With the advent of the era of data explosion, interest in multifunctional device, which can operate memory, communication, and logic function in one device, is increasing. Spintronics is a technology suitable for realizing a multifunctional device, because the magnetization, which is the core of a spintronic device, has basic physical characteristics of directionality and gyration motion corresponding to memory and oscillator. This dissertation focuses on the methods for each of the spin-orbit torque memory device and the spin-orbit torque oscillator device to add a data processing function. First, two gate electrodes capable of inducing lateral asymmetry were introduced into the memory device. The device whose switching type is reconfigurable according to an asymmetric gate voltage application has a potential to perform a logic function by using a combination of current and voltage, or according to a combination between a plurality of devices. Second, by introducing perpendicular magnetic anisotropy and voltage controlled magnetic anisotropy technology, the frequency tuning range of the spin-orbit torque oscillator in the MHz range was extended to the GHz range. This technology can greatly contribute to the improvement of the neuromorphic computing capacity based on frequency shift keying method. In addition, it was confirmed that the synaptic properties can be mimicked by cumulative frequency tuning with respect to the repeated voltage due to the non-volatile characteristic.
데이터 폭발시대에 진입하면서, 데이터의 저장, 통신, 연산을 하나의 소자에서 수행할 수 있는 다기능성 소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 스핀트로닉스 기술은 메모리와 발진기에 대응되는 자화의 방향성과 선회운동 특성으로 인해 다기능성 소자를 구현에 적합한 기술이다. 본 논문에서는 전계 제어를 이용해 스핀-궤도 토크 기반 메모리 소자와 발진 소자가 데이터 처리 기능을 동시에 수행하기 위해 필요한 개선 방안에 대해 다루고 있다. 첫번째로는 면내에서 비대칭을 유도할 수 있는 2개의 게이트 전극을 메모리 소자에 도입하였다. 비대칭 게이트 전압인가에 따라 자유롭게 변화하는 스위칭 타입을 변화시킬 수 있는 소자는 전류와 전압의 조합을 이용하여 단독으로 로직 기능을 수행하거나 복수의 소자간 조합에 따라 로직 기능을 수행할 수 있다. 두번째로는 수직 자기 이방성과 전압 기반 자기 이방성 제어 기술을 도입함으로써, 기존 MHz 범위의 스핀오빗토크 발진소자의 주파수 조절 범위를 GHz 범위로 확장하였다. 이러한 기술은 주파수 편이 변조 기반의 뉴로모픽 컴퓨팅 처리능력 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한 전압에 대해 누적형으로 주파수가 변화하는 특성을 이용하여 시냅스의 특성을 모방할 수 있음을 확인하였다.
