WO2021153853A1 - Magnetic domain wall logic device and manufacturing method therefor - Google Patents

Magnetic domain wall logic device and manufacturing method therefor Download PDF

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WO2021153853A1
WO2021153853A1 PCT/KR2020/006967 KR2020006967W WO2021153853A1 WO 2021153853 A1 WO2021153853 A1 WO 2021153853A1 KR 2020006967 W KR2020006967 W KR 2020006967W WO 2021153853 A1 WO2021153853 A1 WO 2021153853A1
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magnetic
region
magnetic anisotropy
anisotropy region
magnetic layer
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PCT/KR2020/006967
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Inventor
김갑진
이근희
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한국과학기술원
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
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    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • H10N50/85Magnetic active materials

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic domain wall logic device and a method for manufacturing the same.
  • Big data, artificial intelligence, and machine learning-related technologies have recently received a lot of attention. What these three fields have in common is that they must be able to access and process large amounts of data in order to derive meaningful results. Therefore, for high-quality research related to big data, artificial intelligence, and machine learning, research on data access speed and processing speed improvement technologies is also needed.
  • data processing consists of storing data in a mass storage device such as a Hard Disk Drive (HDD)/Solid State Drive (SSD), loading data into Random Access Memory (RAM), and processing it with a processor.
  • HDD Hard Disk Drive
  • SSD Solid State Drive
  • RAM Random Access Memory
  • the processing speed of the processor is only 1 ns (10 -9 s), but it is known that it takes 1 ms (10 -3 s) to load data from HDD or SSD.
  • the difference in processor processing speed and data access speed causes a bottleneck in data processing speed, which is called the von Neumann bottleneck.
  • HDD Magnetoresistive RAM
  • Racetrack memory a new magnetic memory has been proposed, one is Magnetoresistive RAM (MRAM) and the other is Racetrack memory.
  • MRAM Magnetoresistive RAM
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0136282
  • Non-Patent Document 1 D. A. Allwood, et al., Science 309, 1688 (2005), “Magnetic Domain-Wall Logic"
  • An object of the present invention is to provide a magnetic domain wall-based logic device that can be driven using a current and has a simple structure.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • the magnetic domain wall logic device is provided, characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • the NOT element is provided with a NOT element characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • a perpendicular magnetic anisotropy region positioned between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region;
  • the NOT element is provided with a NOT element characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • logic element characterized in that the logic element is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • the logic device may be a NAND device or a NOR device.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • logic element characterized in that the logic element is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall logic device comprising:
  • a NOT device manufacturing method comprising a.
  • the logic device may be a NAND device or a NOR device.
  • the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention has the advantage that the logic device can be implemented only by moving the domain wall, can be driven by current, and has a simple structure. In addition, when such a logic element is used, there is an effect of improving the data processing speed.
  • FIG. 1a and 1b schematically show a logic device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy and horizontal magnetic anisotropy
  • FIG. 3 schematically shows the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in a composite structure of a magnetic layer and a non-magnetic layer according to an embodiment of the present invention
  • FIG 4 schematically shows the magnetization direction according to the Dzyaloshinskii-Moriya interaction when the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region are generated according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 schematically shows a spin current formed by an in-plane current of a non-magnetic layer in a composite structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 schematically shows a NAND device or a NOT device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 shows a current density distribution of a NAND device or a NOT device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a magnetization direction in a self-symmetry breakdown region according to a magnetization direction at each input in a NAND or NOR device according to an embodiment of the present invention.
  • Adjacent as used herein includes all that are in contact with or include another space therebetween.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • the magnetic domain wall logic device is provided, characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention includes a non-magnetic layer.
  • the non-magnetic layer may include at least one selected from the group consisting of a non-magnetic metal and a topological insulator.
  • the non-magnetic metal may be, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), or gold (Au), but is not limited thereto.
  • the topological insulator may be, for example, Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 , and Ag 2 Te 3 , but is not limited thereto.
  • phase insulator When the phase insulator is used as the nonmagnetic layer, a strong spin current can be generated even with a low current, which is preferable in that the driving threshold current density can be reduced.
  • the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention includes a magnetic layer.
  • the magnetic layer may be formed on the non-magnetic layer.
  • the magnetic layer and the non-magnetic layer may extend side by side in contact with each other.
  • the magnetic layer may include at least one selected from the group consisting of a ferromagnetic material and a ferrimagnetic material.
  • the ferromagnetic material includes both metals and non-metals, conductors and insulators, and may be, for example, cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), and alloys thereof, but is not limited thereto.
  • the ferrimagnetic material includes both metals and non-metals, conductors and insulators, for example, TbCo, TbFe, GdCo, GdFe, GdFeCo, Fe 3 O 4 , YIG (Yttrium iron garnet), TmIG, TbIG, etc., but may be It is not limited.
  • the critical current density is reduced due to low magnetization, the magnetization dynamic speed can be increased at the angular momentum compensation point, and thus the driving time of the logic device can be reduced.
  • the thickness of the magnetic layer may be 0.1 nm to 10 nm. Preferably it may be 0.2 nm to 5 nm, more preferably 0.3 nm to 3 nm.
  • the thickness of the magnetic layer exceeds 10 nm, there is a problem that the size of the effective magnetic field caused by the spin flow is relatively small and the driving threshold current density may be high. there is.
  • the magnetic layer may include a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region adjacent to the perpendicular magnetic anisotropy region.
  • the perpendicular magnetic anisotropy region refers to a region having magnetic anisotropy in a vertical direction
  • the horizontal magnetic anisotropy region refers to a region having magnetic anisotropy in a horizontal direction. This can be understood with reference to FIG. 2 .
  • the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may be disposed adjacent to each other in an in-plane direction of the magnetic layer.
  • the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may be in contact with each other.
  • the number of the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may each be one or more, but is not limited to a specific number.
  • the magnetic domain wall logic element may be operated by an in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall may be generated at the boundary thereof.
  • Such a magnetic domain wall may move by an in-plane current of the non-magnetic layer.
  • the in-plane current and the moving direction of the magnetic domain wall may be parallel or anti-parallel.
  • the magnetic domain wall may move due to the spin-orbit torque (SOT) principle.
  • SOT spin-orbit torque
  • neighboring spindles having a specific angle may be energetically stable due to Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI).
  • magnetization in a specific direction may be energetically favored. This can be understood with reference to FIGS. 3 to 5 .
  • the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention may further include an oxide layer.
  • the oxide layer may be formed on the magnetic layer.
  • the oxide layer may be, for example, at least one selected from the group consisting of MgO, AlO x , SiO x and SiN, but is not limited thereto.
  • the magnetic domain wall logic element further includes an oxide layer
  • the perpendicular magnetic anisotropy can be enhanced or controlled.
  • the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention may be, for example, a NOT device, a NOR device, or a NAND device, but is not limited thereto.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • the NOT element is provided with a NOT element characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a NOT device includes a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer.
  • the magnetic layer includes a first perpendicular magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region, and a horizontal magnetic anisotropy region between the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be sequentially adjacent to each other in an in-plane direction.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are arranged in order.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be in contact with the horizontal magnetic anisotropy region.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region may have magnetization directions opposite to each other.
  • the spin of the neighboring region may be energetically stable if the neighboring spins have a specific angle.
  • the spindles arranged from left to right as shown in FIG. 5 are stable when they are arranged to rotate in a counterclockwise direction, they may be unstable when they are arranged to rotate in a clockwise direction.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are arranged adjacent to each other in order as shown in FIG. 9, when the first perpendicular magnetic anisotropy region has an upward spin, horizontal
  • the magnetic anisotropy region may be arranged such that the spindle rotates counterclockwise from left to right. Accordingly, the second perpendicular magnetic anisotropy region has a downward magnetization direction.
  • the horizontal magnetic anisotropy region is arranged such that the spindle rotates counterclockwise from left to right, and accordingly, the second perpendicular magnetic anisotropy region is upward direction of magnetization.
  • a magnetization region in a specific direction which is an input value
  • a magnetization region in the opposite direction is output to the second perpendicular magnetic anisotropy region, which can function as a NOT element.
  • the length of the horizontal magnetic anisotropy region may be a value satisfying Equation 1 below, and may vary depending on the exchange bonding strength of the magnetic material and the magnitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. More specifically, it may be 10 nm to 10 ⁇ m.
  • l ⁇ is the length of the horizontal magnetic anisotropy region
  • A is the exchange stiffness
  • D is the DMI strength
  • the NOT element may be operated by an in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall may be generated at the boundary.
  • Such a magnetic domain wall may move by an in-plane current of the non-magnetic layer.
  • the in-plane current and the moving direction of the magnetic domain wall may be parallel or anti-parallel.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region may be an input terminal, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be an output terminal, but is not limited thereto.
  • the NOT element may further include a first horizontal magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region; and a perpendicular magnetic anisotropy region positioned between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region.
  • the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be an input terminal and an output terminal, respectively.
  • the device It may be more preferable in terms of directness.
  • the normal magnetic anisotropy is usually larger than the horizontal magnetic anisotropy, and this size affects the thickness of the magnetic domain wall. As the anisotropy increases, the magnetic domain wall thickness tends to decrease. Accordingly, as described above, the structure of the magnetic layer disposed as the first perpendicular magnetic anisotropy region, the first horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be more advantageous in terms of device integration.
  • a magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer
  • the magnetic layer is a first layer.
  • logic element characterized in that the logic element is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a logic device includes a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer.
  • the magnetic layer includes a magnetic symmetry breaking region.
  • the magnetic layer includes a first horizontal magnetic anisotropy region and a first perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region.
  • the magnetic layer includes a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region.
  • the magnetic layer includes a third perpendicular magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region.
  • the first direction, the second direction, and the third direction may be a straight line or a curved line, and may be a straight line or a curved shape.
  • the first direction, the second direction, and the third direction may all be in-plane directions of the magnetic layer.
  • the logic element may be a T-type, a Y-type, etc. as shown in FIG. 10, but is not limited to a specific form.
  • the first horizontal magnetic anisotropy region, the second horizontal magnetic anisotropy region, and the third perpendicular magnetic anisotropy region may be adjacent to the magnetic symmetry breaking region. Preferably, it may be in contact.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region and the first horizontal magnetic anisotropy region may be adjacent to each other. Preferably, it may be in contact.
  • the second perpendicular magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be adjacent to each other. Preferably, it may be in contact.
  • a separate magnetic field may be applied to the magnetic symmetry region to destroy the magnetic symmetry.
  • the magnetic symmetry means, as described above, when the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are sequentially positioned, the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite to each other means having a magnetization direction of
  • the magnetization directions of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite In the case of , the magnetization direction may be induced to be aligned in a specific direction.
  • the logic device may be a NAND device or a NOR device.
  • the type of the logic element may vary depending on the strength or direction of the magnetic field applied to the self-symmetry breakdown region described above.
  • the magnetization region in the upward direction is 1, when the magnetization directions of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite, the magnetization of the magnetic symmetry breaking region is aligned in the upward direction, It can function as a NAND device.
  • the magnetization directions of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite and the magnetization of the magnetic symmetry breaking region is aligned downward, it may function as a NOR element.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region When the magnetization of is in the upward direction, the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction (first example), and when the magnetization of the first perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction and the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the upward direction (Example 2) Each has a different direction of magnetization.
  • the magnetization direction of the self-symmetry breaking region in the first and second examples must be fixed in a specific direction, so the strength of the magnetic field actually applied to the self-symmetrical breaking region is
  • the strength of the magnetic field that can make the magnetization directions of the magnetic symmetry breaking regions in the first example and the second example the same as each other must be greater than or equal to the strength of the magnetic field.
  • the magnetic symmetry breaking region is the first perpendicular magnetic anisotropy It has a magnetization direction opposite to the magnetization direction of the region and the second perpendicular magnetic anisotropy region.
  • the magnetic symmetry breaking region is first perpendicular to the same as when no magnetic field is applied. Since the magnetization direction must be opposite to the magnetization direction of the magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region, the strength of the magnetic field actually applied to the magnetic symmetry breaking region is the same as that of the magnetic symmetry breaking region when no magnetic field is applied as described above. It must be less than the strength of the magnetic field that can change the direction of magnetization.
  • the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region may be less than or equal to a value satisfying Equation 2 below, and this value may be less than or equal to 1 T depending on the exchange coupling strength and saturation magnetization of the magnetic material.
  • Equation 2 Equation 2 below, and this value may be less than or equal to 1 T depending on the exchange coupling strength and saturation magnetization of the magnetic material.
  • H C is the upper limit value of the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region
  • M s is the saturation magnetization value
  • A is the exchange stiffness
  • D is the DMI strength.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be an input terminal, and the third perpendicular magnetic anisotropy region may be an output terminal.
  • the length of the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be a value satisfying Equation 1, and may vary depending on the exchange coupling strength of the magnetic material and the magnitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. More specifically, it may be 10 nm to 10 ⁇ m.
  • the logic element may be operated by an in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall may be formed at the boundary thereof.
  • Such a magnetic domain wall may move by an in-plane current of the non-magnetic layer.
  • the in-plane current and the moving direction of the magnetic domain wall may be parallel or anti-parallel.
  • the in-plane current may include a first current parallel or anti-parallel to the first direction, a second current parallel or anti-parallel to the second direction, and a third current parallel or anti-parallel to the third direction. .
  • the magnetic domain wall moves from the first perpendicular magnetic anisotropy region to the magnetic symmetry breaking region
  • the magnetic domain wall moves from the second perpendicular magnetic anisotropy region to the magnetic symmetry breaking region.
  • the magnetic domain wall may move from the magnetic symmetry breaking region to the third perpendicular magnetic anisotropy region according to the third in-plane current.
  • the direction of the in-plane current and thus the movement direction of the magnetic domain wall may vary depending on the type and thickness of the magnetic layer and the non-magnetic layer.
  • the horizontal magnetic anisotropy region and the vertical magnetic anisotropy region may be reversed.
  • the magnetic layer may include a magnetic symmetry breaking region; a first perpendicular magnetic anisotropy region and a first horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region; a second perpendicular magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and a third horizontal magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region.
  • first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be an input terminal
  • third horizontal magnetic anisotropy region may be an output terminal
  • both the input and output terminals are vertical magnetic anisotropy regions and a horizontal magnetic anisotropy region is positioned between them, it may be more preferable in terms of device directivity.
  • the normal magnetic anisotropy is usually larger than the horizontal magnetic anisotropy, and this size affects the thickness of the magnetic domain wall. As the anisotropy increases, the magnetic domain wall thickness tends to decrease. Accordingly, as described above, the structure of the magnetic layer disposed as the first perpendicular magnetic anisotropy region, the first horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be more advantageous in terms of device integration.
  • a magnetic domain wall logic device comprising:
  • the forming of the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may be performed through ion irradiation and lithography.
  • the method may include coating a resist on a material to form a magnetic anisotropy region, performing lithography on a specific region to control magnetic anisotropy, and ion-irradiating the entire material.
  • the resist may be removed by performing lithography on a specific area.
  • the resist remains in the area where lithography is not performed, so even if the ion irradiation is performed, there is no resist in the area on which the lithography is performed, so the magnetic anisotropy of the area may change.
  • a NOT device manufacturing method comprising a.
  • the logic device may be a NAND device or a NOR device.
  • the magnetic symmetry of the first portion may be destroyed by the application of a magnetic field.
  • the forming of the magnetic symmetry breaking region may be performed by depositing a separate magnetic layer on the first portion to induce a Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction.
  • the magnetic layer may be a hard magnetic layer.
  • the forming of the magnetic symmetry breaking region may be performed by forming a magnetic structure near the logic element to induce a stray magnetic field.
  • the magnetic structure may be a column structure.
  • the forming of the magnetic symmetry breaking region may be performed by additionally depositing an antiferromagnetic material to induce an exchange bias.
  • the first perpendicular magnetic anisotropy region When the magnetization of is in the upward direction, the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction (first example), and when the magnetization of the first perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction and the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the upward direction (Example 2) Each has a different direction of magnetization.
  • the magnetization direction of the self-symmetry breaking region in the first and second examples must be fixed in a specific direction, so the strength of the magnetic field actually applied to the self-symmetrical breaking region is
  • the strength of the magnetic field that can make the magnetization directions of the magnetic symmetry breaking regions in the first example and the second example the same as each other must be greater than or equal to the strength of the magnetic field.
  • the magnetic symmetry breaking region is the first perpendicular magnetic anisotropy It has a magnetization direction opposite to the magnetization direction of the region and the second perpendicular magnetic anisotropy region.
  • the magnetic symmetry breaking region is first perpendicular to the same as when no magnetic field is applied. Since the magnetization direction must be opposite to the magnetization direction of the magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region, the strength of the magnetic field actually applied to the magnetic symmetry breaking region is the same as that of the magnetic symmetry breaking region when no magnetic field is applied as described above. It must be less than the strength of the magnetic field that can change the direction of magnetization.
  • the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region may be less than or equal to a value satisfying Equation 2 below, and this value may be less than or equal to 1 T depending on the exchange coupling strength and saturation magnetization of the magnetic material.
  • Equation 2 Equation 2 below, and this value may be less than or equal to 1 T depending on the exchange coupling strength and saturation magnetization of the magnetic material.
  • H C is the upper limit value of the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region
  • M s is the saturation magnetization value
  • A is the exchange stiffness
  • D is the DMI strength.
  • it may function as a NAND device or a NOR device depending on the strength or direction of the magnetic field.
  • the shape of the NOT element is shown in FIG. 1A. That is, the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be sequentially arranged in a straight line.
  • It has a composite structure in which Pt as the non-magnetic layer, Co as the magnetic layer, and MgO as the oxide layer are stacked, and the size of the entire region may be 500 nm ⁇ 50 nm ⁇ 1 nm.
  • the length of the horizontal magnetic anisotropy region may be a value satisfying Equation 1 below.
  • l ⁇ is the length of the horizontal magnetic anisotropy region
  • A is the exchange stiffness
  • D is the DMI strength
  • m is the unit magnetization vector
  • H eff is the effective magnetic field
  • is the damping constant
  • ⁇ sh is the spin Hall angle
  • j is the current density magnitude
  • t is the magnetic layer thickness
  • M s is the saturation magnetization
  • is the injection spin direction
  • a ex is the exchange stiffness
  • D is the DMI strength
  • K u is the anisotropy strength
  • H demag is the demagnetization field
  • H ext is the external magnetic field.
  • M s 5.6 ⁇ 10 5 A/m
  • A 1.3 ⁇ 10 -11 J/m
  • D 1.6 ⁇ 10 -3 J/m 2
  • 0.3
  • ⁇ sh 0.1
  • j 1.0 ⁇ 10 12 A/m 2
  • K u in the first perpendicular magnetic anisotropy region 5.5 ⁇ 10 5 J/m 2
  • K u in the second perpendicular magnetic anisotropy region 3.0 ⁇ 10 5 J/m 2
  • the upward magnetization corresponds to the red region and the downward magnetization corresponds to the blue region.
  • the A magnetic domain wall of directional magnetization and upward magnetization is formed, and the magnetic domain wall gradually moves toward the horizontal magnetic anisotropy region by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  • a magnetic domain wall of downward and upward magnetization is formed in the second magnetic anisotropy region, and the magnetic domain wall gradually moves from the horizontal magnetic anisotropy region toward the second vertical magnetic anisotropy by the in-plane current of the non-magnetic layer, Eventually, all of the second perpendicular magnetic anisotropy regions have upward magnetization (red region).
  • the downward magnetization region becomes 1, and it can be confirmed that the present embodiment behaves as a NOT element.
  • a T-shaped NAND device was manufactured, and the size of each region was also set as shown in FIG. 10 .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

Disclosed is a magnetic domain wall logic device comprising: a nonmagnetic layer; and a magnetic layer formed on the nonmagnetic layer. The magnetic layer comprises: a perpendicular magnetic anisotropy region; and a horizontal magnetic anisotropy region adjacent to the perpendicular magnetic anisotropy region. The magnetic domain wall logic device is operated by an in-plane current of the nonmagnetic layer. The magnetic domain wall logic device, which is provided according to an aspect of the present invention, is a logic device which can be implemented by only moving a magnetic domain wall, enables current driving, and has a simple structure. In addition, when the logic device is used, the data processing speed can be improved.

Description

자구벽 논리소자 및 이의 제조방법Magnetic domain wall logic device and manufacturing method thereof
본 발명은 자구벽 논리소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic domain wall logic device and a method for manufacturing the same.
빅데이터 및 인공지능, 기계학습 관련 기술이 최근 많은 주목을 받고 있다. 이 세 분야의 공통점은 유의미한 결과를 도출해 내려면 많은 양의 데이터에 접근하고, 처리를 할 수 있어야 한다는 점이다. 따라서 빅데이터, 인공지능, 기계학습 관련해서 질 좋은 연구가 진행되려면 데이터 접근 속도 및 처리 속도 향상 기술에 대해서도 연구가 필요하다. 현재 데이터 처리는 Hard Disk Drive(HDD)/Solid State Drive(SSD) 와 같은 대용량 저장장치에 데이터를 저장을 하고, Random Access Memory (RAM)으로 데이터를 불러들여 프로세서로 처리를 하는 과정으로 이루어진다. 이 때 프로세서의 처리 속도는 1 ns(10 -9 s)에 불과하지만, HDD 혹은 SSD 에서 데이터를 불러오는데 1 ms (10 -3 s)의 시간이 걸린다고 알려져 있다. 이처럼 프로세서의 처리 속도와 데이터 접근 속도의 차이에서 데이터 처리 속도의 병목현상이 생기는데, 이를 `폰 노이만 병목현상' 이라고 일컫는다.Big data, artificial intelligence, and machine learning-related technologies have recently received a lot of attention. What these three fields have in common is that they must be able to access and process large amounts of data in order to derive meaningful results. Therefore, for high-quality research related to big data, artificial intelligence, and machine learning, research on data access speed and processing speed improvement technologies is also needed. Currently, data processing consists of storing data in a mass storage device such as a Hard Disk Drive (HDD)/Solid State Drive (SSD), loading data into Random Access Memory (RAM), and processing it with a processor. At this time, the processing speed of the processor is only 1 ns (10 -9 s), but it is known that it takes 1 ms (10 -3 s) to load data from HDD or SSD. As such, the difference in processor processing speed and data access speed causes a bottleneck in data processing speed, which is called the von Neumann bottleneck.
반도체 기반의 메모리는 외부 전원이 없으면 메모리 저장이 어렵고, 소재 가격이 비싸다는 단점을 내재적으로 지니고 있다. 반면 대표적인 자기 메모리인 HDD 의 경우 가격이 저렴하며, 외부 자기장이 없으면 외부 전원 없이도 반영구적으로 데이터를 저장할 수 있다는 장점이 있다. 다만 HDD는 디스크를 회전시키고, reading head를 움직여야 하기 때문에, 소비전력이 크고 속도가 느리다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 새로운 자기 메모리가 제안되었는데, 하나가 Magnetoresistive RAM (MRAM) 이고, 다른 하나가 Racetrack memory 이다.Semiconductor-based memories inherently have disadvantages in that it is difficult to store the memory without an external power source and the material price is high. On the other hand, HDD, which is a typical magnetic memory, is inexpensive and has the advantage of being able to store data semi-permanently without an external power source if there is no external magnetic field. However, HDD has the disadvantage of high power consumption and slow speed because it has to rotate the disk and move the reading head. To compensate for these shortcomings, a new magnetic memory has been proposed, one is Magnetoresistive RAM (MRAM) and the other is Racetrack memory.
좋은 성능의 자기 메모리를 이용한다고 하더라도 트랜지스터 기반의 프로세서에 데이터 업로드를 하게 되면 폰 노이만 병목현상으로 성능 저하가 일어날 것이다. 따라서 자기 메모리와 호환 가능한 프로세서가 필요하게 되며, 자구 및 자구벽(magnetic domain & magnetic domain wall)을 이용한 논리 연산의 필요성이 대두되었다. 이러한 시도가 기존에 아주 없었던 것은 아닌데, 기존의 자구벽을 이용한 논리소자는 복잡한 구조를 가지고 있고, 자기장을 이용해 구동했기 때문에 나노미터(nm = 10 -9 m) 스케일로 소자를 집적하게 되면 문제가 발생할 가능성이 있다.Even if a magnetic memory with good performance is used, if data is uploaded to a transistor-based processor, performance will deteriorate due to a von Neumann bottleneck. Accordingly, a processor compatible with the magnetic memory is required, and the need for logic operation using magnetic domains and magnetic domain walls has emerged. It is not that such attempts have not been made in the past. Because logic devices using existing magnetic domain walls have a complex structure and are driven using a magnetic field, problems arise when integrating devices on a nanometer (nm = 10 -9 m) scale. is likely to occur
예를 들어, D. A. Allwood, et al., Science 309, 1688 (2005)에서 자구벽 이동을 이용한 논리소자를 개시한 바 있다. 다만, 해당 논문에서의 논리소자는 구조가 매우 복잡하며, 소자 구동을 자기장으로 하여야 하고, 자화 방향이 면에 평행하다는 특징을 갖는다. 이러한 특징들은 소자의 나노 공정을 어렵게 한다는 한계를 갖는다.For example, D. A. Allwood, et al., Science 309, 1688 (2005) discloses a logic device using magnetic domain wall movement. However, the logic device in this paper has a very complex structure, the device must be driven by a magnetic field, and the magnetization direction is parallel to the plane. These features have limitations in making it difficult to fabricate nano-processing devices.
그러므로 전류를 이용해 구동이 가능하고, 간단한 구조를 가진 자구벽 기반 논리소자가 필요하다. Therefore, there is a need for a magnetic domain wall-based logic device that can be driven using current and has a simple structure.
<선행기술문헌><Prior art literature>
[특허문헌][Patent Literature]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제10-2016-0136282호(Patent Document 1) Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0136282
[비특허문헌][Non-patent literature]
(비특허문헌 1)D. A. Allwood, et al., Science 309, 1688 (2005), "Magnetic Domain-Wall Logic"(Non-Patent Document 1) D. A. Allwood, et al., Science 309, 1688 (2005), "Magnetic Domain-Wall Logic"
본 발명의 일 측면에서의 목적은 전류를 이용해 구동이 가능하고, 간단한 구조를 가진 자구벽 기반 논리소자를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a magnetic domain wall-based logic device that can be driven using a current and has a simple structure.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은The magnetic layer is
수직 자기 이방성 영역; 및perpendicular magnetic anisotropy region; and
상기 수직 자기 이방성 영역에 인접한 수평 자기 이방성 영역;a horizontal magnetic anisotropy region adjacent to the perpendicular magnetic anisotropy region;
을 포함하며,includes,
상기 자구벽 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자가 제공된다.The magnetic domain wall logic device is provided, characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
상기 자구벽 논리소자의 일 실시예로서As an embodiment of the magnetic domain wall logic element,
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은The magnetic layer is
제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역; 및a first perpendicular magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region; and
상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역 사이에 위치하는 수평 자기 이방성 영역;a horizontal magnetic anisotropy region positioned between the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region;
을 포함하고,including,
상기 NOT소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 NOT 소자가 제공된다.The NOT element is provided with a NOT element characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
또한, 상기 자구벽 논리소자의 일 실시예로서In addition, as an embodiment of the magnetic domain wall logic element,
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은The magnetic layer is
제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역; 및a first horizontal magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region; and
상기 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역 사이에 위치하는 수직 자기 이방성 영역;a perpendicular magnetic anisotropy region positioned between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region;
을 포함하고,including,
상기 NOT소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 NOT 소자가 제공된다.The NOT element is provided with a NOT element characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
상기 자구벽 논리소자의 다른 일 실시예로서As another embodiment of the magnetic domain wall logic element,
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은 The magnetic layer is
자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region);magnetic symmetry breaking region;
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역;a first horizontal magnetic anisotropy region and a first perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region;
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역; 및a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수직 자기 이방성 영역;a third perpendicular magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region;
을 포함하고,including,
상기 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 논리소자가 제공된다.There is provided a logic element characterized in that the logic element is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
여기서, 상기 논리소자는 NAND 소자 또는 NOR 소자일 수 있다.Here, the logic device may be a NAND device or a NOR device.
상기 자구벽 논리소자의 다른 일 실시예로서As another embodiment of the magnetic domain wall logic element,
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은 The magnetic layer is
자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region);magnetic symmetry breaking region;
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제1 수평 자기 이방성 영역;a first perpendicular magnetic anisotropy region and a first horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region;
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역; 및a second perpendicular magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수평 자기 이방성 영역;a third horizontal magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region;
을 포함하고,including,
상기 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 논리소자가 제공된다.There is provided a logic element characterized in that the logic element is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention
상기 자구벽 논리소자 제조방법으로,In the magnetic domain wall logic device manufacturing method,
비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계;forming a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a complex structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer;
를 포함하는 자구벽 논리소자 제조방법이 제공된다.There is provided a method for manufacturing a magnetic domain wall logic device comprising:
상기 자구벽 논리소자 제조방법의 일 실시예로서As an embodiment of the method for manufacturing the magnetic domain wall logic device,
상기 NOT 소자 제조방법으로,In the NOT element manufacturing method,
비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계;forming a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a complex structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer;
를 포함하는 NOT 소자 제조방법이 제공된다.There is provided a NOT device manufacturing method comprising a.
또한, 상기 자구벽 논리소자 제조방법의 다른 일 실시예로서In addition, as another embodiment of the method for manufacturing the magnetic domain wall logic device,
상기 논리소자 제조방법으로,In the method of manufacturing the logic device,
비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 제3 수직 자기 이방성 영역, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역을 형성하는 단계; 및A third perpendicular magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a composite structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer, and a first horizontal magnetic anisotropy sequentially extending in a first direction from a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region forming a region and a first perpendicular magnetic anisotropy region, a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region; and
상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분에 자기장을 인가하여 자기 대칭성을 파괴함으로써 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계;forming a magnetic symmetry breaking region by breaking magnetic symmetry by applying a magnetic field to a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region;
를 포함하는 논리소자 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a logic device comprising a.
여기서 상기 논리소자는 NAND 소자 또는 NOR 소자일 수 있다.Here, the logic device may be a NAND device or a NOR device.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자구벽 논리소자는 자구벽 이동만으로 논리소자를 구현할 수 있으며, 전류 구동이 가능하고, 간단한 구조를 가진다는 이점이 있다. 또한 이러한 논리소자를 이용할 경우, 데이터 처리 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention has the advantage that the logic device can be implemented only by moving the domain wall, can be driven by current, and has a simple structure. In addition, when such a logic element is used, there is an effect of improving the data processing speed.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 논리소자를 모식적으로 나타낸 것이고,1a and 1b schematically show a logic device according to an embodiment of the present invention,
도 2는 수직 자기 이방성 및 수평 자기 이방성을 가지는 자성 물질을 나타낸 것이고,2 shows a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy and horizontal magnetic anisotropy;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성층 및 비자성층의 복합 구조에서의 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 모식적으로 나타낸 것이고,3 schematically shows the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in a composite structure of a magnetic layer and a non-magnetic layer according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역이 생성된 경우의 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용에 따른 자화 방향을 모식적으로 나타낸 것이고4 schematically shows the magnetization direction according to the Dzyaloshinskii-Moriya interaction when the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region are generated according to an embodiment of the present invention.
도 5는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 고려한 자화 방향의 안정 여부를 모식적으로 나타낸 것이고,5 schematically shows whether the magnetization direction is stable in consideration of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조에서, 비자성층의 면내 전류에 의하여 형성되는 스핀류를 모식적으로 나타낸 것이고,6 schematically shows a spin current formed by an in-plane current of a non-magnetic layer in a composite structure according to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조에서, 비자성층의 면내 전류에 의하여 형성되는 스핀류에 의한 자구벽의 이동을 모식적으로 나타낸 것이고,7 schematically shows the movement of the magnetic domain wall by the spin current formed by the in-plane current of the non-magnetic layer in the composite structure according to an embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 NOT 소자가 전산모사를 통하여 구현된 결과를 나타낸 것이고,8 shows the result of the NOT element according to an embodiment of the present invention implemented through computational simulation,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 NOT 소자의 작동 과정에서의 자화 방향의 변화를 모식적으로 나타낸 것이고,9 schematically shows a change in the magnetization direction in the operation process of the NOT element according to an embodiment of the present invention;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 NAND 소자 또는 NOT 소자를 모식적으로 나타낸 것이고,10 schematically shows a NAND device or a NOT device according to an embodiment of the present invention;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 NAND 소자 또는 NOT 소자의 전류 밀도 분포를 보여주는 것이고,11 shows a current density distribution of a NAND device or a NOT device according to an embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 NAND 소자가 전산모사를 통하여 구현된 결과를 나타낸 것이고,12 shows a result of implementing a NAND device according to an embodiment of the present invention through computational simulation;
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 NOR 소자가 전산모사를 통하여 구현된 결과를 나타낸 것이고,13 shows the results of the NOR device according to an embodiment of the present invention implemented through computational simulation,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 NAND 또는 NOR 소자에서 각 입력에서의 자화 방향에 따른 자기 대칭성 파괴 영역에서의 자화 방향을 나타낸 것이다.14 is a diagram illustrating a magnetization direction in a self-symmetry breakdown region according to a magnetization direction at each input in a NAND or NOR device according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 여러 변경을 가할 수 있으며 이에 따라 다양한 실시예가 나올 수 있는 바, 특정 실시예를 하단에 제시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and thus various embodiments can be made, specific embodiments will be presented below and described in detail.
또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서에서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.In addition, all terms in this specification that are not specifically defined may be used in a meaning that is understandable to all those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, it should be understood that the present invention is not intended to be limited only to the specific embodiments to be described below, and includes all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예일 뿐이다.Accordingly, there may be other equivalents and modifications to the embodiments described herein, and the embodiments presented herein are only the most preferred embodiments.
본 명세서에서 인접하다는 것은 접촉하고 있거나 사이에 다른 공간을 포함하고 있는 것을 모두 포함한다.Adjacent as used herein includes all that are in contact with or include another space therebetween.
본 발명의 일 측면에서In one aspect of the invention
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은The magnetic layer is
수직 자기 이방성 영역; 및perpendicular magnetic anisotropy region; and
상기 수직 자기 이방성 영역에 인접한 수평 자기 이방성 영역;a horizontal magnetic anisotropy region adjacent to the perpendicular magnetic anisotropy region;
을 포함하며,includes,
상기 자구벽 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자가 제공된다.The magnetic domain wall logic device is provided, characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자구벽 논리소자를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the magnetic domain wall logic element provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자구벽 논리소자는 비자성층을 포함한다.First, the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention includes a non-magnetic layer.
상기 비자성층은 비자성 금속 및 위상 절연체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The non-magnetic layer may include at least one selected from the group consisting of a non-magnetic metal and a topological insulator.
상기 비자성 금속은 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The non-magnetic metal may be, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), or gold (Au), but is not limited thereto.
상기 위상 절연체는 예를 들어, Bi 2Se 3, Bi 2Te 3 및 Ag 2Te 3 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The topological insulator may be, for example, Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 , and Ag 2 Te 3 , but is not limited thereto.
위상 절연체를 비자성층으로 사용하는 경우, 낮은 전류로도 강한 스핀 전류를 발생시킬 수 있어, 구동 임계 전류 밀도를 줄일 수 있다는 점에서 바람직하다.When the phase insulator is used as the nonmagnetic layer, a strong spin current can be generated even with a low current, which is preferable in that the driving threshold current density can be reduced.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자구벽 논리소자는 자성층을 포함한다.Next, the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention includes a magnetic layer.
상기 자성층은 비자성층 상에 형성될 수 있다.The magnetic layer may be formed on the non-magnetic layer.
바람직하게는 상기 자성층 및 비자성층은 접촉하여 나란히 연장될 수 있다.Preferably, the magnetic layer and the non-magnetic layer may extend side by side in contact with each other.
상기 자성층은 강자성체 및 페리자성체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The magnetic layer may include at least one selected from the group consisting of a ferromagnetic material and a ferrimagnetic material.
상기 강자성체는 금속 및 비금속, 도체 및 부도체를 모두 포함하며, 예를 들어, 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이들의 합금일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The ferromagnetic material includes both metals and non-metals, conductors and insulators, and may be, for example, cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), and alloys thereof, but is not limited thereto.
상기 페리자성체는 금속 및 비금속, 도체 및 부도체를 모두 포함하며, 예를 들어, TbCo, TbFe, GdCo, GdFe, GdFeCo, Fe 3O 4, YIG(Yttrium iron garnet), TmIG, TbIG 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The ferrimagnetic material includes both metals and non-metals, conductors and insulators, for example, TbCo, TbFe, GdCo, GdFe, GdFeCo, Fe 3 O 4 , YIG (Yttrium iron garnet), TmIG, TbIG, etc., but may be It is not limited.
상기 페리자성체를 사용할 경우, 낮은 자화로 인하여 임계전류밀도가 감소하고, 자화 동역학 속도가 각운동량 보상점에서 증가할 수 있으며, 이를 통하여 논리소자의 구동 시간을 줄일 수 있다는 점에서 바람직하다.When the ferrimagnetic material is used, it is preferable in that the critical current density is reduced due to low magnetization, the magnetization dynamic speed can be increased at the angular momentum compensation point, and thus the driving time of the logic device can be reduced.
상기 자성층의 두께는 0.1 nm 내지 10 nm일 수 있다. 바람직하게는 0.2 nm 내지 5 nm, 더욱 바람직하게는 0.3 nm 내지 3 nm일 수 있다.The thickness of the magnetic layer may be 0.1 nm to 10 nm. Preferably it may be 0.2 nm to 5 nm, more preferably 0.3 nm to 3 nm.
상기 자성층의 두께가 10 nm를 초과하는 경우, 스핀류에 의한 유효자기장의 크기가 비교적 작아 구동 임계 전류 밀도가 높을 수 있다는 문제점이 있으며, 상기 자성층의 두께가 0.1 nm인 경우 현실적으로 제작이 어렵다는 문제점이 있다.When the thickness of the magnetic layer exceeds 10 nm, there is a problem that the size of the effective magnetic field caused by the spin flow is relatively small and the driving threshold current density may be high. there is.
상기 자성층은 수직 자기 이방성 영역 및 상기 수직 자기 이방성 영역에 인접한 수평 자기 이방성 영역을 포함할 수 있다.The magnetic layer may include a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region adjacent to the perpendicular magnetic anisotropy region.
상기 수직 자기 이방성 영역은 수직 방향의 자기 이방성을 가지는 영역을 의미하며, 상기 수평 자기 이방성 영역은 수평 방향의 자기 이방성을 가지는 영역을 의미한다. 이를 도 2를 참조하여 이해할 수 있다.The perpendicular magnetic anisotropy region refers to a region having magnetic anisotropy in a vertical direction, and the horizontal magnetic anisotropy region refers to a region having magnetic anisotropy in a horizontal direction. This can be understood with reference to FIG. 2 .
상기 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역은 자성층의 면내 방향(in-plane)으로 인접하도록 배치될 수 있다.The perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may be disposed adjacent to each other in an in-plane direction of the magnetic layer.
바람직하게는 상기 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역은 서로 접해 있을 수 있다.Preferably, the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may be in contact with each other.
수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역의 개수는 각각 하나 이상일 수 있으나, 특정 개수로 한정되지 않는다.The number of the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may each be one or more, but is not limited to a specific number.
상기 자구벽 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동될 수 있다.The magnetic domain wall logic element may be operated by an in-plane current of the non-magnetic layer.
예를 들어, 정렬된 자화 방향과 반대 방향의 자화를 가진 자화 영역이 입력되는 경우, 그 경계에 자구벽이 생성될 수 있다.For example, when a magnetization region having a magnetization opposite to the aligned magnetization direction is input, a magnetic domain wall may be generated at the boundary thereof.
이러한 자구벽은 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 이동할 수 있다. 상기 면내 전류 및 자구벽 이동 방향은 평행 또는 반평행할 수 있다.Such a magnetic domain wall may move by an in-plane current of the non-magnetic layer. The in-plane current and the moving direction of the magnetic domain wall may be parallel or anti-parallel.
상기 비자성층과 자성층이 접합된 복합 구조에서 비자성층에 면내 방향의 전류가 흐르게 되면, 이러한 비자성층의 전도 전자가 자성층의 자화를 만들어 내는 전자들과 상호작용으로 각운동량을 서로 교환하게 된다.In the composite structure in which the non-magnetic layer and the magnetic layer are bonded, when an in-plane current flows through the non-magnetic layer, conduction electrons of the non-magnetic layer interact with electrons that generate magnetization of the magnetic layer to exchange angular momentum.
즉, 이러한 스핀 궤도 토크(Spin-Orbit Torque, SOT) 원리로 인하여 자구벽이 이동할 수 있다. 이를 도 6 및 도 7을 참조하여 이해할 수 있다.That is, the magnetic domain wall may move due to the spin-orbit torque (SOT) principle. This can be understood with reference to FIGS. 6 and 7 .
만약, 정렬된 방향과 동일한 방향의 자화 영역이 입력되는 경우, 별도의 자구벽이 형성되지는 않는 바, 자구벽 이동은 일어나지 않을 수는 있다. 다만, 이러한 경우에도 원하는 값이 출력 값으로 출력되는 바 논리소자로 작동되는 데에는 문제되지 않는다. If the magnetization region in the same direction as the aligned direction is input, a separate magnetic domain wall is not formed, and thus the magnetic domain wall may not move. However, even in this case, a desired value is output as an output value, so there is no problem in operating as a logic element.
또한, 상기 비자성층과 자성층이 접합된 복합 구조에서 쟈로신스키-모리야 상호작용(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, DMI)에 의하여 이웃한 스핀들은 특정 각도를 가지는 것이 에너지적으로 안정해질 수 있다.In addition, in the composite structure in which the non-magnetic layer and the magnetic layer are bonded, neighboring spindles having a specific angle may be energetically stable due to Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI).
이에 따라, 상기 자성층 내에 수직 자기 이방성 영역과 수평 자기 이방성 영역이 인접하여 있는 경우, 특정 방향으로의 자화가 에너지적으로 선호될 수 있다. 이를 도 3 내지 도 5를 참조하여 이해할 수 있다.Accordingly, when the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region are adjacent to each other in the magnetic layer, magnetization in a specific direction may be energetically favored. This can be understood with reference to FIGS. 3 to 5 .
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자구벽 논리소자는 산화물층을 더 포함할 수 있다.In addition, the magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention may further include an oxide layer.
상기 산화물층은 상기 자성층 상에 형성될 수 있다.The oxide layer may be formed on the magnetic layer.
상기 산화물층은 예를 들어, MgO, AlO x, SiO x 및 SiN으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.The oxide layer may be, for example, at least one selected from the group consisting of MgO, AlO x , SiO x and SiN, but is not limited thereto.
상기 자구벽 논리소자가 산화물층을 더 포함하는 경우 수직 자기이방성을 강화시키거나, 조절할 수 있다라는 점에서 바람직하다.When the magnetic domain wall logic element further includes an oxide layer, it is preferable in that the perpendicular magnetic anisotropy can be enhanced or controlled.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자구벽 논리소자는 예를 들어, NOT 소자, NOR 소자 또는 NAND 소자일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The magnetic domain wall logic device provided in one aspect of the present invention may be, for example, a NOT device, a NOR device, or a NAND device, but is not limited thereto.
상기 자구벽 논리소자의 일 실시예로서As an embodiment of the magnetic domain wall logic element,
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은The magnetic layer is
제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역; 및a first perpendicular magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region; and
상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역 사이에 위치하는 수평 자기 이방성 영역;a horizontal magnetic anisotropy region positioned between the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region;
을 포함하고,including,
상기 NOT소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 NOT 소자가 제공된다.The NOT element is provided with a NOT element characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
이하, 상기 NOT 소자를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the NOT element will be described in detail for each configuration.
본 발명의 일 실시예에 따른 NOT 소자는 비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함한다.A NOT device according to an embodiment of the present invention includes a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer.
상기 비자성층 및 자성층의 재료, 두께, 배열, 거동 등에 대하여 앞서 설명한 내용이 적용될 수 있으며, 이에 대하여는 중복하여 설명하지 않는다.The above-described contents may be applied to the material, thickness, arrangement, behavior, etc. of the non-magnetic layer and the magnetic layer, and this will not be repeated.
상기 자성층은 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역을 포함하며, 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역 사이에 수평 자기 이방성 영역을 포함한다.The magnetic layer includes a first perpendicular magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region, and a horizontal magnetic anisotropy region between the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region.
상기 제1 수직 자기 이방성 영역, 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역은 면내 방향으로 순차적으로 인접하도록 배치된 것일 수 있다.The first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be sequentially adjacent to each other in an in-plane direction.
즉, 제1 수직 자기 이방성 영역, 수평 자기 이방성 영역, 제2 수직 자기 이방성 영역 순으로 배열되게 된다.That is, the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are arranged in order.
바람직하게는 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역은 상기 수평 자기 이방성 영역과 접해 있을 수 있다.Preferably, the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be in contact with the horizontal magnetic anisotropy region.
상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역은 서로 반대 방향의 자화 방향을 가질 수 있다.The first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region may have magnetization directions opposite to each other.
즉, 앞서 설명한 바와 같이 이웃하는 영역의 스핀은 이웃한 스핀들은 특정 각도를 가지는 것이 에너지적으로 안정할 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 나열된 스핀들이 반시계 방향으로 회전하도록 배열된 형태인 경우 안정하다고 가정하면, 시계 방향으로 회전하도록 배열된 형태인 경우 불안정할 수 있다.That is, as described above, the spin of the neighboring region may be energetically stable if the neighboring spins have a specific angle. For example, if it is assumed that the spindles arranged from left to right as shown in FIG. 5 are stable when they are arranged to rotate in a counterclockwise direction, they may be unstable when they are arranged to rotate in a clockwise direction.
이러한 경우, 도 9에서와 같이 제1 수직 자기 이방성 영역, 수평 자기 이방성 영역, 제2 수직 자기 이방성 영역 순으로 인접하여 배열되었을 때, 제1 수직 자기 이방성 영역이 위 방향의 스핀을 갖는 경우, 수평 자기 이방성 영역은 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 갈수록 스핀들이 반시계 방향으로 회전하도록 배열될 수 있다. 이에 따라 제2 수직 자기 이방성 영역은 아래 방향의 자화 방향을 갖게 된다.In this case, when the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are arranged adjacent to each other in order as shown in FIG. 9, when the first perpendicular magnetic anisotropy region has an upward spin, horizontal The magnetic anisotropy region may be arranged such that the spindle rotates counterclockwise from left to right. Accordingly, the second perpendicular magnetic anisotropy region has a downward magnetization direction.
반면, 제1 수직 자기 이방성 영역이 아래 방향의 자화 방향을 갖는 경우, 수평 자기 이방성 영역은 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 갈수록 스핀들이 반시계 방향으로 회전하도록 배열되며, 이에 따라 제2 수직 자기 이방성 영역은 위 방향의 자화 방향을 갖게 된다.On the other hand, when the first perpendicular magnetic anisotropy region has a downward magnetization direction, the horizontal magnetic anisotropy region is arranged such that the spindle rotates counterclockwise from left to right, and accordingly, the second perpendicular magnetic anisotropy region is upward direction of magnetization.
이에 따라, 예를 들어 제1 수직 자기 이방성 영역으로 입력 값인 특정 방향의 자화 영역이 입력되는 경우, 제2 수직 자기 이방성 영역으로는 반대 방향의 자화 영역이 출력되게 되는 바, NOT 소자로 기능할 수 있다.Accordingly, for example, when a magnetization region in a specific direction, which is an input value, is input to the first perpendicular magnetic anisotropy region, a magnetization region in the opposite direction is output to the second perpendicular magnetic anisotropy region, which can function as a NOT element. there is.
상기 수평 자기 이방성 영역의 길이는 하기 수학식 1을 만족하는 값일 수 있으며, 자성체의 교환 결합 강도와 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용의 크기에 따라 달라질 수 있다. 보다 상세하게는 10 nm 내지 10 ㎛일 수 있다.The length of the horizontal magnetic anisotropy region may be a value satisfying Equation 1 below, and may vary depending on the exchange bonding strength of the magnetic material and the magnitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. More specifically, it may be 10 nm to 10 μm.
<수학식 1><Equation 1>
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000001
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000001
이 때, l π는 수평 자기 이방성 영역의 길이, A는 exchange stiffness, D는 DMI strength 이다.Here, l π is the length of the horizontal magnetic anisotropy region, A is the exchange stiffness, and D is the DMI strength.
즉, 스핀 배열의 미소구조에 많은 상호작용들이 영향을 주는데, 그 중 Heisenberg type의 교환 상호작용은 인접한 두 스핀이 0도의 각도를 가지고 있을 때 낮은 에너지를 가지고, DMI는 인접한 두 스핀이 90도의 각도를 가질 때 낮은 에너지를 가진다는 것이 알려져 있으므로, 두 상호작용을 동시에 고려해주면, 180도로 꼬여있는 스핀 배열이 안정할 수 있는 수평 자기이방성 영역의 길이를 상기 수학식 1과 같이 유추할 수 있다.That is, many interactions affect the microstructure of the spin arrangement. Among them, the Heisenberg type exchange interaction has low energy when two adjacent spins have an angle of 0 degrees, and DMI shows that two adjacent spins have an angle of 90 degrees. Since it is known that it has low energy when it has , if both interactions are taken into account at the same time, the length of the horizontal magnetic anisotropy region in which the spin arrangement twisted by 180 degrees can be stable can be inferred as in Equation 1 above.
상기 NOT 소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동될 수 있다.The NOT element may be operated by an in-plane current of the non-magnetic layer.
예를 들어, 상기 NOT 소자에 정렬된 방향과 반대 방향의 자화 영역이 입력되는 경우, 그 경계에 자구벽이 생성될 수 있다.For example, when a magnetization region opposite to the aligned direction is input to the NOT element, a magnetic domain wall may be generated at the boundary.
이러한 자구벽은 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 이동할 수 있다. 상기 면내 전류 및 자구벽 이동 방향은 평행 또는 반평행할 수 있다.Such a magnetic domain wall may move by an in-plane current of the non-magnetic layer. The in-plane current and the moving direction of the magnetic domain wall may be parallel or anti-parallel.
만약, 정렬된 방향과 동일한 방향의 자화 영역이 입력되는 경우, 별도의 자구벽이 형성되지는 않는 바, 자구벽 이동은 일어나지 않을 수는 있다. 다만, 이러한 경우에도 원하는 값이 출력 값으로 출력되는 바 NOT 소자로 작동되는 데에는 문제되지 않는다.If the magnetization region in the same direction as the aligned direction is input, a separate magnetic domain wall is not formed, and thus the magnetic domain wall may not move. However, even in this case, since a desired value is output as an output value, there is no problem in operating as a NOT element.
상기 NOT 소자에서 제1 수직 자기 이방성 영역이 입력단자일 수 있으며, 제2 수직 자기 이방성 영역이 출력단자일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In the NOT element, the first perpendicular magnetic anisotropy region may be an input terminal, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be an output terminal, but is not limited thereto.
상기 자구벽 논리소자의 일 실시예로서 NOT 소자는 또한, 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역; 및 상기 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역 사이에 위치하는 수직 자기 이방성 영역;을 자성층에 포함할 수 있다.As an embodiment of the magnetic domain wall logic element, the NOT element may further include a first horizontal magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region; and a perpendicular magnetic anisotropy region positioned between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region.
이 경우, 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역이 각각 입력단자 및 출력단자일 수 있다.In this case, the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be an input terminal and an output terminal, respectively.
다만, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역 사이에 제1 수평 자기 이방성 영역이 위치하고, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 각각 입력단자 및 출력단자인 경우, 소자 직접도 측면에서 보다 바람직할 수 있다.However, when the first horizontal magnetic anisotropy region is positioned between the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region, and the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are input terminals and output terminals, respectively, the device It may be more preferable in terms of directness.
보다 상세하게는 수직 자기 이방성은 보통 그 크기가 수평 자기 이방성에 비해 크며, 이 크기는 자구벽의 두께에 영향을 주게 되는데, 이방성의 크기가 클수록 자구벽 두께가 줄어드는 경향성이 있다. 따라서 상술한 바와 같이 제1 수직 자기 이방성 영역-제1 수평 자기 이방성 영역-제2 수직 자기 이방성 영역과 같이 배치된 자성층의 구조가 소자 집적도 측면에서 더 유리할 수 있다.In more detail, the normal magnetic anisotropy is usually larger than the horizontal magnetic anisotropy, and this size affects the thickness of the magnetic domain wall. As the anisotropy increases, the magnetic domain wall thickness tends to decrease. Accordingly, as described above, the structure of the magnetic layer disposed as the first perpendicular magnetic anisotropy region, the first horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be more advantageous in terms of device integration.
상기 자구벽 논리소자의 다른 일 실시예로서As another embodiment of the magnetic domain wall logic element,
비자성층; 및non-magnetic layer; and
상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
상기 자성층은 The magnetic layer is
자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region);magnetic symmetry breaking region;
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역;a first horizontal magnetic anisotropy region and a first perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region;
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역; 및a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and
상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수직 자기 이방성 영역;a third perpendicular magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region;
을 포함하고,including,
상기 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 논리소자가 제공된다.There is provided a logic element characterized in that the logic element is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
이하, 상기 논리소자를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the logic element will be described in detail for each configuration.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 논리소자는 비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함한다.A logic device according to another embodiment of the present invention includes a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer.
상기 비자성층 및 자성층의 재료, 두께, 배열, 거동 등에 대하여 앞서 설명한 내용이 적용될 수 있으며, 이에 대하여는 중복하여 설명하지 않는다.The above-described contents may be applied to the material, thickness, arrangement, behavior, etc. of the non-magnetic layer and the magnetic layer, and this will not be repeated.
상기 자성층은 자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region)을 포함한다.The magnetic layer includes a magnetic symmetry breaking region.
상기 자성층은 상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역을 포함한다.The magnetic layer includes a first horizontal magnetic anisotropy region and a first perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region.
또한, 상기 자성층은 상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역을 포함한다.In addition, the magnetic layer includes a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region.
또한, 상기 자성층은 상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수직 자기 이방성 영역을 포함한다.In addition, the magnetic layer includes a third perpendicular magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region.
상기 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향은 직선 또는 곡선일 수 있으며, 직선 또는 곡선이 꺾인 형태일 수도 있다.The first direction, the second direction, and the third direction may be a straight line or a curved line, and may be a straight line or a curved shape.
상기 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향은 모두 자성층의 면내 방향일 수 있다.The first direction, the second direction, and the third direction may all be in-plane directions of the magnetic layer.
이에 대하여는 도 10을 참조하여 이해할 수 있다.This can be understood with reference to FIG. 10 .
상기 논리소자는 도 10과 같은 T형, Y형 등일 수 있으나 특정 형태로 제한되지 않는다.The logic element may be a T-type, a Y-type, etc. as shown in FIG. 10, but is not limited to a specific form.
상기 제1 수평 자기 이방성 영역, 제2 수평 자기 이방성 영역, 제3 수직 자기 이방성 영역은 상기 자기 대칭성 파괴 영역과 인접해 있을 수 있다. 바람직하게는 접해 있을 수 있다.The first horizontal magnetic anisotropy region, the second horizontal magnetic anisotropy region, and the third perpendicular magnetic anisotropy region may be adjacent to the magnetic symmetry breaking region. Preferably, it may be in contact.
상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제1 수평 자기 이방성 영역은 서로 인접해 있을 수 있다. 바람직하게는 접해 있을 수 있다.The first perpendicular magnetic anisotropy region and the first horizontal magnetic anisotropy region may be adjacent to each other. Preferably, it may be in contact.
상기 제2 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역은 서로 인접해 있을 수 있다. 바람직하게는 접해 있을 수 있다.The second perpendicular magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be adjacent to each other. Preferably, it may be in contact.
상기 자기 대칭성 영역은 별도의 자기장이 인가되어 자기 대칭성이 파괴될 수 있다.A separate magnetic field may be applied to the magnetic symmetry region to destroy the magnetic symmetry.
여기서 자기 대칭성이란, 상술한 바와 같이 제1 수직 자기 이방성 영역, 수평 자기 이방성 영역, 제2 수직 자기 이방성 영역이 차례로 위치하는 경우, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역은 서로 반대 방향의 자화 방향을 갖는 것을 의미한다.Here, the magnetic symmetry means, as described above, when the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are sequentially positioned, the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite to each other means having a magnetization direction of
도 10에서와 같이 제1 수직 자기 이방성 영역, 제1 수평 자기 이방성 영역, 제2 수직 자기 이방성 영역, 제2 수평 자기 이방성 영역이 존재하는 경우, 만약 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향이 반대라면, 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역 사이 영역의 자화 방향은 자기 대칭성에 의하여 결정될 수 없다(도 14 참조).As shown in FIG. 10 , when the first perpendicular magnetic anisotropy region, the first horizontal magnetic anisotropy region, the second perpendicular magnetic anisotropy region, and the second horizontal magnetic anisotropy region exist, if the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region exist If the magnetization directions of the regions are opposite, the magnetization directions of the region between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region cannot be determined by magnetic symmetry (see FIG. 14 ).
따라서, 이러한 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역 사이 영역에 별도의 자기장을 인가함으로써 이러한 자기 대칭성을 파괴함으로써, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향이 반대인 경우에 특정 방향으로 자화 방향이 정렬되도록 유도될 수 있다.Therefore, by applying a separate magnetic field to the region between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region to destroy this magnetic symmetry, the magnetization directions of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite In the case of , the magnetization direction may be induced to be aligned in a specific direction.
상기 논리소자는 NAND 소자 또는 NOR 소자일 수 있다. 상기 논리소자의 종류는 앞서 설명한 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기 또는 방향에 따라 달라질 수 있다.The logic device may be a NAND device or a NOR device. The type of the logic element may vary depending on the strength or direction of the magnetic field applied to the self-symmetry breakdown region described above.
예를 들어, 위 방향의 자화 영역을 1이라고 가정한다면, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향이 반대일 때, 자기 대칭성 파괴 영역의 자화가 위 방향으로 정렬되는 경우, NAND 소자로 기능할 수 있다.For example, assuming that the magnetization region in the upward direction is 1, when the magnetization directions of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite, the magnetization of the magnetic symmetry breaking region is aligned in the upward direction, It can function as a NAND device.
반면, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향이 반대일 때, 자기 대칭성 파괴 영역의 자화가 아래 방향으로 정렬되는 경우, NOR 소자로 기능할 수 있다.On the other hand, when the magnetization directions of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are opposite and the magnetization of the magnetic symmetry breaking region is aligned downward, it may function as a NOR element.
상기 자기 대칭성 파괴 영역에 별도의 자기장이 인가되지 않는다고 가정하면, 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 다른 자화 방향을 가지는 경우, 상기 자기 대칭성 파괴 영역에서는 제1 수직 자기 이방성 영역의 자화가 위 방향, 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화가 아래 방향인 경우(제1 예) 및 제1 수직 자기 이방성 영역의 자화가 아래 방향, 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화가 위 방향인 경우(제2 예) 각각 다른 방향 자화 방향을 갖게 된다.Assuming that no separate magnetic field is applied to the magnetic symmetry breaking region, when the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have different magnetization directions, in the magnetic symmetry breaking region, the first perpendicular magnetic anisotropy region When the magnetization of is in the upward direction, the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction (first example), and when the magnetization of the first perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction and the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the upward direction (Example 2) Each has a different direction of magnetization.
따라서, NAND 소자 또는 NOR 소자로 작동하기 위하여는 상기 제1 예 및 제2예 에서 자기 대칭성 파괴 영역의 자화 방향이 특정 방향으로 고정되어야 하므로, 실제로 상기 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기는 상기 제1 예 및 제2 예에서의 자기 대칭성 파괴 영역의 자화 방향이 서로 동일하도록 만들 수 있는 자기장의 세기 이상이어야 한다.Therefore, in order to operate as a NAND device or a NOR device, the magnetization direction of the self-symmetry breaking region in the first and second examples must be fixed in a specific direction, so the strength of the magnetic field actually applied to the self-symmetrical breaking region is The strength of the magnetic field that can make the magnetization directions of the magnetic symmetry breaking regions in the first example and the second example the same as each other must be greater than or equal to the strength of the magnetic field.
상기 자기 대칭성 파괴 영역에 별도의 자기장이 인가되지 않는다고 가정하면, 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 같은 자화 방향을 가지는 경우, 상기 자기 대칭성 파괴 영역은 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향과 반대되는 자화 방향을 갖게 된다.Assuming that no separate magnetic field is applied to the magnetic symmetry breaking region, when the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have the same magnetization direction, the magnetic symmetry breaking region is the first perpendicular magnetic anisotropy It has a magnetization direction opposite to the magnetization direction of the region and the second perpendicular magnetic anisotropy region.
따라서, NAND 또는 NOR 소자로 작동하기 위하여는 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 같은 자화 방향을 가지는 경우, 자기 대칭성 파괴 영역이 자기장이 인가되지 않은 경우와 동일하게 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향과 반대되는 자화 방향을 가져야 하므로, 실제로 상기 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기는 상기와 같이 자기장이 인가되지 않았을 때의 자기 대칭성 파괴 영역의 자화 방향을 바꿀 수 있는 자기장의 세기 보다는 작아야 한다.Therefore, in order to operate as a NAND or NOR device, when the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have the same magnetization direction, the magnetic symmetry breaking region is first perpendicular to the same as when no magnetic field is applied. Since the magnetization direction must be opposite to the magnetization direction of the magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region, the strength of the magnetic field actually applied to the magnetic symmetry breaking region is the same as that of the magnetic symmetry breaking region when no magnetic field is applied as described above. It must be less than the strength of the magnetic field that can change the direction of magnetization.
보다 상세하게는, 상기 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기는 하기 수학식 2를 만족하는 값 이하일 수 있으며, 이 값은 자성체의 교환 결합 강도 및 포화 자화값(saturation magnetization)에 따라 1 T 이하의 값을 가질 수 있다.More specifically, the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region may be less than or equal to a value satisfying Equation 2 below, and this value may be less than or equal to 1 T depending on the exchange coupling strength and saturation magnetization of the magnetic material. can have a value of
<수학식 2><Equation 2>
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000002
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000002
여기서, H C는 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기의 상한 값, M s는 포화 자화 값, A는 exchange stiffness, D는 DMI strength를 의미한다.Here, H C is the upper limit value of the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region, M s is the saturation magnetization value, A is the exchange stiffness, and D is the DMI strength.
상기 논리소자에서 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 입력단자일 수 있으며, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역이 출력단자일 수 있다.In the logic device, the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be an input terminal, and the third perpendicular magnetic anisotropy region may be an output terminal.
상기 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역의 길이는 상기 수학식 1을 만족하는 값일 수 있으며, 자성체의 교환 결합 강도와 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용의 크기에 따라 달라질 수 있다. 보다 상세하게는 10 nm 내지 10 ㎛일 수 있다.The length of the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be a value satisfying Equation 1, and may vary depending on the exchange coupling strength of the magnetic material and the magnitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. More specifically, it may be 10 nm to 10 μm.
상기 논리소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동될 수 있다.The logic element may be operated by an in-plane current of the non-magnetic layer.
예를 들어, 상기 논리소자에 정렬된 자화 방향과 반대 방향의 자화 영역이 입력되는 경우, 그 경계에 자구벽이 생성될 수 있다.For example, when a magnetization region opposite to a magnetization direction aligned with the logic element is input, a magnetic domain wall may be formed at the boundary thereof.
이러한 자구벽은 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 이동할 수 있다. 상기 면내 전류 및 자구벽 이동 방향은 평행 또는 반평행할 수 있다.Such a magnetic domain wall may move by an in-plane current of the non-magnetic layer. The in-plane current and the moving direction of the magnetic domain wall may be parallel or anti-parallel.
상기 면내 전류는 상기 제1 방향과 평행 또는 반평행한 제1 전류, 상기 제2 방향과 평행 또는 반평행한 제2 전류 및 상기 제3 방향과 평행 또는 반평행한 제3 전류를 포함할 수 있다.The in-plane current may include a first current parallel or anti-parallel to the first direction, a second current parallel or anti-parallel to the second direction, and a third current parallel or anti-parallel to the third direction. .
예를 들어, 제1 면내 전류에 따라 자구벽이 제1 수직 자기 이방성 영역에서 자기 대칭성 파괴 영역 방향으로, 제2 면내 전류에 따라 자구벽이 제2 수직 자기 이방성 영역에서 자기 대칭성 파괴 영역 방향으로, 제3 면내 전류에 따라 자구벽이 자기 대칭성 파괴 영역에서 제3 수직 자기 이방성 영역으로 이동할 수 있다.For example, according to the first in-plane current, the magnetic domain wall moves from the first perpendicular magnetic anisotropy region to the magnetic symmetry breaking region, and according to the second in-plane current, the magnetic domain wall moves from the second perpendicular magnetic anisotropy region to the magnetic symmetry breaking region. The magnetic domain wall may move from the magnetic symmetry breaking region to the third perpendicular magnetic anisotropy region according to the third in-plane current.
이와 같은 면내 전류 방향 및 이에 따른 자구벽의 이동 방향은 자성층 및 비자성층의 종류, 두께 등에 따라 달라질 수 있다.The direction of the in-plane current and thus the movement direction of the magnetic domain wall may vary depending on the type and thickness of the magnetic layer and the non-magnetic layer.
만약, 정렬된 방향과 동일한 방향의 자화 영역이 입력되는 경우, 별도의 자구벽이 형성되지는 않는 바, 자구벽 이동은 일어나지 않을 수는 있다. 다만, 이러한 경우에도 원하는 값이 출력 값으로 출력되는 바 논리소자로 작동되는 데에는 문제되지 않는다.If the magnetization region in the same direction as the aligned direction is input, a separate magnetic domain wall is not formed, and thus the magnetic domain wall may not move. However, even in this case, a desired value is output as an output value, so there is no problem in operating as a logic element.
상기 자구벽 논리소자의 다른 일 실시예로서의 논리소자는 또한, 수평 자기 이방성 영역 및 수직 자기 이방성 영역이 서로 뒤바뀔 수 있다.In a logic element as another embodiment of the magnetic domain wall logic element, the horizontal magnetic anisotropy region and the vertical magnetic anisotropy region may be reversed.
즉, 상기 자성층은 자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region); 상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제1 수평 자기 이방성 영역; 상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역; 및 상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수평 자기 이방성 영역;을 포함할 수 있다.That is, the magnetic layer may include a magnetic symmetry breaking region; a first perpendicular magnetic anisotropy region and a first horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region; a second perpendicular magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and a third horizontal magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region.
이 경우, 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역이 입력단자, 상기 제3 수평 자기 이방성 영역이 출력단자일 수 있다. In this case, the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region may be an input terminal, and the third horizontal magnetic anisotropy region may be an output terminal.
다만, 입력 및 출력단자가 모두 수직 자기 이방성 영역이고, 그 사이에 수평 자기 이방성 영역이 위치하는 경우, 소자 직접도 측면에서 보다 바람직할 수 있다.However, when both the input and output terminals are vertical magnetic anisotropy regions and a horizontal magnetic anisotropy region is positioned between them, it may be more preferable in terms of device directivity.
보다 상세하게는 수직 자기 이방성은 보통 그 크기가 수평 자기 이방성에 비해 크며, 이 크기는 자구벽의 두께에 영향을 주게 되는데, 이방성의 크기가 클수록 자구벽 두께가 줄어드는 경향성이 있다. 따라서 상술한 바와 같이 제1 수직 자기 이방성 영역-제1 수평 자기 이방성 영역-제2 수직 자기 이방성 영역과 같이 배치된 자성층의 구조가 소자 집적도 측면에서 더 유리할 수 있다.In more detail, the normal magnetic anisotropy is usually larger than the horizontal magnetic anisotropy, and this size affects the thickness of the magnetic domain wall. As the anisotropy increases, the magnetic domain wall thickness tends to decrease. Accordingly, as described above, the structure of the magnetic layer disposed as the first perpendicular magnetic anisotropy region, the first horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be more advantageous in terms of device integration.
본 발명의 다른 측면에서In another aspect of the invention
상기 자구벽 논리소자 제조방법으로,In the magnetic domain wall logic device manufacturing method,
비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계;forming a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a complex structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer;
를 포함하는 자구벽 논리소자 제조방법이 제공된다.There is provided a method for manufacturing a magnetic domain wall logic device comprising:
상기 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계는 이온조사 및 리소그래피를 통하여 수행될 수 있다.The forming of the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region may be performed through ion irradiation and lithography.
보다 구체적으로 자기 이방성 영역을 형성하고자 하는 물질에 레지스트(resist)를 코팅하는 단계, 자기 이방성을 제어하고자 하는 특정 영역에 리소그래피를 수행하는 단계 및 상기 물질 전체에 이온조사 하는 단계를 포함할 수 있다.More specifically, the method may include coating a resist on a material to form a magnetic anisotropy region, performing lithography on a specific region to control magnetic anisotropy, and ion-irradiating the entire material.
상기 리소그래피를 수행하는 단계에서, 특정 영역에 리소그래피를 수행하여, 레지스트를 제거할 수 있다.In the step of performing the lithography, the resist may be removed by performing lithography on a specific area.
이후 이온조사 하는 단계에서, 리소그래피가 수행되지 않은 영역에는 레지스트가 남아 있어 이온조사를 하여도 영향이 없지만, 리소그래피가 수행된 영역에서는 레지스트가 없어 해당 영역의 자기 이방성이 변화할 수 있다.In the subsequent ion irradiation step, the resist remains in the area where lithography is not performed, so even if the ion irradiation is performed, there is no resist in the area on which the lithography is performed, so the magnetic anisotropy of the area may change.
상기 자구벽 논리소자 제조방법의 일 실시예로서As an embodiment of the method for manufacturing the magnetic domain wall logic device,
상기 NOT 소자 제조방법으로,In the NOT element manufacturing method,
비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계;forming a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a complex structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer;
를 포함하는 NOT 소자 제조방법이 제공된다.There is provided a NOT device manufacturing method comprising a.
또한, 상기 자구벽 논리소자 제조방법의 다른 일 실시예로서In addition, as another embodiment of the method for manufacturing the magnetic domain wall logic device,
상기 논리소자 제조방법으로,In the method of manufacturing the logic device,
비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 제3 수직 자기 이방성 영역, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역을 형성하는 단계; 및A third perpendicular magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a composite structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer, and a first horizontal magnetic anisotropy sequentially extending in a first direction from a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region forming a region and a first perpendicular magnetic anisotropy region, a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region; and
상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분에 자기장을 인가하여 자기 대칭성을 파괴함으로써 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계;forming a magnetic symmetry breaking region by breaking magnetic symmetry by applying a magnetic field to a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region;
를 포함하는 논리소자 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a logic device comprising a.
상기 논리소자는 NAND 소자 또는 NOR 소자일 수 있다.The logic device may be a NAND device or a NOR device.
상기 제1 부분은 자기장이 인가됨으로써 자기 대칭성이 파괴될 수 있다.The magnetic symmetry of the first portion may be destroyed by the application of a magnetic field.
상기 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계는 상기 제1 부분에 별도의 자성층을 증착하여 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) 상호작용을 유도하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 자성층은 경자성(hard magnetic)층일 수 있다.The forming of the magnetic symmetry breaking region may be performed by depositing a separate magnetic layer on the first portion to induce a Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction. The magnetic layer may be a hard magnetic layer.
상기 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계는 상기 논리소자 근처에 자성 구조를 형성하여 표유 자기장(Stray magnetic field)을 유도하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 자성 구조는 기둥 구조일 수 있다.The forming of the magnetic symmetry breaking region may be performed by forming a magnetic structure near the logic element to induce a stray magnetic field. The magnetic structure may be a column structure.
상기 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계는 반강자성체를 추가 증착하여 교환 바이어스를 유도하는 방법으로 수행될 수 있다.The forming of the magnetic symmetry breaking region may be performed by additionally depositing an antiferromagnetic material to induce an exchange bias.
상기 자기 대칭성 파괴 영역에 별도의 자기장이 인가되지 않는다고 가정하면, 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 다른 자화 방향을 가지는 경우, 상기 자기 대칭성 파괴 영역에서는 제1 수직 자기 이방성 영역의 자화가 위 방향, 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화가 아래 방향인 경우(제1 예) 및 제1 수직 자기 이방성 영역의 자화가 아래 방향, 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화가 위 방향인 경우(제2 예) 각각 다른 방향 자화 방향을 갖게 된다.Assuming that no separate magnetic field is applied to the magnetic symmetry breaking region, when the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have different magnetization directions, in the magnetic symmetry breaking region, the first perpendicular magnetic anisotropy region When the magnetization of is in the upward direction, the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction (first example), and when the magnetization of the first perpendicular magnetic anisotropy region is in the downward direction and the magnetization of the second perpendicular magnetic anisotropy region is in the upward direction (Example 2) Each has a different direction of magnetization.
따라서, NAND 소자 또는 NOR 소자로 작동하기 위하여는 상기 제1 예 및 제2예 에서 자기 대칭성 파괴 영역의 자화 방향이 특정 방향으로 고정되어야 하므로, 실제로 상기 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기는 상기 제1 예 및 제2 예에서의 자기 대칭성 파괴 영역의 자화 방향이 서로 동일하도록 만들 수 있는 자기장의 세기 이상이어야 한다.Therefore, in order to operate as a NAND device or a NOR device, the magnetization direction of the self-symmetry breaking region in the first and second examples must be fixed in a specific direction, so the strength of the magnetic field actually applied to the self-symmetrical breaking region is The strength of the magnetic field that can make the magnetization directions of the magnetic symmetry breaking regions in the first example and the second example the same as each other must be greater than or equal to the strength of the magnetic field.
상기 자기 대칭성 파괴 영역에 별도의 자기장이 인가되지 않는다고 가정하면, 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 같은 자화 방향을 가지는 경우, 상기 자기 대칭성 파괴 영역은 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향과 반대되는 자화 방향을 갖게 된다.Assuming that no separate magnetic field is applied to the magnetic symmetry breaking region, when the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have the same magnetization direction, the magnetic symmetry breaking region is the first perpendicular magnetic anisotropy It has a magnetization direction opposite to the magnetization direction of the region and the second perpendicular magnetic anisotropy region.
따라서, NAND 또는 NOR 소자로 작동하기 위하여는 상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 같은 자화 방향을 가지는 경우, 자기 대칭성 파괴 영역이 자기장이 인가되지 않은 경우와 동일하게 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화 방향과 반대되는 자화 방향을 가져야 하므로, 실제로 상기 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기는 상기와 같이 자기장이 인가되지 않았을 때의 자기 대칭성 파괴 영역의 자화 방향을 바꿀 수 있는 자기장의 세기 보다는 작아야 한다.Therefore, in order to operate as a NAND or NOR device, when the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have the same magnetization direction, the magnetic symmetry breaking region is first perpendicular to the same as when no magnetic field is applied. Since the magnetization direction must be opposite to the magnetization direction of the magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region, the strength of the magnetic field actually applied to the magnetic symmetry breaking region is the same as that of the magnetic symmetry breaking region when no magnetic field is applied as described above. It must be less than the strength of the magnetic field that can change the direction of magnetization.
보다 상세하게는, 상기 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기는 하기 수학식 2를 만족하는 값 이하일 수 있으며, 이 값은 자성체의 교환 결합 강도 및 포화 자화값(saturation magnetization)에 따라 1 T 이하의 값을 가질 수 있다.More specifically, the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region may be less than or equal to a value satisfying Equation 2 below, and this value may be less than or equal to 1 T depending on the exchange coupling strength and saturation magnetization of the magnetic material. can have a value of
<수학식 2><Equation 2>
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000003
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여기서, H C는 자기 대칭성 파괴 영역에 인가되는 자기장의 세기의 상한 값, M s는 포화 자화 값, A는 exchange stiffness, D는 DMI strength를 의미한다.Here, H C is the upper limit value of the strength of the magnetic field applied to the magnetic symmetry breaking region, M s is the saturation magnetization value, A is the exchange stiffness, and D is the DMI strength.
앞서 설명한 바와 같이 자기장의 세기 또는 방향에 따라 NAND 소자 또는 NOR 소자로 기능할 수 있다.As described above, it may function as a NAND device or a NOR device depending on the strength or direction of the magnetic field.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples. The scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be construed by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
<실시예 1> NOT 소자 구동<Example 1> Driving NOT element
NOT 소자의 개형은 도 1a와 같다. 즉, 제1 수직 자기 이방성 영역, 수평 자기 이방성 영역, 제2 수직 자기 이방성 영역이 일자 형태로 순차적으로 배열된 형태일 수 있다.The shape of the NOT element is shown in FIG. 1A. That is, the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region may be sequentially arranged in a straight line.
비자성층으로 Pt, 자성층으로 Co, 산화물층으로 MgO가 적층된 복합 구조를 가지며, 전체 영역의 크기는 500 nm × 50 nm × 1 nm 일 수 있다.It has a composite structure in which Pt as the non-magnetic layer, Co as the magnetic layer, and MgO as the oxide layer are stacked, and the size of the entire region may be 500 nm × 50 nm × 1 nm.
상기 수평 자기 이방성 영역의 길이는 하기 수학식 1을 만족하는 값일 수 있다.The length of the horizontal magnetic anisotropy region may be a value satisfying Equation 1 below.
<수학식 1><Equation 1>
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이 때, l π는 수평 자기 이방성 영역의 길이, A는 exchange stiffness, D는 DMI strength 이다.Here, l π is the length of the horizontal magnetic anisotropy region, A is the exchange stiffness, and D is the DMI strength.
즉, 스핀 배열의 미소구조에 많은 상호작용들이 영향을 주는데, 그 중 Heisenberg type의 교환 상호작용은 인접한 두 스핀이 0도의 각도를 가지고 있을 때 낮은 에너지를 가지고, DMI는 인접한 두 스핀이 90도의 각도를 가질 때 낮은 에너지를 가진다는 것이 알려져 있으므로, 두 상호작용을 동시에 고려해주면, 180도로 꼬여있는 스핀 배열이 안정할 수 있는 수평 자기이방성 영역의 길이를 상기 수학식 1과 같이 유추할 수 있다.That is, many interactions affect the microstructure of the spin arrangement. Among them, the Heisenberg type exchange interaction has low energy when two adjacent spins have an angle of 0 degrees, and DMI shows that two adjacent spins have an angle of 90 degrees. Since it is known that it has low energy when it has , if both interactions are taken into account at the same time, the length of the horizontal magnetic anisotropy region in which the spin arrangement twisted by 180 degrees can be stable can be inferred as in Equation 1 above.
본 실시예에서 A = 1.3 ×10 -11 J/m 이고, D = 1.6 ×10 -3 J/m 2으로 설정하였으며, 이에 따라 수평 자기 이방성 영역의 길이는 약 50 nm로 설정되었다.In this embodiment, A = 1.3 × 10 -11 J/m and D = 1.6 × 10 -3 J/m 2 , and thus the length of the horizontal magnetic anisotropy region was set to about 50 nm.
이를 토대로 전산모사를 하였으며, 전산모사에 이용한 란다우-립시츠-길버트 방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert equation)은 아래 수학식 3 및 수학식 4와 같다.Based on this, computational simulation was performed, and the Landau-Lifshitz-Gilbert equation used in the computational simulation is as shown in Equations 3 and 4 below.
<수학식 3><Equation 3>
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000005
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<수학식 4><Equation 4>
Figure PCTKR2020006967-appb-img-000006
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이 때 m은 단위 자화 벡터, H eff는 유효 자기장, α는 감쇠 상수, θ sh은 스핀 홀 각도, j는 전류 밀도 크기, t는 자성층 두께, M s는 포화 자화, σ은 주입 스핀 방향, A ex는 exchange stiffness, D는 DMI strength, K u는 anisotropy strength, H demag은 demagnetization field 이며, H ext은 외부 자기장이다.where m is the unit magnetization vector, H eff is the effective magnetic field, α is the damping constant, θ sh is the spin Hall angle, j is the current density magnitude, t is the magnetic layer thickness, M s is the saturation magnetization, σ is the injection spin direction, A ex is the exchange stiffness, D is the DMI strength, K u is the anisotropy strength, H demag is the demagnetization field, and H ext is the external magnetic field.
본 실시예에서, M s = 5.6 ×10 5 A/m, A = 1.3 ×10 -11 J/m, D = 1.6 ×10 -3 J/m 2, α = 0.3, θ sh = 0.1, j = 1.0 ×10 12 A/m 2, 제1 수직 자기 이방성 영역의 K u = 5.5 × 10 5 J/m 2, 제2 수직 자기 이방성 영역의 K u = 3.0 × 10 5 J/m 2, 수평 자기 이방성 영역의 K u = 0 이다.In this embodiment, M s = 5.6 × 10 5 A/m, A = 1.3 × 10 -11 J/m, D = 1.6 × 10 -3 J/m 2 , α = 0.3, θ sh = 0.1, j = 1.0 × 10 12 A/m 2 , K u in the first perpendicular magnetic anisotropy region = 5.5 × 10 5 J/m 2 , K u in the second perpendicular magnetic anisotropy region = 3.0 × 10 5 J/m 2 , horizontal magnetic anisotropy The area K u = 0.
이에 따른 결과를 도 8에 나타내었다.The results according to this are shown in FIG. 8 .
위 방향의 자화가 붉은 영역, 아래 방향의 자화가 푸른 영역에 대응되는데, 제1 수직 자기 이방성 영역의 입력 값을 위 방향의 자화에서 아래 방향의 자화로 변경하는 경우, 제1 자기 이방성 영역 내에 아래 방향 자화와 위 방향 자화의 자구벽이 형성되게 되며, 비자성층의 면내 전류에 의하여 이러한 자구벽은 수평 자기 이방성 영역 측으로 점점 이동하게 된다.The upward magnetization corresponds to the red region and the downward magnetization corresponds to the blue region. When the input value of the first perpendicular magnetic anisotropy region is changed from the upward magnetization to the downward magnetization, the A magnetic domain wall of directional magnetization and upward magnetization is formed, and the magnetic domain wall gradually moves toward the horizontal magnetic anisotropy region by the in-plane current of the non-magnetic layer.
그 결과, 제1 자기 이방성 영역이 모두 아래 방향의 자화(푸른 영역)를 갖게 되는데, 이 경우, 이웃하는 영역 간의 자화 배열이 매우 불안정하게 되므로, 제2 수직 자기 이방성 영역의 자화가 반대 방향으로 변화하게 된다.As a result, all of the first magnetic anisotropy region have downward magnetization (blue region). will do
따라서, 제2 자기 이방성 영역 내에 아래 방향 자화와 위 방향 자화의 자구벽이 형성되게 되며, 비자성층의 면내 전류에 의하여 이러한 자구벽은 수평 자기 이방성 영역에서부터 제2 수직 자기 이방성 쪽으로 점점 이동하게 되고, 결국에는 제2 수직 자기 이방성 영역은 모두 위 방향의 자화(붉은 영역)를 갖게 된다.Accordingly, a magnetic domain wall of downward and upward magnetization is formed in the second magnetic anisotropy region, and the magnetic domain wall gradually moves from the horizontal magnetic anisotropy region toward the second vertical magnetic anisotropy by the in-plane current of the non-magnetic layer, Eventually, all of the second perpendicular magnetic anisotropy regions have upward magnetization (red region).
즉, 위 방향의 자화 영역을 0이라고 한다면, 아래 방향의 자화 영역은 1이 되는 바, 본 실시예는 NOT 소자로 거동함을 확인할 수 있었다.That is, if the upward magnetization region is 0, the downward magnetization region becomes 1, and it can be confirmed that the present embodiment behaves as a NOT element.
<실시예 2> NAND 소자 구동<Embodiment 2> NAND device driving
도 10에 나타낸 바와 같이 T자형의 NAND 소자를 제조하였으며, 각 영역의 크기 또한 도 10과 같이 설정하였다.As shown in FIG. 10 , a T-shaped NAND device was manufactured, and the size of each region was also set as shown in FIG. 10 .
또한 비자성층으로 Pt, 자성층으로 Co, 산화물층으로 MgO가 적층된 복합 구조를 갖도록 설정하였다.In addition, it was set to have a composite structure in which Pt as a non-magnetic layer, Co as a magnetic layer, and MgO as an oxide layer were laminated.
전류를 도 1b와 같이 인가를 하였을 때, 전류 밀도가 공간적으로 다르게 나타난다. 본 시뮬레이션에서는 좌측 하단, 좌측 상단 edge에 80mV의 전압을 걸어주고 우측 edge를 ground에 연결하여 Laplace equation을 수치적으로 풀어 전기장을 얻어내었다. 구체적으로 0 - 0.7 ns : 80 mV, 0.7 - 3 ns : 0, 3 ns - 3.7 ns : 80 mV, 3.7 ns - 6 ns : 0, 6 ns-6.7 ns : 80 mV, 6.7ns-9ns : 0와 같은 전압이 인가되었다.When a current is applied as shown in FIG. 1B, the current density is spatially different. In this simulation, an electric field was obtained by numerically solving the Laplace equation by applying a voltage of 80 mV to the lower left and upper left edges and connecting the right edge to the ground. Specifically, 0 - 0.7 ns : 80 mV, 0.7 - 3 ns : 0, 3 ns - 3.7 ns : 80 mV, 3.7 ns - 6 ns : 0, 6 ns-6.7 ns : 80 mV, 6.7ns-9ns : 0 and The same voltage was applied.
J = σE 의 관계가 있으므로, 스핀류 주입층으로 주로 사용되는 Pt의 전기전도도를 사용하면 도 11과 같은 전류 밀도 분포를 얻는다.Since there is a relationship of J = σE, a current density distribution as shown in FIG. 11 is obtained when the electrical conductivity of Pt, which is mainly used as a spin flow injection layer, is used.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전산모사 하되, 본 실시예에서, M s = 5.6 ×10 5 A/m, A = 1.3 ×10 -11 J/m, D = 1.6 ×10 -3 J/m 2, α = 0.3, θ sh = 0.1, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역의 K u = 5.5 × 10 5 J/m 2, 제3 수직 자기 이방성 영역의 K u = 2.4 × 10 5 J/m 2, 수평 자기 이방성 영역의 K u = 0 이다.Computational simulation is performed in the same manner as in Example 1, but in this example, M s = 5.6 × 10 5 A/m, A = 1.3 × 10 -11 J/m, D = 1.6 × 10 -3 J/m 2 , α = 0.3, θ sh = 0.1, K u of the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region = 5.5 × 10 5 J/m 2 , K u of the third perpendicular magnetic anisotropy region = 2.4 × 10 5 J/m 2 , K u = 0 in the horizontal magnetic anisotropy region.
또한, 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역에서 자기 대칭성 파괴 영역으로 각각 j= 1.6 ×10 12 A/m 2의 전류 밀도가 인가되었으며, 자기 대칭성 파괴 영역에서 제3 수직 자기 이방성 영역으로 j = 4.0 ×10 12 A/m 2의 전류 밀도가 인가되었다. In addition, a current density of j = 1.6 × 10 12 A/m 2 was applied from the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region to the magnetic symmetry breaking region, respectively, and the third perpendicular magnetic anisotropy region in the magnetic symmetry breaking region A current density of j = 4.0 × 10 12 A/m 2 was applied.
또한, 자기 대칭성 파괴 영역에 - 40 mT의 자기장을 인가하였다.In addition, a magnetic field of −40 mT was applied to the magnetic symmetry breaking region.
도 11의 미소자기 전산모사에서 국소적으로 (50nm, 80nm), (50nm, 120nm) 부근에서 전류 밀도가 증가하는 사실을 확인할 수 있었다.In the micromagnetic computational simulation of FIG. 11 , it was confirmed that the current density increased locally at (50 nm, 80 nm) and near (50 nm, 120 nm).
이에 대한 결과를 도 12에 나타내었으며, 이를 NAND 소자의 진리표인 하기 표 1과 비교하면 NAND 소자로 잘 구동됨을 확인할 수 있다.The result is shown in FIG. 12, and comparing it with Table 1 below, which is the truth table of the NAND device, it can be confirmed that the NAND device is well driven.
ININ OUT OUT
00 00 1One
1One 00 1One
00 1One 1One
1One 1 One 00
<실시예 3> NOR 소자 구동<Embodiment 3> NOR element driving
실시예 2와 동일하게 제조하되, 자기 대칭성 파괴 영역에 40 mT의 자기장을 인가하였다.It was prepared in the same manner as in Example 2, except that a magnetic field of 40 mT was applied to the magnetic symmetry breaking region.
이에 대한 결과를 도 13에 나타내었으며, 이를 NOR 소자의 진리표인 하기 표 2와 비교하면 NOR 소자로 잘 구동됨을 확인할 수 있다.The results for this are shown in FIG. 13, and comparing this with Table 2, which is the truth table of the NOR device, it can be confirmed that the NOR device is well driven.
ININ OUT OUT
00 00 1One
1One 00 00
00 1One 00
1One 1 One 00
<부호의 설명><Explanation of code>
10 수직 자기 이방성 영역10 perpendicular magnetic anisotropy region
11 제1 수직 자기 이방성 영역11 first perpendicular magnetic anisotropy region
12 제2 수직 자기 이방성 영역12 Second perpendicular magnetic anisotropy region
13 제3 수직 자기 이방성 영역13 Third perpendicular magnetic anisotropy region
20 수평 자기 이방성 영역20 Horizontal magnetic anisotropy region
21 제1 수평 자기 이방성 영역21 first horizontal magnetic anisotropy region
22 제2 수평 자기 이방성 영역22 second horizontal magnetic anisotropy region
30 자기 대칭성 파괴 영역30 Magnetic Symmetry Breakdown Zone
100 자성층100 magnetic layer
200 비자성층200 non-magnetic layer
1000 NOT 소자1000 NOT element
2000 NAND 소자 또는 NOR 소자2000 NAND device or NOR device

Claims (30)

  1. 비자성층; 및non-magnetic layer; and
    상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
    상기 자성층은The magnetic layer is
    수직 자기 이방성 영역; 및perpendicular magnetic anisotropy region; and
    상기 수직 자기 이방성 영역에 인접한 수평 자기 이방성 영역;a horizontal magnetic anisotropy region adjacent to the perpendicular magnetic anisotropy region;
    을 포함하며,includes,
    상기 자구벽 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic domain wall logic device, characterized in that the magnetic domain wall logic device is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  2. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 자구벽 논리소자는 NOT 소자, NOR 소자 및 NAND 소자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic domain wall logic element is any one selected from the group consisting of a NOT element, a NOR element, and a NAND element.
  3. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역은 자성층의 면내 방향(in-plane)으로 인접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic domain wall logic device, characterized in that the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region are disposed adjacent to each other in an in-plane direction of the magnetic layer.
  4. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 자성층은 강자성체 및 페리자성체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic layer is a magnetic domain wall logic device, characterized in that it includes at least one selected from the group consisting of a ferromagnetic material and a ferrimagnetic material.
  5. 제4항에 있어서,5. The method of claim 4,
    상기 자성층은 The magnetic layer is
    코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이들의 합금; 및cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni) and alloys thereof; and
    TbCo, TbFe, GdCo, GdFe, GdFeCo, Fe 3O 4, YIG(Yttrium iron garnet), TmIG, 및 TbIG;TbCo, TbFe, GdCo, GdFe, GdFeCo, Fe 3 O 4 , Yttrium iron garnet (YIG), TmIG, and TbIG;
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.A magnetic domain wall logic device comprising at least one selected from the group consisting of
  6. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 비자성층은 비자성 금속 및 위상 절연체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic domain wall logic device, characterized in that the non-magnetic layer includes at least one selected from the group consisting of a non-magnetic metal and a topological insulator.
  7. 제6항에 있어서,7. The method of claim 6,
    상기 비자성층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au), Bi 2Se 3, Bi 2Te 3 및 Ag 2Te 3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The nonmagnetic layer is made of platinum (Pt), palladium (Pd), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), gold (Au), Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 and Ag 2 Te 3 A magnetic domain wall logic device comprising at least one selected from the group consisting of.
  8. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 자성층의 두께는 0.1 nm 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic domain wall logic device, characterized in that the thickness of the magnetic layer is 0.1 nm to 10 nm.
  9. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 자구벽 논리소자는 상기 자성층 상에 형성된 산화물층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The magnetic domain wall logic device further comprises an oxide layer formed on the magnetic layer.
  10. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9,
    상기 산화물층은 MgO, AlO x, SiO x 및 SiN x로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자.The oxide layer comprises at least one selected from the group consisting of MgO, AlO x , SiO x and SiN x .
  11. 비자성층; 및non-magnetic layer; and
    상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
    상기 자성층은The magnetic layer is
    제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역; 및a first perpendicular magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region; and
    상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역 사이에 위치하는 수평 자기 이방성 영역;a horizontal magnetic anisotropy region positioned between the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region;
    을 포함하고,including,
    상기 NOT소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 NOT 소자.The NOT element is a NOT element, characterized in that operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  12. 제11항에 있어서,12. The method of claim 11,
    상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역은 서로 반대 방향의 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 NOT 소자.The NOT device, characterized in that the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region have magnetization directions opposite to each other.
  13. 제11항에 있어서,12. The method of claim 11,
    상기 제1 수직 자기 이방성 영역, 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역은 면내 방향으로 순차적으로 인접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 NOT 소자.The NOT element, characterized in that the first perpendicular magnetic anisotropy region, the horizontal magnetic anisotropy region, and the second perpendicular magnetic anisotropy region are sequentially arranged adjacent to each other in the in-plane direction.
  14. 제11항에 있어서,12. The method of claim 11,
    상기 수평 자기 이방성 영역의 길이는 10 nm 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 NOT 소자.The length of the horizontal magnetic anisotropy region is a NOT device, characterized in that 10 nm to 10 ㎛.
  15. 비자성층; 및non-magnetic layer; and
    상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
    상기 자성층은 The magnetic layer is
    자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region);magnetic symmetry breaking region;
    상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역;a first horizontal magnetic anisotropy region and a first perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region;
    상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역; 및a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and
    상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수직 자기 이방성 영역;a third perpendicular magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region;
    을 포함하고,including,
    상기 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 논리소자.The logic device is characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  16. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 논리소자는 NAND 소자 또는 NOR 소자인 것을 특징으로 하는 논리소자.The logic device is a NAND device or a NOR device.
  17. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 자기 대칭성 파괴 영역은 별도의 자기장이 인가되어 자기 대칭성이 파괴되는 것을 특징으로 하는 논리소자.The magnetic symmetry breaking region is a logic device, characterized in that the magnetic symmetry is destroyed by applying a separate magnetic field.
  18. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 인가되는 자기장의 세기는 1 T 이하인 것을 특징으로 하는 논리소자.A logic device, characterized in that the strength of the applied magnetic field is 1 T or less.
  19. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역의 길이는 10 nm 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 논리소자.The length of the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region is 10 nm to 10 μm.
  20. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역이 입력단자, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역이 출력단자인 것을 특징으로 하는 논리소자.The logic device according to claim 1, wherein the first perpendicular magnetic anisotropy region and the second perpendicular magnetic anisotropy region are input terminals, and the third perpendicular magnetic anisotropy region is an output terminal.
  21. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향은 모두 자성층의 면내 방향인 것을 특징으로 하는 논리소자.The first direction, the second direction, and the third direction are all in-plane directions of the magnetic layer.
  22. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15,
    상기 면내 전류는The in-plane current is
    상기 제1 방향과 평행 또는 반평행한 제1 전류;a first current parallel or antiparallel to the first direction;
    상기 제2 방향과 평행 또는 반평행한 제2 전류; 및a second current parallel or antiparallel to the second direction; and
    상기 제3 방향과 평행 또는 반평행한 제3 전류;a third current parallel or antiparallel to the third direction;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 논리소자.A logic device comprising a.
  23. 제1항의 자구벽 논리소자 제조방법으로,The method for manufacturing the magnetic domain wall logic device of claim 1,
    비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계;forming a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a complex structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer;
    를 포함하는 자구벽 논리소자 제조방법.A method of manufacturing a magnetic domain wall logic device comprising a.
  24. 제23항에 있어서,24. The method of claim 23,
    상기 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계는 이온조사 또는 리소그래피를 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 자구벽 논리소자 제조방법.The forming of the perpendicular magnetic anisotropy region and the horizontal magnetic anisotropy region is performed through ion irradiation or lithography.
  25. 제11항의 NOT 소자 제조방법으로,The method for manufacturing the NOT element of claim 11,
    비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 수직 자기 이방성 영역 및 수평 자기 이방성 영역을 형성하는 단계;forming a perpendicular magnetic anisotropy region and a horizontal magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a complex structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer;
    를 포함하는 NOT 소자 제조방법.A NOT device manufacturing method comprising a.
  26. 제15항의 논리소자 제조방법으로,The method for manufacturing the logic device of claim 15,
    비자성층 및 상기 비자성층 상에 형성된 자성층을 포함하는 복합 구조의 자성층에 제3 수직 자기 이방성 영역, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제1 수직 자기 이방성 영역, 상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수직 자기 이방성 영역을 형성하는 단계; 및A third perpendicular magnetic anisotropy region in a magnetic layer having a composite structure including a non-magnetic layer and a magnetic layer formed on the non-magnetic layer, and a first horizontal magnetic anisotropy sequentially extending in a first direction from a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region forming a region and a first perpendicular magnetic anisotropy region, a second horizontal magnetic anisotropy region and a second perpendicular magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region; and
    상기 제3 수직 자기 이방성 영역의 제1 부분에 자기장을 인가하여 자기 대칭성을 파괴함으로써 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계;forming a magnetic symmetry breaking region by breaking magnetic symmetry by applying a magnetic field to a first portion of the third perpendicular magnetic anisotropy region;
    를 포함하는 논리소자 제조방법.A method of manufacturing a logic device comprising a.
  27. 제26항에 있어서,27. The method of claim 26,
    상기 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계는The step of forming the self-symmetry breakdown region is
    상기 제1 부분에 별도의 자성층을 증착하여 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) 상호작용을 유도하는 방법;a method of inducing a Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction by depositing a separate magnetic layer on the first portion;
    상기 논리소자 근처에 자성 구조를 형성하여 표유 자기장(Stray magnetic field)을 유도하는 방법; 및a method of inducing a stray magnetic field by forming a magnetic structure near the logic element; and
    반강자성체를 추가 증착하여 교환 바이어스를 유도하는 방법;additional deposition of an antiferromagnetic material to induce an exchange bias;
    으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 논리소자 제조방법.A method of manufacturing a logic device, characterized in that it is performed by at least one method selected from the group consisting of
  28. 제26항에 있어서,27. The method of claim 26,
    상기 자기 대칭성 파괴 영역을 형성하는 단계에서 인가되는 자기장의 세기는 1 T 이하인 것을 특징으로 하는 논리소자 제조방법.The method of manufacturing a logic device, characterized in that the strength of the magnetic field applied in the step of forming the magnetic symmetry breaking region is 1 T or less.
  29. 비자성층; 및non-magnetic layer; and
    상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
    상기 자성층은The magnetic layer is
    제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역; 및a first horizontal magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region; and
    상기 제1 수평 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역 사이에 위치하는 수직 자기 이방성 영역;a perpendicular magnetic anisotropy region positioned between the first horizontal magnetic anisotropy region and the second horizontal magnetic anisotropy region;
    을 포함하고,including,
    상기 NOT소자는 상기 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 NOT 소자.The NOT element is a NOT element, characterized in that operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
  30. 비자성층; 및non-magnetic layer; and
    상기 비자성층 상에 형성된 자성층;을 포함하는 자구벽 논리소자로,A magnetic domain wall logic device comprising a magnetic layer formed on the non-magnetic layer,
    상기 자성층은 The magnetic layer is
    자기 대칭성 파괴 영역(Magnetic symmetry breaking region);magnetic symmetry breaking region;
    상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제1 방향으로 순차적으로 연장되는 제1 수직 자기 이방성 영역 및 제1 수평 자기 이방성 영역;a first perpendicular magnetic anisotropy region and a first horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a first direction from the magnetic symmetry breaking region;
    상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제2 방향으로 순차적으로 연장되는 제2 수직 자기 이방성 영역 및 제2 수평 자기 이방성 영역; 및a second perpendicular magnetic anisotropy region and a second horizontal magnetic anisotropy region sequentially extending in a second direction from the magnetic symmetry breaking region; and
    상기 자기 대칭성 파괴 영역으로부터 제3 방향으로 연장되는 제3 수평 자기 이방성 영역;a third horizontal magnetic anisotropy region extending in a third direction from the magnetic symmetry breaking region;
    을 포함하고,including,
    상기 논리소자는 비자성층의 면내 전류에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 논리소자.The logic device is characterized in that it is operated by the in-plane current of the non-magnetic layer.
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