applied.
  • the pulse in the reverse direction has exactly the same shape as the pulse in the forward direction. That is, it has a peak value of -12 V and is applied for 50 ms. As the number of pulses increases, the magnetic domain wall proceeds toward the input current wiring as opposed to when a pulse in the forward direction is applied.
  • FIG. 8 is a graph measuring hole resistance according to the movement of the magnetic domain wall of FIG. 7 according to the manufacturing example of the present invention.
  • the portion indicated by LPT shows the hole resistance when a pulse in the forward direction is applied
  • the portion indicated by LTD shows the hole resistance when a pulse in the reverse direction is applied.
  • the resistance is measured based on the V+ terminal, and a negative resistance is converted into an absolute value to describe the resistance.
  • the hole resistance is a conversion value divided by the peak value of the pulse current converted by the pulse voltage applied to the peak value of the measured hole voltage.
  • the hole resistance decreases linearly.
  • the hole resistance increases linearly as the number of pulses in the reverse direction increases. That is, when the pulse voltage is applied, it can be seen that the Hall element of the present invention exhibits extreme linearity and reciprocal operation with each other.
  • the magnetic moment parallel to the direction of application of the current in the ferromagnetic layer is induced by the spin orbital torque.
  • the magnetization inversion in the ferromagnetic layer is induced due to the torque caused by the external magnetic field. Since the applied current has the form of a pulse, the magnetic domain wall of the ferromagnetic layer moves according to the application of the pulse.
  • the hole pattern portion of the present invention has a cross shape, and has a current input terminal and a current output terminal facing each other around the crossing region.
  • the magnetic domain wall having vertical magnetic anisotropy expands toward the crossing area.
  • the movement of the magnetic domain wall is performed by reversing magnetization, and the spin current is deflected in the ferromagnetic layer having vertical magnetic anisotropy, and the hall voltage at the hole voltage output terminal arranged perpendicularly to the rod shape defined by the current input terminal and the current output terminal. It is formed.
  • the movement of the magnetic domain wall due to the reversal of the magnetization generated at the region of the crossing region causes the hole voltage to rise.
  • the pulse current needs to be applied repeatedly. Through this, the magnetic domain wall moves in the crossing region, and the region having vertical magnetic anisotropy is enlarged. Therefore, the magnitude of the hall voltage due to the applied pulse current also increases.

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Abstract

홀 전압을 이용하는 신경망 소자의 동작 방법이 개시된다. 신경망 소자는 홀 패턴부를 가지며, 홀 패턴부는 십자형의 형상을 가진다. 펄스 전류가 인가되면, 스핀 궤도 토크에 의해 강자성층에서는 수평자기이방성이 형성되고, 펄스 전류와 수직한 방향의 외부 자계가 인가되면 추가적인 토크에 의해 자화의 반전이 일어난다. 자화의 반전에 의해 자구벽의 이동이 수행되며, 이를 통해 인가되는 스핀 전자는 산란되고, 이상 홀 효과에 따른 홀 전압이 발생된다. 발생되는 홀 전압은 펄스 전류 또는 펄스 전압의 인가 횟수에 따라 증가된다.

Description

스핀 궤도 토크를 이용하는 신경망 소자의 동작 방법
본 발명은 신경망 소자의 동작 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 스핀 궤도 토크를 이용한 자구벽의 이동에 따라 단계별로 증가 또는 감소하는 홀 전압을 이용하는 신경망 소자의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 딥 러닝(Deep Learning)의 출현 이후에 인공 신경망(Artificial Neural Network)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 인공 신경망의 효과적인 구축을 위해서는 인간의 뇌와 유사하게 학습 및 연산 기능을 수행하는 소자가 요구된다. 인간의 학습능력을 모사하기 위해서는 뉴런 및 시냅스의 역할을 하는 하드웨어가 필요하며, 이를 신경망 소자라 지칭한다.
신경망 소자는 인가되는 자극에 따라 생물학적 스냅스 동작과 유사한 동작을 수행할 필요가 있다. 뉴런들 사이는 시냅스가 연결되고, 뉴런 간의 스파이크 신호는 시냅스를 통해 전달된다. 시냅스의 강도는 뉴런에 전달하는 동종의 신호의 반복 횟수 또는 전달되는 정보의 가중치에 따라 변경될 수 있다.
통상적인 신경망 소자의 경우, 인가되는 자극 또는 전류에 따라 저항이 변하는 멤리스터 소자가 상술한 동작을 실현한다. 즉, 소자에 자극의 반복횟수가 증가될수록 멤리스터 소자의 저항은 지속적으로 낮아지거나, 지속적으로 증가한다. 이를 통해 시냅스 동작을 구현할 수 있다.
다만, 인가되는 자극에 따라 저항이 변경되는 멤리스터 소자는 저항을 감지하기 위해 전압 또는 전류를 인가해야 하며, 인가되는 전압에 따른 전류의 변동 또는 출력 전압의 변동을 감지한다. 따라서, 저항의 변화에 따라 출력 전압 또는 전류의 변동폭은 결정되며, 높은 역방향 전압을 이용하여 리셋동작이 수행될 필요도 있다. 리셋 동작은 저항의 변화 이전 상태로 회귀시키는 것으로 멤리스터를 구성하는 저항 변화층에서 전도성 필라멘트의 소멸 또는 형성을 유도한다.
저항 변화층은 비화학양론적 구성을 가지는 이성분계 산화물 또는 칼코게나이드 물질로 구성된다. 이들은 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이라는 모델을 사용하며, 전도성 필라멘트의 수 또는 밀도에 따라 저항 상태가 변경되는 특징이 있다. 또한, 전도성 필라멘트는 리셋 또는 포밍 동작을 위해 장시간의 역 바이어스가 인가될 필요가 있으며, 리셋 또는 포밍 동작 후에 동작의 안정성이 문제될 수 있다. 즉, 반복된 사용에 따라 저항 상태는 변동되어 안정적인 동작을 해칠 수 있다.
따라서, 저항 상태의 변경을 이용하지 않고, 안정적인 시냅스 동작을 수행할 수 있는 신경망 소자 및 이의 동작 방법의 개발은 여전히 요청된다 할 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상 홀 효과를 이용하여 펄스 전류의 인가횟수에 따라 홀 전압이 변경되고, 이를 통해 신경망 소자의 동작을 구현하는 신경망 소자의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 십자형의 형상을 가진 홀 패턴부와 상기 홀 패턴부에 전기적으로 연결된 배선부를 가지는 신경망 소자의 동작 방법에 있어서, 상기 홀 패턴부에 펄스 전류를 인가하고, 상기 펄스 전류 방향의 외부 자기장을 인가하는 단계; 및 상기 펄스 전류 및 외부 자기장에 의해 상기 홀 패턴부의 강자성층에서의 스핀 궤도 토크를 이용하여 자화 반전 및 자구벽의 이동을 유도하여 홀 전압을 점진적으로 증가시키는 단계를 포함하는 신경망 소자의 동작 방법을 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 펄스 전류가 인가되면, 스핀 궤도 토크에 의해 강자성층에서 전류의 인가방향과 평행한 자기 모멘트가 유도된다. 또한, 외부 자계가 전류의 인가방향과 수직한 방향으로 인가되면, 외부 자기장에 의한 토크로 인해 강자성층에서의 자화 반전이 유도된다. 인가되는 전류가 펄스의 형태를 가지므로 펄스의 인가에 따라 강자성층의 자구벽은 이동된다. 본 발명의 홀 패턴부는 십자형의 형태를 가지고, 교차 영역을 중심으로 서로 대향하는 전류 입력단과 전류 출력단을 가진다. 전류 입력단을 통해 펄스 전류가 인가되면, 수직자기이방성을 가지는 자구벽은 교차 영역을 향해 확대된다. 상기 자구벽의 이동은 자화의 반전에 의해 이루어지며, 수직자기이방성을 가지는 강자성층에서 스핀 전류는 편향되고, 전류 입력단과 전류 출력단에 의해 정의되는 막대 형태와 수직으로 배치되는 홀 전압 출력단에서 홀 전압이 형성된다.
특히, 교차 영역 부위에서 발생되는 자화의 반전에 따른 자구벽의 이동은 홀 전압의 상승을 일으킨다. 자구벽이 이동하기 위해 펄스 전류는 반복적으로 인가될 필요가 있다. 이를 통해 교차 영역에서 자구벽은 이동하고, 수직자기이방성을 가지는 영역은 확대된다. 따라서, 인가되는 펄스 전류에 의한 홀 전압의 크기도 증가한다.
다만, 수직자기이방성을 가지는 영역을 정의하는 자구벽이 전류 출력단에 근접하고, 교차 영역의 모든 영역을 차지하는 경우, 자구벽이 이동하더라도 홀 전압의 추가적인 상승이 발생되지 않고 포화된다. 이는 펄스 전류가 인가될 때, 스핀 전류가 이미 형성된 수직자기이방성에 의해 충분히 편향되고, 전류 출력단에 근접하는 자구벽의 이동은 홀 전압의 변화에 큰 영향을 미치지 않기 때문이다.
따라서, 인가되는 펄스 전류와 평행한 외부 자기장이 인가되면, 자구벽의 이동이 발생되고, 자구벽의 이동에 의해 홀 전압은 점진적으로 변경된다. 이는 입력 전류라는 자극에 대해 학습효과를 가지는 신경망 소자의 동작을 구현하는 것이며, 이를 통해 신경망 소자의 구현이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경망 소자를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 도 1의 신경망 소자의 동작을 설명하기 위해 상기 도 1의 신경망 소자를 AA' 라인을 따라 절단한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 자구벽의 이동 현상을 설명하기 위해 상기 도 1의 신경망 소자를 BB' 라인을 따라 절단한 개념도들이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따른 신경망 소자를 나타내는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4의 신경망 소자의 자구벽의 이동을 나타내는 이미지이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4에 개시된 신경망 소자의 홀 전압을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4의 신경망 소자에 펄스 전압을 인가할 때의 자구벽의 이동을 연속적을 촬영한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 7의 자구벽의 이동에 따른 홀 저항을 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경망 소자를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 신경망 소자는 홀 패턴부(200) 및 배선부(300)를 가진다. 홀 패턴부(200)는 기판(100) 상에 형성된 십자형의 형상을 가지고, 배선부(300)는 상기 홀 패턴부(200)에 전기적으로 연결된다.
상기 홀 패턴부(200)는 기판(100) 상에 비자성 금속층(201), 강자성층(202) 및 터널 베리어층(203)을 가진다. 또한, 실시의 형태에 따라 터널 베리어층(203) 상부에는 캡핑층(미도시)이 형성된다. 비자성 금속층(201)은 Ta, Hf, W, Nb 또는 이들의 합금을 가진다. 강자성층(202)은 Co, Fe, Ni, Mn 또는 이들의 하나 이상의 합금을 가지며, CoFeB, NiFe, CoPt, CoPd, FePt 또는 FePd를 포함함이 바람직하다. 터널 베리어층(203)으로는 MgOx 또는 AlOx의 산화물이 사용된다.
비자성 금속층(201) 상에 형성되는 강자성층(202)은 수직자기이방성을 가진다. 수직자기이방성을 위해 상기 강자성층(202)은 0.5nm 내지 2.0nm의 두께를 가짐이 바람직하다. 강자성층(202)의 두께가 0.5nm 미만이면, 강자성층(202)이 균일한 막질로 형성되지 못하고, 비자성 금속층(201) 상에서 아일랜드 형태로 형성되는 문제가 발생된다. 또한, 강자성층(202)의 두께가 2.0nm를 상회하면 강자성층(202)의 수직자기이방성을 확보할 수 없다.
또한, 상기 비자성 금속층(201)에 전류를 흘려주면 비자성 금속층(201)에서 스핀 궤도 결합이 발생된다. 스핀 궤도 결합에 의해 동일한 스핀을 가진 스핀 전자들은 특정의 방향에 응집된다. 또한, 비자성 금속층(201) 상부에 형성된 강자성층(202)에서는 강자성체의 자화에 회전력이 가해진다. 이를 스핀 궤도 토크라 지칭한다. 즉, 강자성층(202)에서는 스핀 궤도 토크에 의해 전류가 인가되는 방향의 영향을 받아 특정 방향으로 자화가 정렬되는 현상이 발생된다.
또한, 강자성층(202)의 표면과 평행한 방향이면서 인가되는 전류 또는 전압과 수직한 방향으로 자계가 인가되면, 강자성층에서 점진적인 자화의 반전이 유도될 수 있으며, 펄스 전류 또는 펄스 전압의 인가 횟수에 따라 자구벽이 이동된다. 자구벽의 이동에 의해 수직자기이방성을 가지는 강자성층의 영역은 확대되며, 이는 홀 패턴부(200)에서 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect)를 증가시키고, 홀 전압을 발생시킨다. 이를 통해 홀 전압의 점진적인 증가현상이 관찰될 수 있다.
상술한 동작을 위해 홀 패턴부(200)는 십자형의 구조를 가지며, 전류 입력단(210), 전류 출력단(220) 및 홀 전압 출력단(230, 240)을 가진다. 전류 입력단(210)은 전류 출력단(220)과 대향하며, 펄스 전류 또는 펄스 전압이 인가되는 단자이다. 인가된 펄스 전류 또는 펄스 전압은 전류 출력단(220)을 향해 흐르며, 자구벽의 이동은 전류 입력단(210)에서부터 시작하여 전류 출력단(220)에서 종료될 수 있다.
특히, 홀 패턴부(200)의 교차 영역(205)에서 자화 반전에 따른 자구벽의 이동 현상이 일어나면, 홀 전압은 자구벽의 이동 현상에 따라 증가 또는 감소되는 경향을 가진다.
또한, 배선부(300)는 입력 전류 배선(310), 출력 전류 배선(320) 및 홀 전압 배선(330, 340)으로 구성된다. 입력 전류 배선(310)은 홀 패턴부(200)의 전류 입력단(210)에 연결되고, 출력 전류 배선(320)은 전류 출력단(220)에 연결된다. 또한, 홀 전압 배선(330, 340)은 홀 전압 출력단(230, 240)에 연결된다. 상기 배선부(300)는 홀 패턴부(200)의 비자성 금속층(201)이 물리적으로 신장된 형태일 수 있으며, 강자성층(202)에 전기적으로 연결된 별도의 금속층으로 구성될 수 있다.
입력 전류 배선(310)으로부터 펄스 전류는 전류 입력단(210)에 인가되고, 펄스 전류는 전류 출력단(220)을 경유하고, 출력 전류 배선(320)을 통해 외부로 배출된다. 펄스 전류의 흐름을 통해 홀 패턴부(200)에서는 이상 홀 효과가 발생되며, 이상 홀 효과에 의해 홀 전압 배선(330, 340)을 구성하는 2개의 단자 사이에서는 홀 전압이 발생된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 도 1의 신경망 소자의 동작을 설명하기 위해 상기 도 1의 신경망 소자를 AA' 라인을 따라 절단한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 입력 전류 배선(310)을 통해 펄스 전류가 인가된다. 인가되는 펄스 전류는 출력 전류 배선(320)을 통해 배출된다. 펄스 전류에 의해 비자성 금속층(201)에서는 스핀 궤도 결합이 발생된다. 스핀 궤도 결합에 의해 강자성층(202)에서는 자화 토크가 발생되고, 이는 스핀 궤도 토크를 일으킨다. 스핀 궤도 토크에 의해 강자성층(202)의 자구벽은 전류 출력단(320)을 향해 이동한다.
다만, 인가되는 펄스 전류 만으로 자구벽의 이동은 원활하지 못할 수 있다. 자구벽의 이동을 강화하기 위해 강자성층(202)의 표면과 평행하고, 전류 입력단(210)으로부터 전류 출력단(220)의 가상의 라인에 수직인 외부 자계가 인가된다. 외부 자계의 인가에 의해 강자성층(202) 내에서 자구벽의 이동은 강화된다.
다만, 자구벽의 이동은 십자형의 홀 패턴부에서 전류 입력단(210)과 전류 출력단(220) 사이에만 발생된다. 즉, 자구벽이 홀 전압 출력단을 향해 이동되지 않는다. 이는 인가되는 펄스 전류 또는 펄스 전압이 전류 입력단(210)과 전류 출력단(220) 사이를 흐르는데 기인한다. 즉, 비자성 금속층(201)과 강자성층(202)을 흐르는 펄스 전류에 의해 스핀 궤도 토크가 발생되는 영역은 막대 형태의 전류 입력단(210)과 전류 출력단(220)이 차지하는 영역이며, 특히, 교차 영역(205)에서 일어나는 자화의 반전에 따른 자구벽의 이동은 홀 전압의 변화에 큰 영향을 미친다.
또한, 외부 자계의 인가에 따라 강화되는 자구벽의 이동에 의해 이상 홀 효과는 심화되고, 홀 전압은 증가한다.
강자성층(202) 내에서 특정 방향의 자화는 외부 자기장과 같은 역할을 수행한다. 입력 전류 배선(310) 또는 출력 전류 배선(320)을 흐르는 전자들은 업 스핀과 다운 스핀이 동일한 비율로 형성된 상태이나, 강자성층(202) 내를 흐를 경우, 업 스핀과 다운 스핀은 강자성층(202)의 자기 모멘트에 영향을 받으며, 이에 따라 업 스핀을 가지는 전자와 다운 스핀을 가지는 전자가 십자형 구조의 홀 패턴부에서 측면에 해당하는 홀 전압 출력단에 편향된다.
또한, 홀 패턴부의 전류 입력단(210)과 전류 출력단(220) 사이를 이동하는 스핀 전자는 강자성체인 불순물(스핀 궤도 결합이 있는 물질)과 충돌하는 경우, 산란(skew scattering)이 발생되고, 전자의 스핀 방향에 따라 산란의 방향은 다르게 나타난다. 만일 강자성층(202)이 수직자기이방성을 가지지 않고 랜덤한 자기 모멘트를 가진다면 스핀 전자의 산란도 무작위로 발생되어 홀 전압이 생성되지 않는다.
그러나, 강자성층(202)이 자구벽의 이동을 통해 수직자기이방성을 가지는 경우, 불순물 자체가 강자성체이므로 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)에 의해 전자의 스핀에 따른 산란의 정도는 달라지며, 홀 전압 출력단으로 이동하는 전자의 양이 달라지고 홀 전압을 발생시킨다. 이를 통해 이상 홀 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 자구벽의 이동 현상을 설명하기 위해 상기 도 1의 신경망 소자를 BB' 라인을 따라 절단한 개념도들이다.
도 3을 참조하면, 개념도들는 전류 입력단에서 전류 출력단을 바라볼 때의 상태를 나타낸다.
따라서, 전류는 표면으로 유입되는 방향으로 흐른다. (a)는 외부 자기장이 인가되지 않은 경우의 자기 모멘트의 움직임을 나타내며, (b)는 외부 자기장이 인가되는 경우의 자기 모멘트의 움직임을 나타낸다.
우선, (a)에서 강자성층(202)은 터널 베리어층(203)을 향하는 수직자기이방성을 가진다. 비자성 금속층(201)에 전류가 흐를 경우, 스핀 궤도 토크의 영향에 의해 강자성층(202)의 자기 모멘트는 수평 방향으로 스위칭된다. 다만, 스핀 궤도 토크가 가지는 원천적인 한계로 인해 상향의 자화를 반전하여 하향의 자기 모멘트로 전향하는 인자는 나타나지 않는다. 따라서, 펄스 전류에서 펄스가 제거되는 경우, 전류 방향에 수평으로 누운 상태의 자화는 상향과 하향의 자기 모멘트가 혼재하는 형태로 나타난다. 즉, 외부 자계가 인가되지 않는 경우, 자구벽의 이동은 발생되지 않으며, 전류가 공급되지 않는 경우, 랜덤한 수직자기이방성을 나타낸다.
(b)에서 개시되는 바와 같이 외부 자계가 전류와 수직한 방향으로 인가되는 경우, 자화의 반전이 유도된다. 먼저, 강자성층(202)이 상방향으로 자기 모멘트를 가지고, 전류가 지면을 향하는 상태에서 스핀 궤도 토크에 의해 강자성층(202)의 자화는 수평 방향으로 스위칭되어 수평자기이방성이 나타난다. 펄스 전류의 공급이 차단된 상태에서 외부 자계가 인가되면 B(magnetic field)×M(magnetic moment)의 토크가 발생하고, 수평방향의 자기 모멘트를 하향 방향으로 전환시키는 스위칭 동작이 수행된다. 이를 통해 자화의 반전이 유도된다.
즉, 외부 자기장에 의해 자화의 반전이 유도되며, 이는 자구벽의 이동으로 나타난다.
제조예 : 홀 소자의 형태를 가지는 신경망 소자의 제작
신경망 소자가 제작된다. 제작되는 신경망 소자는 패터닝 공정을 통해 홀 패턴부와 배선부를 가진다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따른 신경망 소자를 나타내는 이미지이다.
도 4를 참조하면, 홀 패턴부는 십자형의 형상을 가진다. 홀 패턴부에서 전류 입력단과 전류 출력단의 말단들 사이의 거리는 110um이며, 폭은 10um이다. 또한, 배선부의 폭은 20um로 설정된다.
하부의 기판으로는 SiO2가 사용되고, 비자성 금속층으로 W이 사용된다. 비자성 금속층의 두께는 2nm 이다. 비자성 금속층 상에 형성되는 강자성층은 CoFeB의 재질을 가지고, 1.5nm이 두께를 가진다. 또한, 강자성층 상에 형성되는 터널 베리어층은 MgO 재질이며, 1.2nm의 두께를 가진다.
배선부는 W으로 구성된다. 배선부의 입력 전류 배선과 출력 전류 배선 사이에 펄스 전류가 펄스 전류는 약 7mA의 레벨로 인가될 수 있으며, 하나의 펄스가 공급되는 시간은 0.5sec 내지 1.5sec이다.
또한, 전류방향과 수직한 방향으로 외부 자계가 인가된다. 실시의 형태에 따라 외부자계는 다양한 크기로 인가될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4의 신경망 소자의 자구벽의 이동을 나타내는 이미지이다.
도 5를 참조하면, 통상의 광학 현미경을 이용할 경우, 자구벽의 이동은 관찰될 수 없으며, 상기 도 4의 이미지만 나타난다. 그러나, MOKE(magneto-optical kerr effect) 현미경을 이용할 경우, 자구벽의 자화 방향에 따라 음영이 다르게 나타난다. 다만, 자구벽의 자화 방향에 따른 음영만이 나타나고, 통상적인 광학적 이미지는 나타나지 않는다.
상기 도 5에서 점선으로 표시된 영역은 홀 패턴부를 나타내며, 그 안의 어두운 부분은 자기 모멘트가 표면을 향하는 자화 영역을 나타낸다. 펄스 전류가 전류 입력단에 인가되고, 외부 자계가 전류 방향에 수직한 방향으로 인가되는 상태에서 펄스 전류의 횟수가 증가하면, 자기 모멘트가 표면 밖으로 향하는 자화 영역은 증가된다. 즉, 자구벽의 이동이 발생되며, 자구벽은 전류 출력단을 향해 이동한다. 자구벽의 이동은 지면 바깥을 향하는 자기 모멘트들이 증가하는 현상이며, 이는 상기 도 5에 어두운 부분이 전류 출력단을 향하여 이동하는 것으로 나타난다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4에 개시된 신경망 소자의 홀 전압을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 하나의 펄스 전류가 인가되는 시간은 100msec이며, 펄스 사이의 시간 간격은 500msec이다. 또한, 인가되는 펄스 전류의 크기는 6.8mA 내지 7mA이며, 인가되는 외부 자계는 70 Oe이다.
펄스 전류의 크기가 6.8mA에서는 펄스 전류의 수가 증가하더라도 홀 전압은 발생되지 않는다. 또한, 7mA로 증가할수록 홀 전압은 펄스 수의 증가에 따라 빠르게 증가한다. 대체적으로 펄스 전류의 크기가 증가할수록 높은 홀 전압이 형성되며, 펄스 전류의 수가 증가할수록 홀 전압도 서서히 증가하는 경향을 나타낸다.
이는 자극의 횟수가 인가될수록 출력 전압이 변동되는 신경망 소자의 동작으로 사용될 수 있음을 의미한다.
이는 홀 패턴부에서 자구벽의 이동으로 설명될 수 있다. 즉, 펄스 전류가 홀 패턴부의 전류 입력단과 전류 출력단을 흐르고, 외부 자계가 펄스 전류와 수직하게 인가되는 경우, 자구벽은 홀 패턴부의 전류 입력단으로부터 전류 출력단으로 이동한다. 특정 방향으로 자화된 자구벽의 이동은 이상 홀 효과를 증가시키고, 이를 통해 높은 홀 전압을 형성할 수 있다. 즉, 펄스 전류의 크기가 일정한 레벨 이상이며, 펄스 전류의 횟수가 증가하면, 자구벽은 전류 출력단을 향해 서서히 이동한다. 따라서, 특정 방향으로 자화되는 자구벽은 증가하며, 이는 이상 홀 효과로 인한 홀 전압을 서서히 증가시키게 된다.
또한, 전류 출력단에서 전류 입력단으로 역방향 전류를 가하는 경우, 홀 패턴부의 자구벽은 리셋되며, 홀 전압은 원래의 상태로 회귀된다.
도 7은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 4의 신경망 소자에 펄스 전압을 인가할 때의 자구벽의 이동을 연속적을 촬영한 이미지이다.
도 7을 참조하면, 펄스 열의 형태를 가지는 구동 전압이 인가된다. 즉, 입력 전류 배선으로부터 출력 전류 배선 방향으로 구동 전압이 인가된다. 인가되는 구동 전압은 12V의 피크 값으로 50ms 동안 인가된다. 1회의 펄스가 인가된 후, magneto-optical kerr effect(MOKE) 현미경을 통해 이미지가 촬영된다.
외부 자계는 450 gauss로 인가되며, 상기 도 4에서 V-로부터 V+ 방향을 향한다. 상기 이미지에서 짙은 색은 홀 패턴부의 자구벽의 이동에 의해 자기 모멘트가 지면 내부로부터 지면 밖으로 향하는 것을 나타낸다. 펄스 전압의 인가횟수가 증가하면 홀 패턴부의 자구벽은 우측으로 선형적으로 이동함을 알 수 있다.
4회의 펄스 전압이 인가된 후, 역 방향의 펄스가 인가된다. 역 방향의 펄스는 정 방향의 펄스와 정확히 역상의 형태를 가진다. 즉, -12V를 피크값으로 가지며, 50ms 동안 인가된다. 펄스 횟수가 증가할수록 자구벽은 정 방향의 펄스가 인가될 때와 반대로 입력 전류 배선을 향하는 진행된다.
도 8은 본 발명의 제조예에 따라 상기 도 7의 자구벽의 이동에 따른 홀 저항을 측정한 그래프이다.
도 8을 참조하면, LPT로 표시된 부분은 정 방향의 펄스가 인가될 때의 홀 저항을 도시하고, LTD로 표시된 부분은 역 방향의 펄스가 인가될 때의 홀 저항을 도시한다. 또한, 상기 도 8에서는 V+ 단자를 기준으로 저항을 측정한 것으로 음의 값을 가진 저항은 절대값으로 환산하여 저항의 크기를 설명한다.
또한, 상기 홀 저항은 측정되는 홀 전압의 피크값에 인가되는 펄스 전압 의해 환산되는 펄스 전류의 피크값으로 나눈 환산치이다.
정방향의 펄스 횟수가 증가하면 홀 저항은 선형적으로 감소한다. 또한, 역방향의 펄스 횟수가 증가하면 홀 저항은 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 즉, 펄스 전압이 인가될 경우, 본 발명의 홀 소자는 극단적인 선형성을 나타내며, 상호간에 가역적인 동작을 나타냄을 알 수 있다.
상술한 본 발명에서 펄스 전류 또는 펄스 전압이 인가되면, 스핀 궤도 토크에 의해 강자성층에서 전류의 인가방향과 평행한 자기 모멘트가 유도된다. 또한, 외부 자계가 전류의 인가 방향과 수직한 방향으로 인가되면, 외부 자기장에 의한 토크로 인해 강자성층에서의 자화 반전이 유도된다. 인가되는 전류가 펄스의 형태를 가지므로 펄스의 인가에 따라 강자성층의 자구벽은 이동된다. 본 발명의 홀 패턴부는 십자형의 형태를 가지고, 교차 영역을 중심으로 서로 대향하는 전류 입력단과 전류 출력단을 가진다. 전류 입력단을 통해 펄스 전류가 인가되면, 수직자기이방성을 가지는 자구벽은 교차 영역을 향해 확대된다. 상기 자구벽의 이동은 자화의 반전에 의해 이루어지며, 수직자기이방성을 가지는 강자성층에서 스핀 전류는 편향되고, 전류 입력단과 전류 출력단에 의해 정의되는 막대 형태와 수직으로 배치되는 홀 전압 출력단에서 홀 전압이 형성된다.
특히, 교차 영역 부위에서 발생되는 자화의 반전에 따른 자구벽의 이동은 홀 전압의 상승을 일으킨다. 자구벽이 이동하기 위해 펄스 전류는 반복적으로 인가될 필요가 있다. 이를 통해 교차 영역에서 자구벽은 이동하고, 수직자기이방성을 가지는 영역은 확대된다. 따라서, 인가되는 펄스 전류에 의한 홀 전압의 크기도 증가한다.
다만, 수직자기이방성을 가지는 영역을 정의하는 자구벽이 전류 출력단에 근접하고, 교차 영역의 모든 영역을 차지하는 경우, 자구벽이 이동하더라도 홀 전압의 추가적인 상승이 발생되지 않고 포화된다. 이는 펄스 전류가 인가될 때, 스핀 전류가 이미 형성된 수직자기이방성에 의해 충분히 편향되고, 전류 출력단에 근접하는 자구벽의 이동은 홀 전압의 변화에 큰 영향을 미치지 않기 때문이다.
따라서, 인가되는 펄스 전류와 평행한 외부 자기장이 인가되면, 자구벽의 이동이 발생되고, 자구벽의 이동에 의해 홀 전압은 점진적으로 변경된다. 이는 입력 전류라는 자극에 대해 학습효과를 가지는 신경망 소자의 동작을 구현하는 것이며, 이를 통해 신경망 소자의 구현이 가능해진다.

Claims (8)

  1. 기판 상에 십자형의 형상을 가진 홀 패턴부와 상기 홀 패턴부에 전기적으로 연결된 배선부를 가지는 신경망 소자의 동작 방법에 있어서,
    상기 홀 패턴부에 펄스 전류 또는 펄스 전압를 인가하고, 상기 펄스 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 단계; 및
    상기 펄스 전류 및 외부 자기장에 의해 상기 홀 패턴부의 강자성층에서의 스핀 궤도 토크를 이용하여 자화 반전 및 자구벽의 이동을 유도하여 홀 전압을 점진적으로 증가시키는 단계를 포함하는 신경망 소자의 동작 방방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 홀 패턴부는
    기판 상에 형성된 비자성 금속층;
    상기 비자성 금속층 상에 형성되고, 자구벽의 이동에 의한 홀 전압 생성을 유도하는 강자성층; 및
    상기 강자성층의 수직자기이방성을 유도하기 위한 터널 베리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경망 소자의 동작 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 홀 패턴부의 수직자기이방성은 상기 펄스 전류 또는 펄스 전압 및 상기 외부 자기장이 인가되면, 자화의 반전에 의해 상기 전류 출력단을 향하는 자구벽의 이동을 통해 확대되는 것을 특징으로 하는 신경망 소자의 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자구벽의 이동이 확대되는 것은,
    상기 비자성 금속층에 펄스 전류 또는 펄스 전압이 인가되어 스핀 궤도 토크에 의해 상기 강자성층이 수평자기이방성을 가지는 단계; 및
    상기 펄스 전류 또는 펄스 전압이 차단되고, 상기 외부 자기장에 의해 유도되는 토크에 의해 상기 강자성층에서 자화의 반전이 일어나는 단계를 포함하는 신경망 소자의 동작 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 홀 패턴부는
    펄스 전류가 인가되는 전류 입력단;
    상기 전류 입력단에 대향하고, 상기 펄스 전류 또는 펄스 전압이 배출되는 전류 출력단; 및
    교차 영역을 통해 상기 전류 입력단과 상기 전류 출력단과 교차하고 상기 홀 전압이 생성되는 홀 전압 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경망 소자의 동작 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 홀 전압은 상기 펄스 전류 또는 펄스 전압의 인가 횟수에 따라 점진적으로 증가하거나 감소하는 것을 특징으로 하는 신경망 소자의 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 홀 전압은 상기 교차 영역이 수직자기이방성으로 채워지면 상기 홀 전압이 포화되는 것을 특징으로 하는 신경망 소자의 동작 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 홀 전압을 점진적으로 증가시키는 단계 이후에, 상기 펄스 전류의 역방향으로 전류를 인가하여 홀 전압을 리셋시키는 단계를 더 포함하는 신경망 소자의 동작 방법.
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