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WO2020242213A1 - 자기 메모리 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

자기 메모리 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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Publication number
WO2020242213A1
WO2020242213A1 PCT/KR2020/006897 KR2020006897W WO2020242213A1 WO 2020242213 A1 WO2020242213 A1 WO 2020242213A1 KR 2020006897 W KR2020006897 W KR 2020006897W WO 2020242213 A1 WO2020242213 A1 WO 2020242213A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic
state
magnetic layer
magnitude
memory device
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/006897
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박제근
장카이쑤안
이유진
Original Assignee
서울대학교산학협력단
기초과학연구원
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
Priority claimed from KR1020200063261A external-priority patent/KR102251067B1/ko
Application filed by 서울대학교산학협력단, 기초과학연구원 filed Critical 서울대학교산학협력단
Publication of WO2020242213A1 publication Critical patent/WO2020242213A1/ko

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    • 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
    • H10N50/85—Materials of the active region
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/032—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
    • H01F1/04—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/047—Alloys characterised by their composition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory device, and more particularly, to a magnetic memory device including a metallic van der Waals ferromagnet and a method of operating the same.
  • Magnetic memory devices are being studied as memory devices that meet these needs. Magnetic memory devices are in the spotlight as next-generation memories because they can operate at high speeds and/or have non-volatile characteristics.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic memory device including a metal van der Waals ferromagnetic material and capable of easily recording information by electric current and magnetic field, and a method of operating the same.
  • a magnetic memory device includes a magnetic layer including Fe 3 GeTe 2 , end electrodes spaced apart in a first direction on the magnetic layer, a voltage source connected to the end electrodes, And a magnetic field generating source vertically overlapping with the magnetic layer, wherein the voltage source is configured to apply an electric field to the magnetic layer in a direction parallel to an upper surface of the magnetic layer, and the magnetic field generating source is configured to apply a magnetic field to the magnetic layer, the It may be configured to control the electric field and the magnetic field to record and store magnetic information in the magnetic layer.
  • the thickness of the magnetic layer may be 1 nm to 100 nm.
  • the magnitude of the electric field may be 0.01 mV/nm to 1 mV/nm.
  • the magnitude of the first current flowing through the upper surface of the magnetic layer increases due to the electric field, the magnitude of coercivity of the magnetic layer may decrease.
  • the coercive force of the magnetic layer may decrease by more than 100 times.
  • Cross electrodes provided between the terminal electrodes on the magnetic layer and spaced apart in a second direction crossing the first direction, and a voltmeter connected to the cross electrodes and configured to measure a cross Hall voltage can do.
  • the magnetic layer When the electric field is applied, the magnetic layer may have a soft state, and when the electric field is not applied, the magnetic layer may have a hard state.
  • It may be configured to record the magnetic information in a path following a magnetic hysteresis curve of the magnetic layer through a change in the magnitude of the magnetic field while the magnitude of the electric field is constant.
  • It may be configured to record the magnetic information through a change in the magnitude of the electric field while the magnitude of the magnetic field is constant.
  • a magnetic memory device includes a magnetic layer, terminal electrodes spaced apart on the magnetic layer in a first direction, and provided between the terminal electrodes on the magnetic layer and spaced apart in a second direction crossing the first direction.
  • Transverse electrodes connected to the transverse electrodes, a voltmeter configured to measure a transverse Hall voltage, a first voltage source connected to the end electrodes, a magnetic field generation source vertically overlapping the magnetic layer, and both ends of the magnetic field generation source And a second voltage source connected to, wherein the first voltage source is configured to apply an electric field to the magnetic layer in a direction parallel to an upper surface of the magnetic layer, and the magnetic field generating source is configured to apply a magnetic field to the magnetic layer, and the electric field As a result, as the magnitude of the first current flowing through the upper surface of the magnetic layer increases, the magnitude of the coercivity of the magnetic layer decreases, and at least three different magnetization states are recorded and stored by controlling the electric and magnetic fields. Can be.
  • the magnetic layer may include Fe 3 GeTe 2 .
  • It may be configured to record magnetic information through a change in the magnitude of the first current while the magnitude of the magnetic field is constant.
  • the magnitude of the magnetic field In a state in which the magnitude of the magnetic field is constant, it may be configured to change from one of the magnetization states to the other of the magnetization states through a change in the magnitude of the first current.
  • Negative saturation magnetization in which the value of the transverse Hall resistance is calculated through the transverse Hall voltage and the first current, the value of the transverse Hall resistance is negative, and the value of the transverse Hall resistance is maintained even when the magnetic field changes
  • the state is defined as a "0" state, the value of the transverse Hall resistance is positive, and the positive saturation magnetization state in which the value of the transverse Hall resistance is maintained even with a change in the magnetic field is defined as a "1" state
  • the magnetization states include the "0" state, the "1” state, and at least one intermediate magnetization state in which a value of the transverse Hall resistance has a value between the "0" state and the "1” state, It may be configured to record and store the intermediate magnetization state by controlling a range for changing the first current.
  • the magnetization states include a plurality of the intermediate magnetization states, and the intermediate magnetization states may be closer to the “0” state as the maximum value of the first current increases in a range for changing the first current.
  • the range of the coercive force according to the change of the first current may be 20 Oe to 2 kOe.
  • a method of operating a magnetic memory device including a magnetic layer and electrodes on the magnetic layer includes applying an electric field to the magnetic layer in a direction parallel to the top surface of the magnetic layer through a voltage source connected to the electrodes. And, applying a magnetic field to the magnetic layer through a magnetic field generating source vertically overlapping with the magnetic layer, and recording and storing at least three different magnetization states by controlling the electric and magnetic fields, the In a state in which the magnitude of the magnetic field is constant, one of the magnetization states may be converted to the other of the magnetization states through the change of the electric field.
  • the magnetic layer may include Fe 3 GeTe 2 .
  • the magnetization states are a negative saturation magnetization state defined as a "0" state, a positive saturation magnetization state defined as a "1" state, and at least one intermediate magnetization state between the "0" state and the "1” state. Including, it is possible to record and store the intermediate magnetization state by controlling a range for changing the electric field.
  • the magnetization states include a plurality of the intermediate magnetization states, and the intermediate magnetization states may be closer to the “0” state as the maximum value of the electric field increases in a range for changing the electric field.
  • Recording and storing at least three different magnetization states by controlling the electric and magnetic fields may be performed in a temperature range of 100 K or less.
  • the magnetic memory device can effectively reduce the coercivity with a small current. Accordingly, information can be recorded with little energy, and energy efficiency can be high.
  • the magnetic memory device can implement at least three or more types of multi-bits, information density may increase and energy required for application calculation may be reduced.
  • FIG. 1A is a perspective view illustrating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a photograph illustrating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3A to 3D are graphs for explaining characteristics of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • 2C and 3E are conceptual diagrams illustrating a method of operating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4E, 5A to 5F, 6A, 6B, 7A to 7C, and 8 are graphs for describing characteristics of a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a layer is referred to herein as being'on' another layer, it may be formed directly on the top of the other layer or a third layer may be interposed therebetween.
  • first and second are used to describe various regions, layers, and the like, but these regions and layers should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one region or layer from another region or layer. Accordingly, a portion referred to as a first portion in one embodiment may be referred to as a second portion in another embodiment.
  • the embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof. Parts indicated by the same reference numerals throughout the specification represent the same components.
  • 1A is a perspective view illustrating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • 1B is a photograph illustrating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic memory device may include a magnetic layer ML and a plurality of electrodes provided on the magnetic layer ML.
  • the magnetic layer ML may have a flat plate shape extending in a first direction D1 and a second direction D2 crossing the first direction D1.
  • the second direction D2 may cross the first direction D1.
  • the second direction D2 may be orthogonal to the first direction D1.
  • the thickness T1 of the magnetic layer ML in the third direction D3 may be about 1 nm to 100 nm. More preferably, the thickness T1 of the magnetic layer ML in the third direction D3 may be about 5 nm to 50 nm.
  • the third direction D3 may be orthogonal to the first direction D1 and the second direction D2.
  • the magnetic layer ML may include, for example, Fe 3 GeTe 2 (hereinafter, FGT).
  • FGT is a metallic van der Waals ferromagnet, and it is a soft magnetic material in the bulk state, but becomes a hard ferromagnetic material with a large coercivity (coercivity or coercive force/field) of several kOe when its thickness decreases to the two-dimensional limit.
  • the van der Waals material refers to a material having a structure in which atomic layers are bonded by weak attraction (van der Waals force) between molecules rather than ionic or covalent bonds.
  • the FGT specifically, has a structure in which a tellurium (Te) atom is interposed between layers made of an iron (Fe) atom and a germanium (Ge) atom, and each of the layers may be bonded with weak attraction between molecules.
  • Te tellurium
  • the FGT can realize a transition between a hard magnetic state or a hard state and a soft magnetic state or a soft state through a current, as described later with reference to FIGS. 2A to 2C.
  • the hard magnetic state and the soft magnetic state are relative concepts. Specifically, a hard magnetic state refers to a state in which magnetic properties do not change easily according to an external magnetic field, and is suitable for storing magnetic information, but it is difficult to record magnetic information, whereas a soft magnetic state is a relatively external magnetic field. Recording of self-information is easy, but it is difficult to store self-information. That is, FGT is a material that can effectively control the magnitude of coercivity through current.
  • the plurality of electrodes provided on the magnetic layer ML specifically, include first and second longitudinal electrodes (LE1, LE2), and first and second transversal electrodes (TE1, TE2).
  • the first and second end electrodes LE1 and LE2 may be spaced apart from each other in the first direction D1.
  • the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may be spaced apart from each other in the second direction D2.
  • the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may be provided between the first and second end electrodes LE1 and LE2.
  • the first and second end electrodes LE1 and LE2 and the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may include a metal having good electrical conductivity, such as gold (Au).
  • the thickness of the first and second end electrodes LE1 and LE2 and the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 in the third direction D3 may be about 10 nm to 200 nm. have. More preferably, the thickness of the first and second terminal electrodes LE1 and LE2 and the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 in the third direction D3 is about 80 nm to 120 nm. I can.
  • the first and second end electrodes LE1 and LE2 may be connected to the first voltage source VS1.
  • the first current I1 may flow between the first and second end electrodes LE1 and LE2 due to the first voltage source VS1.
  • the first current I1 may be a planar current flowing on the upper surface of the magnetic layer ML.
  • the electric field applied to the magnetic layer ML may be parallel to the upper surface of the magnetic layer ML.
  • the electric field applied to the magnetic layer ML may be, for example, about 0.01 mV/nm to 1 mV/nm. More preferably, the electric field applied to the magnetic layer ML may be about 0.1 mV/nm to 0.5 mV/nm.
  • the first current I1 may induce an abnormal hall effect (AHE) of the magnetic layer ML.
  • the ideal Hall effect (AHE) is a ferromagnetic material itself without an external magnetic field, unlike the conventional hall effect, in which charges accumulate at the boundary of a material as the movement direction of electrons bends due to Lorentz force when a magnetic field is applied from the outside. Due to the property of, the movement direction of the electrons in which the spins are aligned is bent and charges accumulate at the boundary of the material.
  • the FGT exhibits a large ideal Hall effect (AHE)
  • the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may be connected to a chip carrier or the like through a gold (Au) wire, respectively.
  • the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may be connected to the voltmeter VM.
  • the voltmeter VM may measure a transversal hall voltage (V xy ) and a transversal hall resistance (R xy ) between the first and second transverse electrodes TE1 and TE2.
  • V xy transversal hall voltage
  • R xy transversal hall resistance
  • the magnetic memory device may further include a magnetic field generating source MS provided under the magnetic layer ML.
  • the magnetic field generating source MS may have, for example, a spiral coil shape (eg, a solenoid).
  • the magnetic field generation source MS may be connected to the second voltage source VS2.
  • the second current I2 may flow through the magnetic field generating source MS due to the second voltage source VS2, and the second current I2 may generate a magnetic field H toward the magnetic layer ML.
  • the direction of the magnetic field H may be a third direction D3 or a direction opposite to the third direction D3.
  • the magnetic field H may affect the magnetic flux density of the magnetic layer ML, and the magnetic flux density of the magnetic layer ML may change according to a magnetic hysteresis loop.
  • the transverse Hall resistance (R xy ) is proportional to the out-of-plane magnetization (M z ) of the magnetic layer (ML)
  • the degree of magnetization (or magnetic flux density) of the magnetic layer (ML) is determined by a voltmeter (VM). It can be expressed through the measured cross-hole resistance (R xy ). That is, the magnetic hysteresis curve of the magnetic layer ML may be derived from the magnitude of the magnetic field H and the magnitude of the transverse hole resistance Rxy.
  • the magnetic memory device may further include a substrate 100 provided under the magnetic layer ML.
  • the substrate 100 may be, for example, a silicon wafer.
  • a silicon oxide film may be interposed between the substrate 100 and the magnetic layer ML.
  • the magnetic layer ML may be formed by a chemical vapor transport (CVT) method.
  • CVT chemical vapor transport
  • High-purity iron (Fe), germanium (Ge) and tellurium (Te) atoms can be stoichiometrically mixed with iodine (I) atoms and then sealed with a vacuum quartz tube.
  • the vacuum quartz tube can then be placed in a two-zone furnace.
  • a two-zone heating furnace may have a temperature gradient between a source of about 750 degrees and a sink of about 680 degrees. Crystals can be grown by heating the vacuum quartz tube in a two-zone heating furnace for 7 days.
  • an exfoliation process may be performed inside a glove box.
  • the peeling process may be performed through, for example, a mechanical exfoliation method using an adhesive tape.
  • a sample including a magnetic layer ML having a thickness of several nm formed on the silicon oxide (SiO 2 ) may be formed.
  • the sample Prior to removing the peeled sample from the glove box, the sample may be sealed with a vacuum plastic package.
  • EBL electron beam lithography
  • the sample can be pretreated with PMMA polymer before the electron beam lithography process is performed.
  • PMMA polymer pretreatment may be performed by a spin coating process.
  • the spin coating process may be performed, for example, at about 130 degrees for about 1.5 minutes.
  • first and second end electrodes LE1 and LE2 and first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may be formed on the magnetic layer ML of the sample.
  • the first and second end electrodes LE1 and LE2 and the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 may be formed in the form of a hall bar.
  • the first and second end electrodes LE1 and LE2 and the first and second transverse electrodes TE1 and TE2 are subjected to an electron beam evaporation process of a metal such as gold (Au) or titanium (Ti). It can be formed by evaporation through.
  • the magnetic layer ML For example, about 90 nm of gold (Au) and about 5 nm of titanium (Ti) may be deposited on the magnetic layer ML.
  • the electron beam evaporation process may be performed under high vacuum conditions where the internal pressure is less than about 10 -5 Pa.
  • 2A and 2B are graphs illustrating characteristics of a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are graphs showing values measured at a temperature of 2K.
  • FIG. 2A is a graph showing a change in the hysteresis curve according to the magnitude of the first current I1
  • FIG. 2B is a coercivity or coercive force/field, H, according to the magnitude of the first current I1.
  • c ) is a graph showing the magnitude of the remnant transversal hall resistance (R r xy ).
  • 2A and 2B show values measured when the thickness of the magnetic layer (ML, see FIG. 1A) (T1, see FIG. 1A) is about 21.3 nm.
  • 2A and 2B show values measured when the magnitude of the first current I1 is 0.05 mA, 0.1 mA, 0.2 mA, 0.5 mA, 0.75 mA, 1.0 mA, 1.25 mA, and 1.5 mA, respectively.
  • the graph may be measured when the magnitude of the first current I1 is larger as the direction of the arrow increases.
  • the coercive force may decrease.
  • the coercive force (H c ) refers to the magnitude of the magnetic field (H) that causes the magnitude of the cross-hole resistance (R xy ) to be zero.
  • the range of the coercive force according to the change of the first current I1 may be about 5 Oe to 5 kOe. More preferably, the range of the coercive force according to the change of the first current I1 may be about 20 Oe to 2 kOe.
  • an area inside the hysteresis curve may decrease.
  • the magnitude of the residual transverse hole resistance R r xy may hardly be changed. This means that the first current I1 can change the coercive force without disturbing the ferromagnetic order of the magnetic layer ML.
  • the definition of the residual transverse hole resistance R r xy will be described later with reference to FIG. 2C. 2A and 2B show that the magnetic layer ML (see FIG. 1A) transitions from a hard state to a soft state as the magnitude of the first current I1 increases.
  • the magnitude of the first current I1 increases, the magnitude of the coercive force decreases.
  • a spin orbit torque (SOT) is generated. It is caused by doing.
  • Spin orbital torque (SOT) is the transfer of spin angular momentum based on spin orbit coupling caused by current flowing in a plane of heavy metals with large atomic numbers (e.g., Pt, Ta, W, etc.) It is a phenomenon.
  • the FGT has a very large effective magnetic field due to the spin orbit torque (SOT) due to its special geometry, so that magnetic anisotropy can be substantially controlled.
  • FIG. 2C is a conceptual diagram illustrating a method of operating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 2C is a conceptual diagram illustrating a method of storing and recording magnetic information through comparison of two cases among the hysteresis curves of FIG. 2A.
  • the second hysteresis curve HL2 of is shown.
  • the first and the second magnetic the hysteresis loop (HL1, HL2) from each saturation magnetization state of the negative transverse Hall resistance, and the value of (R xy) negative magnetic field transverse Hall resistance (R xy) to changes in (H) It may be defined as a state in which the value is maintained, and may be referred to as a "0" state (or "-Ms" state, S0).
  • saturation magnetization of both may be defined as a state in which the value of the transverse Hall resistance (R xy), and the value is positive, the magnetic field (H) transverse Hall resistance (R xy) to changes in holding and "1" state (Or “+Ms" state, S1).
  • the absolute value of the transverse Hall resistance R xy may be the largest in each of the first and second hysteresis curves HL1 and HL2.
  • the transverse Hall resistance R xy is determined by the magnetic field H. 1 It can change on the hysteresis curve (HL1).
  • the magnetic layer ML has a hard state like a general ferromagnet, and may be suitable for storing magnetic information. When the magnetic layer ML has a hard magnetic state, information loss due to thermal fluctuations can be prevented.
  • the transverse Hall resistance R xy is applied to the magnetic field H. Accordingly, it may change on the second hysteresis curve HL2.
  • the first current I1 of 1.5 mA may correspond to an electric field of about 0.3 mV/nm.
  • the magnetic layer ML may have a relatively soft state, and it may be easy to record magnetic information. That is, the recording of magnetic information may be performed when the first current I1 flows.
  • the magnetic layer (ML) has a soft magnetic state, information can be recorded with less energy, and thus energy efficiency may be high.
  • the “0” state S0 may be changed to the “1” state S1.
  • the amount of increase in the size of the magnetic field H for changing the “0” state S0 to the “1” state S1 may be greater.
  • the magnitude of the transverse Hall resistance R xy may be defined as the residual transverse Hall resistance R r xy .
  • the magnetic memory device can record magnetic information by repeating the above process, and can read the recorded magnetic information through the transverse Hall resistance R xy .
  • the magnetic information along the first path P1 can be recorded through a change in the magnitude of the magnetic field H while the magnitude of the first current I1 is constant.
  • the first path P1 may be a path following the second hysteresis curve HL2. Since the magnitude of the magnetic field H is proportional to the magnitude of the second current I2, the magnitude of the magnetic field H can be controlled through the second current I2.
  • magnetic information of the corresponding step may be stored.
  • 3A to 3D are graphs for describing characteristics of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • 3A to 3D are graphs showing values measured at a temperature of 2K.
  • FIGS. 3A and 3C are graphs showing the magnitude of the transverse Hall voltage V xy according to the magnitude of the first current I1 and the magnitude of the magnetic field H
  • FIGS. 3B and 3D are These are graphs showing relative values of the transverse Hall resistance R xy according to the magnitude of (I1) and the magnitude of the magnetic field (H).
  • FIG. 3B shows a relative value based on the cross-hole resistance (R xy ) when the magnetic flux density (B) is -0.5 T
  • FIG. 3D is the cross-hole resistance when the magnetic flux density is +0.5 T. It shows a relative value based on (R xy ).
  • 3A and 3B are measured when the magnetic flux density (B) proportional to the magnitude of the magnetic field (H) is -0.5 T (C11), 0 T (C12), 0.085 T (C13), and 0.5 T (C14), respectively. Shown values. 3C and 3D show that the magnetic flux density (B) is -0.5 T(C21), -0.1 T(C22), -0.05 T(C23), 0.05 T(C24), 0.1 T(C25), 0.5 T(C26), respectively. ) Shows the measured values.
  • the transverse Hall voltage for the magnitude of the first current I1 ( A curve showing the size of V xy (hereinafter referred to as an I1-V xy curve) may be substantially the same.
  • the I1-V xy curve shows that the magnetic flux density (B) is -0.5 T (or 0 T) as the first current (I1) increases from 0 mA to 2 mA.
  • the I1-V xy curve may be substantially the same.
  • the magnetic flux density (B) is 0.05 T (C24)
  • the magnetic flux density (B) is 0.1 T (C25)
  • the magnetic flux density (B) is 0.5 T (C26)
  • I1-V xy curve May be substantially the same.
  • the I1-V xy curve shows that the magnetic flux density (B) is -0.5 T (or -0.1) as the first current (I1) increases from 0 mA to 2 mA.
  • a new curve can be formed by deviating from the I1-V xy curve of (C21, C22).
  • the I1-V xy curve shows that the magnetic flux density (B) is 0.5 T (or 0.1) as the first current (I1) increases from 0 mA to 2 mA.
  • T, 0.05 T a new curve may be formed by deviating from the I1-V xy curve of (C24-C26).
  • the magnetic flux density (B) when the magnetic flux density (B) is -0.5 T (C21) and the magnetic flux density (B) is -0.1 T (C22), the "0" state (S0), the magnetic flux density (B) is When the magnetic flux density is 0.05 T (C24), the magnetic flux density B is 0.1 T (C25), and the magnetic flux density B is 0.5 T (C26), the “1” state (S1) may be used.
  • the magnetic flux density (B) is -0.05 T (C23)
  • an intermediate magnetization state (Sm) may be formed, and between the "0" state (S0) and the intermediate magnetization state (Sm), the "1" state ( A state transition between S1) and the intermediate magnetization state Sm is possible.
  • the definition of the intermediate magnetization state Sm will be described later with reference to FIG. 3E.
  • FIG. 3E is a conceptual diagram illustrating a method of operating a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 3E is a conceptual diagram illustrating a method of storing and recording magnetic information by comparing two cases among the hysteresis curves of FIG. 2A.
  • FIG. 2C describes substantially the same items as those described with reference to FIG. 2C.
  • the negative saturation magnetization state may change to a positive saturation magnetization state. That is, when the first current I1 flows, the "0" state S0 may change to the "1" state S1 along the second path P2.
  • the first current I1 increases from 0 mA to 2 mA, and the transverse Hall voltage V xy and the transverse Hall resistance Values of (R xy ) may escape from the “0” state S0 and reach the “1” state S1.
  • the "1" state S1 may be maintained even if the magnitude of the first current I1 is changed. That is, the state transition along the second path P2 may be strong and nonvolatile. In this case, the process of changing the "1" state S1 back to the "0" state S0 may be substantially the same as described with reference to FIG. 2C.
  • the positive saturation magnetization state may be maintained.
  • the magnetization state may move from a point on the second hysteresis curve HL2 to a point on the first hysteresis curve HL1.
  • the positive saturation magnetization state (“1" state (S1)) is the third path. It can be changed to the intermediate magnetization state (Sm) along (P3).
  • the first current I1 increases from 0 mA to 2 mA, and the transverse Hall voltage V xy and the transverse Hall resistance Values of (R xy ) may escape from the "1" state S1 and reach the intermediate magnetization state Sm. At this time, after reaching the intermediate magnetization state Sm, the intermediate magnetization state Sm may be maintained even if the magnitude of the first current I1 is changed.
  • the state transition along the third path P3 may be powerful and non-volatile. Due to the intermediate magnetization state Sm between the “0” state (S0) and the “1” state (S1), a multi-bit storing at least three pieces of information may be implemented instead of a bit storing two pieces of information. Accordingly, in the magnetic memory device according to the present invention, information density may increase and energy required for application calculation may be reduced. In addition, the magnetic memory device according to the present invention can be applied as a multiple-state spin memristor or spin synapses device used in neural network computers and artificial intelligence devices through the implementation of multi-bits. have.
  • the magnetic memory device can record magnetic information through the above process and read the recorded magnetic information through the transverse Hall resistance R xy .
  • the magnetic information along the second path P2 and the third path P3 may be recorded through a change in the magnitude of the first current I1 while the magnitude of the magnetic field H is constant.
  • 4A to 4E are graphs for describing characteristics of a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 4A to 4E illustrate values measured for a magnetic memory device in which the thickness (T1, see FIG. 1A) of the magnetic layer (ML, see FIG. 1A) is different from those of FIGS. 2A to 2C and 3A to 3E.
  • 4A to 4E are graphs showing values measured at a temperature of 2K.
  • 4A is a graph showing a change in a hysteresis curve according to the magnitude of the first current I1.
  • 4A shows measured values when the magnitudes of the first current I1 are 0.1 mA, 0.25 mA, 0.5 mA, 0.75 mA, 1.0 mA, 1.25 mA, 1.5 mA, 1.75 mA, and 2.0 mA, respectively.
  • the coercive force may decrease.
  • an area inside the hysteresis curve may decrease. 4A shows that a magnetic layer (ML, see FIG. 1A) transitions from a hard magnetic state to a soft magnetic state as the magnitude of the first current I1 increases. That is, Fig. 4A shows substantially the same result as Fig. 2A.
  • FIGS. 4B to 4E are graphs showing relative values of the transverse Hall resistance R xy according to the magnitude of the first current I1 and the magnitude of the magnetic field H. Specifically, FIGS. 4B to 4E show relative values based on the transverse hole resistance R xy when the magnetic flux density B is -0.5 T.
  • 4B to 4C are graphs showing a state transition between a "0" state (S0) and a "1" state (S1), like the second path (P2, see FIG. 3E), and FIGS. 4D and 4E are third As shown in the path P3 (refer to FIG. 3E), graphs showing state transitions between the "0" state (S0), the "1" state (S1), and the intermediate magnetization state (Sm).
  • 4B and 4C show values measured when the magnetic flux density B proportional to the magnitude of the magnetic field H is ⁇ 0.5 T, ⁇ 0.06 T, ⁇ 0.07 T, ⁇ 0.08 T, and ⁇ 0.09 T, respectively.
  • 4D and 4E show values measured when the magnetic flux density B is ⁇ 0.5 T, ⁇ 0.04 T, and ⁇ 0.05 T, respectively.
  • the threshold value of the first current I1 for transitioning from the “0” state S0 to the “1” state S1 may be larger.
  • the "1" state (S1) becomes the first and second 2
  • the intermediate magnetization states Sm1 and Sm2 may be switched.
  • the "1" state (S1) can be switched to the first intermediate magnetization state (Sm1), and when the magnetic flux density (B) is -0.05 T, the "1" state (S1) ) May be converted to the second intermediate magnetization state Sm2.
  • the second intermediate magnetization state Sm2 may be closer to the “0” state S0 than the first intermediate magnetization state Sm1. That is, the larger the magnetic flux density B is, the closer to the “0” state (S0) the intermediate magnetization state may be.
  • the “0” state (S0) becomes the first and second intermediate The magnetization states Sm1 and Sm2 may be switched.
  • the "0" state (S0) can be converted to the first intermediate magnetization state (Sm1)
  • the "0" state (S0) is It may be switched to the second intermediate magnetization state Sm2.
  • the second intermediate magnetization state Sm2 may be closer to the "1" state S1 than the first intermediate magnetization state Sm1. That is, the larger the magnetic flux density B is, the closer to the "1" state S1 may be converted into an intermediate magnetization state.
  • 5A to 5F are graphs for describing characteristics of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • 5A to 5F show the first current I1 from -0.25 mA to +0.25 mA, -0.5 mA to +0.5 mA, -0.75 mA to +0.75 mA, -1.0 mA to +1.0 mA, -1.25 mA to It shows the measured values when changed in the range of +1.25 mA, -1.5 mA to +1.5 mA, -1.75 mA to +1.75 mA, and -2.0 mA to +2.0 mA.
  • the "1" state (S1) and the “0" state (S0) show values measured when the magnetic flux density (B) is +0.5 T and -0.5 T, respectively, and the magnetic flux density (B) is +0.5 T, In the case of -0.5 T, measured values are shown when the first current I1 is changed in the range of -2.0 mA to +2.0 mA.
  • the relative values of the transverse Hall resistance (R xy) indicates a relative value relative to the transverse hole resistance (R xy) in the case where the magnetic flux density (B) is -0.5 T.
  • 5A is a graph showing a relative value of the transverse Hall resistance R xy according to the magnitude of the first current I1 when the magnetic flux density B is -0.06 T. Referring to FIG. 5A, when the first current I1 is changed in different ranges, different intermediate magnetization states may appear between the “1” state S1 and the “0” state S0.
  • 5B and 5C are graphs showing the maximum value of the first current I1 and the relative value of the transverse Hall resistance R xy over time when the magnetic flux density B is -0.06 T. 5B and 5C, when the maximum value of the first current I1 is increased with time in a range in which the first current I1 is changed, the relative value of the transverse Hall resistance R xy may decrease. . As the maximum value of the first current I1 increases in the range in which the first current I1 is changed, the intermediate magnetization state close to the “0” state S0 may be converted.
  • 5D is a graph showing a relative value of the transverse Hall resistance R xy according to the magnitude of the first current I1 when the magnetic flux density B is -0.04 T.
  • R xy the transverse Hall resistance
  • FIG. 5D when the first current I1 is changed in different ranges, different intermediate magnetization states may appear between a "1" state (S1) and a "0" state (S0).
  • the graph of FIG. 5D may be substantially similar to the graph of FIG. 5A.
  • 5E and 5F are graphs showing the maximum value of the first current I1 and the relative value of the transverse Hall resistance R xy over time when the magnetic flux density B is -0.04 T. 5E and 5F, when the maximum value of the first current I1 is increased with time in a range in which the first current I1 is changed, the relative value of the transverse Hall resistance R xy may decrease. . As the maximum value of the first current I1 increases in the range in which the first current I1 is changed, the intermediate magnetization state close to the “0” state S0 may be converted.
  • the graphs of FIGS. 5E and 5F may be substantially similar to the graphs of FIGS. 5B and 5C.
  • the magnetic memory device may record and store a plurality of intermediate magnetization states by controlling a range in which the first current I1 is changed.
  • Different nonvolatile intermediate magnetization states may be defined according to the magnetic flux density B performing the switching and the magnitude of the first current I1.
  • Each of the non-volatile intermediate magnetization states has a significant variation tolerance, so it can operate as a stable and powerful magnetic memory device.
  • 6A and 6B are graphs illustrating characteristics of a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 6A is a graph for comparing the ratio of the coercive force according to the thickness T1 of the magnetic layer ML and the magnitude of the first current I1. Specifically, the ratio of the coercive force is a ratio to the coercive force when the magnitude of the first current I1 is 0.05 mA.
  • 6B is a graph for comparing the ratio of the coercive force according to the thickness T1 of the magnetic layer ML and the current density J of the first current I1. Specifically, the ratio of the coercive force is the ratio to the coercive force when the current density J of the first current I1 is about 1 mA/ ⁇ m 2 .
  • the measurement was performed when the thickness (T1) of the magnetic layer (ML) was 21.3 nm, 16.7 nm, and 6 nm, respectively.
  • the measurement is performed when the first current I1 is positive.
  • the measurement of the thickness T1 of the magnetic layer ML may be performed through an atomic force microscope (AFM).
  • the relative magnitude of the coercive force may decrease.
  • T1 6 nm
  • T1 21.3 nm
  • the rate of reduction of the coercive force for the first current I1 than) ( ) Can be large.
  • FIG. 6B although the thickness T1 of the magnetic layer ML is different from each other, the reduction rate of the coercive force with respect to the current density J of the first current I1 may be substantially the same.
  • the magnitude of the coercive force may be a function using the current density J as a parameter, not the magnitude of the first current I1.
  • the coercivity according to the magnitude of the first current I1 or the current density J of the first current I1 may be symmetric with respect to the direction of the first current I1.
  • 7A to 7C are graphs for describing characteristics of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • 7A is a graph showing the change of the hysteresis curve according to the temperature (T). 7A shows values measured when the temperature T is 2 K, 2.5 K, 3 K, 3.5 K, 4 K, 4.5 K, 5 K, 10 K, and 20 K, respectively. In the region in which the coercive force of FIG. 7A is negative, the graph may be measured when the magnitude of the temperature T is larger as the direction of the arrow increases.
  • FIG. 7B is a graph for comparing the magnitude of the coercive force according to the temperature (T) at which measurement is performed and the magnitude of the first current (I1)
  • FIG. 7C is a temperature (T) and a first current (I1) at which measurement is performed. This is a graph for comparing the ratio of the coercive force according to the magnitude of (the ratio to the coercive force when the magnitude of the first current I1 is 1.5 mA).
  • the measurement is performed when the temperature T is 2 K, 15 K, and 30 K, respectively.
  • the magnitude of the coercive force may decrease.
  • the area inside the hysteresis curve may decrease.
  • the reduction rate of the coercive force with respect to the first current I1 may increase.
  • the reduction rate of the coercive force with respect to the first current I1 may decrease according to the magnitude of the first current I1.
  • the ratio of the coercive force may change 100 times or more according to a change in the magnitude of the first current I1.
  • a broken line (L100) crossing the graph indicates points having a coercive force that is 100 times the coercive force when the magnitude of the first current I1 is 1.5 mA.
  • FIG. 8 is a graph illustrating characteristics of a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 8 is a graph showing a change in the hysteresis curve according to the temperature T at which the measurement is performed and the magnitude of the first current I1. 8 shows the magnitude of the first current (I1) when the temperature (T) is 2 K, 10 K, 50 K, 100 K, and 200 K, respectively, 0.2 mA, 0.5 mA, 1.0 mA, 1.5 mA, 2.0 mA The measured values are shown while changing to.
  • the area inside the hysteresis curve decreases as the magnitude of the first current I1 increases, and the first current I1 If the size of) is the same, the area inside the hysteresis curve may decrease as the temperature T increases.
  • the magnetic memory device according to the present invention may require that the magnitude of the coercive force can be modulated for operation and that the magnitude change of the coercive force due to the first current I1 can be measured.
  • FIG. 8 shows that a coercive force capable of being modulated up to a temperature T of about 100 K appears, and accordingly, a change in the magnitude of the coercive force caused by the first current I1 can be measured. That is, the magnetic memory device according to the present invention may be operable in a temperature range of about 100 K or less.
  • the temperature range in which the magnetic memory device according to the present invention can operate may include a temperature range higher than the temperature of liquid nitrogen (about 77 K). Due to the fact that it can operate in a temperature range close to the temperature of liquid nitrogen, the magnetic memory device according to the present invention can reduce the cost for operation and can be applied industrially.

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Abstract

본 발명은 Fe 3GeTe 2를 포함하는 자성층, 상기 자성층 상에서 제1 방향으로 이격되는 종단 전극들, 상기 종단 전극들에 연결되는 전압원, 상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원을 포함하되, 상기 전압원은 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하도록 구성되고, 상기 자기장 발생원은 상기 자성층에 자기장을 인가하도록 구성되고, 상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 상기 자성층에 자기 정보를 기록 및 저장하도록 구성되는 자기 메모리 장치 및 그것의 동작 방법을 제공한다.

Description

자기 메모리 장치 및 그것의 동작 방법
본 발명은 자기 메모리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 금속 반 데르 발스 강자성체(metallic van der Waals ferromagnet)를 포함하는 자기 메모리 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
전자 기기의 고속화, 저전력화에 따라 이에 내장되는 메모리 장치 역시 빠른 읽기/쓰기 동작, 낮은 동작 전압이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족하는 기억 소자로 자기 메모리 장치(Magnetic memory device)가 연구되고 있다. 자기 메모리 장치는 고속 동작 및/또는 비휘발성의 특성을 가질 수 있어 차세대 메모리로 각광받고 있다.
최근에는 2차원 자성 반 데르 발스 물질(two-dimensional magnetic van der Waals materials)이 원자 수준의 얇은 두께를 갖고, 제어 가능성 및 호환성이 높으며, 설계 유연성이 뛰어난 장점으로 인해 차세대 자기 메모리 장치의 기반으로 주목받고 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 금속 반 데르 발스 강자성체를 포함하여 전류 및 자기장에 의해 쉽게 정보를 기록할 수 있는 자기 메모리 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 Fe 3GeTe 2를 포함하는 자성층, 상기 자성층 상에서 제1 방향으로 이격되는 종단 전극들, 상기 종단 전극들에 연결되는 전압원, 상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원을 포함하되, 상기 전압원은 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하도록 구성되고, 상기 자기장 발생원은 상기 자성층에 자기장을 인가하도록 구성되고, 상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 상기 자성층에 자기 정보를 기록 및 저장하도록 구성될 수 있다.
상기 자성층의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.
상기 전기장의 크기는 0.01 mV/nm 내지 1 mV/nm일 수 있다.
상기 상기 전기장에 의해 상기 자성층의 상면에 흐르는 제1 전류의 크기가 클수록 상기 자성층의 보자력(coercivity)의 크기가 감소할 수 있다.
상기 제1 전류의 크기에 따라 상기 자성층의 보자력이 100배 이상 감소할 수 있다.
상기 자성층 상에서 상기 종단 전극들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되는 횡단 전극들, 및 상기 횡단 전극들에 연결되며, 횡단 홀 전압을 측정하도록 구성되는 전압계를 더 포함할 수 있다.
상기 전기장이 인가되는 경우, 상기 자성층은 연자성 상태(soft state)를 갖고, 상기 전기장이 인가되지 않는 경우, 상기 자성층은 경자성 상태(hard state)를 가질 수 있다.
상기 전기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 자기장의 크기 변화를 통해, 상기 자성층의 자기 이력 곡선을 따르는 경로로 상기 자기 정보를 기록하도록 구성될 수 있다.
상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 전기장의 크기 변화를 통해 상기 자기 정보를 기록하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 자성층, 상기 자성층 상에서 제1 방향으로 이격되는 종단 전극들, 상기 자성층 상에서 상기 종단 전극들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되는 횡단 전극들, 상기 횡단 전극들에 연결되며, 횡단 홀 전압을 측정하도록 구성되는 전압계, 상기 종단 전극들에 연결되는 제1 전압원, 상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원, 및 상기 자기장 발생원의 양단에 연결되는 제2 전압원을 포함하되, 상기 제1 전압원은 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하도록 구성되고, 상기 자기장 발생원은 상기 자성층에 자기장을 인가하도록 구성되고, 상기 전기장에 의해 상기 자성층의 상면에 흐르는 제1 전류의 크기가 클수록 상기 자성층의 보자력(coercivity)의 크기가 감소하고, 상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 적어도 세 가지 이상의 서로 다른 자화 상태들을 기록 및 저장하도록 구성될 수 있다.
상기 자성층은 Fe 3GeTe 2를 포함할 수 있다.
상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 제1 전류의 크기 변화를 통해 자기 정보를 기록하도록 구성될 수 있다.
상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 제1 전류의 크기 변화를 통해 상기 자화 상태들 중 어느 하나로부터 상기 자화 상태들 중 다른 하나로 전환되도록 구성될 수 있다.
상기 횡단 홀 전압 및 상기 제1 전류를 통해 횡단 홀 저항의 값이 계산되고, 상기 횡단 홀 저항의 값이 음수이며, 상기 자기장의 변화에도 상기 횡단 홀 저항의 값이 유지되는 상태인 음의 포화 자화 상태는 "0" 상태로 정의되고, 상기 횡단 홀 저항의 값이 양수이며, 상기 자기장의 변화에도 상기 횡단 홀 저항의 값이 유지되는 상태인 양의 포화 자화 상태는 "1" 상태로 정의되고, 상기 자화 상태들은 상기 "0" 상태, 상기 "1" 상태, 및 상기 횡단 홀 저항의 값이 상기 "0" 상태와 상기 "1" 상태 사이의 값을 갖는 적어도 하나 이상의 중간 자화 상태를 포함하고, 상기 제1 전류를 변화시키는 범위를 제어하여 상기 중간 자화 상태를 기록 및 저장하도록 구성될 수 있다.
상기 자화 상태들은 복수 개의 상기 중간 자화 상태를 포함하고, 상기 중간 자화 상태들은 상기 제1 전류를 변화시키는 범위에서 상기 제1 전류의 최댓값이 클수록 상기 "0" 상태와 가까울 수 있다.
상기 제1 전류의 변화에 따른 상기 보자력의 범위는 20 Oe 내지 2 kOe일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따를 때 자성층 및 상기 자성층 상의 전극들을 포함하는 자기 메모리 장치의 동작 방법은 상기 전극들에 연결되는 전압원을 통해, 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하는 것, 상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원을 통해, 상기 자성층에 자기장을 인가하는 것, 및 상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 적어도 세 가지 이상의 서로 다른 자화 상태들을 기록 및 저장하는 것을 포함하되, 상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 전기장의 변화를 통해 상기 자화 상태들 중 어느 하나를 상기 자화 상태들 중 다른 하나로 전환할 수 있다.
상기 자성층은 Fe 3GeTe 2를 포함할 수 있다.
상기 자화 상태들은 "0" 상태로 정의되는 음의 포화 자화 상태, "1" 상태로 정의되는 양의 포화 자화 상태, 및 상기 "0" 상태와 상기 "1" 상태 사이의 적어도 하나 이상의 중간 자화 상태를 포함하고, 상기 전기장을 변화시키는 범위를 제어하여 상기 중간 자화 상태를 기록 및 저장할 수 있다.
상기 자화 상태들은 복수 개의 상기 중간 자화 상태를 포함하고, 상기 중간 자화 상태들은 상기 전기장을 변화시키는 범위에서 상기 전기장의 최댓값이 클수록 상기 "0" 상태와 가까울 수 있다.
상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 적어도 세 가지 이상의 서로 다른 자화 상태들을 기록 및 저장하는 것은 100 K 이하의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 작은 전류로 효과적으로 보자력을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 적은 에너지로 정보를 기록할 수 있고, 에너지 효율이 높을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 적어도 세 가지 이상의 멀티 비트를 구현할 수 있어서 정보 밀도가 높아지고 응용 계산에 들어가는 에너지가 줄어들 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치를 설명하기 위한 사진이다.
도 2a 내지 도 2b 및 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 2c 및 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 4a 내지 도 4e, 도 5a 내지 도 5f, 도 6a, 도 6b, 도 7a 내지 도 7c, 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치의 구조, 특성 및 동작 방법에 대하여 상세히 설명한다.
(구조)
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치를 설명하기 위한 사시도이다. 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치를 설명하기 위한 사진이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 자성층(ML), 자성층(ML) 상에 제공되는 복수 개의 전극들을 포함할 수 있다. 자성층(ML)은 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장되는 평판 형태일 수 있다. 제2 방향(D2)은 제1 방향(D1)과 교차할 수 있다. 일 예로, 제2 방향(D2)은 제1 방향(D1)과 직교할 수 있다. 예를 들어, 자성층(ML)의 제3 방향(D3)으로의 두께(T1)는 약 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 보다 바람직하게는, 자성층(ML)의 제3 방향(D3)으로의 두께(T1)는 약 5 nm 내지 50 nm일 수 있다. 제3 방향(D3)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 직교할 수 있다. 자성층(ML)은, 일 예로, Fe 3GeTe 2(이하, FGT)를 포함할 수 있다. FGT는 금속 반 데르 발스 강자성체(metallic van der Waals ferromagnet)이고, 벌크 상태에서는 연자성체이지만 두께가 2차원 한계까지 얇아지면 수 kOe의 큰 보자력(coercivity or coercive force/field)을 갖는 단단한 강자성체가 된다. 이때, 반 데르 발스 물질(van der Waals material)은 원자층들이 이온 결합이나 공유 결합이 아닌 분자간 약한 인력(반 데르 발스 힘)으로 결합된 구조를 갖는 물질을 의미한다. FGT는, 구체적으로, 철(Fe) 원자와 게르마늄(Ge) 원자로 이루어진 층들 사이에 텔루륨(Te) 원자가 개재된 구조를 갖고, 각 층들은 분자간 약한 인력으로 결합될 수 있다.
FGT는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 후술하는 바와 같이 전류를 통한 경자성 상태(hard magnetic state or hard state)와 연자성 상태(soft magnetic state or soft state) 사이의 전이를 실현할 수 있다. 경자성 상태와 연자성 상태는 상대적인 개념이다. 구체적으로, 경자성 상태는 외부 자기장에 따라 자기적 성질이 쉽게 변화하지 않는 상태를 의미하고, 자기 정보를 저장하기에 적합하나 자기 정보를 기록하기 어려운 상태인 반면, 연자성 상태는 상대적으로 외부 자기장을 통한 자기 정보의 기록이 용이하나 자기 정보의 저장이 어려운 상태이다. 즉, FGT는 전류를 통해 보자력의 크기를 효과적으로 제어할 수 있는 물질이다.
자성층(ML) 상에 제공되는 복수 개의 전극들은, 구체적으로, 제1 및 제2 종단 전극들(longitudinal electrodes, LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(transversal electrodes, TE1, TE2)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2)은 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2)의 사이에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은, 예를 들어, 금(Au)과 같이 전기 전도도가 좋은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)의 제3 방향(D3)으로의 두께는 약 10 nm 내지 200 nm일 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)의 제3 방향(D3)으로의 두께는 약 80 nm 내지 120 nm일 수 있다.
제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2)은 제1 전압원(VS1)과 연결될 수 있다. 제1 전압원(VS1)으로 인하여 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2) 사이에 제1 전류(I1)가 흐를 수 있다. 제1 전류(I1)는 자성층(ML)의 상면 상에서 흐르는 평면 전류일 수 있다. 다시 말하면, 자성층(ML)에 인가되는 전기장은 자성층(ML)의 상면에 평행할 수 있다. 이하에서, 자성층(ML)에 제1 전류(I1)가 흐르는 것은 자성층(ML)에 전기장이 인가되는 것을 의미한다. 자성층(ML)에 인가되는 전기장은, 예를 들어, 약 0.01 mV/nm 내지 1 mV/nm일 수 있다. 보다 바람직하게는, 자성층(ML)에 인가되는 전기장은 약 0.1 mV/nm 내지 0.5 mV/nm일 수 있다.
제1 전류(I1)는 자성층(ML)의 이상 홀 효과(anomalous hall effect, AHE)를 유도할 수 있다. 이상 홀 효과(AHE)란, 외부에서 자기장이 가해지는 경우 로렌츠 힘으로 인해 전자의 이동 방향이 휘면서 물질의 경계에 전하가 쌓이는 기존의 홀 효과(ordinary hall effect)와 달리, 외부 자기장 없이 강자성체 자체의 성질로 인해 스핀이 정렬된 전자의 이동 방향이 휘면서 물질의 경계에 전하가 쌓이는 것을 의미한다. 일 예로, FGT는 큰 이상 홀 효과(AHE)를 보이기 때문에 전기 수송 측정(electronic transport measurement)을 통해 자화 상태를 쉽게 측정할 수 있다. 일 예로, 전기 수송 측정을 위해 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은 각각 금(Au) 와이어를 통해 칩 캐리어 등과 연결될 수 있다.
제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은 전압계(VM)와 연결될 수 있다. 전압계(VM)는 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2) 사이의 횡단 홀 전압(transversal hall voltage, V xy) 및 횡단 홀 저항(transversal hall resistance, R xy)을 측정할 수 있다. 구체적으로, 이상 홀 효과(AHE)로 인해 스핀이 정렬된 전자가 자성층(ML)의 한쪽 경계에 쌓이면 양단의 전위차가 발생할 수 있고, 전압계(VM)로 이를 측정한 것이 횡단 홀 전압(V xy)이다.
본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 자성층(ML)의 하부에 제공되는 자기장 발생원(MS)을 더 포함할 수 있다. 자기장 발생원(MS)은, 일 예로, 나선형 코일 형태(예를 들어, 솔레노이드)를 가질 수 있다. 자기장 발생원(MS)은 제2 전압원(VS2)과 연결될 수 있다. 제2 전압원(VS2)으로 인하여 자기장 발생원(MS)에 제2 전류(I2)가 흐를 수 있고, 제2 전류(I2)는 자성층(ML)을 향하는 자기장(H)을 만들어낼 수 있다. 예를 들어, 자기장(H)의 방향은 제3 방향(D3) 또는 제3 방향(D3)의 반대 방향일 수 있다. 자기장(H)은 자성층(ML)의 자속 밀도(magnetic flux density)에 영향을 줄 수 있고, 자성층(ML)의 자속 밀도는 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis loop)을 따라 변화할 수 있다. 횡단 홀 저항(R xy)은 자성층(ML)의 면외 자화 정도(out-of-plane magnetization, M z)에 비례하므로, 자성층(ML)의 자화 정도(또는, 자속 밀도)는 전압계(VM)로 측정한 횡단 홀 저항(R xy)을 통해 표현될 수 있다. 즉, 자성층(ML)의 자기 이력 곡선은 자기장(H)의 크기 및 횡단 홀 저항(Rxy)의 크기로부터 유도될 수 있다.
본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 자성층(ML)의 아래에 제공되는 기판(100)을 더 포함할 수 있다. 기판(100)은, 일 예로, 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 도시되지 않았으나, 기판(100)과 자성층(ML) 사이에 실리콘 산화막이 개재될 수 있다.
(제조 방법)
자성층(ML)은 화학 증기 수송(chemical vapor transport, CVT) 방법에 의해 형성될 수 있다. 고순도의 철(Fe), 게르마늄(Ge) 및 텔루륨(Te) 원자들을 요오드(I) 원자와 화학량론적으로(stoichiometrically) 혼합한 후 진공 석영관(vacuumed quartz tube)으로 밀봉할 수 있다. 진공 석영관은 이후 2존 가열로(two-zone furnace)에 배치될 수 있다. 2존 가열로는, 일 예로, 약 750도의 소스와 약 680도의 싱크 사이에서 온도 구배(temperature gradient)를 가질 수 있다. 7일 동안 2존 가열로에서 진공 석영관을 가열하여 결정을 성장시킬 수 있다.
이후, 시료의 산화 및 분해를 최소화하기 위해 글러브 박스(glove box) 내부에서 박리(exfoliation) 공정이 수행될 수 있다. 박리 공정은, 일 예로, 접착용 테이프를 사용하는 기계적 박리 방법(mechanical exfoliation method)을 통해 수행될 수 있다. 박리 공정을 통해, 실리콘 산화물(SiO 2) 상에 형성된 수 nm 두께의 자성층(ML)을 포함하는 샘플이 형성될 수 있다. 글러브 박스에서 박리된 샘플을 꺼내기 이전에, 샘플은 진공 플라스틱 패키지로 밀봉될 수 있다.
샘플에 전자빔 리소그래피(electron beam lithography, EBL) 공정이 수행되어, 전극들이 형성될 위치를 정의할 수 있다. 전자빔 리소그래피 공정이 수행되기 전에 샘플은 PMMA 폴리머로 전처리될 수 있다. PMMA 폴리머 전처리는 스핀 코팅(spin coating) 공정에 의해 수행될 수 있다. 스핀 코팅 공정은, 예를 들어, 약 130도에서 약 1.5분동안 수행될 수 있다.
전자빔 리소그래피 공정 이후, 샘플의 자성층(ML) 상에 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)이 형성될 수 있다. 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은 홀 바(hall bar) 형태로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2), 제1 및 제2 횡단 전극들(TE1, TE2)은 금(Au) 또는 티타늄(Ti)과 같은 금속을 전자 빔 증발(electron beam evaporation) 공정을 통해 증착함으로써 형성될 수 있다. 일 예로, 약 90 nm의 금(Au) 및 약 5 nm의 티타늄(Ti)이 자성층(ML) 상에 증착될 수 있다. 전자 빔 증발 공정은 내부 압력이 약 10 -5 Pa 보다 낮은 고진공 조건에서 수행될 수 있다.
(특성 및 동작 방법)
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 2a 및 도 2b는 2K의 온도에서 측정된 값들을 도시한 그래프들이다.
구체적으로, 도 2a는 제1 전류(I1)의 크기에 따른 자기 이력 곡선의 변화를 도시한 그래프이고, 도 2b는 제1 전류(I1)의 크기에 따른 보자력(coercivity or coercive force/field, H c)의 크기 및 잔류 횡단 홀 저항(remnant transversal hall resistance, R r xy)의 크기를 도시한 그래프이다. 도 2a 및 도 2b는 자성층(ML, 도 1a 참조)의 두께(T1, 도 1a 참조)가 약 21.3 nm인 경우에 측정된 값들을 도시한다. 도 2a 및 도 2b는 제1 전류(I1)의 크기가 각각 0.05 mA, 0.1 mA, 0.2 mA, 0.5 mA, 0.75 mA, 1.0 mA, 1.25 mA, 1.5 mA인 경우에 측정된 값들을 도시한다. 도 2a의 보자력이 음수인 영역에서, 화살표 방향으로 갈수록 제1 전류(I1)의 크기가 더 큰 경우에 측정된 그래프일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 제1 전류(I1)의 크기가 증가할수록 보자력의 크기가 감소할 수 있다. 보자력(H c)은 횡단 홀 저항(R xy)의 크기가 0이 되게 하는 자기장(H)의 크기를 의미한다. 예를 들어, 제1 전류(I1)의 변화에 따른 보자력의 범위는 약 5 Oe 내지 5 kOe일 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 전류(I1)의 변화에 따른 보자력의 범위는 약 20 Oe 내지 2 kOe일 수 있다. 제1 전류(I1)의 크기가 증가할수록 자기 이력 곡선 내부의 면적이 감소할 수 있다. 제1 전류(I1)의 크기의 증가에도 불구하고 잔류 횡단 홀 저항(R r xy)의 크기는 거의 변하지 않을 수 있다. 이는 제1 전류(I1)가 자성층(ML)의 강자성 질서를 방해하지 않으면서 보자력을 변화시킬 수 있음을 의미한다. 잔류 횡단 홀 저항(R r xy)의 정의에 대하여 도 2c를 참조하여 후술한다. 도 2a 및 도 2b는 제1 전류(I1)의 크기가 증가하면서 자성층(ML, 도 1a 참조)이 경자성 상태(hard state)에서 연자성 상태(soft state)로 전이되는 것을 보여준다.
구체적으로, 제1 전류(I1)의 크기가 증가할수록 보자력의 크기가 감소하는 것은, 제1 전류(I1)가 자성층(ML)의 상면 상에 흐르면서 스핀 궤도 토크(spin orbit torque, SOT)를 생성하는 것에 기인한다. 스핀 궤도 토크(SOT)는 일반적으로 원자번호가 큰 중금속(예를 들어, Pt, Ta, W 등)의 일 평면 내에 흐르는 전류에 의해 발생하는 스핀 궤도 상호작용(spin orbit coupling)에 기반한 스핀 각운동량 전달 현상이다. 일 예로, FGT는 특별한 기하학적 구조로 인해 스핀 궤도 토크(SOT)에 의한 유효 자기장(effective magnetic field)이 매우 커서 자기 이방성(magnetic anisotropy)의 실질적인 제어가 가능하다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 구체적으로, 도 2c는 도 2a의 자기 이력 곡선들 중 두 가지 경우의 비교를 통해 자기 정보의 저장 및 기록 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2c를 참조하면, 제1 전류(I1)가 흐르지 않는 경우(엄밀하게는 0.05 mA의 전류가 흐르는 경우)의 제1 자기 이력 곡선(HL1) 및 1.5 mA의 제1 전류(I1)가 흐르는 경우의 제2 자기 이력 곡선(HL2)이 도시된다. 제1 및 제2 자기 이력 곡선들(HL1, HL2) 각각에서, 음의 포화 자화 상태는 횡단 홀 저항(R xy)의 값이 음수이며 자기장(H)의 변화에도 횡단 홀 저항(R xy)의 값이 유지되는 상태로 정의될 수 있고, "0" 상태(또는 "-Ms" 상태, S0)로 불릴 수 있다. 이와 반대로, 양의 포화 자화 상태는 횡단 홀 저항(R xy)의 값이 양수이며 자기장(H)의 변화에도 횡단 홀 저항(R xy)의 값이 유지되는 상태로 정의될 수 있고 "1" 상태(또는 "+Ms" 상태, S1)로 불릴 수 있다. "0" 상태(S0) 및 "1" 상태(S1)는 제1 및 제2 자기 이력 곡선들(HL1, HL2) 각각에서 횡단 홀 저항(R xy)의 절댓값이 가장 큰 상태일 수 있다.
도 1a 및 도 2c를 참조하면, 제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2) 사이에 제1 전류(I1)가 흐르지 않는 경우에 횡단 홀 저항(R xy)은 자기장(H)에 따라 제1 자기 이력 곡선(HL1) 상에서 변화할 수 있다. 이때, 자성층(ML)은 일반적인 강자성체(ferromagnet)와 같은 경자성 상태(hard state)를 갖고, 자기 정보를 저장하기에 적합할 수 있다. 자성층(ML)이 경자성 상태를 갖는 경우, 열적 변동에 의한 정보 손실이 방지될 수 있다.
제1 및 제2 종단 전극들(LE1, LE2) 사이에 제1 전류(I1)가 흐르는 경우(일 예로, 1.5 mA의 전류가 흐르는 경우)에 횡단 홀 저항(R xy)은 자기장(H)에 따라 제2 자기 이력 곡선(HL2) 상에서 변화할 수 있다. 일 예로, 1.5 mA의 제1 전류(I1)는 약 0.3 mV/nm의 전기장에 해당될 수 있다. 이때, 자성층(ML)은 상대적으로 연자성 상태(soft state)를 갖고, 자기 정보를 기록하기 용이할 수 있다. 즉, 자기 정보의 기록은 제1 전류(I1)가 흐르는 경우에 수행될 수 있다. 자성층(ML)이 연자성 상태를 갖는 경우, 적은 에너지로 정보를 기록할 수 있어서 에너지 효율이 높을 수 있다.
이하에서, 제1 경로(P1)에 따른 자기 정보의 기록 방법 및 자기 정보의 저장 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 자기장(H)의 크기가 0인 음의 포화 자화 상태는 제3 방향(D3)으로의 자기장(H)의 크기의 증가(일 예로, ΔH=+0.85 kOe)로 인하여 양의 포화 자화 상태로 바뀔 수 있다. 즉, 제3 방향(D3)으로의 자기장(H)의 크기의 증가로 인하여 "0" 상태(S0)가 "1" 상태(S1)로 바뀔 수 있다. 자성층(ML)의 두께(T1)가 작을수록 "0" 상태(S0)를 "1" 상태(S1)로 바꾸기 위한 자기장(H)의 크기 증가량이 클 수 있다.
이후, 제3 방향(D3)으로의 자기장(H)의 크기의 감소(일 예로, ΔH=-0.85 kOe)에도 불구하고 양의 포화 자화 상태가 유지될 수 있다. 즉, 제3 방향(D3)으로의 자기장(H)의 크기의 감소에도 불구하고 "1" 상태(S1)가 유지될 수 있다. 이때, 자기장(H)의 크기가 다시 0이 되었을 때의 횡단 홀 저항(R xy)의 크기는 잔류 횡단 홀 저항(R r xy)으로 정의될 수 있다.
이후, 잔류 횡단 홀 저항(R r xy)을 갖는 양의 포화 자화 상태는 제3 방향(D3)의 반대 방향으로의 자기장(H)의 크기의 증가(일 예로, ΔH=-0.85 kOe)로 인하여 다시 음의 포화 자화 상태로 바뀔 수 있다. 즉, 제3 방향(D3)의 반대 방향으로의 자기장(H)의 크기의 증가로 인하여 "1" 상태(S1)가 "0" 상태(S0)로 바뀔 수 있다.
이후, 제3 방향(D3)의 반대 방향으로의 자기장(H)의 크기의 감소(일 예로, ΔH=+0.85 kOe)에도 불구하고 음의 포화 자화 상태가 유지될 수 있다. 즉, 제3 방향(D3)의 반대 방향으로의 자기장(H)의 크기의 감소에도 불구하고 "0" 상태(S0)가 유지될 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 상기 과정을 반복하며 자기 정보를 기록할 수 있고, 기록된 자기 정보를 횡단 홀 저항(R xy)을 통해 읽을 수 있다. 제1 경로(P1)에 따른 자기 정보의 기록은 제1 전류(I1)의 크기가 일정한 상태에서 자기장(H)의 크기 변화를 통해 이루어질 수 있다. 일 예로, 제1 경로(P1)는 제2 자기 이력 곡선(HL2)을 따르는 경로일 수 있다. 자기장(H)의 크기는 제2 전류(I2)의 크기에 비례하므로, 제2 전류(I2)를 통해 자기장(H)의 크기를 제어할 수 있다. 또한, 상기 과정 중 어느 한 단계에서 제1 전류(I1)가 흐르지 않게 되면 해당 단계의 자기 정보가 저장될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 3a 내지 도 3d는 2K의 온도에서 측정된 값들을 도시한 그래프들이다.
구체적으로, 도 3a 및 도 3c는 제1 전류(I1)의 크기 및 자기장(H)의 크기에 따른 횡단 홀 전압(V xy)의 크기를 도시한 그래프들이고, 도 3b 및 도 3d는 제1 전류(I1)의 크기 및 자기장(H)의 크기에 따른 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값을 도시한 그래프들이다. 구체적으로, 도 3b는 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우의 횡단 홀 저항(R xy)을 기준으로 하는 상대적인 값을 도시하고, 도 3d는 자속 밀도가 +0.5 T인 경우의 횡단 홀 저항(R xy)을 기준으로 하는 상대적인 값을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 자기장(H)의 크기에 비례하는 자속 밀도(B)가 각각 -0.5 T(C11), 0 T(C12), 0.085 T(C13), 0.5 T(C14)인 경우에 측정된 값들을 도시한다. 도 3c 및 도 3d는 자속 밀도(B)가 각각 -0.5 T(C21), -0.1 T(C22), -0.05 T(C23), 0.05 T(C24), 0.1 T(C25), 0.5 T(C26)인 경우에 측정된 값들을 도시한다.
도 3a를 참조하면, 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우(C11) 및 자속 밀도(B)가 0 T인 경우(C12)에, 제1 전류(I1)의 크기에 대한 횡단 홀 전압(V xy)의 크기를 도시한 곡선(이하에서 I1-V xy 곡선으로 지칭)은 실질적으로 동일할 수 있다. 자속 밀도(B)가 0.085 T인 경우(C13)의 I1-V xy 곡선은 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 자속 밀도(B)가 -0.5 T(또는 0 T)인 경우(C11, C12)의 I1-V xy 곡선으로부터 벗어나 자속 밀도(B)가 0.5 T인 경우(C14)의 I1-V xy 곡선에 가까워질 수 있다. 도 3b를 참조하면, 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우(C11) 및 자속 밀도(B)가 0 T인 경우(C12)는 "0" 상태(S0), 자속 밀도(B)가 0.5 T인 경우(C14)는 "1" 상태(S1)일 수 있다. 또한, 자속 밀도(B)가 0.085 T인 경우(C13)는 "0" 상태(S0)와 "1" 상태(S1) 사이의 상태 전환이 가능하다.
도 3c를 참조하면, 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우(C21) 및 자속 밀도(B)가 -0.1 T인 경우(C22)에, I1-V xy 곡선은 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 자속 밀도(B)가 0.05 T인 경우(C24), 자속 밀도(B)가 0.1 T인 경우(C25) 및 자속 밀도(B)가 0.5 T인 경우(C26)에, I1-V xy 곡선은 실질적으로 동일할 수 있다. 자속 밀도(B)가 -0.05 T인 경우(C23)의 I1-V xy 곡선은 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 자속 밀도(B)가 -0.5 T(또는 -0.1 T)인 경우(C21, C22)의 I1-V xy 곡선으로부터 벗어나 새로운 곡선을 형성할 수 있다. 또한, 자속 밀도(B)가 -0.05 T인 경우(C23)의 I1-V xy 곡선은 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 자속 밀도(B)가 0.5 T(또는 0.1 T, 0.05 T)인 경우(C24-C26)의 I1-V xy 곡선으로부터 벗어나 새로운 곡선을 형성할 수 있다. 도 3d를 참조하면, 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우(C21) 및 자속 밀도(B)가 -0.1 T인 경우(C22)는 "0" 상태(S0), 자속 밀도(B)가 0.05 T인 경우(C24), 자속 밀도(B)가 0.1 T인 경우(C25) 및 자속 밀도(B)가 0.5 T인 경우(C26)는 "1" 상태(S1)일 수 있다. 또한, 자속 밀도(B)가 -0.05 T인 경우(C23)는 중간 자화 상태(Sm)를 형성할 수 있고, "0" 상태(S0)와 중간 자화 상태(Sm) 사이, "1" 상태(S1)와 중간 자화 상태(Sm) 사이의 상태 전환이 가능하다. 중간 자화 상태(Sm)의 정의에 대하여 도 3e를 참조하여 후술한다.
도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 구체적으로, 도 3e는 도 2a의 자기 이력 곡선들 중 두 가지 경우의 비교를 통해 자기 정보의 저장 및 기록 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 이하에서, 설명의 편의를 위해 도 2c를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명은 생략된다.
도 3e를 참조하면, 제2 자기 이력 곡선(HL2)에서, 횡단 홀 저항(R xy)의 값이 "0" 상태(S0)와 "1" 상태(S1)의 사이의 값을 갖는 상태가 중간 자화 상태(Sm)로 정의될 수 있다. 도 1a 및 도 3e를 참조하여, 제2 경로(P2) 및 제3 경로(P3)에 따른 자기 정보의 기록 방법 및 자기 정보의 저장 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 제1 전류(I1)가 흐르지 않는 경우에 음의 포화 자화 상태는 제3 방향(D3)으로의 자기장(H)의 크기의 증가(일 예로, ΔH=+0.85 kOe, ΔB=+0.085 T)에도 불구하고 유지될 수 있다.
이후, 자기장(H)의 크기가 유지되면서(일 예로, H=+0.85 kOe로 유지되면서) 제1 전류(I1)가 흐르면 음의 포화 자화 상태는 양의 포화 자화 상태로 바뀔 수 있다. 즉, 제1 전류(I1)가 흐르면 "0" 상태(S0)가 "1" 상태(S1)로 제2 경로(P2)를 따라 바뀔 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 자속 밀도(B)의 크기가 +0.085 T로 유지되는 경우 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가하면서 횡단 홀 전압(V xy) 및 횡단 홀 저항(R xy)의 값들이 "0" 상태(S0)에서 벗어나 "1" 상태(S1)에 이를 수 있다. 이때, "1" 상태(S1)에 도달한 이후에는 제1 전류(I1)의 크기를 바꾸더라도 "1" 상태(S1)가 유지될 수 있다. 즉, 제2 경로(P2)에 따른 상태 전환은 강력하고 비휘발적(nonvolatile)일 수 있다. 이때, "1" 상태(S1)를 "0" 상태(S0)로 다시 바꾸는 과정은 도 2c를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
이후, 제1 전류(I1)를 통해 전환된 "1" 상태(S1)에서 제1 전류(I1)가 흐르지 않게 되더라도 양의 포화 자화 상태가 유지될 수 있다. 다만, 자화 상태는 제2 자기 이력 곡선(HL2) 상의 지점에서 제1 자기 이력 곡선(HL1) 상의 지점으로 이동할 수 있다. 또한, 제1 전류(I1)가 흐르지 않는 경우에 제3 방향(D3)으로의 자기장(H)의 크기의 감소(ΔH=-1.35 kOe, ΔB=-0.135 T)에도 불구하고 양의 포화 자화 상태는 계속 유지될 수 있다.
이후, 자기장(H)의 크기가 유지되면서(일 예로, H=-0.5 kOe로 유지되면서) 제1 전류(I1)가 흐르면 양의 포화 자화 상태("1" 상태(S1))는 제3 경로(P3)를 따라 중간 자화 상태(Sm)로 바뀔 수 있다. 도 3c 및 도 3d를 참조하면, 자속 밀도(B)의 크기가 -0.05 T로 유지되는 경우 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가하면서 횡단 홀 전압(V xy) 및 횡단 홀 저항(R xy)의 값들이 "1" 상태(S1)에서 벗어나 중간 자화 상태(Sm)에 이를 수 있다. 이때, 중간 자화 상태(Sm)에 도달한 이후에는 제1 전류(I1)의 크기를 바꾸더라도 중간 자화 상태(Sm)가 유지될 수 있다. 즉, 제3 경로(P3)에 따른 상태 전환은 강력하고 비휘발적일 수 있다. "0" 상태(S0)와 "1" 상태(S1) 사이의 중간 자화 상태(Sm)로 인하여 두 가지 정보를 저장하는 비트가 아닌 적어도 세 가지 이상의 정보를 저장하는 멀티 비트가 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 정보 밀도가 높아지고 응용 계산에 들어가는 에너지가 줄어들 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 멀티 비트의 구현을 통해 신경망 컴퓨터 및 인공 지능 장치 등에 이용되는 다중 상태 스핀 멤리스터(multiple-state spin memristor) 또는 스핀 시냅스 장치(spin synapses device)로 응용될 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 상기 과정을 통해 자기 정보를 기록할 수 있고, 기록된 자기 정보를 횡단 홀 저항(R xy)을 통해 읽을 수 있다. 제2 경로(P2) 및 제3 경로(P3)에 따른 자기 정보의 기록은 자기장(H)의 크기가 일정한 상태에서 제1 전류(I1)의 크기 변화를 통해 이루어질 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 4a 내지 도 4e는 자성층(ML, 도 1a 참조)의 두께(T1, 도 1a 참조)가 도 2a 내지 도 2c, 도 3a 내지 도 3e의 경우와 다른 자기 메모리 장치에 대하여 측정된 값들을 도시한다. 도 4a 내지 도 4e는 2K의 온도에서 측정된 값들을 도시한 그래프들이다.
도 4a는 제1 전류(I1)의 크기에 따른 자기 이력 곡선의 변화를 도시한 그래프이다. 도 4a는 제1 전류(I1)의 크기가 각각 0.1 mA, 0.25 mA, 0.5 mA, 0.75 mA, 1.0 mA, 1.25 mA, 1.5 mA, 1.75 mA, 2.0 mA인 경우에 측정된 값들을 도시한다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 제1 전류(I1)의 크기가 증가할수록 보자력의 크기가 감소할 수 있다. 제1 전류(I1)의 크기가 증가할수록 자기 이력 곡선 내부의 면적이 감소할 수 있다. 도 4a는 제1 전류(I1)의 크기가 증가하면서 자성층(ML, 도 1a 참조)이 경자성 상태에서 연자성 상태로 전이되는 것을 보여준다. 즉, 도 4a는 도 2a와 실질적으로 동일한 결과를 보여준다.
도 4b 내지 도 4e는 제1 전류(I1)의 크기 및 자기장(H)의 크기에 따른 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값을 도시한 그래프들이다. 구체적으로, 도 4b 내지 도 4e는 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우의 횡단 홀 저항(R xy)을 기준으로 하는 상대적인 값을 도시한다. 도 4b 내지 도 4c는 제2 경로(P2, 도 3e 참조)와 같이 "0" 상태(S0)와 "1" 상태(S1) 사이의 상태 전환을 보여주는 그래프들이고, 도 4d 및 도 4e는 제3 경로(P3, 도 3e 참조)와 같이 "0" 상태(S0), "1" 상태(S1) 및 중간 자화 상태(Sm) 사이의 상태 전환을 보여주는 그래프들이다.
도 4b 및 도 4c는 자기장(H)의 크기에 비례하는 자속 밀도(B)가 각각 ±0.5 T, ±0.06 T, ±0.07 T, ±0.08 T, ±0.09 T인 경우에 측정된 값들을 도시한다. 도 4d 및 도 4e는 자속 밀도(B)가 각각 ±0.5 T, ±0.04 T, ±0.05 T 인 경우에 측정된 값들을 도시한다.
도 4b를 참조하면, 자속 밀도(B)가 -0.06 T, -0.07 T, -0.08 T, -0.09 T인 경우, 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 "1" 상태(S1)가 "0" 상태(S0)로 전환될 수 있다. 이때, 자기장(H)의 크기가 작을수록(엄밀하게는 절댓값이 작을수록) "1" 상태(S1)에서 "0" 상태(S0)로 전환되기 위한 제1 전류(I1)의 임계치가 클 수 있다.
도 4c를 참조하면, 자속 밀도(B)가 0.06 T, 0.07 T, 0.08 T, 0.09 T인 경우, 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 "0" 상태(S0)가 "1" 상태(S1)로 전환될 수 있다. 이때, 자기장(H)의 크기가 작을수록 "0" 상태(S0)에서 "1" 상태(S1)로 전환되기 위한 제1 전류(I1)의 임계치가 클 수 있다.
도 4d를 참조하면, 자속 밀도(B)가 -0.04 T, -0.05 T인 경우, 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 "1" 상태(S1)가 제1 및 제2 중간 자화 상태들(Sm1, Sm2)로 전환될 수 있다. 자속 밀도(B)가 -0.04 T인 경우 "1" 상태(S1)가 제1 중간 자화 상태(Sm1)로 전환될 수 있고, 자속 밀도(B)가 -0.05 T인 경우 "1" 상태(S1)가 제2 중간 자화 상태(Sm2)로 전환될 수 있다. 이때, 제2 중간 자화 상태(Sm2)가 제1 중간 자화 상태(Sm1)보다 "0" 상태(S0)에 가까울 수 있다. 즉, 자속 밀도(B)의 크기가 클수록 "0" 상태(S0)와 가까운 중간 자화 상태로 전환될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 자속 밀도(B)가 0.04 T, 0.05 T인 경우, 제1 전류(I1)가 0 mA에서 2 mA로 증가함에 따라 "0" 상태(S0)가 제1 및 제2 중간 자화 상태들(Sm1, Sm2)로 전환될 수 있다. 자속 밀도(B)가 0.04 T인 경우 "0" 상태(S0)가 제1 중간 자화 상태(Sm1)로 전환될 수 있고, 자속 밀도(B)가 0.05 T인 경우 "0" 상태(S0)가 제2 중간 자화 상태(Sm2)로 전환될 수 있다. 이때, 제2 중간 자화 상태(Sm2)가 제1 중간 자화 상태(Sm1)보다 "1" 상태(S1)에 가까울 수 있다. 즉, 자속 밀도(B)의 크기가 클수록 "1" 상태(S1)와 가까운 중간 자화 상태로 전환될 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 5a 내지 도 5f는 제1 전류(I1)를 각각 -0.25 mA ~ +0.25 mA, -0.5 mA ~ +0.5 mA, -0.75 mA ~ +0.75 mA, -1.0 mA ~ +1.0 mA, -1.25 mA ~ +1.25 mA, -1.5 mA ~ +1.5 mA, -1.75 mA ~ +1.75 mA, -2.0 mA ~ +2.0 mA의 범위에서 변화시켰을 경우에 측정된 값들을 도시한다. "1" 상태(S1)와 "0" 상태(S0)는 각각 자속 밀도(B)가 +0.5 T, -0.5 T인 경우에 측정된 값들을 도시하고, 자속 밀도(B)가 +0.5 T, -0.5 T인 경우는 제1 전류(I1)를 -2.0 mA ~ +2.0 mA의 범위에서 변화시켰을 경우에 측정된 값들을 도시한다. 도 5a 내지 도 5f에서, 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값은 자속 밀도(B)가 -0.5 T인 경우의 횡단 홀 저항(R xy)을 기준으로 하는 상대적인 값을 나타낸다.
도 5a는 자속 밀도(B)가 -0.06 T인 경우, 제1 전류(I1)의 크기에 따른 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값을 도시한 그래프이다. 도 5a를 참조하면, 제1 전류(I1)를 서로 다른 범위에서 변화시켰을 때 "1" 상태(S1)와 "0" 상태(S0) 사이에서 서로 다른 중간 자화 상태들이 나타날 수 있다.
도 5b 및 도 5c는 자속 밀도(B)가 -0.06 T인 경우, 시간(times)에 따른 제1 전류(I1)의 최댓값 및 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값을 도시한 그래프들이다. 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 제1 전류(I1)를 변화시키는 범위에서 제1 전류(I1)의 최댓값을 시간에 따라 증가시키면, 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값은 감소할 수 있다. 제1 전류(I1)를 변화시키는 범위에서 제1 전류(I1)의 최댓값이 클수록, "0" 상태(S0)와 가까운 중간 자화 상태로 전환될 수 있다.
도 5d는 자속 밀도(B)가 -0.04 T인 경우, 제1 전류(I1)의 크기에 따른 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값을 도시한 그래프이다. 도 5d를 참조하면, 제1 전류(I1)를 서로 다른 범위에서 변화시켰을 때 "1" 상태(S1)와 "0" 상태(S0) 사이에서 서로 다른 중간 자화 상태들이 나타날 수 있다. 도 5d의 그래프는 도 5a의 그래프와 실질적으로 유사할 수 있다.
도 5e 및 도 5f는 자속 밀도(B)가 -0.04 T인 경우, 시간(times)에 따른 제1 전류(I1)의 최댓값 및 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값을 도시한 그래프들이다. 도 5e 및 도 5f를 참조하면, 제1 전류(I1)를 변화시키는 범위에서 제1 전류(I1)의 최댓값을 시간에 따라 증가시키면, 횡단 홀 저항(R xy)의 상대적인 값은 감소할 수 있다. 제1 전류(I1)를 변화시키는 범위에서 제1 전류(I1)의 최댓값이 클수록, "0" 상태(S0)와 가까운 중간 자화 상태로 전환될 수 있다. 도 5e 및 도 5f의 그래프들은 도 5b 및 도 5c의 그래프들과 실질적으로 유사할 수 있다.
도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 제1 전류(I1)를 변화시키는 범위를 제어하여 복수 개의 중간 자화 상태들을 기록 및 저장할 수 있다. 스위칭을 수행하는 자속 밀도(B) 및 제1 전류(I1)의 크기에 따라 서로 다른 비휘발적인 중간 자화 상태들이 정의될 수 있다. 비휘발적 중간 자화 상태들은 각각 상당한 변동 허용 오차를 가지고 있어 안정적이고 강력한 자기 메모리 장치로 동작할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 6a는 자성층(ML)의 두께(T1) 및 제1 전류(I1)의 크기에 따른 보자력의 비율을 비교하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 보자력의 비율은 제1 전류(I1)의 크기가 0.05 mA인 경우의 보자력에 대한 비율이다. 도 6b는 자성층(ML)의 두께(T1) 및 제1 전류(I1)의 전류 밀도(current density, J)에 따른 보자력의 비율을 비교하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 보자력의 비율은 제1 전류(I1)의 전류 밀도(J)가 약 1 mA/μm 2인 경우의 보자력에 대한 비율이다.
측정은 자성층(ML)의 두께(T1)가 각각 21.3 nm, 16.7 nm, 6 nm인 경우에 수행된 것이다. 자성층(ML)의 두께(T1)가 각각 21.3 nm, 16.7 nm인 경우, 측정은 제1 전류(I1)가 양수인 경우에 수행된 것이다. 자성층(ML)의 두께(T1)의 측정은 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM)을 통해 수행될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 전류(I1)의 크기 또는 제1 전류(I1)의 전류 밀도(J)가 증가할수록 보자력의 상대적인 크기가 감소할 수 있다. 도 6a를 참조하면, 자성층(ML)의 두께(T1)가 작은 경우(예를 들어, T1=6 nm)는 자성층(ML)의 두께(T1)가 큰 경우(예를 들어, T1=21.3 nm)보다 제1 전류(I1)에 대한 보자력의 감소율(
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)이 클 수 있다. 도 6b를 참조하면, 자성층(ML)의 두께(T1)가 서로 다름에도 불구하고 제1 전류(I1)의 전류 밀도(J)에 대한 보자력의 감소율은 실질적으로 동일할 수 있다. 보자력의 크기는 제1 전류(I1)의 크기가 아닌 전류 밀도(J)를 매개 변수로 하는 함수일 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서 자성층(ML)의 두께(T1)가 6 nm인 경우의 그래프를 참조하면, 제1 전류(I1)의 크기 또는 제1 전류(I1)의 전류 밀도(J)에 따른 보자력의 크기는 제1 전류(I1)의 방향에 대해 대칭적일 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 7a는 온도(T)에 따른 자기 이력 곡선의 변화를 도시한 그래프이다. 도 7a는 온도(T)가 각각 2 K, 2.5 K, 3 K, 3.5 K, 4 K, 4.5 K, 5 K, 10 K, 20 K인 경우에 측정된 값들을 도시한다. 도 7a의 보자력이 음수인 영역에서, 화살표 방향으로 갈수록 온도(T)의 크기가 더 큰 경우에 측정된 그래프일 수 있다.
도 7b는 측정이 수행되는 온도(T) 및 제1 전류(I1)의 크기에 따른 보자력의 크기를 비교하기 위한 그래프이고, 도 7c는 측정이 수행되는 온도(T) 및 제1 전류(I1)의 크기에 따른 보자력의 비율(제1 전류(I1)의 크기가 1.5 mA인 경우의 보자력에 대한 비율)을 비교하기 위한 그래프이다. 도 7b 및 도 7c의 경우, 측정은 온도(T)가 각각 2 K, 15 K, 30 K인 경우에 수행된 것이다.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 온도(T)가 증가할수록 보자력의 크기가 감소할 수 있다. 온도(T)가 증가할수록 자기 이력 곡선 내부의 면적이 감소할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 온도(T)가 낮을수록 제1 전류(I1)에 대한 보자력의 감소율이 클 수 있다. 제1 전류(I1)에 대한 보자력의 감소율은 제1 전류(I1)의 크기에 따라 감소할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 온도(T)가 30 K인 경우 제1 전류(I1)의 크기 변화에 따라 보자력의 비율은 100배 이상 변화할 수 있다. 그래프를 가로지르는 파선(broken line, L100)은 제1 전류(I1)의 크기가 1.5 mA인 경우의 보자력의 100배인 보자력을 갖는 지점들을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 구체적으로, 도 8은 측정이 수행되는 온도(T) 및 제1 전류(I1)의 크기에 따른 자기 이력 곡선의 변화를 도시한 그래프이다. 도 8은 온도(T)가 각각 2 K, 10 K, 50 K, 100 K, 200 K인 경우에, 제1 전류(I1)의 크기를 0.2 mA, 0.5 mA, 1.0 mA, 1.5 mA, 2.0 mA로 변경하면서 측정된 값들을 도시한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는 온도(T)가 동일한 경우 제1 전류(I1)의 크기가 증가할수록 자기 이력 곡선 내부의 면적이 감소하고, 제1 전류(I1)의 크기가 동일한 경우 온도(T)가 증가할수록 자기 이력 곡선 내부의 면적이 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 동작을 위해서 보자력의 크기가 변조 가능할 정도일 것 그리고 제1 전류(I1)에 의한 보자력의 크기 변화가 측정 가능할 것을 요구할 수 있다. 도 8은 약 100 K의 온도(T)까지 변조 가능한 정도의 보자력이 나타나고, 이에 따라 제1 전류(I1)에 의한 보자력의 크기 변화가 측정 가능하다는 것을 보여준다. 즉, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 약 100 K 이하의 온도 범위에서 동작 가능할 수 있다. 본 발명에 따른 자기 메모리 장치가 동작 가능한 온도 범위는 액체 질소의 온도(약 77 K)보다 높은 온도 범위를 포함할 수 있다. 액체 질소의 온도와 가까운 온도 범위에서 동작 가능한 점으로 인하여, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 동작을 위한 비용을 줄일 수 있고, 산업적 적용이 가능할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. Fe 3GeTe 2를 포함하는 자성층;
    상기 자성층 상에서 제1 방향으로 이격되는 종단 전극들;
    상기 종단 전극들에 연결되는 전압원;
    상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원을 포함하되,
    상기 전압원은 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하도록 구성되고,
    상기 자기장 발생원은 상기 자성층에 자기장을 인가하도록 구성되고,
    상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 상기 자성층에 자기 정보를 기록 및 저장하도록 구성되는 자기 메모리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성층의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 자기 메모리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장의 크기는 0.01 mV/nm 내지 1 mV/nm인 자기 메모리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장에 의해 상기 자성층의 상면에 흐르는 제1 전류의 크기가 클수록 상기 자성층의 보자력(coercivity)의 크기가 감소하는 자기 메모리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 전류의 크기에 따라 상기 자성층의 보자력이 100배 이상 감소하는 자기 메모리 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 자성층 상에서 상기 종단 전극들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되는 횡단 전극들; 및
    상기 횡단 전극들에 연결되며, 횡단 홀 전압을 측정하도록 구성되는 전압계를 더 포함하는 자기 메모리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장이 인가되는 경우, 상기 자성층은 연자성 상태(soft state)를 갖고,
    상기 전기장이 인가되지 않는 경우, 상기 자성층은 경자성 상태(hard state)를 갖는 자기 메모리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서
    상기 전기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 자기장의 크기 변화를 통해, 상기 자성층의 자기 이력 곡선을 따르는 경로로 상기 자기 정보를 기록하도록 구성되는 자기 메모리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서
    상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 전기장의 크기 변화를 통해 상기 자기 정보를 기록하도록 구성되는 자기 메모리 장치.
  10. 자성층;
    상기 자성층 상에서 제1 방향으로 이격되는 종단 전극들;
    상기 자성층 상에서 상기 종단 전극들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되는 횡단 전극들;
    상기 횡단 전극들에 연결되며, 횡단 홀 전압을 측정하도록 구성되는 전압계;
    상기 종단 전극들에 연결되는 제1 전압원;
    상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원; 및
    상기 자기장 발생원의 양단에 연결되는 제2 전압원을 포함하되,
    상기 제1 전압원은 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하도록 구성되고,
    상기 자기장 발생원은 상기 자성층에 자기장을 인가하도록 구성되고,
    상기 전기장에 의해 상기 자성층의 상면에 흐르는 제1 전류의 크기가 클수록 상기 자성층의 보자력(coercivity)의 크기가 감소하고,
    상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 적어도 세 가지 이상의 서로 다른 자화 상태들을 기록 및 저장하도록 구성되는 자기 메모리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 자성층은 Fe 3GeTe 2를 포함하는 자기 메모리 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 제1 전류의 크기 변화를 통해 상기 자화 상태들 중 어느 하나로부터 상기 자화 상태들 중 다른 하나로 전환되도록 구성되는 자기 메모리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 횡단 홀 전압 및 상기 제1 전류를 통해 횡단 홀 저항의 값이 계산되고,
    상기 횡단 홀 저항의 값이 음수이며, 상기 자기장의 변화에도 상기 횡단 홀 저항의 값이 유지되는 상태인 음의 포화 자화 상태는 "0" 상태로 정의되고,
    상기 횡단 홀 저항의 값이 양수이며, 상기 자기장의 변화에도 상기 횡단 홀 저항의 값이 유지되는 상태인 양의 포화 자화 상태는 "1" 상태로 정의되고,
    상기 자화 상태들은 상기 "0" 상태, 상기 "1" 상태, 및 상기 횡단 홀 저항의 값이 상기 "0" 상태와 상기 "1" 상태 사이의 값을 갖는 적어도 하나 이상의 중간 자화 상태를 포함하고,
    상기 제1 전류를 변화시키는 범위를 제어하여 상기 중간 자화 상태를 기록 및 저장하도록 구성되는 자기 메모리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 자화 상태들은 복수 개의 상기 중간 자화 상태를 포함하고,
    상기 중간 자화 상태들은 상기 제1 전류를 변화시키는 범위에서 상기 제1 전류의 최댓값이 클수록 상기 "0" 상태와 가까운 자기 메모리 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전류의 변화에 따른 상기 보자력의 범위는 20 Oe 내지 2 kOe인 자기 메모리 장치.
  16. 자성층 및 상기 자성층 상의 전극들을 포함하는 자기 메모리 장치의 동작 방법에 있어서:
    상기 전극들에 연결되는 전압원을 통해, 상기 자성층에 상기 자성층의 상면과 평행한 방향으로 전기장을 인가하는 것;
    상기 자성층과 수직적으로 중첩되는 자기장 발생원을 통해, 상기 자성층에 자기장을 인가하는 것; 및
    상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 적어도 세 가지 이상의 서로 다른 자화 상태들을 기록 및 저장하는 것을 포함하되,
    상기 자기장의 크기가 일정한 상태에서 상기 전기장의 변화를 통해 상기 자화 상태들 중 어느 하나를 상기 자화 상태들 중 다른 하나로 전환하는 자기 메모리 장치의 동작 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자성층은 Fe 3GeTe 2를 포함하는 자기 메모리 장치의 동작 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 자화 상태들은 "0" 상태로 정의되는 음의 포화 자화 상태, "1" 상태로 정의되는 양의 포화 자화 상태, 및 상기 "0" 상태와 상기 "1" 상태 사이의 적어도 하나 이상의 중간 자화 상태를 포함하고,
    상기 전기장을 변화시키는 범위를 제어하여 상기 중간 자화 상태를 기록 및 저장하는 자기 메모리 장치의 동작 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 자화 상태들은 복수 개의 상기 중간 자화 상태를 포함하고,
    상기 중간 자화 상태들은 상기 전기장을 변화시키는 범위에서 상기 전기장의 최댓값이 클수록 상기 "0" 상태와 가까운 자기 메모리 장치의 동작 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전기장 및 상기 자기장을 제어하여 적어도 세 가지 이상의 서로 다른 자화 상태들을 기록 및 저장하는 것은 100 K 이하의 온도 범위에서 수행되는 자기 메모리 장치의 동작 방법.
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