[논문 리뷰] Current Controlled Magnetization Switching in Cylindrical Nanowires for High-Density 3D Memory Applications

Hanan Mohammed, Héctor Corte‐León외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고밀도 3차원 레이서킷 메모리용 원통형 Co/Ni 다층 나노와이어에서 전류 제어형 도메인 월리 스위칭 메커니즘을 제안한다. 적절하게 설계된 전류 펄스를 적용함으로써, 물질의 인터페이스에서 도메인 월리가 순차적으로 고정되고 해제되어, 와이어를 따라 정밀한 비트 이동이 가능해지며, 이로 인해 제곱인치당 수 테라비트가 넘는 잠재적 비트 밀도를 달성할 수 있다.

ABSTRACT

A next-generation memory device utilizing a three-dimensional nanowire system requires the reliable control of domain wall motion. In this letter, domain walls are studied in cylindrical nanowires consisting of alternating segments of cobalt and nickel. The material interfaces acting as domain wall pinning sites, are utilized in combination with current pulses, to control the position of the domain wall, which is monitored using magnetoresistance measurements. Magnetic force microscopy results further confirm the occurrence of current assisted domain wall depinning. Data bits are therefore shifted along the nanowire by sequentially pinning and depinning a domain wall between successive interfaces, a requirement necessary for race-track type memory devices. We demonstrate that the direction, amplitude and duration of the applied current pulses determine the propagation of the domain wall across pinning sites. These results demonstrate a multi-bit cylindrical nanowire device, utilizing current assisted data manipulation. The prospect of sequential pinning and depinning in these nanowires allows the bit density to increase by several Tbs, depending on the number of segments within these nanowires.

연구 동기 및 목표

• 3차원 구조에서 신뢰성 있고 고밀도의 데이터 저장을 위한 필요성 해결.
• 확장 가능한 메모리 장치를 위한 도메인 월리 운동 제어 과제 극복.
• 전류 유도 도메인 월리 역학을 이용한 정밀하고 순차적인 비트 이동 방법 개발.
• 와이어 길이에 따라 다수의 고정점 활용을 통해 나노와이어당 다중 비트 저장 구현.
• 실용적인 3차원 메모리 응용을 위한 전류 보조 도메인 월리 조작의 가능성 입증.

제안 방법

• 재료 인터페이스에서 고유한 도메인 월리 고정점이 형성되도록 교대 세그먼트를 가진 원통형 Co/Ni 다층 나노와이어를 제작.
• 도메인 월리의 고정 해제 및 고정점을 넘어서는 전파를 유도하기 위해 수 나노초에서 수 밀리초까지의 전류 펄스를 적용.
• 비트 이동 동역학을 추적하기 위해 현장에서의 자화저항 측정을 통해 도메인 월리 위치를 모니터링.
• 펄스 후 도메인 월리의 고정 해제와 공간적 국소화를 확인하기 위해 자석력 현미경(MFM)을 사용.
• 전류 펄스의 파ameter(세기, 지속 시간, 방향)를 체계적으로 변화시켜 도메인 월리 운동에 대한 제어 맵핑.
• 나노와이어 길이에 따라 연속적인 인터페이스를 거쳐 전류 펄스를 사이클링함으로써 순차적 고정 및 고정 해제를 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원통형 Co/Ni 나노와이어에서 다수의 고정점에 걸쳐 전류 펄스가 도메인 월리 운동을 신뢰성 있게 제어할 수 있는가?
• RQ2 전류 펄스의 강도, 지속 시간, 방향이 도메인 월리 전파 및 비트 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 나노와이어 당 고정점의 수가 3차원 메모리 아키텍처에서 비트 밀도를 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ4 자화저항 측정과 MFM 측정이 제어된 도메인 월리 이동 및 위치를 일관되게 확인할 수 있는가?
• RQ5 이 전류 제어 스위칭 메커니즘의 확장 가능성은 테라비트 규모의 메모리 장치에 대해 어느 정도인가?

주요 결과

• 전류 펄스가 다수의 Co/Ni 인터페이스를 통해 도메인 월리의 고정 해제 및 전파를 높은 재현성으로 성공적으로 유도.
• 전류 펄스의 방향, 강도, 지속 시간이 도메인 월리 운동의 속도와 성공률에 직접적인 영향을 미침.
• 도메인 월리의 순차적 고정 및 고정 해제가 최소한의 오류로 나노와이어 길이를 따라 결정적인 비트 이동 가능.
• 자화저항 측정을 통해 각 펄스 사이클 후 안정적이고 반복 가능한 도메인 월리 위치 확인.
• 자석력 현미경을 통한 결과, 도메인 월리의 공간적 국소화 및 이동이 확인되어 전류 보조 고정 해제의 타당성 입증.
• 장치 아키텍처는 나노와이어의 세그먼트 수에 따라 제곱인치당 수 테라비트의 이론적 비트 밀도를 지원함.