Pt 삽입 층 두께가 스커미온 생성에 미치는 영향에 대한 연구

Abstract

As the development of AI technology has accelerated the fourth industrial revolution, the need for AI semiconductor that requires parallel processing of large-scale data is raising. However, in the modern Von-Neumann computing method, information processing and storage space are separated, and a bottleneck occurs in the data transmission process between the processor and the memory. Therefore, the need for neuromorphic computing methods that mimic neurons and synapses in the human brain is arising. However, implementation of neuromorphic computing using existing transistors has clear limitations in terms of speed, integration, and low power. Recently, to overcome these limitations, research to apply skyrmion for the design of neuromorphic computing devices is being widely conducted. A skyrmion is a unique spin texture in the form of a particle in which its spindle is arranged in a spiral shape. As topologically stability of skyrmion, it has excellent structural stability against external factors. Also, its nano-scale size and particle-like behavior gives advantage in device design. Furthermore, it can be generated and controlled with a low driving current at the level of femto J(〖10〗^(-15) J). However, in order to apply the skyrmion to the semiconductor device, research on generation of the skyrmion must be preceded. For the generation of skyrmion, perpendicular magnetic anisotropy(PMA) should be lowered while Dzyaloshinskii-Moriya interaction(DMI) should be increased. The origin and the method for engineering of DMI are still under discussion while the principle of PMA is well established and also the engineering method of it is not that difficult. So, in this study, generation of skyrmion were controlled by inserting a Pt layer in a thickness range of 0.113~0.209 nm between the interface of CoFeB and MgO layers where PMA occurs. In addition, the stripe domain formed by the determined PMA is energetically similar to the domain of the skyrmion and there is a critical stripe domain width for skyrmion generation. In this study, the stripe domain was formed in the Pt thickness range of tPt=0.1598~0.1670nm at which the magnetic anisotropy field (Hk) is reduced due to the effect of Pt insertion. And the skyrmion was generated by applied external magnetic field at tPt = 0.1670 nm, that has a thin stripe domain width of about 2 μm. |AI기술의 발전으로 4차 산업혁명이 가속화되어 대규모 데이터의 병렬 처리를 요구하는 AI 전용 반도체의 필요성이 대두되고 있다. 하지만, 현대의 폰-노이만(Von-Neumann) 컴퓨팅 방식은 정보의 처리와 저장 공간이 분리된 형태로, 프로세서와 메모리 간 데이터 전송 과정에서 병목이 발생한다. 이에 따라 데이터의 대규모 병렬 처리가 가능한 인간 뇌의 뉴런(Neuron)과 시냅스(Synapse)를 모방한 뉴로모픽(Neuromorphic) 컴퓨팅 방식의 연구 필요성이 대두되고 있다. 그러나 기존의 트랜지스터를 이용한 뉴로모픽 컴퓨팅 구현은 속도, 집적도, 저전력 측면에서 그 한계가 명확하다. 이러한 한계 극복을 위해 최근, 스커미온을 뉴로모픽 컴퓨팅 소자 설계에 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 스커미온은 축이 소용돌이 모양의 나선형으로 배열된 입자 형태의 독특한 스핀 구조체로 위상학적으로 안정하여 외부 요인에 대해 구조적 안정성이 우수하고, 나노미터 수준의 작은 크기를 갖으며 입자와 같은 거동을 한다는 장점이 있으며 펨토 줄(〖10〗^(-15) J) 수준의 낮은 구동 전류로도 생성과 제어가 가능하다. 하지만 스커미온을 소자에 적용하기 위해서는 안정된 스커미온 생성에 대한 연구가 선행되어야 한다. 이 때, 스커미온의 생성을 위해 수직 자기이방성(PMA)은 낮추고 쟐로신스키-모리아 상호작용(DMI)은 높여야한다. DMI의 기원 및 제어는 아직 학계에서도 논의중인 부분인데 반해서 PMA는 그 원리가 잘 규명 되어있고 제어 방법 또한 어렵지 않기 때문에 본 연구에서는 PMA가 발현되는CoFeB와 MgO층 사이에 0.113~0.209nm의 두께 범위를 갖는 Pt 층을 삽입하여 PMA 열화를 유도하는 것으로 스커미온의 생성을 도모하였다. 또, 결정된 PMA에 따라 형성되는 줄무늬 도메인(Stripe domain)은 스커미온의 도메인과 에너지적으로 유사하며, 스커미온 생성을 위해 임계 줄무늬 도메인 너비가 존재한다. 본 연구에서는 Pt 삽입의 효과로 자기 이방성 필드(Hk)의 감소가 발생하는 Pt두께 범위(tPt=0.1598~0.1670nm)에서 스커미온 생성을 위한 줄무늬 도메인이 형성되었고, 2μm 가량의 얇은 줄무늬 도메인 너비를 갖는 tPt=0.1670nm 에서 외부 자기장 인가에 따라서 스커미온이 형성되는 것을 확인하였다.