CN117084005A - 超顺磁性磁隧道结元件、以及运算系统 - Google Patents

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Abstract

【课题】提供一种超顺磁性磁隧道结元件以及使用其的运算系统，针对外部磁场而言的工作稳定性(强健性)优良且适合基于概率性信息处理的运算系统。【解决手段】超顺磁性磁隧道结元件(10)具有：含有强磁性体的第1强磁性层群(14)；含有强磁性体的第2强磁性层群(12)；以及配置在第1强磁性层群(14)与第2强磁性层群(12)之间的隔绝层(13)，第1强磁性层群(14)具有第1‑1强磁性层(14A_1)与第1‑2强磁性层(14A_2)与第1非磁性耦合层(14B_1)，第1‑1强磁性层(14A_1)由强磁性体构成，其磁化方向以第一时间常数进行变化，第一时间常数为1秒以下，第1非磁性耦合层(14B_1)至少含有Ru、Ir、Rh、Cr及Cu中的任一。

Description

超顺磁性磁隧道结元件、以及运算系统
技术领域
本发明涉及一种超顺磁性磁隧道结元件、以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统。
背景技术
对于现有的运算系统而言，能够高效地处理四则运算等基于迭代的大规模的问题，然而对于优化问题等计算复杂性高的问题难以处理。近年来，作为对于这类现有运算系统难以处理的复杂处理能够比较容易地进行处理的计算原理而言，量子信息处理以及概率性信息处理(Probabilistic computing)受到关注。并且，针对概率性信息处理的专用运算系统硬件开发成为重要课题。
在概率性信息处理专用的运算系统中需要随机数生成单元，在该随机数生成单元中，输出在0与1之间时间性地随机变动，且0与1的比率能够通过外部输入电流(或电压)来加以控制。并且，在该随机数生成单元内需要能够产生随机的输出信号的电路或固体元件。
近年来，作为能够产生随机的输出信号的固体元件，磁隧道结元件受到关注。典型地，磁隧道结元件由如下各部构成，即：由强磁性体构成的第1强磁性层群、同样地由强磁性体构成的第2强磁性层群、在第1强磁性层群与第2强磁性层群之间形成且由绝缘体所成的隔绝层。例如，当第1强磁性层群的磁化方向设计为可自由地翻转，且第2强磁性层群的磁化方向设计为实质性地固定时，能够利用隧道磁阻效应，根据电阻的高低，来检测第1强磁性层群的磁化方向，因此可对信息的0与1进行分配，进行利用。此外，在该情况下，第1强磁性层群也被称为自由层，第2强磁性层群也被称为固定层。
对于磁隧道结元件而言，通过设计为自由层的磁化方向针对热扰动而言不容易发生变化，从而能够作为非易失性存储器的存储元件来应用。另一方面，通过设计为磁化方向针对热扰动而言容易发生变化，则能够作为产生随机的输出信号的固体元件，应用于进行概率性信息处理的运算系统。此外，磁化方向相对于热扰动而言的稳定性被称为热稳定性，可使用热稳定性指数来定量地表示，该热稳定性指数是将两个状态间的能量障碍E除以热扰动kBT所得的值(E/kBT)。因热扰动而使磁化方向以较短的时间常数发生变动的状态被称为超顺磁性，自由层被设计为呈现超顺磁性的磁隧道结元件被称为超顺磁性磁隧道结元件等。
以往，作为将磁隧道结元件应用于概率性信息处理的技术而言，提出了如下方案：设想为将自由层的热稳定性指数设计为0的假设性的磁隧道结元件，并进行数值计算以实现概率性信息处理的方法(例如，参照非专利文献1或者非专利文献2)。另外，例如示出了关于超顺磁性磁隧道结元件的实验结果(例如，参照非专利文献3至8)，或者除了关于超顺磁性磁隧道结元件的实验结果以外，还示出了使用该超顺磁性磁隧道结元件的概率性信息处理的原理实际验证的结果(例如，参照非专利文献9)。
此外，还示出了表示磁隧道结元件的磁化方向的时间性变动的频度的时间常数τ的物理定义(例如非专利文献10)，或者示出了第1强磁性层群、第2强磁性层群均被设计为呈现超顺磁性的超顺磁性磁隧道结元件展现了适合概率性信息处理的特性(例如，参照非专利文献11)。
现有技术文献
专利文献
非专利文献1：Kerem Yunus Camsari,Rafatul Faria,Brian M.Sutton,andSupriyo Datta,“Stochastic p-Bits for Invertible Logic”,Phys.Rev.X,2017,vol.7,031014
非专利文献2：Kerem Yunus Camsari,Sayeef Salahuddin,Supriyo Datta,“Implementing p-bits With Embedded MTJ”,IEEE Electron Device Letters,2017,vol.38,1767
非专利文献3：Yang Lv,Jian-Ping Wang,“Asingle magnetic-tunnel-junctionstochastic computing unit”,2017IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM),2017,DOI：10.1109/IEDM.2017.8268504
非专利文献4：Mukund Bapna and Sara A.Majetich,“Current control oftime-averaged magnetization in superparamagnetic tunnel junctions”,Appl.Phys.Lett.,2017,vol.111,243107
非专利文献5：Alice Mizrahi,Tifenn Hirtzlin,Akio Fukushima,HitoshiKubota,Shinji Yuasa,Julie Grollier&Damien Querlioz,“Neural-like computingwith populations of superparamagnetic basis functions”,Nature Communications,2018,vol.9,1533
非专利文献6：Brandon R.Zink,Yang Lv,and Jian-Ping Wang,“Telegraphicswitching signals by magnet tunnel junctions for neural spiking signals withhigh information capacity”,J.Appl.Phys.,2018,vol.124,152121
非专利文献7：Bradley Parks,Mukund Bapna,Julianne Igbokwe,Hamid Almasi,Weigang Wang,and Sara A.Majetich,“Superparamagnetic perpendicular magnetictunnel junctions for true random number generators”,AIP Advances,2018,vol.8,055903
非专利文献8：Keisuke Hayakawa,Shun Kanai,Takuya Funatsu,JuntaIgarashi,Butsurin Jinnai,William Andrew Borders,Hideo Ohno,and ShunsukeFukami,“Nanosecond Random Telegraph Noise in In-Plane Magnetic TunnelJunctions,”Physical Reviewer Letters,2021,vol.126,117202
非专利文献9：William A.Borders,Ahmed Z.Pervaiz,Shunsuke Fukami,KeremY.Camsari,Hideo Ohno&Supriyo Datta,“Integer factorization using stochasticmagnetic tunnel junctions,”Nature,2019,vol.573,pp.390-393
非专利文献10：William Rippard,Ranko Heindl,Matthew Pufall,StephenRussek,and Anthony Kos,“Thermal relaxation rates of magnetic nanoparticles inthe presence of magnetic fields and spin-transfer effects”,Physical Review B,2011,vol.84,064439
非专利文献11：Kerem.Y.Camsari,Mustafa Mert Tarunbalci,WilliamA.Borders,Hideo Ohno,and Shunsuke Fukami“Double-Free-Layer Magnetic TunnelJunctions for Probabilistic Bits”,Physical Review Applied,2021,vol.15,044049
发明内容
(一)要解决的技术问题
对于使用超顺磁性磁隧道结元件的运算系统而言，面向社会实际应用时的课题之一，是针对外部磁场而言的工作稳定性(强健性)。在使用运算系统的环境中，可预测到因为各种外在因素而施加有最大为数毫特斯拉至数十毫特斯拉的程度的磁场，超顺磁性磁隧道结元件必须相对于这种外部磁场而言特性不会大幅变化而能够稳定地工作。
对于超顺磁性磁隧道结元件的自由层而言，由于设计为各向异性磁场较小，因此通常对外部磁场会敏感地反应，因此不容易克服该问题。例如，对于非专利文献4或者非专利文献8所示的超顺磁性磁隧道结元件而言，所施加的磁场仅变化约1毫特斯拉，就会从不依存于时间而持续输出0的状态变为持续输出1的状态。就对这种外扰磁场的制约而言，大幅地限制了使用超顺磁性磁隧道结元件的运算系统所能够应用的用途，或者需要大尺寸且耗费成本的磁场屏蔽等，对于应用不理想。对于非专利文献3、5至7、9而言，虽然没有明确地示出特性的外部磁场依存性，但是存在与非专利文献4或者非专利文献8相同的课题。
本发明针对该课题做出，目的在于，提供一种超顺磁性磁隧道结元件以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统，针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良，适合基于概率性信息处理的运算系统。
(二)技术方案
为了达成上述目的，本发明的超顺磁性磁隧道结元件的特征在于，具有：含有强磁性体的第1强磁性层群；含有强磁性体的第2强磁性层群；以及配置在所述第1强磁性层群与所述第2强磁性层群之间的隔绝层，所述第1强磁性层群具有第1-1强磁性层与第1非磁性耦合层与第1-2强磁性层，所述第1-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第一时间常数进行变化，所述第一时间常数为1秒以下，所述第1非磁性耦合层至少含有Ru、Ir、Rh、Cr及Cu中的任一。
或者，本发明的超顺磁性磁隧道结元件的特征在于，具有：含有强磁性体的第1强磁性层群；含有强磁性体的第2强磁性层群；以及配置在所述第1强磁性层群与所述第2强磁性层群之间的隔绝层，所述第1强磁性层群具有第1-1强磁性层与第1非磁性耦合层与第1-2强磁性层，所述第1-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第一时间常数进行变化，所述第一时间常数为1秒以下，所述第1-1强磁性层及所述第1-2强磁性层的磁化通过所述第1非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合。
对于本发明的超顺磁性磁隧道结元件而言，由于第1非磁性耦合层至少含有Ru、Ir、Rh、Cr及Cu中的任一，或者由于第1-1强磁性层及第1-2强磁性层的磁化通过第1非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合，因此针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良。因此，本发明的超顺磁性磁隧道结元件适合基于概率性信息处理的运算系统。
在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，可以是，所述第2强磁性层群至少具有第2-1强磁性层，所述第2-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向实质性地固定。
另外，在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，可以是，所述第2强磁性层群至少具有第2-1强磁性层，所述第2-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第二时间常数进行变化，所述第二时间常数为1秒以下。在此情况下，可以是，所述第2强磁性层群还具有第2非磁性耦合层与第2-2强磁性层，所述第2非磁性耦合层至少含有Ru、Ir、Rh、Cr及Cu中的任一；或者可以是，所述第2强磁性层群还具有第2非磁性耦合层与第2-2强磁性层，所述第2-1强磁性层及第2-2强磁性层的磁化通过所述第2非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合。
在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，优选地，所述第1非磁性耦合层的膜厚在0.5纳米以上1.1纳米以下的范围内、或者1.7纳米以上2.5纳米以下的范围内。另外，在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，优选地，所述第1强磁性层群呈圆形或椭圆形状，其长径对短径的比为1以上3以下，其短径为80纳米以下。
在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，优选地，所述第1-1强磁性层及所述第1-2强磁性层的磁体积量[特斯拉·立方米]的平均除以基于所述第1非磁性耦合层的耦合强度[特斯拉]所得的值为2.5×10-23[立方米]以下，更优选为1×10-23[m3]以下。另外，优选地，基于所述第1非磁性耦合层的耦合强度[特斯拉]为1[特斯拉]以下。
本发明的运算系统的特征在于，具有：加权电路；通过所述加权电路连接的多个随机数生成单元；以及输出电路，其中，各随机数生成单元具有本发明的超顺磁性磁隧道结元件。
对于本发明的运算系统而言，由于具有本发明的超顺磁性磁隧道结元件，因此针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良。
(三)有益效果
依据本发明，可提供一种超顺磁性磁隧道结元件以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统，针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良，适合基于概率性信息处理的运算系统。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的运算系统的框图。
图2是关于本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的图，(a)是X-Z截面图，(b)是X-Y平面图。
图3是示意性地表示本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的、第1强磁性层群的层叠结构的X-Z截面图。
图4是关于本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的图，(a)是示意性地表示第1-1强磁性层朝向-x方向时的第1强磁性层群的稳定磁化状态的X-Z截面图，(b)是示意性地表示第1-1强磁性层朝向+x方向时的第1强磁性层群的稳定磁化状态的X-Z截面图。
在图5中，(a)用于说明现有型的超顺磁性磁隧道结元件的结构获得所需特性的原理，(b)用于说明本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的结构获得所需特性的原理，其中，左图为膜结构与磁化方向的示意图，右图为施加了外部磁场H时的时间平均后的磁化<M>响应状态、以及此时的磁化最稳定状态(空心箭头)的示意图。
图6的(a)是表示图5的(a)所示的现有型的超顺磁性磁隧道结元件的、朝磁化容易轴方向施加磁场时的元件响应的测量结果的图表，图6的(b)是表示本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的、朝磁化容易轴方向施加磁场时的元件响应的测量结果的图表。
图7是表示本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件(涂灰的图点)以及现有结构的超顺磁性磁隧道结元件(空心的图点)的、朝磁化困难轴方向施加磁场时的元件响应的测量结果的图表。
图8是示意性地表示本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的变形例的结构的图，(a)是X-Z截面图，(b)是X-Y平面图。
图9是本发明第二实施方式的超顺磁性磁隧道结元件的X-Z截面图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明实施方式的超顺磁性磁隧道结元件、以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统进行说明。
[1.运算系统的基本结构]
图1示出了本发明实施方式的运算系统1的框图。本发明实施方式的运算系统1含有：加权电路(Weighted Logic)200、通过加权电路200连接的多个随机数生成单元(RandomNumber Generation Unit)100、以及输出电路(Output Circuit)300。随机数生成单元100含有至少1个超顺磁性磁隧道结(Superparamagnetic Tunnel Junction)元件10。
在概率性信息处理中，用于解决给定问题的能量(成本函数)被设定为数学表达式，用于使该能量(成本函数)最小化的应向各位导入的输入信号的大小被描述为其他位的状态函数。该函数被程序化于加权电路200。
输入信号VIN被输入随机数生成单元100，输出信号VOUT从随机数生成单元100输出。随机数生成单元100生成以第一时间常数τ1持续变动的输出信号VOUT，但是其时间平均特性则相对于输入信号VIN而言呈Sigmoid函数性变化。
加权电路200根据持续变动的来自各随机数生成单元100的输出信号VOUT，随时计算向各随机数生成单元100输入的输入信号VIN，并反馈至各随机数生成单元100。该循环持续一定时间TCOMP。
输出电路300对持续变动的来自各随机数生成单元100的输出信号VOUT持续进行计测，将各时间的来自各随机数生成单元100的输出信号VOUT所对应的解，在一定时间TCOMP的期间进行累积。时间TCOMP也依存于问题的规模或性质、想要得到的解的精度，优选为第一时间常数τ1的1000倍以上。由此，若为优化问题，则作为最多观测到的状态而求出最佳解。另外，若为采样问题，则状态分布本身成为给定问题所对应的解的样本。
[2.超顺磁性磁隧道结的基本结构(第一实施方式)]
图2示意性示出了本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10的结构。图2的(a)为X-Z截面图，图2的(b)为X-Y平面图。图2所示的超顺磁性磁隧道结元件10具有上下两个端子。对于使用这样的2端子结构的超顺磁性磁隧道结元件10的、用于进行概率性信息处理的随机数生成单元100的电路结构而言，例如在非专利文献2中公开，因此这里省略。
超顺磁性磁隧道结元件10具有：下部电极11、相邻于下部电极11的上表面设置的第2强磁性层群12、相邻于第2强磁性层群12的上表面设置的隔绝层13、相邻于隔绝层13的上表面设置的第1强磁性层群14、相邻于第1强磁性层群14的上表面设置的上部电极15。此外，第1强磁性层群14与第2强磁性层群12的顺序也可以颠倒。
在第一实施方式中，第2强磁性层群12含有强磁性体，其磁化方向实质性地固定。隔绝层13由绝缘体构成。第1强磁性层群14由含有强磁性体的层叠结构构成，至少其一部分的磁化方向会因热扰动而以第一时间常数τ1自由地变化。对于具体的层叠结构将在后详述。优选地，第2强磁性层群12、以及第1强磁性层群14都在膜面内方向具有磁化容易轴(面内磁化容易轴)。但也可以是都在膜面垂直方向具有磁化容易轴(垂直磁化容易轴)。
下部电极11和上部电极15由金属性的材料所构成。下部电极11和上部电极15与图示的配线电连接。
第一时间常数τ1需要充分地短于一定时间TCOMP。其比例也依存于问题的规模和要得到的解的精度，τ1为TCOMP的1/1000以下，优选为1秒以下。
对于超顺磁性磁隧道结元件10而言，在膜面内具有椭圆形的形状，其短径为L1，长径为L2。或者，至少第1强磁性层群14在膜面内具有椭圆形的形状，其短径为L1，长径为L2。短径L1、长径L2的优选设计范围后述。
图3为示出第1强磁性层群14的层叠结构的X-Z截面图。本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10的第1强磁性层群14具有：由第1-1强磁性层14A_1、第1非磁性耦合层14B_1、第1-2强磁性层14A_2按照此顺序或相反顺序层叠的结构。第1-1强磁性层14A_1及第1-2强磁性层14A_2由强磁性体构成，第1非磁性耦合层14B_1由非磁性体构成。此外，第1-1强磁性层14A_1相邻于隔绝层13，至少第1-1强磁性层14A_1的磁化方向需要因热扰动而以第一时间常数τ1自由地变化。
图4示意性表示第1-1强磁性层14A_1和第1-2强磁性层14A_2的磁化所能采取的方向的典型例。在本发明中，第1-1强磁性层14A_1、第1-2强磁性层14A_2的磁化经由第1非磁性耦合层14B_1而朝向大致平行的相反方向进行耦合。作为磁耦合的原理，可利用Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用等。如图4所示，当第1-1强磁性层14A_1朝向-x方向时，第1-2强磁性层14A_2会朝向+x方向而呈稳定，当第1-1强磁性层14A_1朝向+x方向时，第1-2强磁性层14A_2会朝向-x方向而呈稳定。此外，这里所示的磁化状态示意性地表示了热稳定状态下的结构，但是有可能在工作中会暂时性地出现彼此的磁化为从±x方向偏移的状态的瞬间，另外也可能会有从平行的相反方向的状态偏移的瞬间。此外，对于由第1-1强磁性层14A_1和第1-2强磁性层14A_2的饱和磁化(MS)、与有效膜厚(t)的积所给定的每单位面积的磁体积量(MSt)的比而言，优选设计为20％以下，更优选设计为10％以下。由此，容易获得本发明的效果。其原理后述。
此外，在图2描绘了第2强磁性层群12由单层的强磁性层构成，但实际上第2强磁性层群12也优选具有由多层构成的层叠结构，尤其是优选利用双层强磁性层来构成，该双层强磁性层是利用由反强磁性体构成的钉札层、非磁性层反强磁性地耦合而成。这些和通常的非易失性磁存储器中所采用的结构相同，因此省略详细说明。
另外，在图3、图4中示出了第1强磁性层群14为第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2经由第1非磁性耦合层14B_1反强磁性地耦合的结构，但是例如也可以增加层数，采用按照第1-1强磁性层14A_1、第1-1非磁性耦合层14B_1、第1-2强磁性层14A_2、第1-2非磁性耦合层14B_2、第1-3强磁性层14A_3、…、第1-N非磁性耦合层14B_N、第1-N+1强磁性层14A_N+1这样的顺序层叠而成的结构，并形成为，隔着各非磁性耦合层对置的强磁性层的磁化朝向平行的相反方向进行耦合。
[3.原理]
接着，使用图5来说明由本发明实现的耐受外部磁场的特性优良的超顺磁性磁隧道结元件10的原理。为了进行说明而图示了：第1强磁性层群14是由单层的强磁性层构成的现有型的结构(图5的(a))；如上述那样第1强磁性层群14是由反强磁性地耦合的第1-1强磁性层14A_1、第1-2强磁性层14A_2构成的本发明的结构(图5的(b))。另外，图的左半部分为膜结构与磁化方向的示意图，右半部分示意性表示施加了外部磁场H时的时间平均后的磁化<M>响应状态、以及此时的磁化最稳定状态(空心箭头)。此外，这里为了简化，假设第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2的磁体积量(MSt)相等，完全地抵消。
在由单层的强磁性层构成的情况下(图5的(a))，例如当朝向+x方向施加磁场时，则会由于磁化朝向+x方向而使塞曼能量降低，因此磁化容易朝向+x方向。反之，当朝向-x方向施加磁场时，则会由于磁化朝向-x方向而使塞曼能量降低，因此磁化容易朝向-x方向。因此，即使在时间分解上是超顺磁性地变动，若取时间平均，则是如右图所示那样，时间平均磁化<M>相对于磁场而言呈Sigmoid函数性变化。在磁隧道结元件中，由于会随着磁化方向而成为低电阻、高电阻状态，因此时间平均磁化<M>的磁场依存性直接反映为超顺磁性磁隧道结元件10的电阻，并且反映于来自随机数生成单元100的输出信号VOUT。
另一方面，对于本发明第一实施方式的、利用人工性的反强磁性耦合的超顺磁性磁隧道结元件(图5的(b))而言，无论磁场是朝向+x方向施加还是朝向-x方向施加，都会由于第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2的磁化朝向平行的相反方向进行耦合，因此当一个强磁性层朝向磁场方向时，另一个强磁性层会阻碍其变化。因此，在一磁场范围内，时间平均磁化<M>相对于磁场而言不会发生有意义的变化。并且，在一磁场(翻转磁场)以上时，第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2的磁化像剪刀那样，保持0度与180度中间的角度的状态会呈现稳定，随着磁场的增大，该剪刀会逐渐闭合，从而平均磁化<M>追随磁场而变化。这样，如图5的(b)的右图所示，可在较大的磁场范围内实现平均磁化<M>相对于磁场而言不会进行有意义的响应的状态，即实现了针对外部磁场而言强健的超顺磁性磁隧道结元件。
接着，考虑磁场朝向y方向或z方向施加的情况。此时，在由单层的强磁性层构成的情况下(图5的(a))，由于用于翻转的能量障碍降低、或者升为高能量状态，因此磁化变动的时间常数τ1缩短。另一方面，在利用人工性的反强磁性耦合的情况下(图5的(b))，即使一个强磁性层的磁化朝向磁场方向，另一个也会阻碍其，因此外部磁场所施加的效果被抑制。因此，与x方向的磁场时同样地，可实现针对外部磁场而言的强健状态。
[4.材料与形状]
接下来，对本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10的各层中可用的材料进行说明。对于下部电极11和上部电极15，可采用非磁性且为导电性的金属。具体而言，可例示Ta、W、Ti、Ru、Cu、Cu-N、Ti-N、Ta-N等。其膜厚设计在5纳米至80纳米的程度的范围内。
对于第2强磁性层群12而言，典型地优选构成为从基板侧起依次层叠如下各部而构成，即：由反强磁性体构成的钉札层、由强磁性体构成的第2-1强磁性固定层、由非磁性体构成的固定层耦合层、由强磁性体构成的第2-1强磁性固定层。此处，第2-1强磁性固定层、第2-2强磁性固定层经由固定层耦合层而朝向平行的相反方向进行耦合。
对于钉札层可采用Pt-Mn合金、Ir-Mn合金、Pd-Mn合金等。其膜厚设计在5纳米至30纳米的程度的范围内。对于第2-1强磁性固定层可采用Co、Fe、Co-Fe合金等。其膜厚设计在1纳米至4纳米的程度的范围内。对于固定层耦合层可采用Ru等。其膜厚设计在0.6纳米至2.5纳米的程度的范围内。对于第2-2强磁性固定层可采用Co-Fe-B合金、Fe-B合金等。其膜厚设计在1纳米至4纳米的程度的范围内。
对于隔绝层13可采用绝缘性的非磁性材料。尤其是，优选采用MgO。其膜厚设计为0.8纳米至2.0纳米的程度。
对于构成第1强磁性层群14的第1-1强磁性层14A_1、第1-2强磁性层14A_2，可采用Co-Fe-B合金、Fe-B合金、Co-Fe合金等。其膜厚都设计在1.2纳米至3.5纳米的程度的范围内。
构成第1强磁性层群14的第1非磁性耦合层14B_1由Ru、Ir、Rh、Cr、Cu以及含有这些的合金构成，尤其是优选采用Ru或Ir。其膜厚设计为，使得第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2的磁化朝向平行的相反方向进行耦合。在利用RKKY相互作用的情况下，对于Ru或Ir而言，其膜厚在0.5纳米至1.1纳米的范围内、或者1.7纳米至2.5纳米的范围内。通过使第1非磁性耦合层14B_1由上述这样的材料构成，从而能够使第1-1强磁性层14A_1的磁化与第1-2强磁性层14A_2的磁化朝向平行的相反方向进行耦合。由此，根据前述的原理，能够实现针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良的超顺磁性磁隧道结元件10。
第1强磁性层群14的短径L1、长径L2之比(纵横比：L2/L1)，优选为1至3的程度。由此，可实现磁各向异性较低、适合实现超顺磁性状态的特性。另外，短径L1优选为100纳米以下，更理想而言，优选为80纳米以下。L1虽然没有特别的下限，但是从精密加工的精度的观点来看，在现有技术中以10纳米左右为下限。此外，第1强磁性层群14的形状除了如图2所示的椭圆形以外，也可以为长方形、菱形等。在此情况下，短径L1、长径L2被定义为短边方向、长边方向的长度。
隔绝层13、第2强磁性层群12的形状可以与第1强磁性层群14相同，也可以不同。以相同形状来形成可简化制造工艺。另一方面，在将隔绝层13、第2强磁性层群12形成为比第1强磁性层群14大的情况下，虽然制造时的工序数会增加，但是可降低来自第2强磁性层群12的漏泄磁场对第1强磁性层群14的影响，因此具有优点。此外，这里设想为第2强磁性层群12是相对于第1强磁性层群14而言在基板侧形成的结构(图2)。
[5.实施例]
接着，示出发明人所进行的本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10的实验的结果。发明人制作了具有以下的膜结构的超顺磁性磁隧道结元件10。
带有热氧化膜的Si基板/Ta(5)/PtMn(20)/Co(2.4)/Ru(0.85)/CoFeB(2.4)/MgO(1.0)/CoFeB(1.8)/Ru(0.74)/CoFeB(2.1)/Ta(5)/Ru(5)/Ta(50)
这里，括号内的数字表示膜厚，单位是纳米。
PtMn的组成为Pt38-Mn62，CoFeB的组成为(Co75-Fe25)75-B25(数字为atomic％)。基板侧的Ta(5)相当于下部电极11，PtMn/Co/Ru/CoFeB相当于第2强磁性层群12，MgO(1.0)相当于隔绝层13，CoFeB(1.8)相当于第1-1强磁性层14A_1，Ru(0.74)相当于第1非磁性耦合层14B_1，CoFeB(2.1)相当于第1-2强磁性层14A_2，Ta(5)/Ru(5)/Ta(50)相当于上部电极15。此外，第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2的膜厚不同，这是因为，考虑到在形成上部电极15的Ta层时产生的磁性无效层的缘故。MgO以外的层以DC磁控溅镀法进行堆积，MgO层以RF磁控溅镀法进行堆积。
在层叠膜的堆积后，使用光刻技术进行了精密加工。从第2强磁性层群12到第1强磁性层群14，以大致相同的形状一并图案化。虽然以下示出了典型的实验结果，但是在短径L1为40纳米至70纳米、长径L2为60纳米至110纳米、纵横比为1.1至1.7的范围内，可确认到相同的特性。
在精密加工后，施加1.2特斯拉的面内磁场并以300度进行了2小时的热处理。该热处理的目的为，在第2强磁性层群12的PtMn与Co的界面诱发交换偏压。
图6示出了所制作的超顺磁性磁隧道结元件10的朝磁化容易轴方向(椭圆的长径方向/x方向)施加磁场时的、对第1强磁性层群14与第2强磁性层群12的磁化滞留于平行方向的时间的典型值(时间常数)τP(涂灰的图点)、以及滞留于平行的相反方向的时间的典型值(时间常数)τAP(空心的图点)的变化进行测量的测量结果。图6的(a)为现有型的第1强磁性层群14是由单层的强磁性层构成的结构的测量结果，图6的(b)为本发明公开的第1强磁性层群14是由反强磁性地耦合的双层强磁性层构成的结构的测量结果。由图可知，在现有结构中，相对于1毫特斯拉左右的磁场而言，平行状态、平行的相反方向的状态的滞留时间在10纳秒至150纳秒的程度的范围内变化，与此相对，在本发明的结构中，即使相对于5毫特斯拉左右的磁场施加而言，滞留时间也仅在数纳秒至20纳秒的程度的范围内变化，能够确认本发明的效果。
接下来，图7示出了朝向膜面内的磁化困难轴方向(椭圆的短径方向/y方向)施加磁场时的、超顺磁性磁隧道结元件10的磁化翻转的时间常数的变化的测量结果。此外，这里纵轴的时间常数τave由τave＝(τP×τAP)1/2定义，相当于所制作的超顺磁性磁隧道结元件10的变动的第一时间常数τ1。图中，现有结构是以空心的图点来表示，本发明的结构是以涂灰的图点来表示。在现有结构中，相对于数毫特斯拉的磁场而言，滞留时间是以8位数的程度进行变化，与此相对，在本发明的结构中，即使相对于10毫特斯拉左右的磁场施加而言，也仅在1～2位数的范围内进行变化，同样地能够确认本发明的效果。
接着，根据所得到的图6及图7的实验结果，构建可以清楚描述第1强磁性层群14的状态的理论模型，并基于该理论模型，针对用于获得更优良特性的第1强磁性层群14的设计思路进行了研究。其结果为，发现：第1-1强磁性层14A_1和第1-2强磁性层14A_2的磁体积量(饱和磁化MS与体积V的积)、与基于第1非磁性耦合层14B_1的这两层的耦合强度之比决定了针对外部磁场而言的强健性，磁体积量越小、耦合强度越大，则强健性就越高。
具体而言，当磁体积量以Tm3[特斯拉·立方米]的单位表示、且耦合强度以T[特斯拉]的单位表示时，可知：当磁体积量[Tm3]/耦合强度[T]为2.5×10-23[m3]以下时，可获得针对2mT左右的外部磁场而言足够的强健性，当为1×10-23[m3]以下时，可获得针对5mT左右的外部磁场而言足够的强健性。此外，这里就基于第1非磁性耦合层14B_1的双层强磁性层的耦合强度而言，在磁化曲线中由双层的磁化朝向一方向的磁场(饱和磁场)给定。
考虑到当前的屏蔽技术，若针对2mT左右的磁场扰动而言具有强健性，就能够应用于民用的用途，若针对5mT左右的磁场扰动而言具有强健性，则也能够应用于车载等较为严酷的环境。据此，在第1强磁性层群14中，对于第1-1强磁性层14A_1和第1-2强磁性层14A_2的磁体积量[Tm3]的平均除以基于第1非磁性耦合层14B_1的耦合强度[T]所得的值而言，优选为2.5×10-23[m3]以下，更优选为1×10-23[m3]以下。
此外可知，基于第1非磁性耦合层14B_1的耦合强度[T]若过大，则第一时间常数τ1会变长，作为计算时间TCOMP而言会导致需要较长的时间。根据详细的计算可知，耦合强度为1[T]以上时会导致这种问题增大。也就是说，基于第1非磁性耦合层14B_1的耦合强度[T]优选为1特斯拉以下。
[6.变形例(3端子结构)]
图8示出了本发明第一实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10的变形例的结构。图8的(a)为X-Z截面图，图8的(b)为X-Y平面图。与图2所示的超顺磁性磁隧道结元件10不同，图8所示的超顺磁性磁隧道结元件10具有3个端子，其中的两个连接于下部电极11，剩下的一个连接于上部电极15。另外，在下部电极11的上表面形成第1强磁性层群14，并在上部电极15的下表面形成第2强磁性层群12。
在本变形例的超顺磁性磁隧道结元件10中，在第1强磁性层群14中利用了自旋轨道力矩(Spin Orbit Torque：SOT)，该自旋轨道力矩由向下部电极11导入的面内方向的电流生成。自旋轨道力矩的起源可利用：自旋霍尔效应、自旋异常霍尔效应、拓扑霍尔效应、Rashba–Edelstein效应、磁自旋霍尔效应等。关于使用3端子型超顺磁性磁隧道结元件10的随机数生成单元100的电路结构，已在非专利文献1中公开，因此这里省略。
在本变形例中，也是第1强磁性层群14具有如下结构，即：第1-1强磁性层14A_1与第1-2强磁性层14A_2隔着第1非磁性耦合层14B_1对置。在此情况下，也是能够通过自旋轨道力矩使来自随机数生成单元100的输出信号VOUT根据输入信号VIN而变化，能够实现适合概率性信息处理的运算系统，同时，通过人工性的反强磁性耦合，可实现针对外部磁场而言强健的特性。
在此情况下，下部电极11优选采用可生成较大的自旋轨道力矩的材料。具体而言，可例示Ta、W、Hf、Pt、Bi等5d过渡金属、以及含有它们的合金等。
[7.超顺磁性磁隧道结的基本结构(第二实施方式)]
接着对本发明第二实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10进行说明。就第二实施方式与第一实施方式的差异而言，在第一实施方式中，构成第2强磁性层群12的强磁性层的磁化方向实质性地固定，与此相对，在第二实施方式中则是设计为，构成第2强磁性层群12的强磁性层的磁化方向并未固定，至少其一部分的磁化以第二时间常数τ2进行变动。另外，该第二时间常数τ2优选为1秒以下。另外，在第1强磁性层群14的磁化的变动与第2强磁性层群12的磁化的变动之间，优选时间相关较小。
图9是示意性地表示本发明第二实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10的典型结构的X-Z截面图。在第二实施方式中，第2强磁性层群12具有：第2-1强磁性层12A_1、第2非磁性耦合层12B_1、第2-2强磁性层群12A_2所层叠而成的结构。第2-1强磁性层12A_1相邻于隔绝层13，其磁化方向必须以第二时间常数τ2进行变动。与第一实施方式中所说明的第1-1强磁性层14A_1、第1非磁性耦合层14B_1、第1-2强磁性层群14A_2的情况同样地，第2-1强磁性层12A_1与第2-2强磁性层群12A_2隔着第2非磁性耦合层12B_1而反强磁性地耦合。能够在第2-1强磁性层12A_1、第2非磁性耦合层12B_1、第2-2强磁性层群12A_2中使用的材料或结构与第1-1强磁性层14A_1、第1非磁性耦合层14B_1、第1-2强磁性层群14A_2相同，因此省略说明。
在第二实施方式中，第2强磁性层群12也会因热而使状态以第二时间常数τ1不断地变动，在此情况下，也会因为与第1强磁性层群11的变动的相关较小，该超顺磁性磁隧道结元件10的隧道磁阻以大致与第一时间常数τ1及第二时间常数τ2同等的时间常数进行变化。本发明第二实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10也可嵌入随机数生成单元100中。
对于第二实施方式中的第2强磁性层群12而言，也依据与在第一实施方式中针对第1强磁性层群14的说明相同的原理，可实现针对外部磁场而言强健的工作。
在非专利文献11中说明了：隔绝层13两侧的强磁性层均呈现超顺磁性的超顺磁性磁隧道结元件对于概率性信息处理的实用性。另外，对于非专利文献11所设定的层叠结构而言，由于未利用人工性的反强磁性耦合，因此两个强磁性层群之间的静磁性耦合(偶极相互作用)的影响会对工作造成不良影响，但是，对于图9所示的本发明第二实施方式的超顺磁性磁隧道结元件10而言，第1强磁性层群14、第2强磁性层群12均通过多个强磁性层而使磁化被实质性地抵消，因此在外部产生的静磁场较小。因此，偶极相互作用的影响大幅地减小，与非专利文献11所设定的结构相比而言，能够获得更加高速地产生随机数并稳定地工作等效果。
此外，即使实际上第2强磁性层群12为仅由第2-1强磁性层12A_1所成的结构，仍可实施本发明。
产业上利用的可能性
本发明的超顺磁性磁隧道结元件以及随机数生成单元，也可以用于针对概率性信息处理的运算系统以外的用途。例如，也可以作为加密用的随机数生成器来使用。
附图标记说明
1：运算系统；10：超顺磁性磁隧道结元件；11：下部电极；12：第2强磁性层群；12A_1：第2-1强磁性层；12A_2：第2-2强磁性层；12B_1：第2非磁性耦合层；13：隔绝层；14：第1强磁性层群；14A_1：第1-1强磁性层；14A_2：第1-2强磁性层；14B_1：第1非磁性耦合层；15：上部电极；100：随机数生成单元；200：加权电路；300：输出电路。

Claims (10)

1.一种超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，具有：
含有强磁性体的第1强磁性层群；
含有强磁性体的第2强磁性层群；以及
配置在所述第1强磁性层群与所述第2强磁性层群之间的隔绝层，
所述第1强磁性层群具有第1-1强磁性层与第1非磁性耦合层与第1-2强磁性层，所述第1-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第一时间常数进行变化，所述第一时间常数为1秒以下，所述第1非磁性耦合层至少含有Ru、Ir、Rh、Cr及Cu中的任一。
2.一种超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，具有：
含有强磁性体的第1强磁性层群；
含有强磁性体的第2强磁性层群；以及
配置在所述第1强磁性层群与所述第2强磁性层群之间的隔绝层，
所述第1强磁性层群具有第1-1强磁性层与第1非磁性耦合层与第1-2强磁性层，所述第1-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向系以第一时间常数进行变化，所述第一时间常数为1秒以下，所述第1-1强磁性层及所述第1-2强磁性层的磁化通过所述第1非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合。
3.根据权利要求1或2所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第2强磁性层群至少具有第2-1强磁性层，所述第2-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向实质性地固定。
4.根据权利要求1或2所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第2强磁性层群至少具有第2-1强磁性层，所述第2-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第二时间常数进行变化，所述第二时间常数为1秒以下。
5.根据权利要求4所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第2强磁性层群还具有第2非磁性耦合层与第2-2强磁性层，所述第2非磁性耦合层至少含有Ru、Ir、Rh、Cr及Cu中的任一。
6.根据权利要求4所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第2强磁性层群还具有第2非磁性耦合层与第2-2强磁性层，所述第2-1强磁性层及第2-2强磁性层的磁化通过所述第2非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合。
7.根据权利要求1至6中任1项所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第1非磁性耦合层的膜厚在0.5纳米以上1.1纳米以下的范围内、或者1.7纳米以上2.5纳米以下的范围内。
8.根据权利要求1至7中任1项所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第1强磁性层群呈圆形或椭圆形状，其长径对短径的比为1以上3以下，其短径为80纳米以下。
9.根据权利要求1至8中任1项所述的超顺磁性磁隧道结元件，其特征在于，
所述第1-1强磁性层及所述第1-2强磁性层的磁体积量[特斯拉·立方米]的平均除以基于所述第1非磁性耦合层的耦合强度[特斯拉]所得的值为2.5×10-23[立方米]以下，且基于所述第1非磁性耦合层的耦合强度[特斯拉]为1[特斯拉]以下。
10.一种运算系统，其特征在于，具有：
加权电路；
通过所述加权电路连接的多个随机数生成单元；以及
输出电路，
其中，各随机数生成单元具有权利要求1至9中任1项所述的超顺磁性磁隧道结元件。
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