초록 ▼

본 연구는 전계를 이용하여 계면의 전자밀도 상태를 변화시켜 수직자기 이방성에너지를 변화시킬 수 있다는 사실이 자기터널접합의 치명적 한계인 전류 구동방식을 전계 구동방식으로 바꿀 수 있을 것이라는 비젼과 목표를 가지고 2013년부터 3년간 진행하였다. 참고로, 2016년 현재, 제안한 연구는 스핀 소자분야에서 전 세계적으로 가장 많은 관심을 갖는 분야 중의 하나가 되었다.

먼저 나노두께의 금속층을 삽입하여 계면을 제어 또는 변화시킴으로써 수직자기이방성에너지를 증가시키고 수직자기 자기터널접합의 특성도 향상시켰다. 특히, 0

본 연구는 전계를 이용하여 계면의 전자밀도 상태를 변화시켜 수직자기 이방성에너지를 변화시킬 수 있다는 사실이 자기터널접합의 치명적 한계인 전류 구동방식을 전계 구동방식으로 바꿀 수 있을 것이라는 비젼과 목표를 가지고 2013년부터 3년간 진행하였다. 참고로, 2016년 현재, 제안한 연구는 스핀 소자분야에서 전 세계적으로 가장 많은 관심을 갖는 분야 중의 하나가 되었다.

먼저 나노두께의 금속층을 삽입하여 계면을 제어 또는 변화시킴으로써 수직자기이방성에너지를 증가시키고 수직자기 자기터널접합의 특성도 향상시켰다. 특히, 0.2~0.6 nm의 아주 얇은 Mg 금속층을 터널배리어 MgO와 강자성전극인 CoFeB 사이의 계면에 삽입, 계면에서 Fe-O 결합의 정도 또는 분포를 조절하여 수직자기이방성 에너지를 1.03X10⁶ erg/㎤ 에서 1.95X10⁶ erg/㎤ 로 1.8배 향상시켰으며 자기터널저항비도 기존대비 4배 정도 증가시켰다(57.6%). 한편, 수소이온을 조사하여 [Co/Pd]₁₀ 다층박막의 수직자기이방성 에너지를 획기적으로 개선하였으며 이는 수직방향의 스핀-궤도 결합의 강해져 나타난 결과임을 방사광 X-ray Magnetic Circular DIchroism (XMCD) 기법으로 알아내었다. 또한, 수소이온 조사방법은 강자성체 패턴도 비파괴적으로 형성할 수 있음도 증명하였다.

수직자기이방성 에너지와 터널자기저항비가 개선된 자기 터널접합에 전계를 인가하여 CoFeB 강자성 전극의 수직자기이방성 에너지를 |ΔK_s/E| ~ 100.57 fJ/㎡ [V/m]의 비율로 변화, 제어할 수 있음을 관찰하였으며 이 값은 기존의 보고된 값에 상응하는 높은 값으로 평가할 수 있다. 이를 바탕으로 100 Oe 이하의 보조 자계를 가하면서, 전계를 변화시켜 CoFeB/MgO 기반의 수직자기 자기터널접합 소자를 0→1 또는 1→0으로 양방향으로 스핀을 스위칭함으로써 전계로 자기터널접합이 메모리 단위소자로 구동됨을 증명하였다. 전계를 이용한 스핀 스위칭은 세차운동으로 이루어지므로 여러 층의 강자성 전극으로 이루어진 수직자기 자기터널접합에서 자유층 강자성 전극에서만 GHz 세차운동을 강자성 공명으로 관찰한 것은 발진기로의 응용도 간접 증명한 것으로 평가할 수 있다.

원자수준의 계면제어를 통하여 자기터널접합 소자의 자기적 특성을 크게 향상시키고, 전계를 가하여 제어하였으며, 전계 구동형 자기터널접합의 양방향 스핀 스위칭을 증명함으로써 제시하였던 최종목표를 성공적으로 달성하여 연구결과는 저명 학술지에 연구결과를 게재할 수 것으로 생각한다. 전계를 이용한 스핀 스위칭은 국내에서는 최초로 성공한 것이며 과학기술적으로 우수한 결과를 도출하여, 이 분야 관련 해외 선진연구 그룹과 기술격차를 수 개월 이내로 크게 줄인 것으로 판단된다. ACS Nano를 포함하여 국외 SCI급 저명 학술논문 8편을 게재하였으며 개발된 기술은 미국과 국내 특허 각각 1건과 3건 등록하였으며 이 분야에서 가장 저명한 International Magnetics Conference와 The Magnetic Recording Conference 등 국제학회에서 9건의 초청강연을 하였다. 박사와 석사 각각 3명, 1명을 배출시켜 이 분야 산업계를 이끌어 갈 인력을 배출하였으며 연구결과 관련 국무총리 표창을 수상하였다.

본 연구의 결과는 직접적으로 자성메모리/로직소자의 핵심기술로 국내 산업체에 도움을 줄 수 있는 실질적인 기술이며, 전계에 의해 구동되는 기존의 전자소자와 충돌 없이 집적할 수 있어 로직과 발진기, 뉴로모픽 등 응용을 위한 새로운 융합기술 개발, 그리고 전계 구동과 동시에 스핀-궤도 토크를 이용하는 하이브리드 구동 방식에 대한 연구 개발에 큰 파급효과가 있을 것으로 기대한다.

(출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• I. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• 7. 참고문헌 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 14