Efficient magnetization switching in magnetic memory devices is essential for the high speed and reliable non-volatile memory. Recently, it has been demonstrated that the manipulation of magnetization in a magnetic layer sandwiched between heavy metal and oxide layer can be achieved by applying in-plane current. Since the spin orbit coupling play a crucial role for manipulation, these torque related with magnetization switching is referred to as the spin-orbit torque (SOT). SOT has attracted great interest as a potential write method for switching perpendicular magnetic layer in memory device, which allows for a lower write energy and higher writing speed compared with the conventional STT. However, the switching with SOT is not purely electrical in laterally homogeneous structures, thus additional in-plane magnetic field is indeed required to achieve deterministic switching which is an obstacle for device application.
In this thesis, I tried to remove the external magnetic field via the approaches of the materials and structural engineering. Firstly, antiferromagnets was introduced instead of heavy metal (HM) that is typically used in study of SOT. Exchange bias field generated between antiferromagnet (AFM) and ferromagnet (FM) was used as an alternative for external magnetic field, resulting in perpendicular magnetization switching without magnetic field. Secondly, interface-generated spin current which could have the z-component spin polarization was proved, and field-free switching was achieved in the sample structure of FM/Ti/FM/oxide where bottom (top) FM layer has the in-plane (perpendicular) magnetic anisotropy. Furthermore, SOT in the FM/HM/FM structure was investigated for the purpose of enhancement of SOT, because, besides SOT originated from spin Hall effect in the HM, there are additional source of SOT including bottom FM.
최근 새롭게 발견된 전자 스핀과 궤도 간의 상호작용에 기반한 스핀 궤도 토크는 기존 자기메모리의 구동방식인 스핀 전달 토크에 비해 속도 및 안정성 측면에 장점을 가지기 때문에 스핀트로닉스 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 하지만 스핀 궤도 토크를 이용하여 자화의 방향이 한쪽방향으로 결정되는 선택적 스위칭을 하기 위해서는 외부자기장이 필요하다. 이러한 외부자기장의 존재는 실제 소자 구현에 있어서 집적도 측면에서 약점으로 작용하기 때문에 이를 제거하고자 하는 연구가 필요하다.
본 논문에서는 소재 및 구조적 변화를 통해 외부자기장이 없이 구동 가능한 스핀 궤도 토크 소자를 제작하고자 하였다. 먼저 일반적인 스핀 궤도 토크 소자에서 전극으로 이용되는 중금속 대신 반강자성 물질을 도입하여, 강자성/반강자성 계면에서 존재하는 교환결합에 의한 자기장을 통해 외부자기장을 효과적으로 제거하였다. 다음으로 서로 다른 두 물질이 인접하면, 계면에서 수직 방향의 전자스핀을 갖는 스핀 전류가 발생하고 이를 이용하면 수직 자화의 반전이 가능하다.따라서 두 강자성 물질 사이에 비자성 물질을 삽입층으로 갖는 다층박막 구조인 강자성/비자성/강자성을 새롭게 도입하여 계면에서 발생하는 스핀 전류를 확인하였고, 이를 통해 외부자기장이 없이 수직 자화의 제어가 가능함을 입증하였다.
