Physics-based SPICE Model of Spin-Torque Oscillators

Abstract

반도체 기반 전자소자 기술은 물리적 현상 및 공정에 있어서 근본적인 기술적 한계에 접근하고 있다. 따라서 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 차세대 소자 기술이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 등장한 것이 바로 스핀트로닉스(Spintronics) 기술이다. 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 이 스핀트로닉스 기술을 기반으로 하는 스핀전자 소자는 전자의 스핀의 고유 특성인 비휘발성(Non-volatility) 뿐만 아니라 초고속, 초저전력 및 초고주파 등의 특성을 가지고 있기 때문에 기존 반도체 기반 전자소자의 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 스핀트로닉스는 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR) 및 자기터널(Tunnel Magnetoresistance, TMR) 현상을 이용하여 HDD의 재생헤드로 응용되고 있으며 차세대 비휘발성 메모리 소자인 자기램(MRAM)의 개발에도 응용되고 있다. 또한 Spin Torque 기술을 이용하여 Nano oscillator 등 GHz 대역의 고주파 통신소자로서 응용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 스핀전자 소자 중에서도 초고주파 발진기인 Spin-Torque Oscillator(STO)의 특성 모델링에 대하여 연구하였다. STO의 특성은 크게 3가지로 발진 주파수, 출력 파워, 선폭(Linewidth)이다. 이 3가지 특성에 대하여 물리적 이해를 기반으로 모델링을 하였으며, SPICE 모델로 응용하여 HSPICE 시뮬레이션으로 회로 성능을 검증하였다. HSPICE로 회로를 구현할 때에는 일반 회로 요소와 STO를 함께 구성하여 회로상에서의 STO 성능을 검증하였으며, 이 때에는 하드웨어 구현 언어인 Verilog-A로 STO 모델을 구현하여 시뮬레이션을 수행하였다. 회로는 bias-tee와 STO만으로 이루어진 기본 회로와 저항과의 병렬/직렬 연결로 검증을 한 뒤에 CMOS 트랜지스터와 함께 Current-Mirror회로를 구성하여 실제 회로에서의 STO의 특성을 분석하였다. 특히, 전류와 자장의 각도에 따른 STO의 3가지 특성을 분석하였다.;Spin torque oscillator (STO) is a new compact device operating as a tunable radio frequency oscillator in the tens of gigahertz range whose characteristics are determined by applied current and magnetic field. In this paper, we present a physics-based empirical circuit level model of STO which is compatible with circuit level simulators such as SPICE. The characteristics of STOs are modeled as functions of current and out-of-plane angle of external magnetic field based on physics-based analytic equations. However, higher-order nonlinear effects which result in large spin-wave amplitudes at large current are not included in our model because there is no theoretical equation available yet which can precisely explain this effect. The validity of the model was verified by HSPICE simulation of a current mirror circuit which contains an STO element. Simulation results are in good agreement with the experimental data.