WO2024248240A1 - 스커미온 생성 장치 - Google Patents

스커미온 생성 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2024248240A1
WO2024248240A1 PCT/KR2023/017623 KR2023017623W WO2024248240A1 WO 2024248240 A1 WO2024248240 A1 WO 2024248240A1 KR 2023017623 W KR2023017623 W KR 2023017623W WO 2024248240 A1 WO2024248240 A1 WO 2024248240A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gate region
skyrmion
layer
generating device
paragraph
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2023/017623
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
황찬용
문경웅
양승모
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Research Institute of Standards and Science
Original Assignee
Korea Research Institute of Standards and Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Research Institute of Standards and Science filed Critical Korea Research Institute of Standards and Science
Publication of WO2024248240A1 publication Critical patent/WO2024248240A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a skyrmion generating device, and more particularly, to a skyrmion forming device using a gate voltage.
  • spintronics The field that uses spin to develop next-generation memory and other electronic devices is called spintronics.
  • Existing semiconductor-based electronic device technologies control only the charge with an electric field without considering the quantum mechanical spin among the two characteristics of electrons, charge and spin.
  • Spintronics technology is a technology that simultaneously controls the charge and spin of electrons, and is expected to be able to overcome the technological limitations of existing electronic devices.
  • Spin electronic devices have the unique characteristic of spin, non-volatility, as well as ultra-high speed, ultra-low power, and ultra-high frequency, so they have great potential to be used as next-generation electronic devices.
  • next-generation electronic devices such as memory, logic devices, and communication devices using magnetic skyrmions (spin structures formed by arranging spins in a vortex shape) as shown in Fig. 1.
  • each skyrmion which is the basic unit of information storage (bit) must be able to be created and destroyed at a desired location, and the created skyrmions must be able to be moved with very high efficiency.
  • VCMA voltage-controlled magnetic anisotropy
  • the purpose of the present invention is to provide a skyrmion generating device capable of rapidly and stably generating and storing skyrmions by using a voltage-controlled magnetic anisotropy technique exhibiting spatially uniform magnetic anisotropy.
  • the skyrmion generating device of the present invention is a skyrmion generating device capable of generating and storing skyrmions, characterized by comprising: a substrate; a first thin film stack formed on the substrate, the first thin film stack including a magnesium oxide (MgO) layer, a cobalt iron boron (CoFeB) layer, and a heavy metal layer, one side of which is grounded; and a second stack formed on an upper gate region of the first thin film stack and including an aluminum oxide (AlO x ) layer and an electrode layer.
  • MgO magnesium oxide
  • CoFeB cobalt iron boron
  • AlO x aluminum oxide
  • the skyrmion generating device is characterized in that it controls the vertical magnetic anisotropy of the gate region by applying a voltage to the gate region through the electrode layer and adjusts the vertical magnetic fields of the gate region and the non-gate region to form a skyrmion generating state in the gate region and a skyrmion stable state in the non-gate region, and discharges skyrmions from the gate region to the non-gate region by applying an in-plane current.
  • the aluminum oxide layer is formed by atomic layer deposition (ALD) using an aluminum precursor and water, and is formed at a relatively low temperature within a temperature range in which deposition is possible, and the aluminum oxide layer is characterized in that it contains hydrogen.
  • ALD atomic layer deposition
  • the heavy metal layer is made of at least one of W, Ta, Nb, and Hf, and an ultra-thin metal layer may be interposed between the cobalt-iron-boron layer and the magnesium oxide layer, and a natural oxide layer or a metal oxide layer may be formed on the heavy metal layer.
  • the magnetic image within the gate region using a MOKE (Magneto-optical Kerr effect) microscope is characterized by showing a uniform stripe domain width.
  • the present invention is characterized in that the magnetization domains are spatially continuously connected at the interface between the gate region and the non-gate region having different perpendicular magnetic anisotropy, and the domain wall chirality is well preserved.
  • the in-plane current is a pulse current
  • the number of skyrmions generated can be controlled by controlling its amplitude and time.
  • a voltage-controlled magnetic anisotropy technology exhibiting spatially uniform magnetic anisotropy can be provided, and by utilizing this, a voltage-controlled skyrmion stability technology can be provided by manipulating the PMA and stripe domain width.
  • a new skyrmion generating device having a skyrmion storage concept can be provided by using the voltage controlled skyrmion stability technology presented in the present invention.
  • Figure 1 is a diagram showing a conventional voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) experimental setup.
  • VCMA voltage-controlled magnetic anisotropy
  • Figure 2 is a conceptual diagram representing a skyrmion.
  • FIG. 3 illustrates the structure of a thin film stack according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram of the MOKE microscope experiment setup.
  • FIG. 5 illustrates a planar structure and pattern of a thin film stack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows that the stripe domain width changes by applying a positive voltage pulse to the gate region.
  • Figure 7 is a fast Fourier transform image of the gated area and the non-gated area.
  • Figure 8 shows the relationship between the gate voltage pulse and the perpendicular magnetic anisotropy field, and (b) shows X-ray photoelectron spectroscopy analysis of the non-gated (solid line) and gated (dashed line) regions using in situ etching.
  • Figure 9 shows the movement of the gate region due to strong transverse current injection.
  • Figure 10 shows the results of investigating the spatial uniformity of voltage-controlled vertical magnetic anisotropy.
  • Figure 11 shows the results of investigating the magnetic domain connection between the gate region and the non-gate region.
  • Figure 12 shows MOKE images of the stripe domain at various ⁇ 0 H Z .
  • Figure 13 is a phase diagram between the stripe domain-skyrmion-uniform state under voltage-controlled stripe domain width and z-axis magnetic field.
  • Figure 14 shows the mapping of the effective perpendicular magnetic anisotropy field, and (b) and (c) show the MOKE images in the initial state and after injecting the in-plane current, respectively.
  • the skyrmion generating device of the present invention is a skyrmion generating device capable of generating and storing skyrmions, comprising: a substrate; a first thin film stack including a magnesium oxide (MgO) layer, a cobalt iron boron (CoFeB) layer, and a heavy metal layer formed on the substrate, one side of which is grounded; and a second thin film stack including an aluminum oxide (AlO x ) layer formed in an upper gate region of the first thin film stack and an electrode layer.
  • MgO magnesium oxide
  • CoFeB cobalt iron boron
  • AlO x aluminum oxide
  • the above heavy metal layer is preferably composed of at least one of W, Ta, Nb, and Hf, and an ultra-thin metal layer may be interposed between the cobalt-iron-boron layer and the magnesium oxide layer, and a natural oxide layer or a metal oxide layer may be formed on the upper portion of the heavy metal layer.
  • the skyrmion generating device of the present invention controls the vertical magnetic anisotropy of the gate region by applying a voltage to the gate region through the electrode layer and adjusts the vertical magnetic fields of the gate region and the non-gate region to form a skyrmion generating state in the gate region and a skyrmion stable state in the non-gate region, and discharges skyrmions from the gate region to the non-gate region by applying an in-plane current.
  • FIG. 3 illustrates the structure of a thin film stack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a MOKE microscope experiment setup diagram.
  • FIG. 5 shows a planar structure and pattern of a thin film stack according to an embodiment of the present invention.
  • the thin film stack of MgO/Ta/CoFeB/W/TaO X is patterned into a wire shape indicated by a black dashed line, and the AlO X (2 nm)/Pt (2 nm) thin film stack is grown in the white dashed line area.
  • Dark gray and light gray in the pattern correspond to -z and +z magnetization, respectively. (Scale bar: 30 ⁇ m)
  • Figure 6 shows that the stripe domain width changes by applying a positive voltage pulse to the gate region (Scale bar: 10 ⁇ m)
  • Figure 7 is a fast Fourier transform (FFT) image of the gate region and the non-gate region (Scale bar: 0.1 ⁇ m -1 ).
  • FFT fast Fourier transform
  • the basic structure of a skyrmion generating device is as illustrated in FIG. 3.
  • the thin film stack of the skyrmion generating device of the present invention includes a substrate, a first thin film stack composed of MgO (1.0 nm)/Ta (0.07 nm)/Co 20 Fe 60 B 20 (1.0 nm)/W (3.0 nm)/TaO X (2 nm), and a second thin film stack composed of AlO X (2 nm)/Pt (2 nm).
  • the first thin film stack may be formed only of a magnesium oxide (MgO) layer, a cobalt iron boron (CoFeB) layer, and a heavy metal layer, and at least one of W, Ta, Nb, and Hf may be used as the heavy metal layer.
  • a metal oxide layer as in Fig. 3 may be formed on the heavy metal layer, and may also be formed as a natural oxide layer.
  • An ultra-thin metal layer can be interposed between the CoFeB layer and the MgO layer to control the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) appearing at the interface more precisely.
  • PMA perpendicular magnetic anisotropy
  • a MgO (1 nm)/Ta (0.07 nm)/Co 20 Fe 60 B 20 (1.0 nm)/W (3 nm)/TaOx (2 nm) stack was deposited on a thermally oxidized Si substrate using a magnetron sputtering system at room temperature and a base pressure of 4.0 torr, and then a post-annealing process was performed at 350°C for 1 hour under vacuum conditions of 5.0 or less to promote PMA.
  • an ultra-thin (0.07 nm) Ta layer was inserted to precisely control the PMA occurring at the CoFeB/MgO interface. Since the PMA occurring at the CoFeB/MgO interface must be small for skyrmions to be generated, inserting an ultra-thin Ta layer of about one atomic layer lowers the PMA occurring at the CoFeB/MgO interface, enabling more precise PMA control.
  • the first thin film stack of MgO/Ta/CoFeB/W/TaO X was patterned into a wire shape using photolithography and ion milling (black dashed line area in Fig. 5). Then, an AlO X (2 nm)/Pt (2 nm) layer was deposited on the gate region (white dashed line area in Fig. 5) on top of the first thin film stack.
  • the AlO x layer was deposited using a thermal atomic layer deposition (ALD) system at 120 °C.
  • ALD thermal atomic layer deposition
  • TMA Tri-methyl-aluminium
  • H 2 O water
  • N 2 nitrogen gas
  • the AlO x layer is formed at a relatively low temperature of 120 °C within the temperature range where deposition is possible, so that hydrogen is not carried away during the deposition process but exists within the AlO x layer. That is, the AlO x layer in the present invention contains hydrogen, and when an electric field is applied through the Pt layer, which is an electrode layer, hydrogen ions play a role to control PMA.
  • Magnetic images of CoFeB layers can be obtained through sufficiently thin Pt and W layers while simultaneously applying an electric voltage and a perpendicular magnetic field.
  • Dark and light gray in Fig. 5 represent the -z and +z magnetization domains for the MOKE image.
  • a gate voltage is applied to the Pt top electrode, and the bottom electrode of the Ta/CoFeB/W layer is grounded. Therefore, most of the voltage drop occurs between the high-resistivity TaO X /AlO X layers.
  • the magnetic channel In the absence of applied voltage, the magnetic channel exhibits a stripe domain pattern with a constant stripe domain width ( ⁇ ), as shown in (a) of Fig. 6.
  • the stripe domain width is exponentially proportional to the domain wall energy.
  • Neel type domain wall energy where A is the exchange stiffness and Keff( ) is the PMA energy density per volume, D is the Dzyaloshinski Moriya Interaction (DMI) energy density per area, and the last term is the volume demagnetization energy density.
  • Fig. 6(a) shows that the entire region has the same PMA value. Then, after applying a gate voltage pulse of 4 V for 2 seconds in the left dashed line region (gate region), the stripe domain width is reduced only inside the gate region, as shown in Fig. 6(b). Adding the gate voltage pulse injection makes the stripe domain width much smaller, as shown in Fig. 6(c). The voltage-controlled stripe domain width remains even after the gate voltage is turned off, indicating non-volatile operation.
  • the H k value in the gate region was directly measured after applying each gate voltage pulse using the MOKE microscope system. Note that the change in DMI due to the gate voltage is negligible.
  • m z is the normalized perpendicular magnetization corresponding to the normalized MOKE signal
  • H z is the perpendicular magnetic field
  • H k is the effective PMA field
  • H k can be obtained using this equation.
  • Fig. 8(a) shows the relationship between the gate voltage pulse and the perpendicular magnetic anisotropy field
  • (b) shows X-ray photoelectron spectroscopy analysis of the ungated (solid line) and gated (dashed line) regions using in situ etching.
  • squares represent ⁇ 0 H k after applying a positive gate voltage pulse
  • circles represent ⁇ 0 H k after applying a negative gate voltage pulse.
  • H k decreases when a gate voltage pulse of 3.6 V is applied for 3 s (see Fig. 8(a)). Then, when repetitive gate pulses are used, the H k value decreases to about 1,025 Oe, as shown in the curve connected by a square in Fig. 8(a). It's saturated.
  • the stripe domain width can be freely controlled by manipulating H k depending on the polarity or number of the applied gate voltage pulses.
  • the voltage drop mainly occurs between the TaO X /AlO X layers, indicating that the electric field exists only between the oxide layers.
  • a typical VCMA experiment using the oxygen ion transport concept applies a gate voltage directly to the oxide layer in the substrate/magnetic film/insulator (oxide layer), as illustrated in Fig. 1.
  • the voltage is not directly applied to the oxide layer (MgO layer) in contact with the magnetic film (CoFeB), but the Ta/CoFeB/W layer is grounded and the voltage is applied to the Pt electrode on the TaO X /AlO X layer.
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • H k of the gate/non-gate region was measured to be 1,025 Oe and 2,221 Oe, respectively.
  • the dashed curve represents the spectrum of the gate region
  • the solid curve represents the spectrum of the non-gate region.
  • the spin-orbit splitting of the W4f core level for the W metal state at the binding energy position of W4f (28 eV ⁇ 38 eV) is well observed in both regions.
  • the W metal peak starts to appear from the etching time of 300 s.
  • the peak of Fe2p3 /2 for Fe metallic state is observed after 480 s of etching time.
  • the sufficient peak intensity of Fe2p3/ 2 at 660 s of etching time indicates that the spectra at 660 s of etching time reflect the analysis near the CoFeB layer.
  • protons One of the remaining possibilities is protons.
  • a proton pump operated by a gate voltage has recently been demonstrated to control magnetic anisotropy or ferrimagnetic ordering. It has been experimentally demonstrated that the gate voltage can generate protons by dissociation of H2O from the atmosphere on the surface, and that protons can change the magnetic properties. The most feasible one for the results of the present invention would be protons.
  • the non-volatile and reversible operation of VCMA can be said to be due to ion migration that is responsible for this operation by applying a gate voltage.
  • the first reason is that there is no driving force to move the oxygen ions that already exist in the two insulating layers (AlOx, TaOx) toward the ferromagnetic layer (CoFeB). As mentioned above, the electric field that exists only in the insulating layer cannot push the oxygen ions out of the insulating layer. In the XPS analysis of Fig. 8 (b), the oxygen spectrum before and after VCMA was not shown.
  • the boron ions inside the CoFeB layer can be considered.
  • the post-annealing process was performed to promote the PMA in the present invention
  • Figure 9 shows the movement of the gate region by strong transverse current injection.
  • the gate voltage was injected sufficiently to reduce the PMA in the gate region. Therefore, the gray region in the gate region in Figure 9(a) represents a stripe domain whose width is smaller than the optical resolution or the in-plane magnetization state. Then, after the gate voltage was turned off, a strong current (4.0 V) was applied along the -x-axis for 5 minutes ( Figure 9(b)). As shown in Figure 9(b), the strong and long in-plane current injection pushes the existing gray region to the left, and the gate region is restored.
  • VCMA based on oxygen ion migration exhibits spatially non-uniform behavior or defect generation due to the heavy and large nature of oxygen ions. For example, if a defect is generated during VCMA operation, the migrated skyrmion may be trapped, restricting its further movement or even disappearing.
  • Figure 10 shows the results of investigating the spatial uniformity of the voltage-controlled perpendicular magnetic anisotropy.
  • (a) is the initial state
  • (b) and (c) are maps of the effective perpendicular magnetic anisotropy field after applying a positive gate voltage pulse.
  • Figure 11 shows the results of investigating the magnetic domain coupling between the gated and non-gate regions.
  • Figure 11 shows the continuous deformation of the stripe domain through two different perpendicular magnetic anisotropy regions, and the bold arrows in Figure 11(b) indicate the magnetization direction at the domain wall, indicating that chirality is well preserved.
  • the spatial uniformity of the voltage-controlled stripe domain width was investigated by spatially mapping H k after each gate voltage pulse. This is because the noise data at the gate edge is analyzed by analyzing 2x2 pixels of the original MOKE image as one mapping data point in the xy plane.
  • the gating region white dashed box in Fig. 10 (a)
  • the mapping color H k , average value of 2803 Oe
  • H k in the gating region is well controlled as shown in Fig. 10(b) (average value, 2234 Oe).
  • the standard deviation of the inner gate region is 91 Oe.
  • the second gate voltage pulse of 4 V for 3 s further lowers H k (average value of H k , 1749 Oe).
  • the standard deviation of H k is 67 Oe.
  • the present invention investigated the magnetic domain connection between two different stripe domain width regions as shown in Fig. 11.
  • the dashed box region is a voltage-controlled stripe domain width region, and the other region is a non-gated region.
  • Fig. 11(b) is an enlarged image of the solid box in Fig. 11(a)d.
  • the stripe domain width inside the non-gated region is almost twice as wide as that inside the gated region.
  • the two types of stripe domains with different stripe domain widths are well-connected by a spatially continuous stripe domain deformation as shown in Fig. 11(b).
  • the domain walls of the stripe domains in both regions have a Neel-type domain wall configuration with left-handed chirality, as indicated by the bold arrows in Fig. 11(b). It can be seen that the domain wall chirality, which determines the topological features, is well preserved throughout the different stripe domain width regions.
  • a skyrmion generating device having a structure as shown in FIG. 3 has a magnetic anisotropy that is spatially uniform and an interface in which a gate region and a non-gate region are continuously well connected, so that skyrmions can be generated and stored quickly and stably.
  • Figure 12 shows MOKE images of the stripe domain at various ⁇ 0 H Z (scale bar 5 ⁇ m).
  • (a) to (d) are MOKE images for the initial state
  • (e) to (h) are MOKE images after the 6th gate voltage pulse
  • (i) to (l) are MOKE images after the 7th gate voltage pulse.
  • Figure 13 is a phase diagram between the stripe domain-skyrmion-uniform state under voltage-controlled stripe domain width and z-axis magnetic field.
  • the white, dark gray, and light gray regions represent the uniform state, skyrmion+stripe state, and skyrmion state, respectively.
  • Fig. 14(a) shows the mapping of the effective perpendicular magnetic anisotropy field
  • (b) and (c) show the MOKE images in the initial state and after the in-plane current injection, respectively.
  • the left area is the non-gate area and the right area is the gate area.
  • Fig. 14(b) is the initial state MOKE image
  • (c) is the MOKE image after the in-plane current pulse injection. (Scale bar 3 ⁇ m)
  • Skyrmion properties including skyrmion radius and skyrmion stability, are determined by the stripe domain width at zero magnetic field.
  • the energy landscape for the stripe domain-skyrmion-homogeneous state under the z-field (H Z ) is primarily a function of the stripe domain width, independent of other material parameters.
  • the initial state has a stripe domain width of 4.58 ⁇ m at zero magnetic field, as shown in Fig. 12 (a). Then, when +H Z is applied, the -z-axis stripe region gradually shrinks, and eventually a uniform magnetic state is formed at +H Z of 10.6 Oe (Fig. 12 (a) to (d)).
  • the phase transition from the stripe domain state to the skyrmion state can occur when the thermal fluctuations at the positions of two adjacent domain walls of the stripe domain are sufficient. Therefore, the skyrmion state is not observed beyond a certain stripe domain width, even though the skyrmion state is a global minimum state (see Fig. 13).
  • the initial state corresponds to the black circle on the far right in Fig. 13.
  • the stripe domain width (arrows indicated along the curve in Fig. 13) decreases, and +H Z increases to reach a uniform state.
  • the skyrmion state can be observed only when H Z is applied.
  • Fig. 14 (a) shows H k mapping data showing that the two regions clearly have different H k .
  • the non-gate region is a skyrmion or skyrmion+stripe domain state. In this state, the thermal energy is insufficient to spontaneously create skyrmions, but once created, they are stable.
  • the gate region is in a skyrmion state below +H Z of 8.7 Oe, and skyrmions are spontaneously generated due to the sufficiently small stripe domain width, as shown in Fig. 14(b).
  • skyrmions in the gate region are pushed to the non-gate region by SOT, as shown in Fig. 14(c), and skyrmions are spontaneously generated to fill the empty space in the gate region.
  • Skyrmions moved from the gate region are stable even in the non-gate region at +H Z of 8.7 Oe.
  • Skyrmion transport from the gated region to the non-gate region is possible only when the shape and phase of the skyrmion are well preserved as it passes through the gated/non-gate region interface.
  • This operation shows that the present invention can be used as a novel skyrmion generator, and since skyrmions are generated spontaneously, the gated region can be called a skyrmion reservoir.
  • the present invention proposes a voltage-controlled skyrmion stability technique by manipulating the PMA and stripe domain width. Since the shape and phase of the skyrmion are well preserved when it passes through the interface of the controlled/uncontrolled region, the spatial uniformity of the voltage-controlled region can be suitably applied to the skyrmion generating device of the present invention.
  • a novel skyrmion generator with a skyrmion storage concept can be provided by using the voltage controlled skyrmion stability technology presented in the present invention.
  • the present invention will open new avenues for designing and realizing skyrmion devices, including skyrmion transistor-based logic devices.

Landscapes

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

Abstract

본 발명의 스커미온 생성 장치는, 스커미온을 생성하고 저장할 수 있는 스커미온 생성 장치로서, 기판; 상기 기판 위에 형성된 산화마그네슘(MgO)층, 코발트철보론(CoFeB)층, 중금속(heavy metal)층을 포함하여 이루어지고 그 일측이 접지되어 있는 제1 박막스택; 및 상기 제1 박막스택의 상부 게이트 영역에 형성된 산화알루미늄(AlOx)층과 전극층으로 이루어지는 제2 스택;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 스커미온 생성 장치는, 상기 전극층을 통하여 상기 게이트 영역에 전압을 인가하여 게이트 영역의 수직자기이방성을 제어하고 게이트 영역 및 비게이트 영역의 수직자기장을 조절하여 게이트 영역에서의 스커미온 생성 상태와 비게이트 영역에서의 스커미온 안정 상태를 형성하고, 면내 전류(in-plane current)를 인가하여 상기 게이트 영역에서 상기 비게이트 영역으로 스커미온을 토출시키는 것을 특징으로 한다.

Description

스커미온 생성 장치
본 발명은 스커미온(skyrmion) 생성 장치에 관한 것이며, 상세하게는 게이트 전압을 이용한 스커미온 형성 장치에 관한 것이다.
전통적인 마이크로 전자 장치는 전자에 기초한 전하 이동 작업을 진행하는 것이지만, 스핀 전자 장치는 전자의 스핀 속성에 기초하여 정보의 저장, 전송과 처리를 수행한다.
스핀을 이용해 차세대 메모리 등의 전자소자를 개발하는 분야를 스핀트로닉스(spintronics)라 한다. 기존의 반도체 기반 전자소자 기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인 스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어한다. 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 스핀전자 소자는 스핀의 고유특성인 비휘발성(non-volatility)뿐만 아니라 초고속, 초저전력 및 초고주파 등의 특성이 있어 차세대 전자소자로 사용될 가능성이 크다.
최근에는 도 1에서와 같은 자기 스커미온(magnetic skyrmions, 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체)을 이용하여 메모리, 논리소자, 통신소자 등 차세대 전자소자를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
스커미온을 전자소자에 활용하기 위해서는 정보 저장의 기본단위(bit)인 각각의 스커미온을 원하는 위치에 생성하고 소멸시킬 수 있어야 하며, 생성된 스커미온을 매우 높은 효율로 이동시킬 수 있어야 한다.
그러나 전압 제어된 스커미온 조작을 사용하여 스커미온 장치를 실현할 수 있는 가능성을 여러 연구에서 제시하고 있지만(S. Luo, M. Song, X. Li, Y. Zhang, J. Hong, X. Yang, X. Zou, N. Xu, L. You, Nano Lett. 2018, 18), 아직 실험적으로 입증되지는 않았다. 그 이유는 대부분의 전압 제어 스커미온 조작이 결함 또는 산소 이온 이동에 의해 지배되어 느리거나 공간적으로 불균일한 작동을 나타내기 때문이다.
특히, 스커미온 논리 장치의 경우, 스커미온은 위상 정보를 유지하면서 종종 제어 및 비제어 영역을 가로질러 이동해야 하기 때문에 서로 다른 자기 이방성 영역이 지속적으로 잘 연결된 계면(interface)이 필수적이나 아직 이러한 기술은 제공되지 못하고 있다. 기존 전압제어 자기이방성(Voltage-controlled magnetic anisotropy, VCMA) 기술은 자성박막과 산소를 포함한 절연체를 접합시켜 전압을 인가하여 자성 물성을 조절하는 것이다. 이는 전기장이 산화층과 자성층 계면의 산화상태를 산소이온 이동으로 변화시켜 자기이방성을 제어하는 메커니즘이다.
그러나, 이러한 종래 전압제어 자기이방성 기술은 산소이동이나 결함으로 인하여 자기이방성이 공간적으로 균일하지 못해 느리고 불균일한 작동을 보여준다.
최근 연구(A J Tan, M Huang, C O Avci, F Buttner, Mann, W Hu, C Mazzoli, S. Wilkins, H. L. Tuller, G. S. D. Beach, Nat. Mater. 2019, 18, 35)는 산소 대신 양성자를 사용하는 전압 제어 자기 이방성을 보고하여 비교적 빠르고 안정적인 작동을 보여준다. 그러나 이러한 연구에서도 자기이방성의 공간적 균일성은 보여주지는 못하고 있다.
본 발명은 공간적으로 균일한 자기이방성을 나타내는 전압제어 자기이방성 기술을 이용하여 빠르고 안정적으로 스커미온을 생성하고 저장할 수 있는 스커미온 생성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 스커미온 생성 장치는, 스커미온을 생성하고 저장할 수 있는 스커미온 생성 장치로서, 기판; 상기 기판 위에 형성된 산화마그네슘(MgO)층, 코발트철보론(CoFeB)층, 중금속(heavy metal)층을 포함하여 이루어지고 그 일측이 접지되어 있는 제1 박막스택; 및 상기 제1 박막스택의 상부 게이트 영역에 형성된 산화알루미늄(AlOx)층과 전극층으로 이루어지는 제2 스택;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 스커미온 생성 장치는, 상기 전극층을 통하여 상기 게이트 영역에 전압을 인가하여 게이트 영역의 수직자기이방성을 제어하고 게이트 영역 및 비게이트 영역의 수직자기장을 조절하여 게이트 영역에서의 스커미온 생성 상태와 비게이트 영역에서의 스커미온 안정 상태를 형성하고, 면내 전류(in-plane current)를 인가하여 상기 게이트 영역에서 상기 비게이트 영역으로 스커미온을 토출시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 게이트 영역에 전압을 인가하면 상기 게이트 영역 내에서 수직자기이방성이 공간적으로 균일하게 나타난다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 산화알루미늄층은, 알루미늄 전구체와 물을 사용하여 원자층증착(ALD)으로 형성되며, 증착이 가능한 온도 범위 내에서 상대적으로 낮은 온도에서 이루어지며, 상기 산화알루미늄층은, 수소를 함유하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 중금속층은, W, Ta, Nb, Hf 중 적어도 하나로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 코발트철보론층과 상기 산화마그네슘층 사이에, 초박형 금속층을 개재할 수 있으며, 상기 중금속층 상부에는 자연산화층 또는 금속산화물층이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, MOKE(Magneto-optical Kerr effect) 현미경을 이용한 상기 게이트 영역 내 자기 이미지는 균일한 스트라이프 도메인 폭을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 수직자기이방성이 다른 상기 게이트 영역과 비게이트 영역의 계면에서 자화 도메인이 공간적으로 연속적으로 연결되어 있으며, 도메인 벽 키랄성(domain wall chirality)이 잘 보존되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 면내 전류는 펄스 전류이며, 그 진폭과 시간을 조절하여 생성되는 스커미온의 수를 조절할 수 있다.
본 발명에 의하여, 공간적으로 균일한 자기이방성을 나타내는 전압제어 자기이방성 기술을 제공할 수 있으며, 이를 활용하여 PMA와 스트라이프 도메인 폭을 조작하여 전압 제어 스커미온 안정성 기술을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에서 제시한 전압 제어 스커미온 안정성 기술을 사용하여 스커미온 저장소 개념을 가진 새로운 스커미온 생성장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 전압제어 자기이방성(VCMA) 실험 구성을 나타내는 도면이다.
도 2은 스커미온을 나타내는 개념도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 박막필름 스택의 구조를 나타낸 것이다.
도 4은 MOKE 현미경 실험 설정도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박막필름 스택의 평면구조 및 패턴을 나타낸 것이다.
도 6는 게이트 영역에 양의 전압 펄스를 인가하여 스트라이프 도메인 폭이 변화한 것을 나타내는 것이다.
도 7은 게이트 영역과 비게이트 영역의 고속푸리에변환 이미지이다.
도 8의 (a)는 게이트 전압 펄스와 수직자기이방성필드의 관계를 나타내는 것이고, (b)는 in situ etching을 사용한 비게이트(실선) 및 게이트(파선) 영역에 대한 X선 광전자 분광 분석을 나타낸 것이다.
도 9는 강한 횡방향 전류 주입에 의한 게이트 영역의 이동을 나타내는 것이다.
도 10은 전압제어된 수직자기이방성의 공간적 균일성을 조사한 결과를 나타내는 것이다.
도 11은 게이트 영역과 비게이트 영역 사이의 자기 도메인 연결을 조사한 결과를 나타내는 것이다.
도 12는 다양한 μ0HZ에서 스트라이프 도메인의 MOKE 이미지를 나타낸 것이다.
도 13은 전압 제어 스트라이프 도메인 폭과 z축 자기장 하에서 스트라이프 도메인-스커미온-균일 상태 사이의 위상 다이어그램이다.
도 14의 (a)는 유효 수직자기이방성 필드의 매핑을 나타낸 것이며, (b)와 (c)는 초기상태와 면내 전류를 주입한 후의 MOKE이미지를 각각 나타낸 것이다.
이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 스커미온 생성 장치는, 스커미온을 생성하고 저장할 수 있는 스커미온 생성 장치로서, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 산화마그네슘(MgO)층, 코발트철보론(CoFeB)층, 중금속(heavy metal)층을 포함하여 이루어지고 그 일측이 접지되어 있는 제1 박막스택과, 및 상기 제1 박막스택의 상부 게이트 영역에 형성된 산화알루미늄(AlOx)층과 전극층으로 이루어지는 제2 박막스택을 포함하여 이루어진다.
상기 중금속층은, W, Ta, Nb, Hf 중 적어도 하나로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 코발트철보론층과 상기 산화마그네슘층 사이에는 초박형 금속층을 개재할 수 있으며, 상기 중금속층 상부에는 자연산화층 또는 금속산화물층이 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 게이트 영역에 전압을 인가하면 상기 게이트 영역 내에서 수직자기이방성이 공간적으로 균일하게 나타난다(도 6 참고).
본 발명의 스커미온 생성 장치는, 상기 전극층을 통하여 상기 게이트 영역에 전압을 인가하여 게이트 영역의 수직자기이방성을 제어하고 게이트 영역 및 비게이트 영역의 수직자기장을 조절하여 게이트 영역에서의 스커미온 생성 상태와 비게이트 영역에서의 스커미온 안정 상태를 형성하고, 면내 전류(in-plane current)를 인가하여 상기 게이트 영역에서 상기 비게이트 영역으로 스커미온을 토출시킨다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 스커미온 생성 장치를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막필름 스택의 구조를 나타낸 것이며, 도 4는 MOKE 현미경 실험 설정도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박막필름 스택의 평면구조 및 패턴을 나타낸 것이다. MgO/Ta/CoFeB/W/TaOX의 박막스택은 검은색 파선으로 표시된 와이어 모양으로 패턴화되고, AlOX(2nm)/Pt(2nm) 박막스택은 흰색 파선 영역에서 성장한다. 패턴의 어두운 회색과 밝은 회색은 각각 -z 및 +z 자화에 해당한다.(Scale bar : 30μm)
도 6은 게이트 영역에 양의 전압 펄스를 인가하여 스트라이프 도메인 폭이 변화한 것을 나타내는 것이며(Scale bar : 10 μm), 도 7은 게이트 영역과 비게이트 영역의 고속푸리에변환(FFT) 이미지이다(Scale bar : 0.1 μm-1)
본 발명의 일실시예에 따른 스커미온 생성장치의 기본적인 구조는 도 3에 도시된 바와 같다. 본 발명의 스커미온 생성장치의 박막필름 스택은, 기판과, MgO(1.0 nm)/Ta(0.07 nm)/Co20Fe60B20(1.0 nm)/W(3.0 nm)/TaOX(2 nm)로 이루어지는 제1 박막스택과, AlOX(2 nm)/Pt(2 nm)로 이루어진 제2 박막스택으로 이루어진다.
본 발명에서 제1 박막스택은 산화마그네슘(MgO)층, 코발트철보론(CoFeB)층, 중금속(heavy metal)층으로만 이루어질 수 있으며, 중금속층은, W, Ta, Nb, Hf 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 중금속층 상부에는 도 3에서와 같은 금속산화물층이 형성될 수 있으며, 자연산화층으로 형성될 수도 있다.
CoFeB층과 MgO층 사이에는 계면에서 나타나는 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)을 조절하여 PMA를 보다 정밀하게 제어하기 위해 초박형 금속층을 개재할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 시스템을 사용하여 열산화된 Si 기판 위에 MgO(1 nm)/Ta(0.07 nm)/Co20Fe60B20(1.0 nm)/W(3 nm)/TaOx(2 nm) 스택을 상온에서 기저압 4.0 torr의 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 열산화 실리콘 기판 위에 증착한 후, 진공 조건 5.0 이하에서 350°C에서 1시간 동안 후어닐링 공정을 수행하여 PMA를 촉진하였다.
여기에 CoFeB/MgO 계면에서 발생하는 PMA를 정밀하게 제어하기 위해 초박형(0.07 nm) Ta층을 삽입했다. CoFeB/MgO 계면에서 발생하는 PMA가 작아야 스커미온이 생성될 수 있기 때문에 하나의 원자층 정도의 매우 얇은 Ta층을 삽입하여 CoFeB/MgO 계면에서 발생하는 PMA를 낮추어 보다 정밀하게 PMA를 제어할 수 있게 된다.
MgO/Ta/CoFeB/W/TaOX의 제1 박막스택은 포토리소그래피와 이온밀링을 이용하여 와이어 모양으로 패턴화되었다(도 5의 검은색 파선 영역). 그런 다음, AlOX(2 nm)/Pt(2 nm)층을 제1 박막스택 상부의 게이트 영역(도 5의 흰색 파선 영역)에 증착했다.
여기서 AlOx 층은 120 ℃에서 열 원자층증착(ALD) 시스템을 사용하여 증착되었다. 전구체로는 TMA(Tri-methyl-Aluminium)와 물(H2O)을 사용하였으며, 운반체와 퍼징가스로서 질소가스(N2)를 사용하였다.
본 발명에 있어서, AlOx 층은 증착이 가능한 온도 범위 내에서 상대적으로 낮은 온도인 120 ℃에서 이루어져 증착 과정에서 수소가 날라가지 않고 AlOx 층 내에 존재하게 된다. 즉, 본 발명에서 AlOx 층은 수소를 함유하게 되며, 전극층인 Pt층을 통하여 전기장이 가해질 경우 수소이온이 역할을 하게 되어 PMA를 제어하게 된다.
전압제어 스커미온 동작을 실현하려면 공간적으로 균일한 제어와 두 개의 다른 영역이 지속적으로 잘 연결된 계면이 필수적인데, 도 3과 같은 구조로 이루어지는 본 발명의 일실시예에 따른 스커미온 생성기의 게이트 영역에 전압을 인가하면 수직자기이방성이 공간적으로 균일하게 나타나게 되고 게이트 영역과 비게이트 영역이 지속적으로 잘 연결되게 된다. 이는 MOKE(Magneto-optical Kerr effect) 현미경 이미지를 사용하여 증명될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 MOKE 현미경을 사용하여, 전기전압과 수직자기장을 동시에 적용하면서 충분히 얇은 Pt 및 W 층을 통해 도 5와 같은 CoFeB 층의 자기 이미지를 얻을 수 있다. 도 5에서 어두운 회색과 밝은 회색은 MOKE 이미지에 대한 -z 및 +z 자화 도메인을 나타낸다.
도 3에서와 같이, Pt 탑 전극에는 게이트 전압이 인가되고, Ta/CoFeB/W 층의 바텀 전극은 접지된다. 따라서 대부분의 전압 강하는 저항이 높은 TaOX/AlOX 층 사이에서 발생한다.
전압이 가해지지 않은 상태에서, 자기 채널은 도 6의 (a)와 같이 일정한 스트라이프 도메인 폭(stripe domain width, λ)을 갖는 스트라이프 도메인 패턴을 나타낸다.
스트라이프 도메인 폭은 자구벽에너지(domain wall energy)에 지수적으로(exponentially) 비례한다.
Neel형 자구벽 에너지는
Figure PCTKR2023017623-appb-img-000001
로 주어지며, 여기서 A는 교환 강성(exchange stiffness)이고, Keff(
Figure PCTKR2023017623-appb-img-000002
)는 부피당 PMA 에너지 밀도이며, D는 면적당 DMI(Dzyaloshinski Moriya Interaction) 에너지 밀도이고, 마지막 항은 부피 탈자화 에너지 밀도이다.
따라서 A와 D가 동일한 값을 갖는 경우 PMA를 변경하면 스트라이프 도메인 폭의 변동이 발생한다.
도 6의 (a)는 전체 영역이 동일한 PMA 값을 가지고 있음을 나타낸다. 그런 다음, 왼쪽 파선 영역(게이트 영역)에서 4 V의 게이트 전압 펄스를 2초 동안 인가한 후, 도 6의 (b)와 같이, 스트라이프 도메인 폭은 게이트 영역 내부에서만 축소된다. 게이트 전압 펄스 주입을 추가하면 도 6의 (c)와 같이 스트라이프 도메인 폭이 훨씬 작아진다. 전압 제어 스트라이프 도메인 폭은 게이트 전압을 끈 후에도 남아 비휘발성 작동을 나타낸다.
도 6에 나타나 있는 게이트 영역과 비게이트 영역에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)하면 그 이미지가 도 7의 (a)~(f)와 같이 나타난다. 이러한 FFT 이미지는 게이트 전압이 가해질 때 스트라이프 도메인 폭의 변화가 있음을 명확히 보여준다.
게이트 전압을 인가하면 DMI나 다른 파라미터가 아닌 PMA가 조작된다는 것을 명확히 하기 위해, MOKE 현미경 시스템을 사용하여 각 게이트 전압 펄스를 인가한 후 게이트 영역의 Hk 값을 직접 측정했다. 참고로, 게이트 전압에 의한 DMI의 변화는 무시할 수 있다.
Figure PCTKR2023017623-appb-img-000003
상기 수식에서, mz는 정규화된 MOKE 신호에 해당하는 정규화된 수직 자화이고, Hz는 수직 자기장이다. Hk는 유효한 PMA 필드이며, 이 방정식을 사용하여 Hk를 얻을 수 있다.
도 8의 (a)는 게이트 전압 펄스와 수직자기이방성필드의 관계를 나타내는 것이고, (b)는 in situ etching을 사용한 비게이트(실선) 및 게이트(파선) 영역에 대한 X선 광전자 분광 분석을 나타낸 것이다. 도 8의 (a)에서 사각형은 양의 게이트 전압 펄스를 적용한 후 μ0Hk를 나타내고, 원은 음의 게이트 전압 펄스를 적용한 후 μ0Hk를 나타낸다.
2,221 Oe의 초기 Hk부터 시작하여 3.6 V의 게이트 전압 펄스를 3초 동안 인가하면 Hk가 감소한다(도 8 (a) 참고). 그런 다음, 반복적인 게이트 펄스를 사용하면 도 8 (a)의 사각형으로 이어진 곡선에 표시된 것처럼 약 1,025 Oe에서 Hk 값이 포화된다.
포화된 Hk로부터 3초 동안 순차적으로 -4.0V의 음의 게이트 전압 펄스를 인가했다. 반대로, 음의 게이트 전압 펄스는 Hk를 증가시키고, 결국 2,037 Oe로 포화된다.
즉, 인가된 게이트 전압 펄스의 극성 또는 수에 따라 Hk를 조작하여 스트라이프 도메인 폭을 자유롭게 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
전압 제어 자기 현상 연구는 산소이온 이동을 기본 메커니즘으로 활용해 왔다. 그러나, 본 발명의 일실시예를 통한 실험 결과는 산소이온 이동 메커니즘으로 설명될 수는 없다.
도 3에서와 같은 본 발명의 박막스택 구조에서 전압 강하는 주로 TaOX/AlOX 층 사이에서 발생하며, 이는 전기장이 산화물층 사이에만 존재함을 나타낸다.
산소이온 이동 개념을 사용하는 전형적인 VCMA 실험은 도 1에 도시된 바와 같이 기판/자성박막/절연체(산화물층)에서 산화물층에 직접에 게이트 전압을 인가한다. 그러나, 본 발명의 박막스택 구조(도 3)에서는 자성박막(CoFeB)과 접하는 산화물층(MgO층)에 직접 전압을 인가하는 것이 아니라 Ta/CoFeB/W 층은 접지시키고 TaOX/AlOX 층 상부 Pt 전극에 전압을 인가하게 된다.
따라서, 초기 상태에서 PMA를 감소시키는 양의 게이트 전압은 W/TaOx 계면에서 산소이온(O2-)을 끌어당긴다. 따라서 W층이 초기에 높은 저항과 풍부한 산소 이온을 가지지 않는 한 산소이온 이동은 본 발명을 설명하는 메커니즘이 될 수 없다.
도 8의 (b)와 같이 게이트/비게이트 영역에 대한 W층 내부의 산소 상태를 파악하기 위해 in situ etching을 이용한 XPS(X선 광전자 분광법)분석을 수행했다.
챔버 내부에 샘플을 넣기 전에 게이트/비게이트 영역의 Hk를 각각 1,025Oe, 2,221Oe로 측정하였다. 도 8의 (b)에서 파선 곡선은 게이트 영역의 스펙트럼을 나타내며, 실선 곡선은 비게이트 영역의 스펙트럼을 나타낸다.
각 곡선은 도 8 (b)의 오른쪽에 표시된 에칭시간이 적용된 것이다.
W4f(28eV ~ 38eV)의 결합에너지 위치에서 W 금속 상태에 대한 W4f 코어 레벨의 스핀궤도분할(spin-orbit splitting)이 두 영역 모두에서 잘 관찰된다. W 금속 피크는 300초의 에칭시간부터 나타나기 시작한다.
또한, Fe2p3/2의 결착 에너지 위치(704 eV~711 eV)에서는, 480s의 에칭시간 후에 Fe 금속 상태에 대한 Fe2p3/2의 피크가 관찰된다. 660s의 에칭시간에서 Fe2p3/2의 충분한 피크 강도는 660s의 에칭시간에서의 스펙트럼들이 CoFeB 층 근처의 분석을 반영한다는 것을 나타낸다.
그러나, W와 Fe의 산화물 상태는 모든 에칭 시간에 게이트 영역과 비게이트 영역 모두에서 관찰되지 않았다. 따라서 본 발명에서 VCMA에 관한 기본 메커니즘으로 산소이온 이동은 제외될 수 있다.
남은 가능성 중 하나는 양성자이다. 최근, 다양한 논문들이 수소 흡착에 의한 자기 특성 제어를 보고하고 있다. 또한, 게이트 전압에 의해 작동되는 양성자 펌프는 최근 자기이방성(magnetic anisotropy) 또는 페리자성순서(ferrimagnetic ordering)를 제어하는 것이 입증되었다. 게이트 전압이 표면의 대기로부터 H2O의 해리에 의해 양성자를 생성할 수 있고 양성자가 자기 특성을 바꿀 수 있다는 것이 실험적으로 증명되었다. 본 발명의 결과에 대한 가장 실현 가능한 것은 양성자일 것이다.
VCMA의 비휘발성 및 가역작동은 게이트 전압을 적용하여 이온이동이 이 작동을 담당한다고 할 수 있다.
먼저, 가장 일반적인 산소이온을 고려해 볼 수 있는데, 이상에서 설명한 바와 같이 기본 메커니즘으로 산소이동을 배제할 수 있다.
첫 번째 이유는 두 절연층(AlOx, TaOx)에 미리 존재하는 산소 이온을 강자성층(CoFeB) 쪽으로 이동시킬 구동력이 없기 때문이다. 전술한 바와 같이 절연층에만 존재하는 전기장은 절연체층 밖으로 산소 이온을 밀어낼 수 없다. 도 8 (b)의 XPS 분석에서도 VCMA 전후의 산소 스펙트럼이 나타나지 않았다.
다음으로, CoFeB 층 내부의 붕소 이온을 고려할 수 있다. 본 발명에서 PMA를 촉진하기 위해 포스트 어닐링 과정을 수행했을 때, W와 B의 큰 음의 혼합 엔탈피(ΔHW-B=-31kJ/mol)때문에 CoFeB 층의 붕소원자는 인접한 W층으로 확산된다. 따라서 전기장은 TaOX와 W층 사이의 계면 근처의 붕소이온에 영향을 미칠 수 있다.
도 9는 강한 횡방향 전류 주입에 의한 게이트 영역의 이동을 나타내는 것이다. 본 발명에서는 붕소가 기본 메커니즘에 관계되지 않는다는 간접적인 실험 증거를 제시한다. 도 9에서 볼 수 있듯이, 게이트 영역에서 PMA를 감소시키기에 충분한 게이트 전압을 주입했다. 따라서 도 9의 (a)에서 게이트 영역의 회색 영역은 광학 해상도 또는 평면내 자화 상태보다 폭이 작은 스트라이프 도메인을 나타낸다. 그리고 게이트 전압을 끈 후 -x축을 따라 5분간 강한 전류(4.0 V)를 인가하였다(도 9의 (b)). 도 9의 (b)와 같이, 강하고 긴 평면내 전류 주입은 기존의 회색 영역을 왼쪽으로 밀면서 게이트 영역이 복구된다. 그 후 +x축을 따라 4.0-V 전류를 5분간 주입하였다. 이 경우 전류가 기존의 회색 영역을 오른쪽으로 밀면서 왼쪽 영역이 약간 복구된다. 그러나 게이트 제어를 작동하지 않는 경우 횡방향 전류 주입은 더 높은(10V) 진폭과 더 긴(10분) 시간에도 자기 이방성을 변화시키지 않는다. 측방향 전류 주입에 의한 자기 이방성의 변화는 줄가열효과(Joule heating effect)를 제외하고는 CoFeB 기반 구조에서 보고된 적이 없다. 도 9에서 작동 방향은 줄가열이 지배적인 메커니즘이 아님을 나타낸다. 따라서 게이트 작동 전에 이미 존재하는 붕소 이온은 위의 실험 결과를 설명할 수 없다. 따라서 본 발명에서 VCMA에 관한 기본 메커니즘은 수소이온 이동으로 인한 것이라고 할 수 있다.
전압 제어 스커미온 동작을 실현하려면 공간적으로 균일한 제어와 두 개의 다른 영역이 지속적으로 잘 연결된 계면이 필수적이다. 그러나 산소 이온 이동 기반 VCMA는 산소이온의 무겁고 큰 특성 때문에 공간적으로 균일하지 않은 거동 또는 결함생성을 보인다. 예를 들어, VCMA 작동 중에 결함이 생성되면 이동된 스커미온이 갇혀서 더 이상의 움직임이 제한되거나 소멸될 수 있다.
도 10은 전압제어된 수직자기이방성의 공간적 균일성을 조사한 결과를 나타내는 것이다. 도 10에서 (a)는 초기 상태에서, (b)와 (c)는 양의 게이트 전압 펄스를 인가한 후에 유효 수직 자기 이방성 필드를 맵핑한 것이다.
도 11은 게이트 영역과 비게이트 영역 사이의 자기 도메인 연결을 조사한 결과를 나타내는 것이다. 도 11은 두 개의 서로 다른 수직 자기 이방성 영역을 통한 스트라이프 도메인의 지속적인 변형을 보여주고 있으며, 도 11 (b)에서 굵은 화살표는 도메인 벽에서 자화 방향을 나타내며 키랄성(chirality)이 잘 보존되어 있음을 나타낸다.
도 10과 같이 각 게이트 전압 펄스 후 Hk를 공간적으로 매핑하여 전압 제어 스트라이프 도메인 폭의 공간적 균일성을 조사하였다. 게이트 가장자리의 노이즈 데이터는 원래 MOKE 이미지의 2x2 픽셀을 x-y 평면의 하나의 매핑 데이터 포인트로 분석하기 때문이다. 초기 상태(도 10의 (a))의 경우, 게이팅 영역(도 10 (a)의 흰색 파선 박스)은 비게이팅 영역과 거의 동일한 매핑 색상(Hk, 2803 Oe의 평균값)을 갖는다.
4 V의 첫 번째 게이트 전압 펄스를 3초 동안 인가한 후, 게이팅 영역의 Hk는 도 10의 (b)와 같이 잘 제어된다(평균값 , 2234 Oe). 내부 게이트 영역의 표준 편차는 91 Oe이다. 3초 동안 4V의 두 번째 게이트 전압 펄스는 Hk(Hk의 평균값, 1749 Oe)를 더욱 낮춘다. 여기서 Hk의 표준 편차는 67 Oe이다. Hk를 측정하는 방법의 오류 범위를 고려하면, 이 전압 제어 스트라이프 도메인 폭 연산은 게이트 영역 내에서 매우 균일하다.
또한, 본 발명에서는 도 11과 같이 두 개의 서로 다른 스트라이프 도메인 폭 영역 사이의 자기 도메인 연결을 조사했다. 파선 박스 영역은 전압 제어 스트라이프 도메인 폭 영역이고, 다른 영역은 비게이트 영역이다. 도 11의 (b)는 도 11(a)d의 실선 박스의 확대된 이미지이다. 비게이트 영역 내부의 스트라이프 도메인 폭은 게이트 영역 내부의 거의 두 배이다. 그러나 두 영역의 계면(도 11 (a)의 파선)에서 다른 스트라이프 도메인 폭을 가진 두 유형의 스트라이프 도메인들은 도 11의 (b)에 표시된 것처럼 공간적으로 연속적인 스트라이프 도메인 변형으로 잘 연결되어 있다.
W 층로부터의 계면 DMI 때문에, 두 영역의 스트라이프 도메인의 도메인 벽은 도 11의 (b)에서 굵은 화살표로 표시된 왼손 키랄성(left-handed chirality)을 갖는 Neel-type 도메인 벽 구성을 가지고 있다. 위상학적 특징을 결정하는 도메인 벽 키랄성은 서로 다른 스트라이프 도메인 폭 영역을 통해 잘 보존된다는 점을 알 수 있다.
도 3과 같은 구조를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 스커미온 생성 장치는 자기이방성이 공간적으로 균일하며 게이트 영역과 비게이트 영역이 지속적으로 잘 연결된 계면을 가지고 있어서 빠르고 안정적으로 스커미온을 생성하고 저장할 수 있다.
도 12는 다양한 μ0HZ에서 스트라이프 도메인의 MOKE 이미지를 나타낸 것이다(Scale bar 5μm). 도 12에서 (a)~(d)는 초기 상태의 경우, (e)~(h)는 6번째 게이트 전압 펄스 후, (i)~(l)은 7번째 게이트 전압 펄스 후의 MOKE 이미지이다.
도 13은 전압 제어 스트라이프 도메인 폭과 z축 자기장 하에서 스트라이프 도메인-스커미온-균일 상태 사이의 위상 다이어그램이다. 흰색, 진한회색 및 옅은회색 영역은 각각 균일한 상태, 스커미온+스트라이프 상태 및 스커미온 상태를 나타낸다.
도 14의 (a)는 유효 수직자기이방성 필드의 매핑을 나타낸 것이며, (b)와 (c)는 초기상태와 면내 전류를 주입한 후의 MOKE이미지를 각각 나타낸 것이다. 도 14 (a)에서 왼쪽 영역은 비게이트 영역이고 오른쪽 영역은 게이트 영역이며, 도 14의 (b)는 초기상태 MOKE 이미지, (c)는 평면 내 전류 펄스를 주입한 후의 MOKE 이미지이다.(Scale bar 3μm)
스커미온 반지름 또는 스커미온 안정성을 포함한 스커미온 특성은 제로 자기장에서 스트라이프 도메인 폭에 의해 결정된다. 특히, z축 자기장(HZ) 하에서 스트라이프 도메인-스키미온-균일 상태에 대한 에너지 지형은 다른 물질 매개 변수와 상관없이 주로 스트라이프 도메인 폭의 함수이다.
예를 들어, 초기 상태는 도 12 (a)와 같이 제로 자기장에서 4.58μm의 스트라이프 도메인 폭을 갖는다. 그런 다음 +HZ를 적용하면 -z축 스트라이프 영역이 점차 축소되고, 결국 10.6 Oe의 +HZ에서 균일한 자기 상태를 형성한다(도 12의 (a)~(d)).
그런 다음 3.6V의 양의 게이트 전압 펄스 6개를 3초 동안 주입하면 도 12의 (e)와 같이 스트라이프 도메인 폭이 2.19μm로 줄어든다. 여기서 +HZ를 적용하면 초기 상태와 동일한 동작이 나타나지만, 균일한 상태에 도달하기 위한 +HZ 진폭은 10.6 Oe에서 12.8 Oe로 약간 증가한다(도 12의 (d) 및 (h)).
그런 다음, 3초 동안 3.6 V의 양의 게이트 전압 펄스를 더하면 도 12의 (i)에 표시된 것처럼 스트라이프 도메인 폭이 1.80 μm로 감소한다. 도 12의 (k)와 같이 10.0 Oe의 +HZ를 적용하면 스커미온 상태가 되며, 14.0 Oe의 +HZ에서 균일한 상태가 나타난다.
스트라이프 도메인 상태에서 스커미온 상태로의 위상 전이는 스트라이프 도메인의 인접한 두 도메인 벽 위치의 열적요동(thermal fluctuation)이 충분할 때 발생할 수 있다. 따라서 특정 스트라이프 도메인 폭 이상에서는 스커미온 상태가 전반적으로 최소 상태임에도 불구하고 스커미온 상태가 관찰되지 않는다(도 13 참고).
도 13에서 초기 상태(도 12의 (a))는 도 13에서 가장 오른쪽에 있는 검은색 원에 해당한다. 양의 게이트 전압 펄스를 적용하면 스트라이프 도메인 폭(도 13의 곡선을 따라 표시된 화살표)이 감소하고, 균일한 상태에 도달하기 위해 +HZ가 증가한다. 결국, 1.80μm의 스트라이프 도메인 폭 아래에서는 HZ를 적용해야만 스커미온 상태를 관찰할 수 있다. 도 13에서 곡선 근처에서 스커미온 전역 최소 상태에 있으며, 이는 HZ만으로는 관찰할 수 없다.
이러한 위상 다이어그램을 의하면, SOT(spin-orbit torque)를 사용하여 1.80μm의 스트라이프 도메인 폭을 가진 게이트 제어 영역 내의 스커미온이 비게이트 영역으로 전달될 수 있음을 알 수 있다(도 13의 중앙부에 우측 방향으로 표시된 긴 화살표).
이를 검증하기 위해 도 14에서 (a)~(c)의 각 오른쪽 영역에서는 약 1.80μm의 스트라이프 도메인 폭을 전압 제어했으며, (a)~(c)의 각 왼쪽 영역은 게이트되지 않았다. 도 14의 (a)는 두 영역이 분명히 다른 Hk를 보여주는 Hk매핑 데이터를 보여준다.
8.7 Oe의 +HZ에서 비게이트 영역은 스커미온 또는 스커미온+스트라이프 도메인 상태이다. 이 상태에서 열 에너지가 부족하여 스커미온이 자발적으로 생성되지는 않지만, 일단 스커미온이 생성되면 안정적이다.
게이트 영역은 8.7 Oe의 +HZ 아래에서 스커미온 상태에 있으며, 도 14의 (b)와 같이 충분히 작은 스트라이프 도메인 폭 때문에 스커미온이 자발적으로 생성된다. 여기서 0.5V의 평면내 전류 펄스를 10ms 동안 주입하면 도 14의 (c)와 같이 SOT에 의해 게이트 영역의 스커미온이 비게이트 영역으로 밀리고 스커미온이 자발적으로 생성되어 게이트 영역의 빈 공간을 채운다. 게이트 영역에서 이동한 스커미온은 8.7 Oe의 +HZ에서 비게이트 영역 내에서도 안정적이다.
게이트 영역에서 비게이트 영역으로의 스커미온 전달은 게이트/비게이트 영역의 계면을 통과할 때 스커미온의 모양과 위상이 잘 보존될 때만 가능하다. 이러한 작동은 본 발명이 새로운 스커미온 발생기로 사용될 수 있음을 알 수 있으며, 스커미온이 자발적으로 발생하기 때문에 게이트된 영역을 스커미온 저장소라고 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 PMA와 스트라이프 도메인 폭을 조작하여 전압 제어 스커미온 안정성 기술을 제시했다. 스커미온이 제어/비제어 영역의 계면을 통과할 때 형상과 위상이 잘 보존되기 때문에 전압 제어 영역의 공간적 균일성은 본 발명의 스커미온 생성 장치에 적합하게 적용될 수 있다.
또한 본 발명에서 제시한 전압 제어 스커미온 안정성 기술을 사용하여 스커미온 저장소 개념을 가진 새로운 스커미온 생성기를 제공할 수 있다.
본 발명은 스커미온 트랜지스터 기반 논리 장치를 포함한 스커미온 장치를 설계하고 실현하기 위한 새로운 길을 열 것이다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 스커미온을 생성하고 저장할 수 있는 스커미온 생성 장치로서,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 산화마그네슘(MgO)층, 코발트철보론(CoFeB)층, 중금속(heavy metal)층을 포함하여 이루어지고 그 일측이 접지되어 있는 제1 박막스택; 및
    상기 제1 박막스택의 상부 게이트 영역에 형성된 산화알루미늄(AlOx)층과 전극층으로 이루어지는 제2 박막스택;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극층을 통하여 상기 게이트 영역에 전압을 인가하여 게이트 영역의 수직자기이방성을 제어하고 게이트 영역 및 비게이트 영역의 수직자기장을 조절하여 게이트 영역에서의 스커미온 생성 상태와 비게이트 영역에서의 스커미온 안정 상태를 형성하고, 면내 전류(in-plane current)를 인가하여 상기 게이트 영역에서 상기 비게이트 영역으로 스커미온을 토출시키는 스커미온 생성 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 영역에 전압을 인가하면 상기 게이트 영역 내에서 수직자기이방성이 공간적으로 균일하게 나타나는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산화알루미늄층은,
    알루미늄 전구체와 물을 사용하여 최대한 낮은 온도에서 원자층증착(ALD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 산화알루미늄층은, 수소를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 중금속층은, W, Ta, Nb, Hf 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 코발트철보론층과 상기 산화마그네슘층 사이에, 초박형 금속층을 개재하는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 중금속층 상부에는 자연산화층 또는 금속산화물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    MOKE(Magneto-optical Kerr effect) 현미경을 이용한 상기 게이트 영역 내 자기 이미지는 균일한 스트라이프 도메인 폭을 나타내는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    수직자기이방성이 다른 상기 게이트 영역과 비게이트 영역의 계면에서 자화 도메인이 공간적으로 연속적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    수직자기이방성이 다른 상기 게이트 영역과 비게이트 영역의 계면에서 도메인 벽 키랄성(domain wall chirality)이 잘 보존되는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 면내 전류는 펄스 전류이며, 진폭과 시간을 조절하여 생성되는 스커미온의 수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 스커미온 생성 장치.
PCT/KR2023/017623 2023-06-02 2023-11-06 스커미온 생성 장치 Ceased WO2024248240A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230071778A KR102883794B1 (ko) 2023-06-02 2023-06-02 스커미온 생성 장치
KR10-2023-0071778 2023-06-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024248240A1 true WO2024248240A1 (ko) 2024-12-05

Family

ID=93657686

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/017623 Ceased WO2024248240A1 (ko) 2023-06-02 2023-11-06 스커미온 생성 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102883794B1 (ko)
WO (1) WO2024248240A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017151735A1 (en) * 2016-03-01 2017-09-08 Virginia Commonwealth University Switching skyrmions with vcma/electric field for memory, computing, and information processing
KR101902261B1 (ko) * 2017-07-13 2018-09-28 한국표준과학연구원 스커미온 메모리 소자
KR20200121482A (ko) * 2019-04-16 2020-10-26 고려대학교 산학협력단 비대칭 교환 상호작용 조절을 통한 자기 스커미온 소자
KR20230007091A (ko) * 2021-07-05 2023-01-12 한국표준과학연구원 스커미온 생성, 소거 및 이동 장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017151735A1 (en) * 2016-03-01 2017-09-08 Virginia Commonwealth University Switching skyrmions with vcma/electric field for memory, computing, and information processing
KR101902261B1 (ko) * 2017-07-13 2018-09-28 한국표준과학연구원 스커미온 메모리 소자
KR20200121482A (ko) * 2019-04-16 2020-10-26 고려대학교 산학협력단 비대칭 교환 상호작용 조절을 통한 자기 스커미온 소자
KR20230007091A (ko) * 2021-07-05 2023-01-12 한국표준과학연구원 스커미온 생성, 소거 및 이동 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANG SEUNGMO, SON JONG WAN, JU TAE‐SEONG, TRAN DUC MINH, HAN HEE‐SUNG, PARK SUNGKYUN, PARK BAE HO, MOON KYOUNG‐WOONG, HWANG CHANYO: "Magnetic Skyrmion Transistor Gated with Voltage‐Controlled Magnetic Anisotropy", ADVANCED MATERIALS, VCH PUBLISHERS, DE, vol. 35, no. 9, 1 March 2023 (2023-03-01), DE , XP093244673, ISSN: 0935-9648, DOI: 10.1002/adma.202208881 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240173019A (ko) 2024-12-10
KR102883794B1 (ko) 2025-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ceballos et al. Role of element-specific damping in ultrafast, helicity-independent, all-optical switching dynamics in amorphous (Gd, Tb) Co thin films
US20060133137A1 (en) Voltage-controlled magnetization reversal writing type magnetic random access memory device and method of writing and reading information using the same
WO2011149274A2 (ko) 자기적으로 연결되고 수직 자기 이방성을 갖도록 하는 비정질 버퍼층을 가지는 자기 터널 접합 소자
KR100544690B1 (ko) 비휘발성 자기 메모리 셀, 동작 방법 및 이를 이용한다진법 비휘발성 초고집적 자기 메모리
Hung et al. Experimental observation of coupled valley and spin Hall effect in p‐doped WSe2 devices
Li et al. Uniform arrays of centre-type topological domains in epitaxial ferroelectric thin films
WO2024248240A1 (ko) 스커미온 생성 장치
KR102789593B1 (ko) 공간적으로 균일한 특성을 갖는 자성 물성 제어 구조
KR102789594B1 (ko) 스커미온 트랜지스터
WO2019203454A1 (ko) 자기 소자
WO2021153920A1 (ko) 자기 터널 접합 소자 및 이의 동작 방법
Ranieri et al. Magnetoelectricity at room temperature in the LaFeO3/BiFeO3 heterostructures
CN113488584A (zh) 基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用
Chen et al. Enhanced magnetodielectric effect in graded CoFe 2 O 4/Pb (Zr 0.52 Ti 0.48) O 3 particulate composite films
WO2020226293A1 (ko) 이지-콘 상태의 자유층을 가지는 자기 터널 접합 소자
Saifullah Sub-10 nm direct patterning of oxides using an electron beam—a review
Kapran et al. In situ transport characterization of magnetic states in Nb/Co superconductor/ferromagnet heterostructures
Niedzielski Phase sensitive measurements of ferromagnetic Josephson junctions for cryogenic memory applications
Bauer Voltage programmable materials
KR20040029067A (ko) 자기저항 저장 셀의 저장 표면의 편향 자기장의 보상
Madden Ferromagnetic and Ferrimagnetic Materials as Josephson Junction Barriers
US9865660B2 (en) Organic magnetoelectroluminescence for transduction between magnetic and optical information
Wu Enhancement of spin-orbit torque and voltage-controlled magnetization switching in perpendicular magnetic tunnel junctions
Geurts Cobalt EBID
Ye et al. Non-volatile Multistate Magnetic Switching via Spin-orbit Torque and Intrinsic Anisotropy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23939879

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE