인공적으로 형성된 거울 비대칭성에 기인한 z-성분 스핀 전류와 그에 따른 페리자성체의 field-free 스위칭 연구

Abstract

스핀-오빗 토크를 이용한 전류 유도 자화 스위칭 (Field-free SOT 스위칭)은 스핀트로닉스 메모리 및 논리 소자를 개발함에 있어 에너지를 효율적으로 제어할 수 있으므로 큰 주목을 받아왔다. 하지만 수직 자화를 선택적으로 스위칭하기 위해 외부 자기장 인가는 불가피하며 아직까지 이를 보편적으로 제어할 수 있는 방법은 없다. 이와 관련하여 층간 교환 결합, 스핀 밸브 구조 혹은 측면 대칭 파괴 특성을 가지는 재료 등을 이용하여 외부 자기장 인가 없이 전류 유도 자화 스위칭을 구현하고자 하는 다양한 시도가 있었다. 그러나 이러한 방식의 대부분은 재료 선택 혹은 구조의 한계로 인해 여전히 실제 기술에 적용하기에 어려움이 있다. 본 연구에서는 헬륨 이온 조사에 의해 깨진 측면 대칭 특성으로 인해 성공적으로 관측된 GdCo 페리자성 소자의 field-free SOT 스위칭 결과 및 메커니즘을 구체적으로 보여준다. 헬륨 이온 조사 조건을 다르게 설정하여 소자의 자기적 특성을 국부적으로 제어하였고 이는 페리자성 소자에 흘려준 전류 방향에 수직한 방향으로 자기 구배를 형성하였다. 이후 외부 자기장 인가 없이 전류만으로 수직 자화의 반전 현상을 관측하였고 이러한 Field-free SOT 스위칭의 필수 요소인 z-성분 스핀 전류의 생성 또한 확인하였다. 본 연구에서 적용한 헬륨 이온 조사 기술은 CMOS 와 호환가능할 뿐만 아니라 페리자성 재료에 국한되지 않으며 다른 강자성 시스템에도 적용할 수 있으므로 본 연구는 스핀오빗 토크를 기반으로 한 자기 저항 랜덤 액세스 메모리 (Magnetic Random Access Memory, MRAM) 장치 개발을 위한 돌파구를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. |Current-induced magnetization switching by spin-orbit torque (SOT) is of great importance to spintronics that allows the energy efficient operation of magnetic memory and logic devices. However, use of external in-plane magnetic field is unavoidable to deterministically switch the perpendicular magnetization that is a bottleneck for the device application. There have been many efforts to realize field-free SOT switching using interlayer/exchange coupling, spin valve structure, or materials with lateral symmetry breaking. However, practical application is still difficult with those ways due to limitations of material selection or layer structure modification. Here, we demonstrate field-free SOT switching of a GdCo ferrimagnet with lateral symmetry breaking by He ion irradiation. Local control of the magnetic property with different He ion irradiation conditions induces lateral magnetic gradient orthogonal to the current flow direction in the ferrimagnet. We also observe the z-polarized spin current generation due to lateral symmetry breaking which is essential for the field-free switching. Since the He ion irradiation technique is utilized for the complementary⎯metal⎯oxide⎯semiconductor fabrication and its resolution can reach to nanometer size, our findings pave the way for wafer scale application of the energy efficient spintronic memory and logic devices.