KR20230115375A - Spintronics-based artificial synaptic device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하부 전극 상에 적층되는 기준 자성층, 결정립들이 무작위적으로 분포하는 입상 자성 박막층, 상기 기준 자성층 및 상기 입상 자성 박막층 간에 접합되어 자기터널접합(magnetic tunnel junction) 구조를 형성하는 터널 장벽층 및 상기 입상 자성 박막층 상에 적층되는 스핀 홀 전극을 포함하는 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자로서, 본 발명에 의하면, 기존의 시냅스 소자에 비해 전도도(혹은 저항) 변화의 선형성을 확보할 수 있고 보다 빠른 응답 속도를 구현할 수 있다.The present invention relates to a reference magnetic layer stacked on a lower electrode, a granular magnetic thin film layer in which crystal grains are randomly distributed, a tunnel barrier layer bonded between the reference magnetic layer and the granular magnetic thin film layer to form a magnetic tunnel junction structure, and As a spintronics-based artificial synaptic device including a spin Hall electrode stacked on the granular magnetic thin film layer, according to the present invention, compared to conventional synaptic devices, linearity of conductivity (or resistance) change can be secured and faster response speed can be implemented.
Description
본 발명은 뉴로모픽 시스템의 응용을 위한 멀티 레벨의 컨덕턴스(혹은 저항)를 가지는 시냅스 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a synaptic device having multi-level conductance (or resistance) for application in a neuromorphic system.
인간이 기억하고 사고하는 과정에서 필요한 구동 전압은 약 0.1 V로 CMOS 소자로 흉내 낸 인공지능 시스템에 필요한 구동 전압 1.0 V보다 훨씬 낮다. 지난 2016년 Google DeepMind 사의 알파고와 이세국의 바둑 대국에서 알파고는 1,202개의 CPU와 176개의 GPU를 사용한 것으로 알려져 있다. 이를 전력으로 단순 비교하면 현 컴퓨팅 기술의 경우 20 W의 전력만 필요한 인간보다 약 1만 배 수준인 100 kW의 전력이 필요한 상황이다.The driving voltage required in the process of human memory and thinking is about 0.1 V, which is much lower than the driving voltage of 1.0 V required for artificial intelligence systems imitated by CMOS devices. It is known that AlphaGo used 1,202 CPUs and 176 GPUs in the Go match between Google DeepMind's AlphaGo and Lee Se-guk in 2016. If this is simply compared with power, current computing technology requires 100 kW of power, which is about 10,000 times higher than that of humans, who only need 20 W of power.
사물인식은 자율 주행과 같은 IoT 기반의 기술개발에 있어 핵심 개념이라고 할 수 있다. 이를 위해 전 세계적으로 병렬구조 논리회로 개발, 인간의 신경망을 닮은 신경소자 개발 등 사물인식 시스템에 필요한 다양한 기술들이 활발하게 연구되고 있다.Object recognition is a key concept in the development of IoT-based technologies such as autonomous driving. To this end, various technologies necessary for object recognition systems, such as the development of parallel structured logic circuits and the development of neural devices resembling human neural networks, are being actively researched around the world.
사물인식을 위해서는 인공지능 컴퓨팅 기술이 필수적인데, 이를 위해서는 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있는 단위 소자의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.Artificial intelligence computing technology is essential for object recognition, and for this, it is essential to develop unit devices that can maximize energy efficiency.
뉴로모픽 시스템은 현재 사용되고 있는 폰-노이만 시스템과는 많은 차이가 있다. 먼저 폰-노이만 시스템은 디지털 신호를 활용하는 반면, 뉴로모픽 시스템은 아날로그 신호를 활용한다. 이에 따라, 병렬구조의 데이터 처리방식이 가능해지고, 저장과 연산 등의 기능을 동시에 처리할 수 있다. 기존 디지털 기반 시스템은 데이터의 저장과 연산에 강점이 있는 반면, 뉴로모픽 시스템은 이미지와 소리, 패턴을 인식하는데 큰 강점이 있다. 즉, 사물 인식을 통한 자율주행과 같은 기술에 있어 필수적인 시스템이다.The neuromorphic system is very different from the currently used von-Neumann system. First, the von-Neumann system uses digital signals, whereas the neuromorphic system uses analog signals. Accordingly, a data processing method of a parallel structure is possible, and functions such as storage and calculation can be processed simultaneously. Existing digital-based systems have strengths in data storage and calculation, whereas neuromorphic systems have great strengths in recognizing images, sounds, and patterns. In other words, it is an essential system for technologies such as autonomous driving through object recognition.
뉴로모픽 시스템을 구현하려면 먼저 뇌의 신경망이 어떻게 구동되는지 이해가 필요하다. 뇌의 신경망은 기본적으로 뉴런과 시냅스로 구성되어 있으며, 뉴런의 경우 신호처리, 시냅스의 경우 신호 전달의 역할을 수행한다고 할 수 있다.To implement a neuromorphic system, it is first necessary to understand how the brain's neural network works. The neural network of the brain is basically composed of neurons and synapses, and it can be said that neurons play a role in signal processing and synapses in signal transmission.
신경 소자는 아래 언급된 특징들을 가지고 있어 자동차 관련 미래기술의 핵심이라 할 수 있는 자율주행에 반드시 필요한 요소라고 할 수 있다.Nervous devices have the characteristics mentioned below, so they can be said to be essential elements for autonomous driving, which is the core of future automobile-related technologies.
- 경험 및 학습 등을 통해 습득된 데이터 기반- Based on data acquired through experience and learning
- 숨겨진 구조 및 패턴을 보다 쉽게 포착 가능- Capturing hidden structures and patterns more easily
- 변화되지 않는 데이터를 저장하게 되면, 그 저장된 데이터가 포함된 새로운 데이터에서도 저장된 데이터 인지 가능- If data that does not change is stored, it is possible to recognize the stored data even in new data that includes the stored data.
- 인지의 기반이 되는 것은 뇌의 기억력- The foundation of cognition is the brain's memory
- 상황에 따른 적절한 기억력 추출- Extract appropriate memory according to the situation
- 자동 연상 방식으로 부분들을 조합해 전체를 활성화- Activating the whole by combining parts in an auto-associative way
위와 같은 특징을 가질 수 있는 이유는 바로 Neocortex(신피질)라고 불리는, 뇌의 고차원적인 사고를 담당하는 부분의 특성을 모사하고 있기 때문이다.The reason why it can have the above characteristics is that it mimics the characteristics of the part of the brain that is responsible for high-level thinking called Neocortex.
Neocortex는 2 mm의 두께에 약 1,000억개의 뉴런으로 구성되어 있고, 각각의 뉴런은 1,000 ~ 10,000 개의 시냅스와 연결되어 있다.Neocortex is composed of about 100 billion neurons with a thickness of 2 mm, and each neuron is connected with 1,000 to 10,000 synapses.
시냅스는 뉴런과 뉴런 사이를 연결해주는 뉴로모픽 시스템의 또 다른 기본 연산 단위이다. 입력된 신호가 누적되어 일정 임계값 이상이 되면 뉴런 세포에서 수십 mV의 전기신호를 스파이크 형태로 발현한다. 전기신호가 pre-synaptic neuron으로부터 시냅스로 도달하게 되면, 시냅스 내의 이온들이 pre-synaptic neuron로 이동하게 되어 신호를 전송한다. 이 과정에서 시냅스의 이온 분포가 변하게 된다.A synapse is another basic unit of operation in a neuromorphic system that connects neurons to neurons. When the input signal is accumulated and exceeds a certain threshold value, the neuron cell expresses an electrical signal of several tens of mV in the form of a spike. When an electrical signal reaches a synapse from a pre-synaptic neuron, ions in the synapse move to the pre-synaptic neuron to transmit a signal. In this process, the distribution of ions in the synapse changes.
시냅스의 특성을 모방한 소자는 비휘발성 메모리 소자이면서 다음 뉴런으로 여러 단계의 전기신호로 전송이 될 수 있고 시냅스 학습을 구현할 수 있어야 한다. 대표적인 시냅스 모방 소자는 멤리스터이다.A device that mimics the characteristics of a synapse is a non-volatile memory device, and it should be able to transmit electrical signals in multiple stages to the next neuron and implement synaptic learning. A typical synaptic mimetic device is a memristor.
최근 멤리스터 특성을 보여주는 소자들이 다양한 물질과 구조들을 활용한 형태로 구현되어 발표되고 있다. 대표적으로 금속 이온 이동 기반 소자, 사소정공 이동 기반 소자, 상 변화 기반 소자, 스핀 기반 소자, 전계효과 트랜지스터 기반 소자, 강유전체 분극 반전 기반 소자 등이 있다.Recently, devices showing memristor characteristics have been implemented and announced in the form of utilizing various materials and structures. Representatively, there are metal ion transfer-based devices, dead hole transfer-based devices, phase-change-based devices, spin-based devices, field effect transistor-based devices, ferroelectric polarization inversion-based devices, and the like.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.Matters described in the background art above are intended to aid understanding of the background of the invention, and may include matters other than those of the prior art already known to those skilled in the art.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 기존의 시냅스 소자에 비해 전도도 변화의 선형성을 확보할 수 있고 보다 빠른 응답 속도를 구현할 수 있는 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the present invention provides a spintronics-based artificial synaptic device capable of securing linearity of conductivity change and realizing a faster response speed compared to conventional synaptic devices. There is a purpose.
본 발명의 일 관점에 의한 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자는, 하부 전극 상에 적층되는 기준 자성층, 결정립들이 무작위적으로 분포하는 입상 자성 박막층, 상기 기준 자성층 및 상기 입상 자성 박막층 간에 접합되어 자기터널접합(magnetic tunnel junction) 구조를 형성하는 터널 장벽층 및 상기 입상 자성 박막층 상에 적층되는 스핀 홀 전극을 포함한다.In the spintronics-based artificial synapse device according to one aspect of the present invention, a reference magnetic layer stacked on a lower electrode, a granular magnetic thin film layer in which crystal grains are randomly distributed, and a magnetic tunnel junction ( A tunnel barrier layer forming a magnetic tunnel junction structure and a spin Hall electrode stacked on the granular magnetic thin film layer.
그리고, 상기 입상 자성 박막층은 Co-Al-O, CoPtCr-SiO2, FePt-C, FePt-TiO2, FePt-Ta2O5, FePt-Cr2O3, FePt-Nb2O4.8, Fe-C, FePtCu-C, FePtAu-C, FePtAg-C 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, the granular magnetic thin film layer is Co-Al-O, CoPtCr-SiO 2 , FePt-C, FePt-TiO 2 , FePt-Ta 2 O 5 , FePt-Cr 2 O 3 , FePt-Nb 2 O 4.8 , Fe- C, FePtCu-C, FePtAu-C, characterized in that any one selected from FePtAg-C.
또한, 상기 기준 자성층은 Co, Fe, CoFeB 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, the reference magnetic layer is characterized in that any one of Co, Fe, CoFeB.
그리고, 상기 터널 장벽층은 MgO 또는 AlOx의 부도체 산화물인 것을 특징으로 한다.And, the tunnel barrier layer is characterized in that a non-conductive oxide of MgO or AlOx.
나아가, 상기 스핀 홀 전극은 Pt, β-W, Pd, Ta 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Furthermore, the spin Hall electrode is characterized in that any one of Pt, β-W, Pd, Ta.
한편, 전류가 인가되면 상기 입상 자성 박막층의 상기 결정립들의 자화 분포의 변화가 발생하여, 전체 저항이 선형적으로 변하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, when a current is applied, a change in magnetization distribution of the crystal grains of the granular magnetic thin film layer occurs, so that the total resistance changes linearly.
그리고, 인가된 전류의 방향을 변경하면, 상기 입상 자성 박막층의 상기 결정립들의 자화 분포의 변화가 발생하여, potentiation-depression이 전류 방향에 의해 제어 것을 특징으로 한다.Further, when the direction of the applied current is changed, the distribution of magnetization of the crystal grains of the granular magnetic thin film layer is changed, so that potentiation-depression is controlled by the direction of the current.
자성 멤리스터가 아닌 기존 멤리스터 소자들의 경우, IC chip에서 활용하기 위한 저항변화의 선형성이 확보가 되지 않으나, 본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자에 의하면 전도도 변화의 선형성을 확보할 수 있으며, 나노초 이하의 빠른 동작 특성을 구현할 수 있다.In the case of conventional memristor devices other than magnetic memristors, the linearity of resistance change for use in IC chips is not secured, but according to the spintronics-based artificial synapse device of the present invention, linearity of conductivity change can be secured, and nanosecond The following fast operation characteristics can be implemented.
그리고, 100 nm junction 기준 대략 30 level을 만들 수 있고, 이는 기존 제안된 스커미온 기반 시냅스 소자보다 이론적으로는 단위면적당 100~1000배 많은 저항 level을 만들 수 있음을 의미한다.In addition, approximately 30 levels can be created based on a 100 nm junction, which means that theoretically 100 to 1000 times more resistance levels can be created per unit area than previously proposed skirmion-based synaptic devices.
또한, 이미 상용화된 MTJ 구조를 활용할 수 있으므로, Post Si 소자로 이미 상용화가 된 MRAM의 단위소자인 자기터널 접합을 활용할 수 있어 상용화 측면에서 큰 장점이 있다.In addition, since the already commercialized MTJ structure can be utilized, the magnetic tunnel junction, which is a unit device of MRAM that has already been commercialized as a Post Si device, can be utilized, which has a great advantage in terms of commercialization.
도 1은 본 발명의 핵심 구동 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자에 의한 스위칭 동작을 순차적으로 도시한 것이다.
도 6은 도 3 내지 도 5의 각 단계별 컨덕턴스 변화를 도시한 것이다.
도 7은 입상 자성 박막에 의한 multilevel 수를 결정하는 요인을 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자에 의한 선형 특성을 나타낸 것이다.
도 9는 인가된 펄스 수에 따른 스위칭 및 선형적 특성을 나타낸 것이다.1 is for explaining the key driving principle of the present invention.
2 schematically illustrates the spintronics-based artificial synapse device of the present invention.
3 to 5 sequentially show a switching operation by the spintronics-based artificial synaptic device of the present invention.
FIG. 6 shows conductance changes for each step of FIGS. 3 to 5 .
7 is for explaining factors that determine the number of multilevels by the granular magnetic thin film.
8 shows the linear characteristics of the spintronics-based artificial synaptic device of the present invention.
9 shows switching and linear characteristics according to the number of applied pulses.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention and the advantages in operation of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.In describing the preferred embodiments of the present invention, known techniques or repetitive descriptions that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be reduced or omitted.
다양한 물질과 구조들을 활용한 멤리스터 특성을 보여주는 소자들에는 대표적으로 금속 이온 이동 기반 소자, 사소정공 이동 기반 소자, 상 변화 기반 소자, 스핀 기반 소자, 전계효과 트랜지스터 기반 소자, 강유전체 분극 반전 기반 소자 등이 있다.Devices that show memristor characteristics using various materials and structures include metal ion transfer-based devices, dead hole transfer-based devices, phase change-based devices, spin-based devices, field effect transistor-based devices, and ferroelectric polarization inversion-based devices. there is
SRAM 기반의 시냅스 소자는 1bit SRAM 기반 시냅스 소자를 사용한다. 시냅스 특성을 잘 모사하나 하나의 시냅스 소자 위해 8개의 transistor가 필요하기 때문에 고집적화가 어렵다.The SRAM-based synaptic device uses a 1-bit SRAM-based synaptic device. Although it simulates synaptic characteristics well, it is difficult to achieve high integration because eight transistors are required for one synaptic device.
강유전체 초박막 기반 멤리스터 소자는 외부에서 인가된 반복된 자극(펄스)에 의한 강유전체 초박막 (2~4 nm) 도메인 변화와 그에 따른 터널링 전류 변화 (고집적 응용 가능)를 이용한다. 반복된 자극(펄스)에 의해 시냅스 특성 (시냅스 감소 &시냅스 강화)을 구현하는 원리이며, 극단적으로 짧은 자극(펄스) 시간에 의한 효율적인 에너지 소비량이 장점이다.The ferroelectric ultra-thin film-based memristor device uses the ferroelectric ultra-thin film (2-4 nm) domain change by repeated externally applied stimulation (pulse) and the resulting tunneling current change (high integration application possible). It is a principle that realizes synaptic characteristics (synaptic reduction & synaptic strengthening) by repeated stimulation (pulse), and its advantage is efficient energy consumption by extremely short stimulation (pulse) time.
단점은 페로프스카이트 산화물로 실제 산업에 사용되기 어려운 소재인 점과 확률적 거동으로 재현성이 떨어진다는 점이 있다.Disadvantages include perovskite oxide, which is difficult to use in the actual industry, and poor reproducibility due to stochastic behavior.
금속 이온 이동 기반 멤리스터 소자는 고체 전해질 내부로 이동하는 금속이온의 반복적인 산화, 환원을 통한 전도성 패스 형성으로 인한 높은 on/off 신호 비율 (>105)의 구현이 가능하다.Memristor devices based on metal ion movement can realize a high on/off signal ratio (>105) due to the formation of a conductive path through repeated oxidation and reduction of metal ions moving into a solid electrolyte.
반복된 자극 (펄스) 의 조건에 의존하는 시냅스의 생물학적 특성인 단기 강화 장기 강화 전환 및 단기 기억 장기 기억 전환 특성을 모사할 수 있다.It is possible to simulate short-term potentiation long-term potentiation conversion and short-term memory long-term memory conversion characteristics, which are biological characteristics of synapses that depend on conditions of repeated stimulation (pulse).
단점은 우수한 특성에도 불구하고 비 선형적인 멤리스터 특성과 확률적 거동으로 인한 낮은 재현성이다.The disadvantage is low reproducibility due to non-linear memristor properties and stochastic behavior despite its excellent properties.
산소정공 이동 기반 멤리스터 소자는 산화물 박막 (TaOx) 내부에 존재하는 산소 정공의 이동을 통해 형성 및 파괴되는 전도성 패스로 인한 저항변화 현상을 이용한 array 소자 제작이 가능하여 가장 연구가 많이 되고 있는 소자이다.Oxygen hole movement-based memristor device is the most researched device because it is possible to manufacture an array device using the resistance change phenomenon due to the conductive path formed and destroyed through the movement of oxygen holes present inside the oxide thin film (TaOx). .
반복된 자극(펄스)에 의한 시냅스의 생물학적 특성인 시냅스 강화 및 시냅스 감소 특성을 모사할 수 있다.Synapse strengthening and synaptic decreasing characteristics, which are biological characteristics of synapses, can be simulated by repeated stimulation (pulse).
단점으로는 비선형성, 느린 속도, 확률적 거동으로 인한 재현성 약화 등이 있다.Disadvantages include nonlinearity, slow speed, and weak reproducibility due to stochastic behavior.
그리고, 스핀트로닉스 기반 시냅스 소자는 위상학적으로 안정한 준입자인 스커미온(skyrmion)의 개수에 따른 저항변화를 이용한 소자로 in-put 신호에 대한 전도도의 변화는 1차 함수의 형태를 가진다. 즉, 우수한 선형 특성의 구현이 가능하다. 또한, 나노초 이하의 빠른 속도 또한 강점이다.In addition, the spintronics-based synaptic device is a device using resistance change according to the number of skyrmions, which are topologically stable quasi-particles, and the change in conductivity for the input signal has the form of a linear function. That is, it is possible to implement excellent linear characteristics. In addition, fast speed of less than nanosecond is also a strength.
이미 상용화 된 MRAM의 unit인 magnetic tunnel junction(MTJ)이 기본 구조이므로 산업적 적용 측면에서 장점이 있다.Since the magnetic tunnel junction (MTJ), a unit of already commercialized MRAM, is the basic structure, it has an advantage in terms of industrial application.
단점은 동작 조건이 까다로워서 고집적의 multilevel을 구현하는데 어려움이 있다.The disadvantage is that the operating conditions are difficult, so it is difficult to implement high-density multilevel.
이 같은 종래 기술들과 달리 본 발명은 빠른 응답속도, 비확률적 거동, 높은 에너지 효율, 안정성 등의 우수성과 MRAM 공정과의 호환성으로 높은 산업적 성숙도를 확보한 스핀트로닉스 기반 시냅스 소자의 강점은 유지하고, 신호의 비선형성과 고집적의 멀티레벨 구현의 어려움이라는 한계를 개선하기 위한 것이다.Unlike these conventional technologies, the present invention maintains the strengths of spintronics-based synaptic devices that have secured high industrial maturity through excellence in fast response speed, non-stochastic behavior, high energy efficiency, stability, etc., and compatibility with MRAM processes. , to improve the limitations of signal nonlinearity and the difficulty of high-integration multilevel implementation.
본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자의 핵심 구동 원리는 각운동량 전달 현상을 이용한다. 자성체에 자기장을 가하고 스핀 분극 된 전류를 흘렸을 때 자성체의 자기 모멘트의 동역학을 설명하는 Landauer-Liftshitz-Gilbart-Slonzweskii 식으로부터 전류의 스핀이 자성체의 자화에 각운동량을 전달하게 되면, 그것이 어떻게 동역학에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다. The core driving principle of the spintronics-based artificial synaptic device of the present invention uses the angular momentum transfer phenomenon. From the Landauer-Liftshitz-Gilbart-Slonzweskii equation, which describes the dynamics of the magnetic moment of a magnetic material when a magnetic field is applied to it and a spin-polarized current is passed, how it affects the dynamics when the spin of the current transfers angular momentum to the magnetization of the magnetic material. know that you can give
도 1은 본 발명의 핵심 구동 원리를 설명하기 위한 것으로서, 각운동량 전달은 다음 두 가지 경우로 구분할 수 있다.1 is for explaining the core driving principle of the present invention, and angular momentum transfer can be divided into the following two cases.
즉, Pt과 같은 스핀-오빗 상호작용이 큰 물질에 전류를 흘리게 되면 전류의 수직방향으로 스핀 분극이 되어 스핀 전류가 흐르는 스핀 홀 효과 (spin Hall effect, 이하 SHE)가 나타나게 된다. 이때, 자성층과 함께 접합구조를 이루고 있으면 스핀 전류가 자성층에 주입되게 되고, 이 역시 STT와 같이 자성층에 각운동량을 전달하게 된다. 이를 SOT라고 하며, 보통 STT보다 더 빠른 자화 스위칭을 유도할 수 있다. That is, when a current flows through a material having a large spin-orbit interaction, such as Pt, spin polarization occurs in a direction perpendicular to the current, resulting in a spin Hall effect (hereinafter referred to as SHE) in which the spin current flows. At this time, if the junction structure is formed with the magnetic layer, the spin current is injected into the magnetic layer, and this also transfers angular momentum to the magnetic layer like the STT. This is called SOT and can induce magnetization switching faster than normal STT.
그리고, 본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자는 입상 자성 박막(granular magnetic thin film)을 적용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the artificial synaptic device based on spintronics of the present invention is characterized in that a granular magnetic thin film is applied.
입상 자성 박막이란 약 6~20 nm로 작은 자성 결정립들이 비자성 물질에 심어져 있는(embedded) 형태로 존재하는 박막을 말한다. 일반적으로 수직자기 이방성이 강한 물질을 사용하는 경우 작은 알갱이를 bit로 활용할 수 있어 높은 저장밀도를 가진 자기기록 매체, 즉 하드디스크 드라이브의 미디어 물질로 많은 연구가 되고 있다. 본 발명의 기본 개념은 입상 자성 박막에서 작은 결정립들의 특성이 무작위적으로 분포하는 특성을 이용하는 것이다.The granular magnetic thin film refers to a thin film in which magnetic crystal grains as small as about 6 to 20 nm are embedded in a non-magnetic material. In general, when materials with strong perpendicular magnetic anisotropy are used, small grains can be used as bits, so many studies are being conducted as magnetic recording media with high storage density, that is, media materials for hard disk drives. The basic concept of the present invention is to use the random distribution of small crystal grains in a granular magnetic thin film.
입상 자성 박막 물질은 다음과 같으며, 다음 표의 특징을 가진다.The granular magnetic thin film materials are as follows and have the characteristics shown in the table below.
Co-Al-O, CoCrPt:SiO2, L10 FePtX (X=Cu, Au, Ag, Cu, C), L10 FePtMxOy (M=Cr, Ti, Zr, Nb, W, Al, Ta)Co-Al-O, CoCrPt:SiO2, L1 0 FePtX (X=Cu, Au, Ag, Cu, C), L1 0 FePtMxOy (M=Cr, Ti, Zr, Nb, W, Al, Ta)
다음, 도 2 내지 도 5를 참조하여 이상에서 살펴본 입상 자성 박막 물질을 이용한 본 발명의 인공 시냅스 소자를 설명하기로 한다.Next, the artificial synaptic device of the present invention using the granular magnetic thin film material described above will be described with reference to FIGS. 2 to 5.
본 발명의 인공 시냅스 소자는 도시와 같이 하부 전극(21), 기준 자성층(11), 터널 장벽층(12), 입상 자성 박막층(13), 스핀 홀 전극(22)이 순차적으로 적층된 3 단자(3-terminal) 소자이다.As shown in the figure, the artificial synaptic device of the present invention has three terminals in which a lower electrode 21, a reference magnetic layer 11, a tunnel barrier layer 12, a granular magnetic thin film layer 13, and a spin Hall electrode 22 are sequentially stacked ( 3-terminal) device.
즉, 기준 자성층(11)/터널 장벽층(12)/입상 자성 박막층(13) 형태의 자기 터널접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)에 스핀 전류를 발생시킬 수 있는 스핀 홀 전극(22)을 구성한다.That is, a spin Hall electrode 22 capable of generating a spin current in a magnetic tunnel junction (MTJ) in the form of the reference magnetic layer 11/tunnel barrier layer 12/granular magnetic thin film layer 13 is formed. .
기준 자성층(11)은 Co, Fe, CoFeB 등과 같은 상온에서 자성을 가질 수 있는 연자성 물질들을 포함한다.The reference magnetic layer 11 includes soft magnetic materials that can have magnetism at room temperature, such as Co, Fe, and CoFeB.
터널 장벽층(12)은 터널 자기저항을 구현하기 위한 층으로 MgO, AlOx와 같은 부도체 산화물이 활용될 수 있다.The tunnel barrier layer 12 is a layer for realizing tunnel magnetoresistance, and a non-conductive oxide such as MgO or AlOx may be used.
입상 자성 박막층(13)은 앞서 설명한 여러 입상박막 형태들로서, Co-Al-O, CoPtCr-SiO2, FePt-C, FePt-TiO2, FePt-Ta2O5, FePt-Cr2O3, FePt-Nb2O4.8, Fe-C, FePtCu-C, FePtAu-C, FePtAg-C 중 어느 하나일 수 있다.The granular magnetic thin film layer 13 includes various types of granular thin films described above, such as Co-Al-O, CoPtCr-SiO 2 , FePt-C, FePt-TiO 2 , FePt-Ta 2 O 5 , FePt-Cr 2 O 3 , FePt -Nb 2 O 4.8 , Fe-C, FePtCu-C, FePtAu-C, FePtAg-C may be any one.
스핀 홀 전극(22)은 Pt, β-W, Pd, Ta 등을 포함한다.The spin Hall electrode 22 includes Pt, β-W, Pd, Ta, or the like.
도 3과 같은 입상 자성 박막층(13)과 기준 자성층(11)이 서로 반대 방향의 자화 방향을 갖는 상태(high resistance, 반대의 상태 또한 가능)에서,(도 6의 1번 상태) 스핀 홀 전극(22)에 전류가 주입되면 스핀 홀 효과에 의해 도 4와 같이 부분 스위칭 후 도 5와 같이 전체 스위칭이 일어난다. 즉, 도 6의 2, 3번과 같이 입상 자성 박막의 알갱이의 크기 분포로 인해 전류 펄스의 크기나 주기에 따라 저항이 서서히 변하는 선형 구동의 거동을 보이고, 선형 구동 후 입상 자성 박막(13)과 기준 자성층(11)이 서로 같은 방향을 갖게 되고 이때 저항은 최소가 된다.(시냅스 소자에서의 강화(potentiation) 과정)In a state in which the granular magnetic thin film layer 13 and the reference magnetic layer 11 have magnetization directions in opposite directions (high resistance, an opposite state is also possible) as shown in FIG. 3 (state No. 1 in FIG. 6), the spin Hall electrode ( When current is injected into 22), full switching occurs as shown in FIG. 5 after partial switching as shown in FIG. 4 by the spin Hall effect. That is, as shown in Nos. 2 and 3 of FIG. 6, the linear driving behavior in which the resistance gradually changes according to the size or period of the current pulse due to the size distribution of the grains of the granular magnetic thin film is shown, and after the linear driving, the granular magnetic thin film 13 and The reference magnetic layers 11 have the same direction as each other, and at this time, the resistance becomes minimum. (Potentiation process in the synaptic device)
다음, 스핀 홀 전극(22)에 반대 전류를 주입함으로써 SOT를 이용하여 입상 자성 박막층(13)의 자화 반전에 의한 부분 스위칭(도 4) 후 도 3과 같이 전체 스위칭이 일어난다.(시냅스 소자에서의 감소(depression) 과정)Next, partial switching by magnetization reversal of the granular magnetic thin film layer 13 using SOT by injecting an opposite current into the spin Hall electrode 22 (FIG. 4), followed by full switching as shown in FIG. 3 (in the synaptic device) process of depression)
이와 같이, 스핀 홀 전극(22)에서 생성된 스핀 전류는 입상 자성 박막층(13)으로 주입되게 되고, 이에 따라 각각의 grain들의 자화가 반전된다(switching). 인가한 펄스의 수를 증가함에 따라 자화 반전된 grain의 수가 늘어나기 때문에 multilevel 구현이 가능하게 되는 것이다.In this way, the spin current generated by the spin Hall electrode 22 is injected into the granular magnetic thin film layer 13, and thus the magnetization of each grain is reversed (switching). As the number of applied pulses increases, the number of magnetization inverted grains increases, so multilevel implementation becomes possible.
입상 박막의 결정립 수, 자기 이방성 분포, 결정립 사이의 거리 등에 의해 스위칭 동작 특성이 바뀔 수 있으나, multilevel의 개수는 결정립의 수와 결정립 사이의 거리에 의존적이다.Switching operation characteristics can be changed by the number of crystal grains in the granular thin film, magnetic anisotropy distribution, distance between grains, etc., but the number of multilevels depends on the number of grains and the distance between grains.
도 7을 참조하여 Multilevel의 수를 결정하는 요인을 설명하기로 한다.Referring to FIG. 7, the factors determining the number of multilevels will be described.
입상 자성 박막의 자성 결정립(grain)의 크기는 보통 6~20 nm이며 약 5~10 nm의 표준편차를 보인다. 전류를 이용한 작은 자성 결정립의 독립적인 제어는 100 nm지름의 자기 터널 접합에 이론적으로 수십개의 multilevel을 구현할 수 있다.The size of magnetic crystal grains of the granular magnetic thin film is usually 6 to 20 nm and has a standard deviation of about 5 to 10 nm. Independent control of small magnetic crystal grains using current can theoretically implement dozens of multilevels in a magnetic tunnel junction with a diameter of 100 nm.
결정립 한 개의 평균 지름이 d일 경우, 결정립이 소자에 차지하는 전체 면적은 N개의 결정립이 있는 경우 Nπd2 가 된다. 결정립 N개를 가지고 있는 소자의 반지름은 πR2이 된다. 이때 TMR(Tunneling Magnetoresistance)은 다음 식과 같이 자기 터널 접합의 단면적 대비 자화방향이 바뀐 결정립의 총 면적의 비율에 의해 결정되며, multilevel의 수는 N개가 된다.When the average diameter of one crystal grain is d, the total area occupied by the crystal grain in the device is Nπd 2 when there are N crystal grains. The radius of an element having N crystal grains is πR 2 . At this time, TMR (Tunneling Magnetoresistance) is determined by the ratio of the total area of crystal grains whose magnetization direction is changed to the cross-sectional area of the magnetic tunnel junction as in the following equation, and the number of multilevels is N.
n개의 결정립이 스위칭 되었을 때 TMR은 다음과 같다.When n grains are switched, TMR is as follows.
입상박막의 결정립 크기는 증착 과정의 온도, 비자성 성분의 분율에 의해 결정되며, 수 nm에서 수 십 nm의 크기를 가질 수 있다.The grain size of the granular thin film is determined by the temperature of the deposition process and the fraction of the non-magnetic component, and may have a size of several nm to several tens of nm.
도 8은 본 발명의 스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자에 의한 선형 특성을 나타낸 것이고, 도 9는 인가된 펄스 수에 따른 스위칭 및 선형적 특성을 나타낸 것이다.8 shows the linear characteristics of the spintronics-based artificial synaptic device of the present invention, and FIG. 9 shows the switching and linear characteristics according to the number of applied pulses.
Modified Voronoi tessellation을 이용한 미세 자성 시뮬레이션 결과 (mu-Max3) 도 8과 같이 자화반전(switching) 특성을 확인하였다. 초기상태(initial)에서 전부 자화가 up 상태일 때, 전류를 인가하게 되면 스핀 전달 토크를 이용하여 자화를 일부분씩 반전 시킬 수 있음을 볼 수 있다. 총 자화의 변화가 약 30 level에 걸쳐 변화함을 알 수 있다.As a result of micromagnetic simulation using Modified Voronoi tessellation (mu-Max3), the switching characteristics were confirmed as shown in FIG. 8 . When all magnetizations are up in the initial state, it can be seen that if a current is applied, the magnetization can be partially reversed using the spin transfer torque. It can be seen that the total magnetization changes over about 30 levels.
MTJ 소자에서 자화의 반전은 저항의 변화를 의미하므로, 이와 같이 우수한 선형특성을 갖는 memristor 특성을 구현할 수 있음을 알 수 있다.Since reversal of magnetization in the MTJ device means a change in resistance, it can be seen that memristor characteristics having excellent linear characteristics can be implemented.
도 9는 potentiation 과 depression이 주기적으로 잘 구현이 되는 것을 보여준다. 즉, 제안된 소자가 우수한 memristor특성을 가짐을 알 수 있다.Figure 9 shows that potentiation and depression are well implemented periodically. That is, it can be seen that the proposed device has excellent memristor characteristics.
pulse number는 소자에 순차적으로 인가된 펄스의 총 숫자이다. 도 9에서 pulse number가 120까지 증가하였는데, 이는 펄스를 120회 인가했다는 의미이다. 시뮬레이션 상에서 매 30회 펄스 인가마다 주입되는 전류의 방향을 바꾸어 스핀 홀 전극에서 주입되는 스핀 전류의 스핀 방향을 바꾸었고, 이를 통해 저항변화(TMR)의 potentiation-depression 이 전류 방향에 의해 제어됨을 구현한 결과이다.The pulse number is the total number of pulses sequentially applied to the device. In FIG. 9, the pulse number increased to 120, which means that the pulses were applied 120 times. In the simulation, the spin direction of the spin current injected from the spin hall electrode was changed by changing the direction of the injected current every 30 pulses, and through this, the potentiation-depression of the resistance change (TMR) was controlled by the current direction. This is the result.
이상과 같이 본 발명의 시냅스 소자에 의하면, 전도도 변화의 선형성을 확보할 수 있으며, 나노초 이하의 빠른 동작 특성을 구현할 수 있다.As described above, according to the synaptic device of the present invention, it is possible to secure the linearity of the change in conductivity, and it is possible to implement fast operation characteristics of less than nanoseconds.
그리고, 100 nm junction 기준 대략 30 level을 만들 수 있고, 이는 기존 제안된 스커미온 기반 시냅스 소자보다 100~1000배 많은 저항 level을 만들 수 있음을 의미한다.And, it is possible to make about 30 levels based on a 100 nm junction, which means that 100 to 1000 times more resistance levels can be made than previously proposed skyrmion-based synaptic devices.
또한, 이미 상용화된 MTJ 구조를 활용할 수 있으므로, Post Si 소자로 이미 상용화가 된 MRAM의 단위소자인 자기터널 접합을 활용할 수 있어 상용화 측면에서 큰 장점이 있다.In addition, since the already commercialized MTJ structure can be utilized, the magnetic tunnel junction, which is a unit device of MRAM that has already been commercialized as a Post Si device, can be utilized, which has a great advantage in terms of commercialization.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.Although the present invention as described above has been described with reference to the illustrated drawings, it is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Therefore, such modified examples or variations should be included in the claims of the present invention, and the scope of the present invention should be interpreted based on the appended claims.
11 : 기준 자성층
12 : 터널 장벽층
13 : 입상 자성 박막층
21 : 하부 전극
22 : 스핀 홀 전극11: reference magnetic layer
12: tunnel barrier layer
13: granular magnetic thin film layer
21: lower electrode
22: spin hall electrode
Claims (7)
결정립들이 무작위적으로 분포하는 입상 자성 박막층;
상기 기준 자성층 및 상기 입상 자성 박막층 간에 접합되어 자기터널접합(magnetic tunnel junction) 구조를 형성하는 터널 장벽층; 및
상기 입상 자성 박막층 상에 적층되는 스핀 홀 전극을 포함하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.a reference magnetic layer stacked on the lower electrode;
a granular magnetic thin film layer in which crystal grains are randomly distributed;
a tunnel barrier layer bonded between the reference magnetic layer and the granular magnetic thin film layer to form a magnetic tunnel junction structure; and
Including a spin Hall electrode laminated on the granular magnetic thin film layer,
Artificial synaptic device based on spintronics.
상기 입상 자성 박막층은 Co-Al-O, CoPtCr-SiO2, FePt-C, FePt-TiO2, FePt-Ta2O5, FePt-Cr2O3, FePt-Nb2O4.8, Fe-C, FePtCu-C, FePtAu-C, FePtAg-C 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.The method of claim 1,
The granular magnetic thin film layer is Co-Al-O, CoPtCr-SiO 2 , FePt-C, FePt-TiO 2 , FePt-Ta 2 O 5 , FePt-Cr 2 O 3 , FePt-Nb 2 O 4.8 , Fe-C, Characterized in that any one selected from FePtCu-C, FePtAu-C, FePtAg-C,
Artificial synaptic device based on spintronics.
상기 기준 자성층은 Co, Fe, CoFeB 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.The method of claim 2,
Characterized in that the reference magnetic layer is any one of Co, Fe, CoFeB,
Artificial synaptic device based on spintronics.
상기 터널 장벽층은 MgO 산화물인 것을 특징으로 하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.The method of claim 3,
Characterized in that the tunnel barrier layer is MgO oxide,
Artificial synaptic device based on spintronics.
상기 스핀 홀 전극은 Pt, β-W, Pd, Ta 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.The method of claim 4,
Characterized in that the spin Hall electrode is any one of Pt, β-W, Pd, and Ta,
Artificial synaptic device based on spintronics.
전류가 인가되면 상기 입상 자성 박막층의 상기 결정립들의 자화 분포의 변화가 발생하여, 전체 저항이 선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.The method of claim 2,
Characterized in that, when a current is applied, a change in the magnetization distribution of the crystal grains of the granular magnetic thin film layer occurs, so that the total resistance changes linearly.
Artificial synaptic device based on spintronics.
인가된 전류의 방향을 변경하면, 상기 입상 자성 박막층의 상기 결정립들의 자화 분포의 변화가 발생하여, potentiation-depression이 전류 방향에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는,
스핀트로닉스 기반 인공 시냅스 소자.The method of claim 6,
Characterized in that, when the direction of the applied current is changed, a change in the magnetization distribution of the crystal grains of the granular magnetic thin film layer occurs, so that potentiation-depression is controlled by the direction of the current.
Artificial synaptic device based on spintronics.
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| KR1020220011413A KR20230115375A (en) | 2022-01-26 | 2022-01-26 | Spintronics-based artificial synaptic device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101940669B1 (en) | 2017-12-07 | 2019-01-21 | 재단법인 대구경북과학기술원 | Artificial synapse element and manufacturing method thereof |
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2022
- 2022-01-26 KR KR1020220011413A patent/KR20230115375A/en unknown
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