[논문 리뷰] Spin transfer torque oscillator based on asymmetric magnetic tunnel junctions

Witold Skowroński, T. Stobiecki외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 18인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장이 필요 없이 1.5 GHz에서 10 nV/√Hz를 초과하는 진폭을 갖는 마이크로파 신호를 생성하는 비대칭 CoFeB/MgO/CoFeB 자성터널접합을 기반으로 한 스핀 전달 토크 온도스코프(STO)를 제시한다. 장치는 얇은 자유층 내에서 강한 자성 상호작용 및 수직 표면 비대칭성을 이용하여 저저항 상태를 안정화하고, 낮은 일정전류에서 자기장이 없는 진동을 가능하게 하여 나노스케일 마이크로파 응용을 위한 소형 고주파 진동을 실현한다.

ABSTRACT

We present a study of the spin transfer torque oscillator based on CoFeB/MgO/CoFeB asymmetric magnetic tunnel junctions. We observe microwave precession in junctions with different thickness of the free magnetization layer. Taking advantage of the ferromagnetic interlayer exchange coupling between the free and reference layer in the MTJ and perpendicular interface anisotropy in thin CoFeB electrode we demonstrate the nanometer scale device that can generate high frequency signal without external magnetic field applied. The amplitude of the oscillation exceeds 10 nV/Hz^0.5 at 1.5 GHz.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장을 필요로 하지 않는 나노스케일 스핀 토크 온도스코프(STO)를 개발하여 소형 마이크로파 회로에 통합 가능하도록 한다.
• 자기장이 없는 조건에서 저저항 상태를 안정화하는 데 기여하는 자성 상호작용 및 수직 표면 비대칭성의 역할을 조사한다.
• 비대칭 MTJ 피라미드에서 고주파 마이크로파 방출(최대 1.5 GHz)과 뚜렷한 신호 진폭(10 nV/√Hz를 초과)을 실험적으로 입증한다.
• DC 전류 및 자유층 두께에 따른 진동 주파수, 진폭, 및 라인폭의 의존성을 특성화한다.

제안 방법

• 제어된 두께 변화를 위해 Singulus Timaris 클러스터 툴를 사용하여 기울인 CoFeB 자유층을 갖는 비대칭 CoFeB/MgO/CoFeB 자성터널접합을 제작하였다.
• 3단계 전자선 리소그래피, 이온선 밀링, 리트로프로세스를 통해 250 × 150 nm 타원형 나노피라미드로 패터닝하였다.
• 스펙트럼 분석기와 프리앰프를 사용한 빈도-편향 테이프(tee) 구성으로, 외부 자기장이 없는 조건에서 실온에서 고주파 마이크로파 방출을 측정하였다.
• 접합의 비대칭성과 스핀 투과도를 평가하기 위해 미분 전도도(dI/dV) 및 터널링 자성저항(TMR) 측정을 실시하였다.
• 락인 기법을 적용하여 dI/dV 곡선을 추출하고, 자성 전도체 전극의 다른 밴드 구조로 인한 비대칭성을 분석하였다.
• 라인폭 대 DC 전류 데이터에 선형 회귀를 적용하여 스핀 전달 토크 불안정성의 임계 전류를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호작용 및 표면 비대칭성을 설계함으로써 외부 자기장을 필요로 하지 않고도 스핀 토크 온도스코프를 작동시킬 수 있는가?
• RQ2 자유층 두께는 자기장 없는 STO에서 진동 주파수와 신호 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 DC 전류와 비대칭 MTJ에서 마이크로파 방출의 라인폭 및 주파수 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 CoFeB 전극의 비대칭성은 스핀 투과도 운반 및 진동 특성에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• DC 전류 -1.7 mA 조건에서 1.5 GHz에서 10 nV/√Hz를 초과하는 진폭을 기록하여, 외부 자기장 없이도 높은 신호 강도를 확보하였다.
• 자유층 두께가 증가함에 따라 피크 주파수가 증가하였으며, 이는 증가한 비대칭성과 함께 감소한 진동 경로 크기로 인해 발생하였다.
• 진동 신호의 라인폭은 DC 전류에 선형적으로 의존하였으며, 라인폭 데이터의 외삽을 통해 임계 전류를 약 -1.8 mA로 추정하였다.
• 자유층과 기준층 간의 자성 상호작용으로 인해 자기장이 없는 조건에서도 저저항 상태에서 안정적인 작동이 가능하였다.
• 자유층 두께 1.57 nm(A2) 및 1.35 nm(A1)인 샘플에서만 진동이 관측되었으며, 1.22 nm 샘플은 강한 면내 자기장 조건에서도 감지 가능한 진동이 없었다.
• 이 시스템은 얇은 CoFeB 층에서의 수직 표면 비대칭성이 낮은 DC 전류에서 자발적인 자화 진동을 가능하게 하여 자기장 없는 작동을 실현함을 보여주었다.