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KR102440814B1 - 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자 - Google Patents

강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자 Download PDF

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KR102440814B1
KR102440814B1 KR1020210086202A KR20210086202A KR102440814B1 KR 102440814 B1 KR102440814 B1 KR 102440814B1 KR 1020210086202 A KR1020210086202 A KR 1020210086202A KR 20210086202 A KR20210086202 A KR 20210086202A KR 102440814 B1 KR102440814 B1 KR 102440814B1
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KR
South Korea
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layer
spin
nano
heavy metal
current
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KR1020210086202A
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구현철
한기혁
한동수
이억재
민병철
김형준
Original Assignee
한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자는, 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층에 토크를 발생시키는 하부 채널층; 하부 채널층에 의해 발생한 토크에 의해 자화방향을 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 스위칭하여 자화정보를 저장하는 자유층과; 상부 채널층에 전류가 흐르면 내부로 전류가 흘러 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층에 토크를 발생시키는 고정층; 자유층과 고정층을 절연시키는 절연막층(제1 절연막층); 및 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 고정층에도 전류가 흐르도록 하여 고정층에서도 분극 스핀을 유발하여 자유층에 토크를 발생시키도록 하는 상부 채널층을 포함한다.

Description

강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자{Nano spin device using spin currents from ferromagnetic layer and heavy metal channel}
본 발명은 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자에 관한 것으로서, 더 상세하게는 채널뿐만 아니라 고정층에도 전류를 흘려 더 작은 전류로 자유층에서 쉽게 스위칭을 시킬 수 있는 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자에 관한 것이다.
최근, 자성 물질의 자화 방향을 제어함으로써 정보를 저장하는 방식의 스핀 소자를 이용하는 기술이 널리 이용되고 있다.
자성체를 이용한 나노 스핀 소자는 비휘발성을 가지는 것을 특징으로 하며, 저전력, 초고속으로 정보 제어가 가능하여 차세대 정보 처리 소자로 유망한 후보 기술 중 하나이다. 특히, 스핀 소자가 지니는 비휘발성은 논리연산 실시할 때마다 연산에 필요하지 않은 회로의 전원을 차단함으로써, 대기 전력을 낮추고, 저소비전력으로 동작이 가능한 고효율 논리 연산이 가능할 뿐 아니라, 재설정 기능, 초고속 연산 등의 장점을 가진다.
스핀 소자의 기본 구동 원리는 전자가 지니는 고유 물리량인 스핀(spin)을 전기적 신호로 제어하는 것이다. 이는 자성체 내 자화 방향을 전기 신호를 통해 제어함으로써 정보를 효율적으로 쓰는 것(writing)과 동시에 자화 정보를 전기적으로 빠르고 정확하게 읽어내는 것(reading)을 요구한다. 이를 위해 스핀 소자는 대표적으로 자화 스위칭을 위한 스핀-전달 토크(spin-transfer torque, STT) 및 스핀-궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)를 통칭하는 스핀토크 기술과, 자성체 내 자화 정보를 읽기 위한 거대 자기저항(giant magnetoresistance, GMR) 효과, 투과 자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 효과 등의 자기저항 효과를 대표 요소 기술로 하고 있다.
기존의 스핀-궤도 토크 메모리 방식은 채널에서 발생하는 스핀홀 효과에 의해서 자유층에서 스위칭이 이루어진다. 자기 접합 채널은 고정층과 자유층의 자화방향이 평행일 때와 반평행일 때의 저항값 차이로 정보를 저장한다. 이때, 자화방향이 평행일 때는 저항값이 작고, 반평행일 때는 저항값이 크다. 일반적으로, 고정층은 자유층의 자화값을 읽기 위해 사용된다. 따라서 자유층에서의 자화 정보 저장을 위한 스위칭을 위해 비교적 큰 전압이 필요하다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2018-0045302호(특허문헌 1)에는 "스핀 궤도 토크를 이용하는 스핀 시냅스 소자 및 이의 동작방법"이 개시되어 있는 바, 이에 따른 스핀 궤도 토크를 이용하는 스핀 시냅스 소자는, 기판 상에 형성된 전극; 상기 전극 상에 형성되고, 스핀 궤도 토크에 따라 자구벽 이동이 발생하는 자유층; 상기 자유층 상에 형성된 비자기재료인 터널 장벽층; 상기 터널 장벽층 상에 형성되고, 자화 방향이 고정된 제1 고정층; 상기 제1 고정층 상에 형성된 스페이서층; 및 상기 스페이서층 상에 형성된 제2 고정층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 스핀 궤도 토크에 따라 자구벽 이동이 발생하는 자유층을 형성함으로써, 스핀 전달 토크를 이용하는 자기 소자보다 더 낮은 전류로 자유층의 자화 반전이 가능한 장점이 있기는 하나, 이 또한 전극과 자유층의 경계면에서만 스핀 궤도 토크가 발생하는 구조로 되어 있어, 자유층에서의 자화반전이 일어나도록 하기 위해서는 전극에 비교적 큰 전압이 필요하다는 문제점을 내포하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2018-0045302호(2018.05.04.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 채널뿐만 아니라 고정층에도 전류를 흘려줌으로써 자유층의 상/하부에서 모두 토크가 발생하여 더 작은 전류로 자유층에서 쉽게 스위칭이 이루어질 수 있는 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자는,
전원 인가에 따라 전류가 흐르면 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층에 토크를 발생시키는 하부 채널층과;
상기 하부 채널층의 상면에 형성되며, 상기 하부 채널층에 의해 발생한 토크에 의해 자화방향을 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 스위칭하여 자화정보를 저장하는 자유층과;
상기 자유층의 자화정보를 읽는데 관여하며, 상부 채널층에 전류가 흐르면 내부로 전류가 흘러 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층에 토크를 발생시키는 고정층과;
상기 자유층과 고정층 사이에 형성되며, 자유층과 고정층을 절연시키는 절연막층(제1 절연막층); 및
상기 고정층의 상면의 일정 영역에 형성되며, 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 상기 고정층에도 전류가 흐르도록 하여 고정층에서도 분극 스핀을 유발하여 상기 자유층에 토크를 발생시키도록 하는 상부 채널층을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 상부 채널층과 하부 채널층 사이에는 상부 채널층과 하부 채널층을 절연시키기 위한 별도의 절연막층(제2 절연막층)이 더 형성될 수 있다.
이때, 상기 절연막층(제2 절연막층)은 SiOx, AlOx, MgO, HfOx, TiOx, TaOx 중 어느 하나의 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 채널층은 10㎚∼수㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부 채널층은 W, Pt, Au, Ta 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지 원소가 결합한 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 채널층은 BiSe, BiTe, WSe, WTe, AgTe, graphene, Si, GaAs, InAs 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 채널층은 여러 개의 반도체 층으로 이루어진 이종 접합 구조(heterostructure)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 자유층은 1㎚∼100㎚의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 자유층은 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다.
이때, 또한 상기 자유층은 상기 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물을 이용한 강자성 산화물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 고정층은 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다.
이때, 또한 상기 고정층은 상기 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물을 이용한 강자성 산화물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 절연막층(제1 절연막층)은 0.5∼10㎚의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연막층(제1 절연막층)은 SiOx, AlOx, MgO, HfOx, TiOx, TaOx 중 어느 하나의 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 상부 채널층은 W, Pt, Au, Ta 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지 원소가 결합한 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 상부 채널층은 BiSe, BiTe, WSe, WTe, AgTe, graphene, Si, GaAs, InAs 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 상부 채널층은 여러 개의 반도체 층으로 이루어진 이종 접합 구조(heterostructure)로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 채널뿐만 아니라 고정층에도 전류를 흘려줌으로써 자유층의 상/하부에서 모두 토크가 발생하여 더 작은 전류로 자유층에서 쉽게 스위칭이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 자기터널 접합의 원리를 개요적으로 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 스핀-궤도 토크의 원리를 개요적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 동작 원리를 개요적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
여기서, 본 발명의 실시예에 대하여 본격적으로 설명하기에 앞서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명에 적용되는 자기터널 접합의 원리 및 스핀-궤도 토크의 원리에 대해 먼저 간략히 설명해 보기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 자기터널 접합의 원리를 개요적으로 설명하는 도면으로서, 도 1a는 자화 방향이 평행인 경우, 도 1b는 자화 방향이 반평행인 경우를 각각 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 자기접합 채널은 고정층(140)과 자유층(120)의 자화방향이 평행일 때(도 1a와 같이 고정층(140)의 자화방향(적색 화살표)과 자유층(120)의 자화방향(적색 화살표)이 서로 같은 방향임)와 반평행일 때(도 1b와 같이 고정층(140)의 자화방향(적색 화살표)과 자유층(120)의 자화방향(청색 화살표)이 서로 반대 방향임)의 저항차로 자유층(120)에 자화정보를 저장한다. 이때, 자화방향이 평행일 때는 저항이 작고, 반평행일 때는 저항이 크다. 도 1a 및 도 1b에서 참조번호 110은 전원 인가에 따라 전류가 흐르는 채널, 130은 고정층(140)과 자유층(120)의 절연을 위한 절연막층을 각각 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 스핀-궤도 토크의 원리를 개요적으로 설명하는 도면으로서, 도 2a는 자화 방향이 평행인 경우, 도 2b는 자화 방향이 반평행인 경우를 각각 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 스핀-궤도 결합 토크는 채널층(110)에 전류가 +x축 방향으로 흐르면, +y 분극 스핀(적색 전자/화살표)과 -y 분극 스핀(청색 전자/화살표)으로 나누어진다. 도 2a에서는 채널층(110)에서 발생한 +y 분극 스핀이 자유층(120)에 토크를 발생시켜 자유층(120)의 자화방향을 +y축 방향으로 스위칭시키게 된다.
도 2b를 참조하면, 전류가 위의 도 2a와 반대 방향, 즉 -x축 방향으로 흐르면, 도시된 바와 같이, +y 분극 스핀(적색 전자/화살표)과 -y 분극 스핀(청색 전자/화살표)의 이동 경로도 바뀌어(즉, 도 2a에서는 +y 분극 스핀(적색 전자 /화살표)은 +z 방향으로 휘고, -y 분극 스핀(청색 전자/화살표)은 -z 방향으로 휘는데, 도 2b에서는 전류 방향이 반대 방향으로 바뀜에 따라 +y 분극 스핀(적색 전자/화살표)은 -z 방향으로 휘고, -y 분극 스핀(청색 전자/화살표)은 +z 방향으로 휨), 이번에는 채널층(110)에서 발생한 -y 분극 스핀이 자유층(120)에 토크를 발생시켜 자유층(120)의 자화방향을 -y축 방향으로 스위칭시키게 된다. 도 2a 및 도 2b에서 참조번호 130은 고정층(140)과 자유층(120)의 절연을 위한 절연막층을 나타낸다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 사항을 바탕으로 본 발명의 실시예에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자(300)는 하부 채널층(310), 자유층(320), 절연막층(제1 절연막층)(330), 고정층(340) 및 상부 채널층(350)을 포함하여 구성된다.
하부 채널층(310)은 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층(320)에 토크를 발생시킨다(즉, +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 +z 방향 또는 -z 방향으로 휨으로써 자유층(320)에 토크를 발생시키게 된다). 여기서, 이와 같은 하부 채널층(310)은 10㎚∼수㎛의 두께로 형성될 수 있다. 그러나 반드시 이와 같은 두께로 한정되는 것은 아니며, 적용되는 대상(예컨대, 반도체 메모리 소자)의 성능이나 특성에 따라 다양한 두께로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 하부 채널층(310)은 W, Pt, Au, Ta 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지 원소가 결합한 화합물로 구성될 수 있다. 또한, 하부 채널층(310)은 BiSe, BiTe, WSe, WTe, AgTe, graphene, Si, GaAs, InAs 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다. 또한, 상기 하부 채널층(310)은 여러 개의 반도체 층으로 이루어진 이종 접합 구조(heterostructure)로 구성될 수 있다. 이상과 같은 하부 채널층(310)은 위에서 열거한 물질들로 구성되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 전류가 흐르는 물질(즉, 전도성 물질)이면 모두 사용 가능하다.
자유층(320)은 상기 하부 채널층(310)의 상면에 형성되며, 하부 채널층(310)에 의해 발생한 토크에 의해 자화방향을 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 스위칭하여 자화정보를 저장한다. 이와 같은 자유층(320)은 1㎚∼100㎚의 두께로 형성될 수 있다. 이와 같은 자유층(320)도 반드시 이와 같은 두께로 한정되는 것은 아니며, 적용되는 대상(예컨대, 반도체 메모리 소자)의 성능이나 특성에 따라 다양한 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 자유층(320)은 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다. 이때, 또한 상기 자유층(320)은 상기 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물을 이용한 강자성 산화물(예를 들면, FeOx 등)로 구성될 수 있다. 이상과 같은 자유층(320)은 위에서 열거한 물질들로 한정되는 것은 아니며, 강자성(ferromagnetic) 물질이면 모두 사용할 수 있다.
고정층(340)은 상기 자유층(320)의 자화정보를 읽는데 관여하며(그러나 본 발명의 경우, 자유층(320)의 자화정보를 읽는 것(reading)뿐만 아니라 자신의 층에 자화정보를 저장(writing)하는 기능도 있음), 후술하는 상부 채널층(350)에 전류가 흐르면 내부로 전류가 흘러 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 상기 자유층(320)에 토크를 발생시킨다. 이와 같은 고정층(340)은 상기 자유층(320)과 마찬가지로 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다. 이때, 또한 고정층(340)은 상기 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물을 이용한 강자성 산화물(예를 들면, FeOx 등)로 구성될 수 있다. 이상과 같은 고정층(340)은 위에서 열거한 물질들로 한정되는 것은 아니며, 강자성(ferromagnetic) 물질이면 모두 사용 가능하다.
절연막층(제1 절연막층)(330)은 상기 자유층(320)과 고정층(340) 사이에 형성되며, 자유층(320)과 고정층(340)을 절연시킨다. 이와 같은 절연막층(제1 절연막층)(330)은 0.5∼10㎚의 두께로 형성될 수 있다. 그러나 반드시 이러한 두께로 한정되는 것은 아니며, 적용되는 대상의 성능이나 특성에 따라 다양한 두께로 형성될 수 있다. 또한, 이상과 같은 절연막층(제1 절연막층)(330)은 SiOx, AlOx, MgO, HfOx, TiOx, TaOx 중 어느 하나의 물질(산화물)로 구성될 수 있다. 이러한 절연막층(제1 절연막층)(330)은 위에서 열거한 불질로 한정되는 것은 아니며, 산화물이면 모두 사용 가능하다.
상부 채널층(350)은 상기 고정층(340)의 상면의 일정 영역에 형성되며, 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 상기 고정층(340)에도 전류가 흐르도록 하여 고정층(340)에서도 분극 스핀을 유발하여 상기 자유층(320)에 토크를 발생시키도록 한다. 이와 같은 상부 채널층(350)은 상기 하부 채널층(310)과 마찬가지로 W, Pt, Au, Ta 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지 원소가 결합한 화합물로 구성될 수 있다. 또한, 상부 채널층(350)은 BiSe, BiTe, WSe, WTe, AgTe, graphene, Si, GaAs, InAs 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성될 수 있다. 또한, 상기 상부 채널층(350)은 여러 개의 반도체 층으로 이루어진 이종 접합 구조(heterostructure)로 구성될 수 있다. 이상과 같은 상부 채널층(350)도 위에서 열거한 물질들로 구성되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 전류가 흐르는 물질(즉, 전도성 물질)이면 모두 사용 가능하다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자(300)는 바람직하게는 상기 상부 채널층(350)과 하부 채널층(310) 사이에 상부 채널층(350)과 하부 채널층(310)을 절연시키기 위한 별도의 절연막층(제2 절연막층)(360)이 더 형성될 수 있다. 이때, 이와 같은 절연막층(제2 절연막층)(360)은 상기 제1 절연막층(330)과 마찬가지로 SiOx, AlOx, MgO, HfOx, TiOx, TaOx 중 어느 하나의 물질로 구성될 수 있다. 그러나 이와 같이 제2 절연막층(360)이 제1 절연막층(330)과 동일한 물질로 구성되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 제2 절연막층(360)은 제1 절연막층(330)과 다른 물질로 구성될 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 동작 원리를 개요적으로 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 이는 자화 방향이 평행인 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 전류를 하부 채널층(310)뿐만 아니라 고정층(340)에도 흘리면(즉, 도 3에서 상부 채널층(350)에도 전류를 흘림으로써 고정층(340)에도 상부 채널층(350)과 동일한 방향으로 전류가 흐르게 됨), 자유층(320)의 상/하부에서 모두 토크가 발생하여 자유층(320)이 쉽게 스위칭하게 된다. 이때, 하부 채널층(310)과 고정층(340)의 전류 방향이, 도 4a에 도시된 바와 같이, 서로 반대이어야 동일한 방향의 스핀 분극(적색 전자/화살표)이 자유층(320)에 토크를 발생시킨다.
도 4b를 참조하면, 이는 자화 방향이 반평행인 경우를 나타낸 것으로서, 위의 도 4a에서의 전류의 방향을 도 4b와 같이 바꾸면, 도 4a에서의 스핀 분극(적색 전자/화살표)과는 반대 방향의 스핀 분극(청색 전자/화살표)이 자유층(320)에 토크를 발생시켜, 자유층(320)이 도 4a와는 반대 방향으로 스위칭하게 된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 이는 본 발명의 제2 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자(500)로서 위에서 설명한 제1 실시예에 따른 나노 스핀 소자(300)와 기본 구성은 동일하다. 다만, 이 제2 실시예에 따른 나노 스핀 소자(500)의 경우는 상부 채널층(550)의 몸체의 일 부위가 도 5에 도시된 바와 같이, 고정층(540)의 몸체의 일정 깊이까지 파고들어가도록 형성되는 점에서 제1 실시예의 나노 스핀 소자(300)와 차이가 있다.
이 제2 실시예에 따른 나노 스핀 소자(500)에서의 하부 채널층(510), 자유층(520), 제1 절연막층(530), 고정층(540), 상부 채널층(550) 및 제2 절연막층(560)의 각각의 기능 혹은 역할, 구성 물질(재질) 등은 위에서 설명한 제1 실시예에 따른 나노 스핀 소자(300)에서의 하부 채널층(310), 자유층(320), 제1 절연막층(330), 고정층(340), 상부 채널층(350) 및 제2 절연막층(360)의 기능 혹은 역할, 구성 물질(재질) 등과 각각 대응되며, 따라서 이 제2 실시예에 따른 나노 스핀 소자 (500)의 각 구성 요소들의 기능이나 역할, 구성 물질(재질) 등에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 이는 본 발명의 제3 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자(600)로서 위에서 설명한 제1 실시예에 따른 나노 스핀 소자(300)와 기본 구성은 동일하다. 다만, 이 제3 실시예에 따른 나노 스핀 소자(600)의 경우는 상부 채널층(650)이 도 6에 도시된 바와 같이, 고정층(640)의 측면으로 고정층(640)과 접촉하도록 형성되는 점에서 제1 실시예의 나노 스핀 소자(300)와 차이가 있다. 여기서도 마찬가지로 이 제3 실시예에 따른 나노 스핀 소자(600)에서의 하부 채널층(610), 자유층(620), 제1 절연막층(630), 고정층(640), 상부 채널층(650) 및 제2 절연막층(660)의 각각의 기능 혹은 역할, 구성 물질(재질) 등은 위에서 설명한 제1 실시예에 따른 나노 스핀 소자(300)에서의 하부 채널층(310), 자유층(320), 제1 절연막층(330), 고정층(340), 상부 채널층(350) 및 제2 절연막층(360)의 기능 혹은 역할, 구성 물질(재질) 등과 각각 대응되며, 따라서 이 제3 실시예에 따른 나노 스핀 소자(600)의 각 구성 요소들의 기능이나 역할, 구성 물질(재질) 등에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 이는 본 발명의 제4 실시예에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자(700)로서 위에서 설명한 제1 실시예에 따른 나노 스핀 소자(300)와 기본 구성은 동일하다. 다만, 이 제4 실시예에 따른 나노 스핀 소자(700)의 경우는, 도 7에 도시된 바와 같이, 일측 상부 채널층(750')이 하부 채널층(710)과 일체화되도록 형성되는 점에서 제1 실시예의 나노 스핀 소자(300)와 차이가 있다. 이와 같이 구성하면, 한 개의 전원으로 하부 채널층(710)과 고정층(740)은 항상 다른(반대) 방향의 전류가 흐르게 할 수 있다.
여기서도 마찬가지로 이 제4 실시예에 따른 나노 스핀 소자(700)에서의 하부 채널층(710), 자유층(720), 제1 절연막층(730), 고정층(740), 상부 채널층(750) 및 제2 절연막층(760)의 각각의 기능 혹은 역할, 구성 물질(재질) 등은 위에서 설명한 제1 실시예에 따른 나노 스핀 소자(300)에서의 하부 채널층(310), 자유층(320), 제1 절연막층(330), 고정층(340), 상부 채널층(350) 및 제2 절연막층(360)의 기능 혹은 역할, 구성 물질(재질) 등과 각각 대응되며, 따라서 이 제4 실시예에 따른 나노 스핀 소자(600)의 각 구성 요소들의 기능이나 역할, 구성 물질(재질) 등에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자는, 채널층뿐만 아니라 고정층에도 전류를 흘려줌으로써 자유층의 상/하부에서 모두 토크가 발생하여 더 작은 전류로 자유층에서 쉽게 스위칭이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 채널층 130: 절연막층
310,510,610,710: 하부 채널층 120,320,520,620,720: 자유층
330,530,630,730: 제1 절연막층 140,340,540,640,740: 고정층
350,550,650,750: 상부 채널층 360,560,660,760: 제2 절연막층

Claims (17)

  1. 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층에 토크를 발생시키는 하부 채널층과;
    상기 하부 채널층의 상면에 형성되며, 상기 하부 채널층에 의해 발생한 토크에 의해 자화방향을 +y축 방향 또는 -y축 방향으로 스위칭하여 자화정보를 저장하는 자유층과;
    상기 자유층의 자화정보를 읽는데 관여하며, 상부 채널층에 전류가 흐르면 내부로 전류가 흘러 전자가 +y 분극 스핀과 -y 분극 스핀으로 분할되어 +y 분극 스핀 또는 -y 분극 스핀이 자유층에 토크를 발생시키는 고정층과;
    상기 자유층과 고정층 사이에 형성되며, 자유층과 고정층을 절연시키는 절연막층(제1 절연막층); 및
    상기 고정층의 상면의 일정 영역에 형성되며, 전원 인가에 따라 전류가 흐르면 상기 고정층에도 전류가 흐르도록 하여 고정층에서도 분극 스핀을 유발하여 상기 자유층에 토크를 발생시키도록 하는 상부 채널층을 포함하는 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 채널층과 하부 채널층 사이에는 상부 채널층과 하부 채널층을 절연시키기 위한 별도의 절연막층(제2 절연막층)이 더 형성되어 있는 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연막층(제2 절연막층)은 SiOx, AlOx, MgO, HfOx, TiOx, TaOx 중 어느 하나의 물질로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 채널층은 10㎚∼수㎛의 두께로 형성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 채널층은 W, Pt, Au, Ta 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지 원소가 결합한 화합물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하부 채널층은 BiSe, BiTe, WSe, WTe, AgTe, graphene, Si, GaAs, InAs 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 채널층은 여러 개의 반도체 층으로 이루어진 이종 접합 구조(heterostructure)로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자유층은 1㎚∼100㎚의 두께로 형성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자유층은 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물을 이용한 강자성 산화물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정층은 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고정층은 상기 Co, Fe, Ni, Tb, Eu, Gd, CoFe, NiFe, CoNi, CoFeB 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물을 이용한 강자성 산화물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 절연막층(제1 절연막층)은 0.5∼10㎚의 두께로 형성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 절연막층(제1 절연막층)은 SiOx, AlOx, MgO, HfOx, TiOx, TaOx 중 어느 하나의 물질로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 상부 채널층은 W, Pt, Au, Ta 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지 원소가 결합한 화합물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 상부 채널층은 BiSe, BiTe, WSe, WTe, AgTe, graphene, Si, GaAs, InAs 중 어느 하나의 물질 또는 이들 중 적어도 어느 두 가지가 결합한 화합물로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 상부 채널층은 여러 개의 반도체 층으로 이루어진 이종 접합 구조(heterostructure)로 구성된 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자.
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