With the advent of big-data era, low-power data storage & processing technology is required while the classical electronic devices reach its physical limitation. In this situation, scalable and low-power spintronic devices are getting attention. In particular, Voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) has been actively studied as a future technology for low-power spintronic applications. This dissertation focuses on the development of enhanced VCMA system through various material engineering and its application. First, we introduce a thin platinum layer between the ferromagnetic/oxide interface for the large VCMA, allowing a magnetic easy-cone state to be formed and controlled by the gate voltage. As a result, the SOT switching current density is significantly reduced by modulating the magnetic easy-cone states through the VCMA. Furthermore, we demonstrate spintronic artificial synapses utilizing voltage-controlled magnetic multilevel states and energy- and area-efficient artificial neural network architectures associated with them. Second, we introduce $HfO_x$ gate oxide with the resistive switching for fast VCMA. The operation speed of VCMA is significantly reduced up to 20 ns. Additionally, the fast VCMA system exhibits excellent endurance. To show the feasibility of the fast VCMA, we integrate $HfO_x$ gate oxide into a spin logic device and improve the operation speed to nanosecond order.
빅데이터 시대가 도래함에 따라 저전력 데이터 저장 및 처리가 요구되고 있지만 고전적 전자소자들은 물리적 한계에 도달한 상태이다. 이에 따라 새로운 데이터 저장/처리 기술 개발이 요구되고 있으며 스핀트로닉스 소자들이 주목받고 있다. 특히 전계를 통해 자기 이방성을 제어하는 기술은 저전력 스핀트로닉스 소자에 적용될 미래 기술로서 활발히 연구되어 왔다. 본 논문에서는 다양한 재료공학적 방법을 통해 고효율 전계효과 소재를 개발하고 이를 차세대 저전력 스핀트로닉스 소자에 활용한 결과를 보고하고자 한다. 첫 번째로, 플래티넘 삽입층을 강자성/산화물 계면에 삽입하여 전계 효과의 효율을 증대시키고 이지콘 상태를 효과적으로 제어할 수 있도록 하였다. 이를 활용하여 스핀-궤도 토크 스위칭 전류를 효과적으로 감소시켰으며 전압 구동 방식의 멀티레벨 소자를 개발하고 이를 바탕으로 에너지, 면적 측면에서 효율적인 인공 신경망을 구현하였다. 두번째로 저항스위칭이 가능한 하프늄 산화물을 도입하여 전계 효과의 구동 속도를 효과적으로 개선하고 안정적인 동작을 가능케 하였다. 또한 해당 소재를 스핀 로직 소자에 도입함으로써 응용 가능성을 확인하였다.
