In recent years, spintronic memory device, which based on the magnetization reversal of magnetic memory using spin polarized currents via spin transfer torque (STT) effect has been introduced in order to achieve low power operation. As device size shrinkage, however, the decrease of effective volume leads to not only the lowering of thermal stability but also the increase of total switching current. Many studies have been introduced to overcome technical issues by addressing development of efficient magnetization control methods based on material, adopting non-collinear magnetic configuration and electrical manipulation. However, each feature is insufficient method of settlement when utilized individually. Therefore, it requires to be complementary to each other to establish the most promising model by merging above advantages. In this study, it is proposed the combination candidates such as electric field effect with cone state or spin orbit torque devices in order to maximize synergy effect each other using perpendicular MTJ. The origin of electric field with MTJ structural parameters and its application of spintronic devices are mainly investigated. The coercivity and perpendicular magnetic anisotropy of all samples strongly depend on oxidation time with non-volatile and reversible way.
The magnitude and sign of the magnetoelectric coefficient mainly depends on the slop and initial Hk corresponding to the FM-O hybridization status. Given that the polarity of electric field effect is associated with oxygen ion driven FM-O hybridization, it demonstrate that the origin of electric field effect strongly depends on the oxygen migration effect rather than charge transfer effect due to 3d orbital redistribution. By combination of electric field with cone state, the magnetic anisotropy constants, $K_{1eff}$, and K2 can be controlled by an electric field, resulting in the modulation of the cone angle in a non-volatile and reversible manner, which attributed to the electric modification of the interfacial oxidation state via field-induced ion migration. For the another approaching method of electrical modulation by utilization of spin orbit torque induce switching, It is clearly indicated that the FM-O hybridization status determines the sign of change for Hc and Hk as well as Jc regarding to the polarity of electric field. Thus electric field can modify the switching current which depending on the anisotropy field resulting from the hybridization of FM-O status and also can sequentially control the thermal stability by tuning of anisotropy energy in non-volatile and reversible manner. Therefore, it can provide the proper solution of trade-off relationship between thermal stability and switching current density, as well as electric field induced modulation of cone state. These results open a new pathway to achieve voltage-controlled spintronic devices by directly manipulating the magnetism, rather than only the magnetic anisotropy, of 3d transitional FMs and it allows approaching a commercialization and the development of STT-MRAM in advance. Furthermore, electromagnetic effect can provide key factors that spintronic device realizes a future universal memory device replacing embedded technologies and provides new functionality at 20nm and beyond including automotive application due to high speed and lower power consumption than Flash and denser than SRAM.
전자의 스핀을 이용한 메모리 소자는 비휘발성과 빠른 속도를 기반으로 하여 높은 에너지 효율을 가진다. 최근에는 스핀 전달 토크 효과를 통한 분극된 스핀 전류를 이용하여 자화 방향을 제어하는 기술이 개발되어 왔다. 그러나 소자의 집적도가 증가하면서 자화 물질의 유효 체적 감소는 열안정성 감소 뿐만 아니라, 소자 개수 증가에 따른 스위칭 전류의 증가를 초래하였다. 이러한 기술적 문제를 해결하고자 수직 자기 이방성을 갖는 물질과 콘 상태의 자화 박막을 적용하여 스핀 전달 효율을 개선하고 자화를 제어하는 재료적인 측면과 전계를 인가하여 자화 반전 장벽 에너지를 감소시키거나 스핀 오빗 토크를 활용함으로써 소자 동작을 제어하는 전기적인 개선 방법들이 시도되고 있다. 그러나 각각의 독립된 유효 효과가 크지 않은 상황이며, 수직 자기 이방성을 제어하는데 효과적인 전계와 콘 스테이트 및 스핀 오빗 토크 소자등을 결합하는 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 자기 터널 접합 구조에 따른 전계 효과에 대한 물리적 원인을 규명하고, 이를 스핀 소자에 응용하는 방법에 대해 주요하게 연구가 수행되었다. 전계에 따른 효과를 규명하기 위하여, 자화박막의 자기 이방성을 결정짓는 제어 인자에 따른 의존성에 대해 검증하고자 하부 전극 물질의 종류, 자화 박막의 두께, 자화 박막과 산화물 계면의 산화 상태에 따른 변화를 고찰하였다. 전계에 따른 수직 자기 이방성과 보자력은 강자성 물질과 산화물의 계면을 이루는 산화 시간에 큰 의존성을 가지며, 비휘발성, 가역적 거동을 나타내는 것이 확인되었다. 이는 강자성 물질과 산화물의 결합 상태에 따라 자기 이방 자기장의 크기와 기울기(부호)가 결정되며 전계 인가에 따른 자기 전계 효과의 크기와 부호가 의존하는 현상으로 설명될 수 있다. 이러한 전계 효과는 강자성 물질의 표면에 위치한 전자의 3d 오비탈 분포 변화에 따른 이방성 변화보다는 전계 인가 방향에 따라 강자성 물질과 산화물간의 결합에 기여하는 산소 이온의 이동 변화에 기인하는 효과가 주요하게 작용하고 있는 것으로 판별되었다. 상기와 같은 전계 효과의 물리적 원인에 대한 실험적 규명을 통해 스핀 소자에 응용하여 실제 소자 동작을 제어하는 방법에 대한 연구를 실시하였다. 먼저 콘 상태에 전계를 인가할 경우, 1차 및 2차 자기 이방 상수를 제어하는 것이 가능하였고, 이는 콘 상태의 기울어진 각도를 비휘발성, 가역적으로 조절함으로써 스핀 토크 전달 효율을 증대시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 더불어 스핀 오빗 토크 스위칭에 응용한 결과로부터, 전계의 방향과 크기로 산소 이온의 이동 방향을 결정하면서 강자성 물질과 산화물의 계면 결합 상태가 영향을 받게 되었고 보자력과 이방성 자기장 뿐만아니라 스위칭 전류 밀도의 방향과 크기까지 제어할 수 있다는 결과를 확보하였으며, 비휘발성, 가역적 반응을 가지기 때문에 스위칭 동작이 이루어진 후에 반대의 전계를 인가함으로써 저장 안정성 확보까지 순차적으로 개선할 수 있다는 결론을 도출하는 것이 가능하였다. 나아가 스핀 오빗 토크를 이용한 스핀 소자의 경우 CMOS 트랜지스터의 게이트와 같은 3 터미널 구조를 갖기 때문에 스핀 토크 전달 소자에 비해 전계를 인가하는 데 보다 용이하며 스위칭 여부를 결정하는 독립 제어 인자로 적용하는 것이 가능하다. 이와 같은 연구 결과로부터 향후 차세대 메모리 소자 뿐만 아니라 스핀 로직 소자에도 적용이 가능해 지면서, 유니버설 비휘발 컴퓨팅 아키텍쳐 구성하는 데 있어 스핀 소자를 적용하는데 크게 기여할 수 있다.
