Advanced Circuit-Level Model of Magnetic Tunnel Junction-based Spin-Torque Oscillator with Perpendicular Anisotropy Field

Abstract

기존의 반도체 기반 소자는 CMOS 크기 축소에 따른 여러 물리적인 현상에 의해 기술적 한계에 접근하였다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위해 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 스핀트로닉스(spintronics) 기술이 출현하면서 차세대 소자 기술에 대한 새로운 길이 열리게 되었다. 기존의 전자의 전하만을 제어하던 소자 기술과는 달리 스핀트로닉스 기반의 소자는 기본적으로 스핀의 고유특성인 비휘발성을 포함하며, 초고속, 저전력, 고주파 등의 특성을 가진다. 스핀트로닉스 기술의 기반이 되는 스핀 전달 토크(spin-transfer torque, STT)를 기반으로 한 여러 소자 중 초고주파 발진기인 STO(spin-torque oscillators)는 나노 단위의 소자로 기존의 발진소자에 비해 크기가 작으므로 고집적화가 가능하다. 또한, 단일 소자로 수십 GHz 대역까지 발진이 가능하며, 발진 주파수의 질을 나타내는 Q-인자가 매우 큰 장점을 가진다. 그러나 STO를 실제 회로에 적용하기 위해서는 STO의 출력 파워가 낮은 문제를 해결해야 한다. 이를 위해 소자의 MR (magnetoresistance) ratio가 비교적 낮은 GMR(Giant Magnetoresistance)-STO에 비해 MR ratio가 큰 MTJ(magnetic tunnel junction)-STO를 사용할 경우 문제를 조금 해결할 수 있다. 또한, 출력 파워는 MTJ-STO가 발진을 하는데 필요한 최소 전류인 문턱 전류 대비 외부 전류의 비율(I/I_th)에 비례하므로 문턱 전류를 낮추는 것이 중요하다. 본 논문에서는 perpendicular anisotropy와 shift field의 영향을 고려한 MTJ-STO의 모델을 제시하였다. 완성된 모델은 4단의 증폭기를 포함하는 current mirror 회로와 연동하여 SPICE 시뮬레이터로 그 동작을 검증하였다. MTJ-STO의 동작 특성인 발진 주파수, 선폭, 출력 파워를 실험 결과와 비교하였으며, 특히 외부 전류와 perpendicular anisotropy가 MTJ-STO의 동작 특성에 미치는 영향을 살펴보았다.;Interest in spin-torque oscillators(STOs) has been increasing due to its potential use in communication devices. In particular the MTJ-STO with high perpendicular anisotropy is gaining attention because it can generate high output power due to its low threshold current. In this paper, a circuit-level model of an MTJ-STO with perpendicular anisotropy is proposed. The model includes the perpendicular torque and shift field for more accurate simulation results. The bias dependence of perpendicular torque is represented as quadratic. The MTJ-STO model is simulated using HSPICE simulator with a current-mirror circuit and multi-stage wideband amplifier. The simulation results are in good agreement with the experimental data. The power increases and the frequency decreases as the value of perpendicular anisotropy gets close to the value of demagnetizing field.