JP2011013901A

JP2011013901A - 乱数発生装置

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Publication number: JP2011013901A
Application number: JP2009157001A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kano; 博司鹿野; Takenori Oishi; 雄紀大石; Yutaka Higo; 豊肥後; Masakatsu Hosomi; 政功細見
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】外部環境の影響を受けにくく、充分な乱数精度が得られる乱数発生装置を提供する。
【解決手段】磁化の向きが反転可能な磁化自由層と、非磁性材料からなる中間層と、磁化自由層に対して中間層を介して配置され、磁化の向きが固定された磁化固定層とを含み、スピン注入電流により磁化自由層の磁化の向きが反転される磁気抵抗効果素子２０，２１を含み、スピン注入電流に関する特性が互いに異なる、複数個の磁気抵抗効果素子２０及び２１を含んだ乱数発生装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる磁気抵抗効果素子を利用した乱数発生装置に係わる。

スピン偏極電流を磁性体に注入することで生じるスピン注入磁化反転現象が知られているが、この現象を用いた物理乱数発生器が提案されている（特許文献１を参照）。
この乱数発生器は、スピン注入磁化反転現象の発生確率が、注入する電流量により統計物理によって決定されること（非特許文献１を参照）を利用している。

スピン注入磁化反転を用いた乱数発生器においては、原理的に、この物理的特徴を生かして、磁性層の磁化の向きの反転確率が１／２となるスピン注入電流量を磁性層に供給することにより、真正乱数を発生させることができる。

しかしながら、磁性層の磁化の向きの反転確率が１／２となるスピン注入電流量は、環境温度や印加磁化にも依存する（前記非特許文献１を参照）。このため、実際の使用環境下においては、その環境に合わせてスピン注入電流量を設定する必要がある。

ここで、磁性層の磁化の向きの反転確率が１／２となるスピン注入電流量Ｉｃは、下記の式１で表わされる。

式１中、Ｈは印加磁界、αは磁性層のダンピング定数、Ｈ_ｋは磁性層の面内一軸異方性磁界、ηはスピン注入係数、ａは磁性層の半径、ｌ_ｍは磁性層の厚さ、Ｍｓは磁性層の飽和磁化である。このうち、飽和磁化Ｍｓは温度依存性を持つ。

特開２００８−３１０４０３号公報

Ｊ．Ｚ．Ｓｕｎ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．６２，ｐ．５７０，２０００年

スピン注入現象を利用して乱数発生器として構成する場合に、反転確率が厳密に１／２となる動作点で駆動すれば、真性乱数が得られる（前記特許文献１を参照）。
また、反転確率が１／２からずれた場合でも、連続した２ビットからの演算で１ビットの真性乱数を得ることができる（前記特許文献１を参照）。

前者の方法を採用した場合においては、反転確率が１／２となる動作点にスピン注入電流を設定した場合に、最も乱数発生効率が高くなることから、その動作点に注入電流を設定するための複雑な制御回路が必須になる、という欠点がある。
また、温度や磁界変化等の外乱要因に対して乱数の精度を低下させないために、後者の手法を採用した場合においても、複雑な制御回路が必要になる。

さらにまた、制御回路を設けても、制御回路の動作周波数範囲を超える外部環境の急激な変化によって、乱数の精度が低下する可能性がある。
出力乱数が真性乱数にきわめて近いことを要求するような厳密な用途では、また、外部環境を利用した乱数性への攻撃への耐性を持たせるためには、この乱数精度の外部環境依存性が大きな問題となる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、外部環境の影響を受けにくく、充分な乱数精度が得られる乱数発生装置を提供するものである。

本発明の乱数発生装置は、磁化の向きが反転可能な磁化自由層と、非磁性材料からなる中間層と、磁化自由層に対して中間層を介して配置され、磁化の向きが固定された磁化固定層とを含む磁気抵抗効果素子を含む。この磁気抵抗効果素子は、スピン注入電流により磁化自由層の磁化の向きが反転される磁気抵抗効果素子である。そして、本発明の乱数発生装置は、スピン注入電流に関する特性が互いに異なる、複数個の前記磁気抵抗効果素子を含んで構成されるものである。

上述の本発明の乱数発生装置の構成によれば、スピン注入電流に関する特性が互いに異なる、複数個の前記磁気抵抗効果素子を含むことにより、磁化自由層の磁化の向きの反転確率とスピン注入電流との関係が、各磁気抵抗効果素子でそれぞれ異なる。このため、温度や磁界等の外部環境が変化しても、その外部環境の変化に対する反転確率の変動の小さい磁気抵抗効果素子からの出力を優先して乱数出力として使用することが可能になる。
これにより、１つの磁気抵抗効果素子のみによって乱数発生装置を構成した場合と比較して、外部環境の変化による乱数精度の低下や乱数生成効率の低下を抑制して、真性乱数を安定して発生させることが可能になる。

上述の本発明によれば、温度や磁界等の外部環境が変化しても、乱数精度の低下や乱数生成効率の低下を抑制して、高い乱数生成効率を維持したまま、真性乱数を安定して発生させることが可能になり、充分な乱数精度が得られる。
また、温度や磁界等の外部環境を用いた乱数への攻撃に対しても強い乱数発生装置を実現することができる。

本発明の乱数発生装置の第１の実施の形態を構成する磁気抵抗効果素子の断面図である。図１の磁気抵抗効果素子を用いた、本発明の乱数発生装置の第１の実施の形態の概略構成図である。図２の乱数発生装置における、印加電流の大きさと乱数生成効率との関係を示す図である。本発明の乱数発生装置の第２の実施の形態の要部の概略構成図（磁気抵抗効果素子の平面配置図）である。図４の乱数発生装置における、Ｘ軸方向の印加磁界の大きさと、磁気抵抗効果素子の磁化の向きの反転確率との関係を示す図である。

以下、発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の概要
２．第１の実施の形態
３．第１の実施の形態の実験例
４．第２の実施の形態
５．第２の実施の形態の実験例
６．変形例

＜１．本発明の概要＞
本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
本発明においては、スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる構成の磁気抵抗効果素子を複数個含んで、乱数発生装置を構成する。
さらに、本発明の乱数発生装置を構成する複数個の磁気抵抗効果素子は、スピン注入電流に関する特性が互いに異なる磁気抵抗効果素子とする。

本発明の乱数発生装置を構成する磁気抵抗効果素子には、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、もしくは、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）等を用いることができる。
これらの磁気抵抗効果素子は、磁化の向きを反転することが可能な磁化自由層と、磁化の向きが固定された磁化固定層との、２層の磁性層を少なくとも有し、それらの磁性層の間に、非磁性の中間層として、絶縁層もしくは非磁性導体層が配置されている。
この磁気抵抗効果素子に対し、おおむね各層の積層方向（積層膜の膜面に垂直な方向）に電流を流すことにより、磁化自由層に対して磁化の向きの反転、即ち情報の書き込みを行うことができる。
この際の磁化の向きの反転の確率は、磁気抵抗効果素子に流すスピン注入電流の大きさに依存する。

また、書き込んだ情報の読み出しは、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果により、磁気抵抗効果素子の抵抗が磁化自由層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとのなす角度に依存することを利用して行うことができる。
そして、書き込み電流よりも十分に小さな電流を流すことによって、磁気抵抗効果素子の抵抗を検出して、基準となる抵抗値を閾値にして抵抗の判別を行うことができる。

磁気抵抗効果素子のスピン注入電流に関する特性としては、例えば、以下に挙げる特性が考えられる。
（１）磁化自由層の磁化の向きが反転する確率（以下、反転確率と呼ぶこととする。）が１／２となるスピン注入電流の値（電流量）
（２）反転確率が１／２となるスピン注入電流の値（電流量）の外部磁界依存性
（３）反転確率が１／２となるスピン注入電流の値（電流量）の温度依存性
スピン注入電流に関する特性としては、この他にも考えられる。
本発明では、乱数発生装置を構成する各磁気抵抗効果素子において、このようなスピン注入電流に関する特性のうち、少なくとも１種以上の特性が互いに異なるようにする。

これらの特性のうち、（１）の反転確率が１／２となるスピン注入電流の値（電流量）が異なるようにするには、例えば、磁気抵抗効果素子の寸法や、磁化自由層の材料又は膜厚が、異なる構成とすればよい。磁化自由層の材料を異ならせる場合には、含有する元素の種類や各元素の含有比を変えればよい。
このように磁気抵抗効果素子の寸法や、磁化自由層の材料又は膜厚が、異なる構成とした場合は、（１）の特性だけでなく、（２）や（３）の特性等、他の特性も異なることがある。

また、（２）の反転確率が１／２となるスピン注入電流の値（電流量）の外部磁界依存性は、例えば、磁化自由層の磁気異方性の方向を変えれば、寸法や磁化自由層の材料が同じ構成の磁気抵抗効果素子を使用しても、変えることが可能である。例えば、２個の磁気抵抗効果素子で磁化自由層の磁気異方性の方向を互いに垂直な方向としたり、３個の磁気抵抗効果素子で磁化自由層の磁気異方性の方向を互いに６０度をなす角度の方向としたりすることが考えられる。通常、磁化自由層の磁気異方性の方向は、磁気抵抗効果素子の平面形状の長手方向（例えば、楕円形状では長軸の方向）とほぼ一致する。なお、磁化自由層の磁気異方性の方向のなす角度は、これら９０度（垂直）や６０度のような均等な角度に限らず、他の角度とすることも可能である。ただし、磁気異方性の方向のなす角度が小さすぎると本発明の効果が小さくなるので、ある程度以上は方向を変えるようにする。

ところで、前述したように、磁化自由層の磁化の向きの反転確率が１／２になる電流量を選択すれば、その出力は真性乱数になる。
本発明の乱数発生装置の構成では、複数個の磁気抵抗効果素子のいずれかの反転確率が１／２の点で最大の乱数生成効率が得られるため、広範なスピン注入電流量において、高い乱数生成効率を得ることができる。
さらに、前記特許文献１に開示されているフィードバック制御回路のような複雑な回路を用いる必要がないので、乱数発生装置の回路構成を簡略化することができる。

また、単体の磁気抵抗効果素子から成る乱数発生装置に、前記特許文献１に開示されている、動作周波数帯域に制限のあるフィードバック回路を用いた場合には、外部磁界を利用した攻撃に対する耐性が低下する。即ち、磁気抵抗効果素子の動作レートに同期する高速度の外部磁界を与えて攻撃すると、出力が任意に制御されてしまう可能性がある。
これに対して、本発明の乱数発生装置の構成を採用し、さらに、複数個の磁気抵抗効果素子の反転確率の磁界依存性が異なる構成とすることにより、このような外部磁界による攻撃に対しても、乱数精度を維持することができる。

また、前記特許文献１に開示されているように、連続する２ビットを利用することによって、反転確率が厳密には１／２ではない場合においても、真性乱数を原理的に得ることができる。この手法をとった場合、生成される乱数の発生レートを単体の磁気抵抗効果素子のデータ読み出しレートで割った値を乱数生成効率ｎとして定義すると、乱数生成効率ｎは反転確率ｐを用いて、ｎ＝２ｐ（１―ｐ）で表される。この式より、反転確率１／２の場合に最大の乱数生成効率１／２が得られることと、反転確率が１／２から離れるほど乱数生成効率が低下することとがわかる。このため、この手法をとった場合には、反転確率が１／２に近い限られた条件下でないと充分な乱数生成効率が得られない。
これに対して、本発明の乱数発生装置では、複数個の磁気抵抗効果素子のスピン注入電流に関する特性が異なるため、スピン注入電流量と反転確率との関係が、各磁気抵抗効果素子で異なっている。そのため、広い範囲の条件下で充分な乱数生成効率を得ることが可能になる。

本発明の乱数発生装置において、さらに、各磁気抵抗効果素子の出力の排他的論理和を乱数出力とすることが可能である。
各磁気抵抗効果素子の出力の排他的論理和を乱数出力とすることにより、各磁気抵抗効果素子の出力を加算して乱数出力とした場合や、論理和を乱数出力とした場合と比較して、外部の環境の変化に対する乱数生成効率の変動をさらに低減することができる。

＜２．第１の実施の形態＞
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の乱数発生装置の第１の実施の形態を構成する磁気抵抗効果素子の断面図を、図１に示す。
図１に示すように、この磁気抵抗効果素子１は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する磁化自由層１８に対して、下層に磁化固定層１３を設けている。磁化固定層１３の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、磁化固定層１３の磁化の向きが固定される。このうち、磁化自由層１８は、磁化Ｍ１の向きによって磁気抵抗効果素子の抵抗が変化して、磁気抵抗効果素子から得られる信号出力が変化するので、信号検出層として作用する。
磁化自由層１８と下層の磁化固定層１３との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）１７が設けられている。
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、磁化自由層１８の上にはキャップ層１９が形成されている。
即ち、この図２に示す磁気抵抗効果素子１は、磁化自由層１８とトンネルバリア層（トンネル絶縁層）１７と磁化固定層１３とから成るトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）によって構成されている。

また、磁化固定層１３は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層１３は、２層の強磁性層１４，１６が、非磁性層１５を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層１３の各強磁性層１４，１６が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１４の磁化Ｍ１４が右向き、強磁性層１６の磁化Ｍ１６が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。これにより、磁化固定層１３の各強磁性層１４，１６から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。

磁化固定層１３を形成する強磁性層１４，１６には、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、これらの磁性層の合金に、ＮｂやＺｒ等の遷移金属元素、ＢやＣ等の軽元素、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｙ等の希土類元素を含有させることもでき、さらにはこれらの酸化物や窒化物も使用することができる。
磁化固定層１３に用いる非磁性層１５の材料としては、Ｒｕ，Ｃｕ，Ｒｈ，Ｃｒ等の、磁性層間に反強磁性層間結合を生じる材料が使用できる。
磁化自由層１８の材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの１種もしくは２種以上からなる強磁性体の合金材料を用いることができる。さらに、これらの磁性合金に、ＮｂやＺｒ等の遷移金属、ＢやＣ等の軽元素、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｙ等の希土類元素を含有させることもでき、さらにはこれらの酸化物や窒化物も使用することができる。
トンネルバリア層１７の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＨｆＯ，ＳｉＯ，ＳｉＯ_２，ＳｉＮ等の材料や、これらの混合物を用いることができる。
反強磁性層１２の材料としては、ＰｔＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等のＭｎ化合物等が使用できる。
下地層１１とキャップ層１９の材料には、特に制限がないが、一般的には、Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，ＴｉＮ，ＣｕＮ等の金属や金属窒化物等の導体が使用できる。

この磁気抵抗効果素子１は、下地層１１からキャップ層１９までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により磁気抵抗効果素子１のパターンを形成することにより、製造することができる。

図１の磁気抵抗効果素子１を用いた、本発明の乱数発生装置の第１の実施の形態の概略構成図を、図２に示す。
図２中、２０及び２１は、それぞれ、図１に示した磁気抵抗効果素子１の構成を有する磁気抵抗効果素子である。

ただし、左の磁気抵抗効果素子２０と右の磁気抵抗効果素子２１とは、スピン注入電流に関する特性が異なるように、それぞれの素子２０，２１を構成する。
例えば、素子２０，２１の大きさや磁化自由層の厚さを異ならせたり、素子２０，２１の磁性層の磁性材料（含有する元素や各元素の含有比等）を異ならせたりすることにより、スピン注入電流に関する特性が異なるように構成することが可能である。

２つの磁気抵抗効果素子２０，２１は、それぞれ独立してドライブトランジスタ２２，２３及び読み出し用センスアンプ回路２４，２５に接続されており、２つの読み出し用センスアンプ２４，２５の出力は、排他的論理和演算回路２６に接続されている。
また、各読み出し用センスアンプ回路２４，２５には、リファレンス電圧発生回路２８が接続されており、このリファレンス電圧発生回路２８から基準用のリファレンス電圧が供給される。
また、各ドライブトランジスタ２２，２３のゲートには、書き込み／読み出し制御回路２７が接続されている。

各磁気抵抗効果素子２０，２１からの出力は、読み出し用センスアンプ回路２４，２５で増幅された後に、排他的論理和演算回路２６を経ることにより、各出力の排他的論理和が取られて、１つの乱数出力として出力される。

上述の本実施の形態の乱数発生装置の構成によれば、２つの磁気抵抗効果素子２０，２１のスピン注入電流に関する特性が互いに異なるので、磁化自由層１８の磁化Ｍ１の向きの反転確率とスピン注入電流との関係が、各磁気抵抗効果素子２０，２１で異なる。このため、温度や磁界等の外部環境が変化しても、その外部環境の変化に対する反転確率の変動の小さい磁気抵抗効果素子からの出力を優先して乱数出力として使用することが可能になる。
これにより、１つの磁気抵抗効果素子のみによって乱数発生装置を構成した場合と比較して、外部環境の変化による乱数精度の低下や乱数生成効率の低下を抑制して、真性乱数を安定して発生させることが可能になる。

そして、排他的論理和演算回路２６を経ることにより、各磁気抵抗効果素子２０，２１からの出力の排他的論理和が取られて１つの乱数出力として出力されるので、外部の環境の変化に対する乱数生成効率の変動をさらに低減することができる。

従って、本実施の形態の乱数発生装置により、外部環境の変化や、外部環境を用いた乱数への攻撃に対して、強い耐性を有し、充分な乱数精度が得られる乱数発生装置を実現することができる。

＜３．第１の実施の形態の実験例＞
ここで、実験例として、図１に示した構成の磁気抵抗効果素子１を使用して、図２に示した回路構成の乱数発生装置を作製した。
具体的には、図１に示した構成の磁気抵抗効果素子１において、各層の材料及び膜厚を、下記の膜構成に示すように選定した。即ち、下地膜１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１２を膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜、磁化固定層１３を構成する強磁性層１４を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、非磁性層１５を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、強磁性層１６を膜厚４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜とした。また、トンネルバリア層１７を膜厚０．９ｎｍの酸化マグネシウム膜、磁化自由層１８を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、キャップ層１９を膜厚５ｎｍのＴａ膜とした。また、下地膜１１と反強磁性層１２との間に図示しない膜厚５０ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けた。なお、磁化自由層１８及び強磁性層１６のＣｏＦｅＢ膜の組成はＣｏ４０Ｆｅ２０Ｂ（原子％）、反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）、強磁性層１４のＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０(原子％)とした。
このようにして、磁気抵抗効果素子１の各層を形成した。
膜構成：Ta(3nm)/Cu(50nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(4nm)/MgO(0.9nm)/CoFeB(2nm)/Ta(5nm)

酸化マグネシウム膜から成るトンネルバリア層１７以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜から成るトンネルバリア層１７は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
そして、磁気抵抗効果素子１の各層を、真空装置内で連続的に、スパッタリングにより形成した。
その後、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・３６０℃・２時間の熱処理を行い、反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。

次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してＡｒプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線（下部電極）を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により磁気抵抗効果素子１のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、図１に示して構成の磁気抵抗効果素子１を形成した。磁気抵抗効果素子１部分以外は、ワード線のＣｕ層直上までエッチングした。
このようにして、図２の２つの磁気抵抗効果素子２０，２１を作製した。このとき、図２の左の磁気抵抗効果素子２０のパターンを短軸８０ｎｍ×長軸２４０ｎｍの楕円形状とし、右の磁気抵抗効果素子２１のパターンを短軸８０ｎｍ×長軸１６０ｎｍの楕円形状とした。なお、これら２つの磁気抵抗効果素子２０，２１は、長軸が互いに平行になるように配置した。
さらに、図２に示したドライブトランジスタ２２，２３と読み出し用センスアンプ回路２４，２５と排他的論理和演算回路２６とを作製し、書き込み／読み出し制御回路２７とリファレンス電圧発生回路２８とをそれぞれ接続した。

左の磁気抵抗効果素子２０の方が、右の磁気抵抗効果素子２１よりも楕円形の長軸が長いので、少ないスピン注入電流で磁化自由層１８の磁化Ｍ１の向きが反転する特性を有している。

続いて、この乱数発生装置において、書き込み／読み出し制御回路２７の制御によって、磁気抵抗効果素子２０，２１にスピン注入電流を流して、その電流量における乱数生成効率を測定した。両方の磁気抵抗効果素子２０及び２１を使用した場合と、各磁気抵抗効果素子２０或いは２１を単独で使用した場合とで、それぞれ電流量を変えて乱数生成効率を測定した。
測定結果として、印加電流（スピン注入電流）の量と乱数生成効率との関係を、図３に示す。図３において、実線が両方の磁気抵抗効果素子２０及び２１を使用した場合の結果を示し、太い破線が磁気抵抗効果素子２０単独の場合の結果を示し、細い破線が磁気抵抗効果素子２１単独の場合の結果を示している。

図３より、乱数生成効率が例えば３６％以上を得ることのできる電流範囲は、磁気抵抗効果素子２０単独の場合は０．８５から０．９までと０．０５の範囲しかない。
これに対して、本実施の形態のように特性の異なる２つの磁気抵抗効果素子２０及び２１を使用することにより、０．８５から０．９８までの０．１３と倍以上の範囲になり、広い範囲の電流で高い乱数発生効率が得られることがわかる。

本実施の形態では、磁気抵抗効果素子２０，２１の大きさの違いに伴い、反転確率の温度依存性も異なっており、大きな磁気抵抗効果素子（上述の実験例では、左の磁気抵抗効果素子２０）ほど、温度依存性が小さくなる。
このため、本実施の形態においては、２つの磁気抵抗効果素子２０，２１の出力の排他的論理和を取ることによって、乱数出力の反転確率の温度依存性の影響を抑えて、広い温度範囲で真性乱数を得ることができる。

＜４．第２の実施の形態＞
次に、本発明の乱数発生装置の第２の実施の形態について説明する。
本発明の乱数発生装置の第２の実施の形態の要部の概略構成図（磁気抵抗効果素子の平面配置図）を、図４に示す。
図４に示すように、基体４３上に形成された、Ｙ軸方向を長軸とする平面形状が楕円形状の磁気抵抗効果素子４１と、基体４４上に形成された、Ｘ軸方向を長軸とする平面形状が楕円形状の磁気抵抗効果素子４２とを有して、乱数発生装置を構成する。即ち、２つの磁気抵抗効果素子４１，４２は、それぞれの長軸が９０度の角度をなすように配置されている。

そして、これら２つの磁気抵抗効果素子４１，４２を使用して、図２に示した第１の実施の形態と同様の回路構成の乱数発生装置を構成することができる。
即ち、２つの磁気抵抗効果素子４１，４２に対して、図２に示した、ドライブトランジスタ２２，２３、読み出し用センスアンプ回路２４，２５、排他的論理和演算回路２６、書き込み／読み出し制御回路２７、リファレンス電圧発生回路２８を設ける。これにより、乱数発生装置を構成することができる。

本実施の形態においては、２つの磁気抵抗効果素子４１，４２の長軸が互いに９０度の角度をなし、素子４１，４２の方向が異なっているので、２つの磁気抵抗効果素子４１，４２のスピン注入電流の外部磁界に対する感度が異なる。
これにより、図２に示したように、排他的論理和演算回路２６で、外部磁界に対する感度が異なる２つの磁気抵抗効果素子４１，４２の出力の排他的論理和を取ることにより、外部磁界に対する、乱数精度や乱数生成効率の低下を抑制することができる。
即ち、本実施の形態の構成とすることにより、外部磁界の印加方向によらず、反転確率の変動の小さい方の素子からの出力を優先して乱数出力として使用することができる。これにより、一つの磁気抵抗効果素子のみを用いる場合に比べて、外部磁界に対する乱数精度の低下及び発生レートの低下を抑制し、真性乱数を安定して発生させることができる。

そして、排他的論理和演算回路を経ることにより、各磁気抵抗効果素子４１，４２からの出力の排他的論理和が取られて１つの乱数出力として出力されるので、外部の環境の変化に対する乱数生成効率の変動をさらに低減することができる。

＜５．第２の実施の形態の実験例＞
第２の実施の形態の実験例として、図４に示した磁気抵抗効果素子４１，４２を実際に作製して、特性を調べた。
各磁気抵抗効果素子４１，４２の膜構成は、第１の実施の形態の実験例の磁気抵抗効果素子と同様にした。２つの磁気抵抗効果素子４１，４２の寸法は、共に短軸８０ｎｍ、長軸１６０ｎｍとした。

作製した２つの磁気抵抗効果素子４１，４２について、外部からの磁界印加を行わない場合に反転確率が１／２となる電流量のスピン注入電流を流した。この状態で、外部からＸ軸方向の磁界を印加し、この磁界の大きさを変化させて、各磁気抵抗効果素子４１，４２の磁化自由層の磁化の向きの反転確率の変化を測定した。測定結果として、Ｘ軸方向の印加磁界の大きさと、各磁気抵抗効果素子４１，４２の磁化の向きの反転確率との関係を、図５に示す。

図５に示すように、長軸がＸ軸と垂直（長軸がＹ軸方向）な磁気抵抗効果素子４１では、印加した磁界の方向と磁気抵抗効果素子４１の長軸とが垂直な方向であり、反転確率は磁界強度に依存しない。
これに対して、長軸がＸ軸と平行な磁気抵抗効果素子４２では、印加した磁界の方向と磁気抵抗効果素子４２の長軸とが平行な方向であり、反転確率は磁界強度にほぼ比例して変動することがわかる。
このことから、外部磁界に対する感度が異なる２つの磁気抵抗効果素子４１，４２の出力の排他的論理和をとることにより、外部磁界に対する反転確率の変動の小さい方の磁気抵抗効果素子からの出力を優先して乱数出力として使用することができる。これにより、外部磁界に対する、乱数精度や乱数生成効率の低下を抑制することができる。

なお、実際の乱数発生装置の使用時には、この実験例のＸ軸方向の外部磁界に限らず、外部磁界がどの方向から印加されるかは不定である。
本実施の形態の構成とすれば、外部磁界がどの方向であっても、反転確率変動の小さい素子からの出力を優先して乱数出力として使用できるため、外部磁界に対する乱数精度の低下及び発生レートの低下を抑制し、真性乱数を安定して発生させることができる。

＜６．変形例＞
上述の各実施の形態では、特性の異なる２個の磁気抵抗効果素子を使用して、乱数発生装置を構成していた。
本発明では、互いに特性の異なる３個以上の磁気抵抗効果素子を使用して、乱数発生装置を構成してもよい。この場合には、全ての磁気抵抗効果素子の出力の排他的論理和を出力とすればよい。特性の異なる３個以上の磁気抵抗効果素子を使用した場合にも、外部環境の変動に対して、安定して乱数を生成できる乱数発生装置を構成することができる。

上述の各実施の形態では、磁気抵抗効果素子の平面形状を楕円形状としていたが、磁気抵抗効果素子の磁性層において磁気異方性が得られる形状であれば、楕円形状に限定されない。例えば、紡錘形状や、縦横の比が大きい長方形状、対角線の長さの比が大きい菱形状等、様々な平面形状が考えられる。

上述の各実施の形態では、乱数発生装置を構成する磁気抵抗効果素子として、磁化自由層１８と磁化固定層１３との間の中間層をトンネルバリア層１７とした、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を使用していた。
本発明では、中間層を非磁性導体層とした巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を使用して、乱数発生装置を構成することも可能である。
上述の各実施の形態のようにトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を使用した場合には、磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化が大きくなるので、磁気抵抗効果素子からの出力を大きくすることができる。

上述の第２の実施の形態では、２つの磁気抵抗効果素子４１，４２の長軸が互いに９０度をなす構成であったが、本発明では、長軸のなす角度が９０度以外（９０度未満）の場合も含むものである。長軸のなす角度が９０度に近い程、即ち、長軸のなす角度が大きい程、外部磁界に対する安定性が向上する。
なお、磁気抵抗効果素子を楕円形状以外の他の平面形状とする場合には、長軸方向のなす角度の代わりに、磁気抵抗効果素子の平面形状の長手方向のなす角度で考えればよい。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

１，２０，２１，４１，４２磁気抵抗効果素子、１１下地層、１２反強磁性層、１３磁化固定層、１４，１６強磁性層、１５非磁性層、１７トンネルバリア層、１８磁化自由層、１９キャップ層、２２，２３ドライブトランジスタ、２４，２５読み出し用センスアンプ回路、２６排他的論理和演算回路、２７書き込み／読み出し制御回路、２８リファレンス電圧発生回路

Claims

磁化の向きが反転可能な磁化自由層と、
非磁性材料からなる中間層と、
前記磁化自由層に対して、前記中間層を介して配置され、磁化の向きが固定された磁化固定層とを含み、スピン注入電流により前記磁化自由層の磁化の向きが反転される磁気抵抗効果素子を含み、
前記スピン注入電流に関する特性が互いに異なる、複数個の前記磁気抵抗効果素子を含む
乱数発生装置。
それぞれの前記磁気抵抗効果素子は、反転確率が１／２となる前記スピン注入電流の値が互いに異なる、請求項１に記載の乱数発生装置。
それぞれの前記磁気抵抗効果素子は、反転確率が１／２となる前記スピン注入電流の値の外部磁界依存性が互いに異なる、請求項１に記載の乱数発生装置。
それぞれの前記磁気抵抗効果素子は、反転確率が１／２となる前記スピン注入電流の値の温度依存性が互いに異なる、請求項１に記載の乱数発生装置。
各前記磁気抵抗効果素子の出力の排他的論理和を乱数出力とする、請求項１に記載の乱数発生装置。