JP6620915B1 - リザボア素子及びニューロモルフィック素子 - Google Patents

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Abstract

本発明の一態様にかかるリザボア素子は、第１方向に積層された第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを有し、互いに離間した複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の一部に面するスピン軌道トルク配線と、前記複数の磁気抵抗効果素子に面し、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち最近接の磁気抵抗効果素子の間を少なくとも繋ぎ、スピンを伝導するスピン伝導層と、を備え、それぞれの磁気抵抗効果素子を前記第１方向からの平面視した際に、前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層の一部と重なり、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層における前記第２強磁性層と重ならない第１部分に面し、前記スピン伝導層は、前記最近接の磁気抵抗効果素子における前記第１強磁性層に少なくとも面する。

Description

本発明は、リザボア素子及びニューロモルフィック素子に関する。
ニューロモルフィック素子は、ニューラルネットワークにより人間の脳を模倣した素子である。ニューロモルフィック素子は、人間の脳におけるニューロンとシナプスとの関係を人工的に模倣している。
階層型素子は、ニューロモルフィック素子の一つである。階層型素子は、階層状に配置されたチップ（脳におけるニューロン）と、これらの間を繋ぐ伝達手段（脳におけるシナプス）と、を有する。階層型素子は、伝達手段（シナプス）が学習することで、問題の正答率を高める。学習は将来使えそうな知識を情報から見つけることであり、ニューロモルフィック素子では入力されたデータに重み付けをする。階層型素子は、各階層で学習を行う。
しかしながら、各階層での学習は、チップ（ニューロン）の数が増加すると、回路設計の大きな負担となり、ニューロモルフィック素子の消費電力の増加の原因となる。リザボアコンピュータは、この負担を軽減する一つの方法として検討されている。
リザボアコンピュータは、ニューロモルフィック素子の一つである。リザボアコンピュータは、リザボア素子と出力部とを備える。リザボア素子は、互いに相互作用する複数のチップからなる。複数のチップは、入力された信号によって、互いに相互作用し、信号を出力する。複数のチップを繋ぐ伝達手段は、重みが固定され、学習しない。出力部は、リザボア素子からの信号を学習し、外部に出力する。リザボアコンピュータは、リザボア素子でデータを圧縮し、出力部でデータに重み付けをすることで、問題の正答率を高める。リザボアコンピュータにおける学習は出力部のみで行われる。リザボアコンピュータは、ニューロモルフィック素子の回路設計の簡素化及び消費電力の向上を可能にする手段の一つとして期待されている。
非特許文献１には、スピントルク発振（ＳＴＯ）素子をチップ（ニューロン）として用いたニューロモルフィック素子が記載されている。
Jacob Torrejon et al., Nature, Vol.547, pp.428-432 (2017).
しかしながら、ＳＴＯ素子をチップに用いたニューロモルフィック素子は、それぞれのＳＴＯ素子の共鳴周波数を揃える必要がある。ＳＴＯ素子の共鳴周波数は、製造誤差等によりばらつく場合があり、ＳＴＯ素子同士が十分相互作用しない場合がある。またＳＴＯ素子は、高周波電流を積層方向に印加することで発振する。絶縁層を有するＳＴＯ素子の積層方向に高周波電流を長時間印加することは、ＳＴＯ素子の故障の原因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、安定して動作するリザボア素子及びニューロモルフィック素子を提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかるリザボア素子は、第１方向に積層された第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを有し、互いに離間した複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の一部に面するスピン軌道トルク配線と、前記複数の磁気抵抗効果素子に面し、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち最近接の磁気抵抗効果素子の間を少なくとも繋ぎ、スピンを伝導するスピン伝導層と、を備え、それぞれの磁気抵抗効果素子を前記第１方向からの平面視した際に、前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層の一部と重なり、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層における前記第２強磁性層と重ならない第１部分に面し、前記スピン伝導層は、前記最近接の磁気抵抗効果素子における前記第１強磁性層に少なくとも面する。
（２）上記態様にかかるリザボア素子は、前記スピン伝導層に面し、前記複数の磁気抵抗効果素子の間に位置するゲート電極をさらに備えてもよい。
（３）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン軌道トルク配線を複数有し、それぞれのスピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層のそれぞれに接続されていてもよい。
（４）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン軌道トルク配線は、複数の前記第１強磁性層のうち２つ以上の第１強磁性層に接続されていてもよい。
（５）上記態様にかかるリザボア素子は、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記第１方向と交差する第１面において、１次元配列していてもよい。
（６）上記態様にかかるリザボア素子は、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記第１方向と交差する第１面において、２次元配列していてもよい。
（７）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層は格子をなし、それぞれの磁気抵抗効果素子は、前記スピン伝導層の格子の交点の位置に面していてもよい。
（８）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層を複数有し、第１スピン伝導層は、前記第１方向の第１の高さ位置にある磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に面し、第２スピン伝導層は、前記第１方向の第２の高さ位置にある磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に面し、前記第１スピン伝導層と前記第２スピン伝導層とは、スピンを伝導するスピンビア配線で互いに接続されていてもよい。
（９）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの金属又は合金を含んでもよい。
（１０）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの単体又は化合物を含んでもよい。
（１１）第２の態様にかかるニューロモルフィック素子は、上記態様にかかるリザボア素子と、前記リザボア素子に接続された入力部と、前記リザボア素子に接続され、前記リザボア素子からの信号を学習する出力部と、を備える。
本実施形態にかかるリザボア素子及びニューロモルフィック素子は、安定した動作が可能である。
第１実施形態にかかるニューロモルフィック素子の概念図である。 第１実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第１実施形態にかかるリザボア素子の動作を説明するための図である。 ２つの磁化の振動の位相が同期した場合の磁化の関係を示す図である。 ２つの磁化の振動の位相が半波長（π）ずれた場合の磁化の関係を示す図である。 第２実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第３実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第４実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第５実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第６実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第７実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第８実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
［第１実施形態］
（ニューロモルフィック素子）
図１は、第１実施形態にかかるニューロモルフィック素子の概念図である。ニューロモルフィック素子２００は、入力部１１０とリザボア素子１００と出力部１２０とを有する。入力部１１０及び出力部１２０は、リザボア素子１００に接続されている。
ニューロモルフィック素子２００は、入力部１１０から入力された信号を、リザボア素子１００で圧縮し、出力部１２０で圧縮された信号に重み付け（学習）を行い、外部に信号を出力する。
入力部１１０は、外部から入力された信号をリザボア素子１００に伝える。入力部１１０は、例えば、複数のセンサーを含む。複数のセンサーは、ニューロモルフィック素子２００の外部の情報を感知し、リザボア素子１００に情報を信号として入力する。信号は、外部の情報の変化を経時的に連続してリザボア素子１００に入力してもよいし、所定のタイムドメインで分割してリザボア素子１００に入力してもよい。
リザボア素子１００は、複数のチップＣｐを有する。複数のチップＣｐは、相互作用する。リザボア素子１００に入力される信号は、多数の情報をもつ。信号がもつ多数の情報は、複数のチップＣｐが相互作用することで、必要な情報に圧縮される。圧縮された信号は、出力部１２０に伝わる。リザボア素子１００は、学習をしない。すなわち、複数のチップＣｐはそれぞれ相互作用するだけであり、複数のチップＣｐの間を伝達する信号に重み付けは行わない。
出力部１２０は、リザボア素子１００のチップＣｐから信号を受け取る。出力部１２０は、学習する。出力部１２０は、各チップＣｐからの信号ごとに、学習により重み付けをする。出力部１２０は、例えば、不揮発性メモリを含む。不揮発性メモリは、例えば、磁気抵抗効果素子である。出力部１２０は、ニューロモルフィック素子２００の外部に信号を出力する。
ニューロモルフィック素子２００は、リザボア素子１００でデータを圧縮し、出力部１２０でデータに重み付けをすることで、問題の正答率を高める。
またニューロモルフィック素子２００は、消費電力に優れる。ニューロモルフィック素子２００において学習は、出力部１２０のみで行われる。学習は、各チップＣｐから伝わる信号の重みを調整することである。信号の重みは、信号の重要度に応じて決定される。信号の重みを随時調整すると、チップＣｐ間の回路がアクティブになる。アクティブな回路が多いほど、ニューロモルフィック素子２００の消費電力は大きくなる。ニューロモルフィック素子２００は、最終段階の出力部１２０のみ学習すればよく、消費電力に優れる。
図２は、第１実施形態にかかるリザボア素子１００の斜視図である。
まず方向について規定する。後述する磁気抵抗効果素子１０の各層が積層された方向をｚ方向、ｚ方向に直交する面のうち一の方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。ｚ方向は、第１方向の一例である。ｘｙ平面は、第１面の一例である。
（リザボア素子）
リザボア素子１００は、複数の磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線２０とスピン伝導層３０とを備える。図２に示す磁気抵抗効果素子１０は、図１におけるチップＣｐに対応する。図２に示すスピン伝導層３０は、図１におけるチップＣｐ間を繋ぐ伝達手段に対応する。
「磁気抵抗効果素子」
リザボア素子１００は、複数の磁気抵抗効果素子１０を有する。例えば、リザボア素子１００は、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとを有する。以下、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとを区別しない場合は、単に磁気抵抗効果素子１０という場合がある。
第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとは、互いに離間している。隣接する磁気抵抗効果素子１０は、例えば、層間絶縁膜で絶縁されている。第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとは、ｘ方向に１次元に配列する。本明細書において「１次元に配列する」とは、それぞれの磁気抵抗効果素子１０が１方向に並ぶことを言い、それぞれの磁気抵抗効果素子１０を繋ぐ線が１方向（例えば、ｘ方向）に揃うことを意味する。
磁気抵抗効果素子１０のそれぞれは、第１強磁性層１１と非磁性層１３と第２強磁性層１２とを有する。第１磁気抵抗効果素子１０Ａは、例えば、第１強磁性層１１Ａと非磁性層１３Ａと第２強磁性層１２Ａとを有する。第２磁気抵抗効果素子１０Ｂは、例えば、第１強磁性層１１Ｂと非磁性層１３Ｂと第２強磁性層１２Ｂとを有する。以下、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂを区別しない場合は第１強磁性層１１とし、第２強磁性層１２Ａ、１２Ｂを区別しない場合は第２強磁性層１２とし、非磁性層１３Ａ、１３Ｂを区別しない場合は非磁性層１３とする。
磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層１３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、非磁性層１３が金属、あるいは半導体からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
磁気抵抗効果素子１０は、スピン伝導層３０に近い位置から第１強磁性層１１、非磁性層１３、第２強磁性層１２の順に積層されている。
第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は、強磁性体を含む。第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金を含む。第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）である。
第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は磁化を有する。磁化は、ｚ方向に配向した垂直配向でも、ｘｙ面内方向に配向した面内配向でもよい。第１強磁性層１１の磁化は、スピン軌道トルク配線２０から供給されるスピンにより振動する。
第２強磁性層１２の磁化は、第１強磁性層１１の磁化に対して相対的に固定されている。第２強磁性層１２の磁化は、例えば、第２強磁性層１２の保磁力を第１強磁性層１１の保磁力より大きくすることで、第１強磁性層１１の磁化に対して相対的に固定される。
非磁性層１３は、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。非磁性層１３が絶縁体からなる場合、非磁性層１３はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間にコヒーレントトンネルを実現しやすい。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
第１強磁性層１１の面積は、ｚ方向からの平面視で、第２強磁性層１２の面積より大きい。第２強磁性層１２は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１１の一部と重なる。第２強磁性層１２は、ｚ方向からの平面視で、後述するスピン軌道トルク配線２０と重ならない部分において、第１強磁性層１１と重なる。
非磁性層１３の面積は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１１の面積と略同一でも、第１強磁性層１１の面積より小さくてもよい。非磁性層１３の面積が第１強磁性層１１と略同一の場合、後述するスピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１１との間に、非磁性層１３の一部が位置する。後述するスピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１１との間におけるスピンの移動を阻害しないためには、非磁性層１３の面積は第２強磁性層１２の面積と略同一であることが好ましい。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１１、第２強磁性層１２及び非磁性層１３以外の層を有してもよい。例えば、第２強磁性層１２の非磁性層１３と反対側には、信号を出力部１２０へ出力するための配線（図示略）が接続されている。
「スピン軌道トルク配線」
リザボア素子１００は、スピン軌道トルク配線２０を有する。リザボア素子１００は、例えば、第１スピン軌道トルク配線２１と第２スピン軌道トルク配線２２とを有する（図２参照）。以下、第１スピン軌道トルク配線２１と第２スピン軌道トルク配線２２とを区別しない場合は、単にスピン軌道トルク配線２０という場合がある。
スピン軌道トルク配線２０は、複数の磁気抵抗効果素子１０のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子１０の一部に面する。例えば、スピン軌道トルク配線２０は、ｚ方向からの平面視で、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１１における第２強磁性層１２と重ならない第１部分１１ａに面する。本明細書において「面する」とは、２つの部材が互いに接する場合に限られず、２つの部材の間に異なる層が存在する場合を含む。
第１スピン軌道トルク配線２１は第１強磁性層１１Ａに接続され、第２スピン軌道トルク配線２２は第１強磁性層１１Ｂに接続されている。本明細書において「接続される」とは、スピンが伝導可能な状態で接続されていることを意味する。例えば、第１強磁性層１１とスピン軌道トルク配線２０との間に層を有していても、第１強磁性層１１とスピン軌道トルク配線２０との間でスピンの授受が可能であればよい。
スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１１の積層方向（ｚ方向）に対して交差する方向に延びる。例えば、第１スピン軌道トルク配線２１及び第２スピン軌道トルク配線２２は、ｙ方向に延びる。
スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れるとスピンホール効果によってスピン流を生み出す。スピンホール効果は、電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの流れ方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。
スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流Ｉが流れる。一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、−ｘ方向に配向した第１スピンが−ｚ方向に曲げられ、＋ｘ方向に配向した第２スピンが＋ｚ方向に曲げられる。
通常のホール効果とスピンホール効果とは、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。
非磁性体は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。−ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と＋ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。第１スピンの電子の流れをＪ↑、第２スピンの電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。
スピン軌道トルク配線２０は第１強磁性層１１の第１部分１１ａに面する。スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１１に注入される。注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を、第１強磁性層１１の磁化に与える。第１強磁性層１１の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）により振動する。第１強磁性層１１Ａの磁化は、第１スピン軌道トルク配線２１から注入されたスピンによるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて振動する。第１強磁性層１１Ｂの磁化は、第２スピン軌道トルク配線２２から注入されたスピンによるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて振動する。
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。
スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。非磁性の重金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属は、スピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
またスピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１−ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
「スピン伝導層」
スピン伝導層３０は、最近接する２つの第１強磁性層１１に少なくとも面する。スピン伝導層３０は、例えば、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとの間を繋ぐ。より具体的には、スピン伝導層３０は、例えば、２つの第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの間を繋ぐ。第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとは、ｘ方向に１次元に配列しており、これらの間を繋ぐスピン伝導層３０はｘ方向に延びる。
スピン伝導層３０は、非磁性の導電体からなる。スピン伝導層３０は、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂから染みだしたスピン流を伝播する。
スピン伝導層３０は、例えば、スピン拡散長及びスピン輸送長の長い材料により構成される。スピン拡散長は、スピン伝導層３０に注入されたスピンが拡散し、注入されたスピンの情報が半減するまでの距離である。スピン輸送長は、非磁性体内を流れるスピン偏極電流のスピン流が半減するまでの距離である。スピン伝導層３０への印加電圧が小さいとスピン拡散長とスピン輸送長とは、ほぼ一致する。一方で、スピン伝導層３０への印加電圧が大きくなると、ドリフト効果によりスピン輸送長はスピン拡散長より長くなる。
スピン伝導層３０は、最近接の２つの第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの間を少なくとも繋ぐ。隣接する２つの第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの距離は、好ましくはスピン伝導層３０を構成する材料のスピン輸送長以下であり、より好ましくはスピン拡散長以下である。
スピン伝導層３０は、例えば、金属又は半導体である。スピン伝導層２に用いられる金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である。スピン伝導層３０に用いられる半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの元素の単体又は合金である。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ化合物、ＧａＡｓ、グラフェン等が挙げられる。
（リザボア素子の製造方法）
次いで、ニューロモルフィック素子２００におけるリザボア素子１００の製造方法の一例について説明する。リザボア素子１００は、スパッタリング等の成膜方法とフォトリソグラフィ等の加工方法を組み合わせて作製できる。
まず基板（図示略）を準備する。基板は、例えば、半導体基板である。基板Ｓｂは、例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣが好ましい。Ｓｉ、ＡｌＴｉＣは、平坦性に優れた表面を得やすい。
次いで、基板の一面にスピン伝導層３０及び第１強磁性層１１を積層する。スピン伝導層３０及び第１強磁性層１１は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて積層する。
次いで、第１強磁性層１１の表面の所定の位置にハードマスクを形成する。そしてハードマスクで被覆されていない部分を、ＲＩＥ又はイオンミリングで除去する。加工方向を変えることで、スピン伝導層３０と第１強磁性層１１とが所定の形状に加工される。次いで、スピン伝導層３０及び第１強磁性層１１の周囲を層間絶縁膜で被覆する。
次いで、第１強磁性層１１及び層間絶縁膜の表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化する。平坦化した第１強磁性層１１及び層間絶縁膜の上に、非磁性層１３及び第２強磁性層１２を順に積層する。積層した非磁性層１３及び第２強磁性層１２は、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１１と重なる位置の一部を残して除去される。
次いで、スピン軌道トルク配線２０を積層する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて積層する。スピン軌道トルク配線２０をフォトリソグラフィ等で所定の形状に加工する。スピン軌道トルク配線２０は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１１の第１部分１１ａに形成される。このような手順で第１実施形態にかかるリザボア素子１００が得られる。
（リザボア素子の動作）
次いで、リザボア素子１００の機能について説明する。入力部１１０を構成するセンサーは、スピン軌道トルク配線２０のいずれかと接続されている。センサーが外部の信号を受けると、対応するスピン軌道トルク配線２０に電流Ｉが流れる。
図３は、リザボア素子１００の動作を説明するための図である。スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉが流れると、スピンホール効果により第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２がｚ方向に移動する。例えば、第１スピンＳ１は−ｚ方向に移動し、第２スピンＳ２は＋ｚ方向に移動する。第１強磁性層１１とスピン軌道トルク配線２０との界面に蓄積された第１スピンＳ１は、第１強磁性層１１に注入され、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂにスピン軌道トルクを加える。
第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが移動する方向（＋ｚ方向又は−z方向）は、スピン軌道トルク配線２０に流れる電流Ｉの向きによって変化する。スピン軌道トルク配線２０に高周波電流を印加すると、第１強磁性層１１に注入されるスピンの向きが変化し、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂは振動する。また、スピン軌道トルク配線２０に流す電流を調整することにより、磁化Ｍ１１、Ｍ１２は振動させることができる。
スピン流は、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂからスピン伝導層３０に至る。磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂは振動しているため、スピン流も磁化Ｍ１１、Ｍ１２に対応した振動を示す。第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂとスピン伝導層３０との界面に蓄積されたスピンは、スピン流としてスピン伝導層３０内を伝播する。
第１強磁性層１１Ａの磁化Ｍ１１Ａが生み出すスピン流と、第１強磁性層１１Ｂの磁化Ｍ１１Ｂが生み出すスピン流とは、スピン伝導層３０内の合流領域３１で干渉する。合流領域３１は、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの間、かつ、スピン伝導層３０内に位置する。スピン流の干渉は、磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動に影響を及ぼし、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動同士が共振する。磁化Ｍ１１Ａの振動の周波数と磁化Ｍ１１Ｂの振動の周波数とは、共振により一致する。磁化Ｍ１１Ａの振動の位相と磁化Ｍ１１Ｂの振動の位相とは、同期する又は半波長（π）ずれる。
スピン軌道トルク配線２０への電流Ｉの印加が止まると、磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動は止まる。図４及び図５は、共振後の磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの関係を示す。図４は、２つの磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動の位相が同期した場合の磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの関係である。２つの磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動の位相が同期すると、磁化Ｍ１１Ａの向きと磁化Ｍ１１Ｂの向きとが揃う（以下、「平行」という）。これに対し、図５は、２つの磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動の位相が半波長（π）ずれた場合の磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの関係である。２つの振動の位相が半波長（π）ずれると、磁化Ｍ１１Ａの向きと磁化Ｍ１１Ｂの向きとは逆向きになる（以下、「反平行」という）。
次いで、リザボア素子１００から出力部１２０に信号を出力する。信号は、それぞれの磁気抵抗効果素子１０の抵抗値として出力される。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、ｚ方向の抵抗値であり、スピン軌道トルク配線２０、第１強磁性層１１、非磁性層１３、第２強磁性層１２の順で直流電流を流した際の抵抗値である。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、非磁性層１３を挟む２つの強磁性層（第１強磁性層１１と第２強磁性層１２）の磁化の配向方向により変化する。
例えば、第１強磁性層１１Ａの磁化Ｍ１１Ａと第２強磁性層１２Ａの磁化Ｍ１２Ａとが平行な場合は、磁化Ｍ１１Ａと磁化Ｍ１２Ａとが反平行な場合より、第１磁気抵抗効果素子１０Ａの抵抗値は小さくなる。第１磁気抵抗効果素子１０Ａは、例えば、第１磁気抵抗効果素子１０Ａの抵抗値が大きい場合（磁化Ｍ１１Ａと磁化Ｍ１２Ａとが反平行な場合）に“１”、小さい場合（磁化Ｍ１１Ａと磁化Ｍ１２Ａとが平行な場合）に“０”の情報を出力部１２０に伝える。第２磁気抵抗効果素子１０Ｂも同様に、例えば、磁化Ｍ１１Ｂと磁化Ｍ１２Ｂとが反平行な場合に“１”、磁化Ｍ１１Ｂと磁化Ｍ１２Ｂとが平行な場合に“０”の情報を出力部１２０に伝える。
スピン軌道トルク配線２０に入力される電流Ｉは、様々な情報を有する。例えば、電流Ｉの周波数、電流密度、電流量等である。一方で、リザボア素子１００は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値として、“１”、 “０”の情報を出力する。すなわち、第１実施形態にかかるリザボア素子１００は、複数の第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動が、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮する。
圧縮された信号は、出力部１２０に伝わる。出力部１２０は、学習によりリザボア素子１００から読み出される信号に重み付けをする。
上述のように、第１実施形態にかかるリザボア素子１００は、複数の第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動が、スピン流に変換されて、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮する。リザボア素子１００で信号が圧縮されると、出力部１２０のみが学習すればよくなり、ニューロモルフィック素子２００の消費電力が低減する。
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１の斜視図である。リザボア素子１０１は、ゲート電極４０を有する点が、図２に示すリザボア素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、ｚ方向からの平面視で、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとの間に位置する。
ゲート電極４０は、公知の電極材料を含む。スピン伝導層３０が金属又は合金からなる場合は、ゲート電極４０とスピン伝導層３０との間に、絶縁層を有することが好ましい。
ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に電圧を印加する。ゲート電極４０に電圧を印加すると、スピン伝導層３０内におけるスピンの伝導しやすさが変化する。そのため、第１強磁性層１１Ａの磁化Ｍ１１Ａが生み出すスピン流と、第１強磁性層１１Ｂの磁化Ｍ１１Ｂが生み出すスピン流との干渉条件（例えばスピン流が干渉する位置（合流領域３１の位置）等）が変化する。スピン流同士の干渉条件が変化すると、磁化Ｍ１１Ａの振動の位相と磁化Ｍ１１Ｂの振動の位相とが、同期する確率と半波長（π）ずれる確率とが変動する。すなわち、ゲート電極４０は、リザボア素子１００内での情報の圧縮条件を変えることができる。
上述のように、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１は、複数の第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂの振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またゲート電極４０により情報の圧縮条件を変動させることができる。
［第３実施形態］
図７は、第３実施形態にかかるリザボア素子１０２の斜視図である。リザボア素子１０２は、磁気抵抗効果素子１０及びスピン軌道トルク配線２０の数が、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
リザボア素子１０２は、複数の磁気抵抗効果素子１０と、複数のスピン軌道トルク配線２０と、スピン伝導層３０と、複数のゲート電極４０と、を有する。
複数の磁気抵抗効果素子１０は、例えば、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂと第３磁気抵抗効果素子１０Ｃとである。第１磁気抵抗効果素子１０Ａ、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂ及び第３磁気抵抗効果素子１０Ｃは、ｘ方向に１次元に配列する。
複数のスピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１スピン軌道トルク配線２１と第２スピン軌道トルク配線２２と第３スピン軌道トルク配線２３とを含む。複数のスピン軌道トルク配線２０はそれぞれ、複数の磁気抵抗効果素子１０のそれぞれに設けられている。すなわち、第１スピン軌道トルク配線２１は第１強磁性層１１Ａに面し、第２スピン軌道トルク配線２２は第１強磁性層１１Ｂに面し、第３スピン軌道トルク配線２３は第１強磁性層１１Ｃに面する。
スピン伝導層３０は、ｘ方向に延びる。スピン伝導層３０は、複数の第１強磁性層１１に面する。スピン伝導層３０は、それぞれの第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの間を繋ぐ。
ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂの間、及び、第１強磁性層１１Ｂ、１１Ｃの間に、位置する。
第１強磁性層１１Ａの磁化の振動と第１強磁性層１１Ｂの磁化の振動とは、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。第１強磁性層１１Ｂの磁化の振動と第１強磁性層１１Ｃの磁化の振動とは、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。また第１強磁性層１１Ａと第１強磁性層１１Ｃとの距離が近い場合は、第１強磁性層１１Ａの磁化の振動と第１強磁性層１１Ｃの磁化の振動とは、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。
例えば、第１強磁性層１１Ａの磁化の振動の位相と、第１強磁性層１１Ｂの磁化の振動の位相とが同期し、第１強磁性層１１Ｂの磁化の振動の位相と、第１強磁性層１１Ｃの磁化の振動の位相とが半波長（π）ずれたとする。それぞれのスピン軌道トルク配線２０への電流Ｉの印加が止まると、第１強磁性層１１Ａの磁化と第１強磁性層１１Ｂの磁化とは平行となり、第１強磁性層１１Ｂの磁化と第１強磁性層１１Ｃの磁化とは反平行となる。また第１強磁性層１１Ａの磁化と第１強磁性層１１Ｃの磁化とは反平行となる。
それぞれの第１強磁性層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの磁化の配向方向は、第１磁気抵抗効果素子１０Ａ、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂ及び第３磁気抵抗効果素子１０Ｃの抵抗値として出力される。例えば、第１磁気抵抗効果素子１０Ａから“０”、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂから“０”、第３磁気抵抗効果素子１０Ｃから“１”の信号が出力される。
上述のように、第３実施形態にかかるリザボア素子１０２は、複数の第１強磁性層１１の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。また第１強磁性層１１の数が多くなることで、それぞれの第１強磁性層１１からの信号の干渉が複雑化する。したがって、第３実施形態にかかるリザボア素子１０２は、より複雑な情報の処理が可能になる。またそれぞれの第１強磁性層１１からの信号の干渉は、それぞれの磁気抵抗効果素子１０で読み出すことができる。
なお、図７に示すリザボア素子１０２は、磁気抵抗効果素子１０が３つの例を図示したが、磁気抵抗効果素子１０がｘ方向に４以上配列していてもよい。
［第４実施形態］
図８は、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３の斜視図である。リザボア素子１０３は、磁気抵抗効果素子１０の数及び配置、スピン軌道トルク配線２０の数、スピン伝導層３０の形状、及び、ゲート電極４０の数が、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
リザボア素子１０３は、複数の磁気抵抗効果素子１０と、複数のスピン軌道トルク配線２０と、スピン伝導層３０と、複数のゲート電極４０と、を有する。
複数の磁気抵抗効果素子１０は、ｚ方向と直交するｘｙ平面において、２次元に配列している。本明細書において「２次元に配列する」とは、複数の磁気抵抗効果素子１０が同一面上に存在し、任意の２つの磁気抵抗効果素子を結ぶ直線と交差する線上に、別の磁気抵抗効果素子が存在することを意味する。例えば、複数の磁気抵抗効果素子１０が、ｚ方向からの平面視で、正方格子状に配列する場合、または、六方格子状に配列する場合は、複数の磁気抵抗効果素子１０が「２次元に配列する」と言える。
複数のスピン軌道トルク配線２０はそれぞれ、複数の磁気抵抗効果素子１０のそれぞれに設けられている。
スピン伝導層３０は、ｘ方向に延びる部分とｙ方向に延びる部分とを有し、格子をなしている。複数の磁気抵抗効果素子１０は、例えば、スピン伝導層３０の格子の交点の位置に配設される。スピン伝導層３０は、複数の第１強磁性層１１のうち最近接の２つの第１強磁性層１１の間を少なくとも繋ぐ。
ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、ｚ方向からの平面視で、隣接する磁気抵抗効果素子１０の間に、位置する。
隣接する第１強磁性層１１の磁化の振動は、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。
上述のように、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３は、複数の第１強磁性層１１の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。また第１強磁性層１１の数が多くなることで、それぞれの第１強磁性層１１からの信号の干渉が複雑化する。したがって、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３は、より複雑な情報の処理が可能になる。またそれぞれの第１強磁性層１１からの信号の干渉は、それぞれの磁気抵抗効果素子１０で読み出すことができる。
なお、図８に示すリザボア素子１０３は、磁気抵抗効果素子１０が２行３列で配置している例を図示したが、配列はこの場合に限られない。
［第５実施形態］
図９は、第５実施形態にかかるリザボア素子１０４の斜視図である。リザボア素子１０４は、スピン伝導層３０の形状、及び、ゲート電極４０の形が、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
スピン伝導層３０は、ｘｙ方向に延びる平面である。スピン伝導層３０は、複数の第１強磁性層１１のそれぞれを繋ぐ。
ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１０の周囲を囲む円環状である。
上述のように、第５実施形態にかかるリザボア素子１０４は、複数の第１強磁性層１１の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またスピン伝導層３０が平面であることで、隣接する第１強磁性層１１以外の第１強磁性層１１同士の干渉が容易になる。
なお、図９に示すリザボア素子１０４は、磁気抵抗効果素子１０が２行３列で配置している例を図示したが、配列はこの場合に限られない。
［第６実施形態］
図１０は、第６実施形態にかかるリザボア素子１０５の斜視図である。リザボア素子１０５は、スピン軌道トルク配線２０が複数の第１強磁性層１１に接続されている点が、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
スピン軌道トルク配線２０は、複数の第１強磁性層１１のうち２つ以上の第１強磁性層１１に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１１にスピンを注入し、第１強磁性層１１の磁化にスピン軌道トルクを加える。同じスピン軌道トルク配線２０に接続された第１強磁性層１１には、同じスピン軌道トルクが加えられる。したがって、同じスピン軌道トルク配線２０に接続された第１強磁性層１１同士は共振しやすい。
上述のように、第６実施形態にかかるリザボア素子１０５は、複数の第１強磁性層１１の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またスピン軌道トルク配線２０が複数の第１強磁性層１１に接続されていることで、同じスピン軌道トルク配線２０に接続された第１強磁性層１１同士が干渉しやすくなる。
［第７実施形態］
図１１は、第７実施形態にかかるリザボア素子１０６の斜視図である。リザボア素子１０６は、スピン軌道トルク配線２０が複数の第１強磁性層１１に接続されている点が、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延びる部分とｙ方向に延びる部分とを有し、格子をなしている。スピン軌道トルク配線２０内を流れる電流の方向と第１強磁性層１１の積層方向（ｚ方向）とが交差すると、第１強磁性層１１にスピンが注入される。スピン軌道トルク配線２０が格子をなすことで、スピン軌道トルク配線２０内を流れる電流の方向と、第１強磁性層１１の積層方向とが交差する。
スピン軌道トルク配線２０は、複数の第１強磁性層１１の全てに接続されている。全ての第１強磁性層１１は、同じスピン軌道トルクが加えられる。したがって、それぞれの第１強磁性層１１の振動の周波数が一致し、それぞれの第１強磁性層１１が共振しやすくなる。
上述のように、第７実施形態にかかるリザボア素子１０６は、複数の第１強磁性層１１の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またスピン軌道トルク配線２０が複数の第１強磁性層１１に接続されていることで、同じスピン軌道トルク配線２０に接続された第１強磁性層１１同士が干渉しやすくなる。
［第８実施形態］
図１２は、第８実施形態にかかるリザボア素子１０７の斜視図である。リザボア素子１０７は、スピン軌道トルク配線２０、磁気抵抗効果素子１０、スピン伝導層３０及びゲート電極が３次元的に配列している点が、第７実施形態にかかるリザボア素子１０６と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。
リザボア素子１０７は、複数の磁気抵抗効果素子１０と、複数のスピン軌道トルク配線２０と、複数のスピン伝導層３０と、複数のゲート電極４０と、複数のビア配線５１と、複数のスピンビア配線５２と、を有する。
複数の磁気抵抗効果素子１０は、第１の高さ位置にある複数の磁気抵抗効果素子１５と、第２の高さ位置にある複数の磁気抵抗効果素子１６と、を有する。高さ位置は、ｚ方向の位置を示す。複数の磁気抵抗効果素子１５は、同一の高さのｘｙ平面上にある。複数の磁気抵抗効果素子１６は、同一の高さのｘｙ平面上にある。
複数のスピン伝導層３０は、第１スピン伝導層３５と第２スピン伝導層３６とを有する。第１スピン伝導層３５は、第１の高さ位置にある複数の磁気抵抗効果素子１５の第１強磁性層に面する。第２スピン伝導層３６は、第２の高さ位置にある複数の磁気抵抗効果素子１６の第１強磁性層に面する。第１スピン伝導層３５と第２スピン伝導層３６とは異なる高さ位置にある。
複数のスピン軌道トルク配線２０は、第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とを有する。第１スピン軌道トルク配線２５は、第１の高さ位置にある複数の磁気抵抗効果素子１５の第１強磁性層に面する。第２スピン軌道トルク配線２６は、第２の高さ位置にある複数の磁気抵抗効果素子１６の第１強磁性層に面する。第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とは異なる高さ位置にある。
複数のゲート電極４０は、第１ゲート電極４５と第２ゲート電極４６とを有する。第１ゲート電極４５は、第１スピン伝導層３５に面する。第２ゲート電極４６は、第２スピン伝導層３６に面する。第１ゲート電極４５は、例えば第１スピン伝導層３５の＋ｚ面に面し、第２ゲート電極４６は、例えば第２スピン伝導層３６の−ｚ面に面する。
複数のビア配線５１は、第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とを接続する。複数のビア配線５１により、第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とに同じ電流が流れる。ビア配線５１は、スピン軌道トルク配線と同様の材料が用いられる。
複数のスピンビア配線５２は、第１スピン伝導層３５と第２スピン伝導層３６とを接続する。スピンビア配線５２は、スピンを伝導する。スピンビア配線５２は、スピン伝導層と同様の材料が用いられる。スピンビア配線５２により異なる高さ位置にある磁気抵抗効果素子１５、１６の磁化の振動が互いに干渉する。
上述のように、第８実施形態にかかるリザボア素子１０７は、複数の強磁性層の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またリザボア素子１０７が３次元構造をなすことで、より磁気抵抗効果素子１０の集積性を高めることができる。
なお、図１２に示すリザボア素子１０７は、磁気抵抗効果素子１０が異なる高さ位置に２層となっている例を図示したが、磁気抵抗効果素子１０は２以上の異なる高さ位置に位置してもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例について詳述したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 磁気抵抗効果素子
１０Ａ 第１磁気抵抗効果素子
１０Ｂ 第２磁気抵抗効果素子
１０Ｃ 第３磁気抵抗効果素子
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 第１強磁性層
１２、１２Ａ、１２Ｂ 第２強磁性層
１３、１３Ａ、１３Ｂ 非磁性層
２０ スピン軌道トルク配線
２１、２５ 第１スピン軌道トルク配線
２２、２６ 第２スピン軌道トルク配線
２３ 第３スピン軌道トルク配線
３０ スピン伝導層
３１ 合流領域
３５ 第１スピン伝導層
３６ 第２スピン伝導層
４０ ゲート電極
４５ 第１ゲート電極
４６ 第２ゲート電極
５１ ビア配線
５２ スピンビア配線
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７ リザボア素子
１１０ 入力部
１２０ 出力部
２００ ニューロモルフィック素子
Ｃｐ チップ
Ｍ１１Ａ、Ｍ１１Ｂ、Ｍ１２Ａ、Ｍ１２Ｂ 磁化

Claims (12)

  1. 第１方向に積層された第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを有し、互いに離間した複数の磁気抵抗効果素子と、
    前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の一部に面するスピン軌道トルク配線と、
    前記複数の磁気抵抗効果素子に面し、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち最近接の磁気抵抗効果素子の間を少なくとも繋ぎ、スピンを伝導するスピン伝導層と、を備え、
    それぞれの磁気抵抗効果素子を前記第１方向からの平面視した際に、前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層の一部と重なり、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層における前記第２強磁性層と重ならない第１部分に面し、
    前記スピン伝導層は、前記最近接の磁気抵抗効果素子における前記第１強磁性層に少なくとも面し、
    前記スピン軌道トルク配線に高周波電流を印加した際に、前記最近接の磁気抵抗効果素子の第１強磁性層のそれぞれから前記スピン伝導層に至るスピン流は、前記スピン伝導層内で干渉する、リザボア素子。
  2. 前記スピン伝導層に面し、前記複数の磁気抵抗効果素子の間に位置するゲート電極をさらに備える、請求項１に記載のリザボア素子。
  3. 前記スピン軌道トルク配線を複数有し、
    それぞれのスピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層のそれぞれに接続されている、請求項１又は２に記載のリザボア素子。
  4. 前記スピン軌道トルク配線は、複数の前記第１強磁性層のうち２つ以上の第１強磁性層に接続されている、請求項１又は２に記載のリザボア素子。
  5. 前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記第１方向と交差する第１面において、１次元配列している、請求項１から４のいずれか一項に記載のリザボア素子。
  6. 前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記第１方向と交差する第１面において、２次元配列している、請求項１から４のいずれか一項に記載のリザボア素子。
  7. 前記スピン伝導層は格子をなし、
    それぞれの磁気抵抗効果素子は、前記スピン伝導層の格子の交点の位置に面している、請求項６に記載のリザボア素子。
  8. 前記スピン伝導層を複数有し、
    第１スピン伝導層は、前記第１方向の第１の高さ位置にある磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に面し、
    第２スピン伝導層は、前記第１方向の第２の高さ位置にある磁気抵抗効果素子の第１強磁性層に面し、
    前記第１スピン伝導層と前記第２スピン伝導層とは、スピンを伝導するスピンビア配線で互いに接続されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のリザボア素子。
  9. 前記スピン伝導層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの金属又は合金を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のリザボア素子。
  10. 前記スピン伝導層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの単体又は化合物を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のリザボア素子。
  11. 隣接する２つの前記第１強磁性層の距離は、前記スピン伝導層を構成する材料のスピン輸送長以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のリザボア素子。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のリザボア素子と、
    前記リザボア素子に接続された入力部と、
    前記リザボア素子に接続され、前記リザボア素子からの信号を学習する出力部と、を備える、ニューロモルフィック素子。
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