JP6954089B2 - Random number generator, random number generator, neuromorphic computer and quantum computer - Google Patents

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Description

本発明は、乱数発生器、乱数発生装置、ニューロモロフィックコンピュータ及び量子コンピュータに関する。 The present invention relates to a random number generator, a random number generator, a neuromorphic computer and a quantum computer.

乱数には、擬似乱数と自然乱数がある。擬似乱数は、予め定められたプログラムにより計算機を用いて得られる乱数である。擬似乱数は、プログラムに入力する初期値が同一の場合、同一の結果が出力されるという問題や、計算機のレジスタ数に基づき乱数が特定の周期性を有するという問題がある。これに対し、自然乱数は自然界で生じる確率的事象から得られる乱数であり、乱数がランダムであることについては疑いようがない。 Random numbers include pseudo-random numbers and natural random numbers. A pseudo-random number is a random number obtained by using a computer by a predetermined program. Pseudo-random numbers have a problem that the same result is output when the initial value input to the program is the same, and a problem that the random number has a specific periodicity based on the number of registers of the computer. On the other hand, natural random numbers are random numbers obtained from stochastic events that occur in nature, and there is no doubt that random numbers are random.

自然乱数を得る手段としては、トンネル接合における雑音(熱雑音とショットノイズの和)を利用したもの(特許文献1)、熱雑音を単一電子トランジスタ効果により増幅したもの(特許文献2)、熱雑音を負性抵抗素子により増幅しもの(特許文献3)、磁気抵抗効果素子における概場による磁化自由層の揺動を利用したもの(特許文献4)及び極薄膜SOI(silicon-on-insulator)トランジスタにおける電子の捕捉、放出を利用したもの(非特許文献1)等が知られている。 As means for obtaining natural random numbers, noise (sum of thermal noise and shot noise) in tunnel junction is used (Patent Document 1), thermal noise is amplified by a single electron transistor effect (Patent Document 2), and heat. Noise is amplified by a negative resistance element (Patent Document 3), a magnetic resistance effect element using swing of a free-conducting layer due to an approximate field (Patent Document 4), and an ultra-thin SOI (silicon-on-insulator). Those utilizing the capture and emission of electrons in a transistor (Non-Patent Document 1) and the like are known.

特開2003−108364号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-108364 特開2004−30071号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-30071 特開2005−18500号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-18500 特開2008−310403号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-310403

K.Uchida et al.,J.Appl.Phys,No.90,(2001),pp3551.K.Uchida et al., J.Appl.Phys, No.90, (2001), pp3551. I.M.Miron,K.Garello,G.Gaudin,P.-J.Zermatten,M.V.Costache,S.Auffret,S.Bandiera,B.Rodmacq,A.Schuhl,and P.Gambardella,Nature,476,189(2011).I.M.Miron, K.Garello, G.Gaudin, P.-J.Zermatten, M.V.Costache, S.Auffret, S.Bandiera, B.Rodmacq, A.Schuhl, and P.Gambardella, Nature, 476,189 (2011).

しかしながら、特許文献1〜3に記載の乱数発生器は、雑音を増幅するための増幅回路及び情報を二値化するための閾値回路が必要であり、乱数発生器が大型化してしまう。また非特許文献1に記載の乱数発生器は、乱数発生速度が100kbit/秒であり、乱数発生器がこの動作速度を満たして動作することが難しい。 However, the random number generators described in Patent Documents 1 to 3 require an amplifier circuit for amplifying noise and a threshold circuit for binarizing information, which increases the size of the random number generator. Further, the random number generator described in Non-Patent Document 1 has a random number generation speed of 100 kbit / sec, and it is difficult for the random number generator to satisfy this operating speed and operate.

また特許文献4に記載の乱数発生器は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク(STT)を利用し乱数を発生させている。しかしながらこの乱数発生器は、乱数を得るために印加する電流及び磁場のマージンが小さく、外的要因の影響を受けやすい。 Further, the random number generator described in Patent Document 4 generates a random number by utilizing a spin transfer torque (STT) generated by passing a current in the stacking direction of the magnetoresistive element. However, this random number generator has a small margin of the current and the magnetic field applied to obtain the random number, and is easily affected by external factors.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク(SOT)を用いて自然乱数を発生できる乱数発生器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a random number generator capable of generating natural random numbers by using spin orbit torque (SOT).

近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている(例えば、非特許文献2)。本発明者らは、鋭意検討の結果、このスピン軌道相互作用によって生じるスピン軌道トルク(SOT)を利用した新たな乱数発生器を生み出した。 In recent years, attention has been focused on magnetization reversal using a pure spin current generated by spin-orbit interaction as a means for reducing reversal current (for example, Non-Patent Document 2). As a result of diligent studies, the present inventors have created a new random number generator using the spin-orbit torque (SOT) generated by this spin-orbit interaction.

(1)第1の態様にかかる乱数発生器は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が交差している。 (1) The random number generator according to the first aspect extends in the first direction intersecting the lamination direction of the ferromagnetic metal layer and the ferromagnetic metal layer, and joins the ferromagnetic metal layer. The spin orbit torque wiring is provided, and the direction of the spin injected from the spin orbit torque wiring into the ferromagnetic metal layer intersects with the direction in which the ferromagnetic metal layer is easily magnetized.

(2)上記態様にかかる乱数発生器は、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が45°以上90°以下傾いていてもよい。 (2) In the random number generator according to the above aspect, the direction of the spin injected into the ferromagnetic metal layer from the spin orbit torque wiring and the direction in which the ferromagnetic metal layer is easily magnetized are 45 ° or more and 90 ° or less. It may be tilted.

(3)上記態様にかかる乱数発生器は、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が直交していてもよい。 (3) In the random number generator according to the above aspect, the direction of the spin injected into the ferromagnetic metal layer from the spin orbit torque wiring and the direction in which the ferromagnetic metal layer is easily magnetized may be orthogonal to each other. ..

(4)上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層が、前記スピン軌道トルク配線に複数接合していてもよい。 (4) In the random number generator according to the above aspect, a plurality of the ferromagnetic metal layers may be joined to the spin-orbit torque wiring.

(5)上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、第2強磁性金属層とを順に備えてもよい。 (5) The random number generator according to the above embodiment may include a non-magnetic layer and a second ferromagnetic metal layer in this order on a surface of the ferromagnetic metal layer opposite to the spin-orbit torque wiring.

(6)上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層に磁場を印加する外部磁場印加手段をさらに有してもよい。 (6) The random number generator according to the above aspect may further have an external magnetic field applying means for applying a magnetic field to the ferromagnetic metal layer.

(7)上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層及び前記スピン軌道トルク配線を挟む、或いは囲む磁気シールドをさらに有してもよい。 (7) The random number generator according to the above aspect may further have a magnetic shield that sandwiches or surrounds the ferromagnetic metal layer and the spin-orbit torque wiring.

(8)第2の態様にかかる乱数発生装置は、上記態様にかかる乱数発生器と、前記乱数発生器の前記スピン軌道トルク配線に電流を流す電流印加手段と、を有する。 (8) The random number generator according to the second aspect includes a random number generator according to the above aspect and a current applying means for passing a current through the spin track torque wiring of the random number generator.

(9)第3の態様にかかるニューロモロフィックコンピュータは、上記態様にかかる乱数発生器を備える。 (9) The neuromorphic computer according to the third aspect includes a random number generator according to the above aspect.

(10)第4の態様にかかる量子コンピュータは、上記態様にかかる乱数発生器を備える。 (10) The quantum computer according to the fourth aspect includes a random number generator according to the above aspect.

上記態様にかかる乱数発生器は、スピン軌道トルク(SOT)を用いて自然乱数を発生できる。 The random number generator according to the above aspect can generate a natural random number by using spin-orbit torque (SOT).

第1実施形態に係る乱数発生器を模式的に示した斜視図である。It is a perspective view which shows typically the random number generator which concerns on 1st Embodiment. スピンホール効果について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the spin Hall effect. 第1実施形態にかかる乱数発生器の一例の断面図である。It is sectional drawing of an example of the random number generator which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる乱数発生器の一例の断面図である。It is sectional drawing of an example of the random number generator which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る乱数発生器100のスピン軌道トルク配線20に電流を印加した状態を模式的に示した斜視図である。It is a perspective view which shows typically the state which applied the electric current to the spin-orbit torque wiring 20 of the random number generator 100 which concerns on 1st Embodiment. STTを用いた乱数発生器の動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation of the random number generator using STT. 磁化の配向状態の違いを抵抗値変化として読み出すことができる乱数発生器の斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram of a random number generator which can read out the difference of the orientation state of magnetization as a resistance value change. 第2実施形態にかかる乱数発生器を模式的に示した斜視図である。It is a perspective view which shows typically the random number generator which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態にかかる乱数発生器を模式的に示した斜視図である。It is a perspective view which shows typically the random number generator which concerns on 3rd Embodiment. 磁気シールドが設けられた乱数発生器を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which shows typically the random number generator provided with the magnetic shield. 磁気シールドが設けられた乱数発生器の別の例を模式的に示した断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another example of a random number generator provided with a magnetic shield. 第4実施形態にかかる乱数発生器を模式的に示した斜視図である。It is a perspective view which shows typically the random number generator which concerns on 4th Embodiment.

以下、本発明の実施形態について、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、本発明の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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. be. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.

「第1実施形態」
(乱数発生装置、乱数発生器)
図1は、第1実施形態に係る乱数発生器を模式的に示した斜視図である。第1実施形態にかかる乱数発生器100は、強磁性金属層10と、スピン軌道トルク配線20とを有する。乱数発生器100は、スピン軌道トルク配線20に電流を印加する電流印加手段(図視略)に接続することで、乱数発生装置として機能する。
"First embodiment"
(Random number generator, random number generator)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a random number generator according to the first embodiment. The random number generator 100 according to the first embodiment has a ferromagnetic metal layer 10 and a spin-orbit torque wiring 20. The random number generator 100 functions as a random number generator by connecting to a current application means (not shown) that applies a current to the spin orbit torque wiring 20.

以下の実施形態において、強磁性金属層10の積層方向をz方向、スピン軌道トルク配線20が延在する第1の方向をx方向、z方向及びx方向のいずれにも直交する第2の方向をy方向とする。 In the following embodiments, the stacking direction of the ferromagnetic metal layer 10 is the z direction, and the first direction in which the spin-orbit torque wiring 20 extends is the x direction, the z direction, and the second direction orthogonal to the x direction. Is the y direction.

<強磁性金属層>
強磁性金属層10は、磁化容易方向と磁化困難方向とを有する。磁化容易方向は、強磁性金属層10の磁化M10が最も配向しやすい方向であり、磁化困難方向はその他の方向である。強磁性金属層10は、磁化容易方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。強磁性金属層10の面積を小さくし、乱数発生器100のサイズを微細化するためには、垂直磁化膜であることが好ましい。
<ferromagnetic metal layer>
The ferromagnetic metal layer 10 has an easy magnetization direction and a difficult magnetization direction. The easy magnetization direction is the direction in which the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 is most likely to be oriented, and the difficult magnetization direction is the other direction. The ferromagnetic metal layer 10 may be either an in-plane magnetization film in which the easy magnetization direction is parallel to the layer, or a vertical magnetization film in which the magnetization direction is perpendicular to the layer. In order to reduce the area of the ferromagnetic metal layer 10 and reduce the size of the random number generator 100, a perpendicular magnetization film is preferable.

強磁性金属層10の磁化M10は、外力が印加されていない状態では、磁化容易方向に向いている。図1は、外力が印加されていない状態で磁化M10が強磁性金属層10の積層面に対して垂直な方向(z方向)に配向している。すなわち、図1に示す強磁性金属層10は、磁化容易方向がz方向である垂直磁化膜である。以下、この例を基に説明する。 Magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 is in the state in which external force is not applied, it faces the easy magnetization direction. In FIG. 1, the magnetization M 10 is oriented in a direction (z direction) perpendicular to the laminated surface of the ferromagnetic metal layer 10 in a state where no external force is applied. That is, the ferromagnetic metal layer 10 shown in FIG. 1 is a perpendicular magnetization film in which the easy magnetization direction is the z direction. Hereinafter, a description will be given based on this example.

強磁性金属層10には、公知の材料を用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co−FeやCo−Fe−Bが挙げられる。またホイスラー合金等を用いてもよい。 A known material can be used for the ferromagnetic metal layer 10. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni and an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Further, alloys containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N can also be used. Specific examples thereof include Co-Fe and Co-Fe-B. Further, a Whistler alloy or the like may be used.

<スピン軌道トルク配線>
スピン軌道トルク配線20は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線20は、強磁性金属層10のz方向の一面に接続されている。
<Spin-orbit torque wiring>
The spin-orbit torque wiring 20 extends in the x direction. The spin-orbit torque wiring 20 is connected to one surface of the ferromagnetic metal layer 10 in the z direction.

スピン軌道トルク配線20は、スピン軌道相互作用に由来するスピンを強磁性金属層10へ供給する。スピン軌道相互作用に由来するスピンは、スピン軌道トルク配線20に電流が流れることによって生じるスピンホール効果及び異種元素界面間での界面ラシュバ効果によって発生する。 The spin-orbit torque wiring 20 supplies the spin derived from the spin-orbit interaction to the ferromagnetic metal layer 10. The spin derived from the spin-orbit interaction is generated by the spin Hall effect caused by the current flowing through the spin-orbit torque wiring 20 and the interface Rashba effect between dissimilar element interfaces.

まずスピンホール効果について説明する。スピンホール効果は、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きと直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。図2は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図2は、図1に示す乱数発生器100をx方向に沿って切断した断面図に対応する。図2に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。 First, the spin Hall effect will be described. The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed through the material. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. FIG. 2 corresponds to a cross-sectional view of the random number generator 100 shown in FIG. 1 cut along the x direction. The mechanism by which a pure spin current is generated by the spin Hall effect will be described with reference to FIG.

図2に示すように、スピン軌道トルク配線20の延在方向に電流Iを流すと、紙面奥側に配向した第1スピンS1と紙面手前側に配向した第2スピンS2はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。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が、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いのに電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。 As shown in FIG. 2, when a current I is passed in the extending direction of the spin-orbit torque wiring 20, the first spin S1 oriented toward the back side of the paper surface and the second spin S2 oriented toward the front side of the paper surface are orthogonal to the current, respectively. Can be bent in the direction. The normal Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electrons) can bend the moving (moving) direction, but in the normal Hall effect, the charged particles moving in the magnetic field exert the Lorentz force. In contrast to the spin Hall effect, which receives and bends the direction of motion, the spin Hall effect is significantly different in that the direction of movement is bent only by the movement of electrons (only the flow of electric current) even though there is no magnetic field.

非磁性体(強磁性体ではない材料)では第1スピンS1の電子数と第2スピンS2の電子数とが等しい。そのため、図中で上方向に向かう第1スピンS1の電子数と下方向に向かう第2スピンS2の電子数は等しい。第1スピンS1の電子の流れをJ、第2スピンS2の電子の流れをJ、スピン流をJと表すと、J=J−Jで定義される。Jは分極率が100%の電子の流れである。すなわち、スピン軌道トルク配線20内において、電荷の正味の流れとしての電流はゼロであり、この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。 In a non-magnetic material (a material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons in the first spin S1 and the number of electrons in the second spin S2 are equal. Therefore, the number of electrons in the first spin S1 going upward and the number of electrons in the second spin S2 going downward in the figure are equal. Expressing the electron flow of the first spin S1 as J , the electron flow of the second spin S2 as J , and the spin flow as J S , it is defined as J S = J −J ↓. JS is a flow of electrons with a polarizability of 100%. That is, in the spin-orbit torque wiring 20, the current as the net flow of electric charges is zero, and the spin current without this current is particularly called a pure spin current.

純スピン流が生じているスピン軌道トルク配線20に強磁性金属層10を接合すると、図2において上方向に向かう第1スピンS1が強磁性金属層10に拡散して流れ込む。 When the ferromagnetic metal layer 10 is joined to the spin-orbit torque wiring 20 in which the pure spin current is generated, the first spin S1 upward in FIG. 2 diffuses into the ferromagnetic metal layer 10 and flows into the ferromagnetic metal layer 10.

次いで、界面ラシュバ効果について説明する。界面ラシュバ効果は、異種元素間の界面の影響を受けて、スピンが所定の方向に配向しやすくなり、所定の方向に配向したスピンが界面近傍に蓄積する現象をいう。 Next, the interfacial Rashba effect will be described. The interface Rashba effect is a phenomenon in which spins are easily oriented in a predetermined direction due to the influence of the interface between different elements, and spins oriented in a predetermined direction are accumulated in the vicinity of the interface.

例えば、図2において強磁性金属層10とスピン軌道トルク配線20の界面は異種元素間の界面に対応する。そのため、スピン軌道トルク配線20の強磁性金属層10側の面には所定の方向に配向したスピンが蓄積する。蓄積したスピンは、エネルギー的な安定を得るために、強磁性金属層10側に拡散し流れ込む。 For example, in FIG. 2, the interface between the ferromagnetic metal layer 10 and the spin-orbit torque wiring 20 corresponds to the interface between dissimilar elements. Therefore, spins oriented in a predetermined direction are accumulated on the surface of the spin-orbit torque wiring 20 on the ferromagnetic metal layer 10 side. The accumulated spin diffuses and flows into the ferromagnetic metal layer 10 side in order to obtain energetically stable.

スピン軌道トルク配線20は、スピンが生成される材料で構成される部分(スピン生成部)と、スピンが生成されない材料で構成される部分とを有してもよい。 The spin orbital torque wiring 20 may have a portion made of a material in which spins are generated (spin generation unit) and a portion made of a material in which spins are not generated.

図3は、第1実施形態にかかる乱数発生器の一例の断面図である。図3に示すスピン軌道トルク配線20は、スピン軌道トルク配線20の延在方向(x方向)に、スピン生成部20Aと低抵抗部20Bとを有する。 FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of the random number generator according to the first embodiment. The spin-orbit torque wiring 20 shown in FIG. 3 has a spin generation unit 20A and a low resistance unit 20B in the extending direction (x direction) of the spin-orbit torque wiring 20.

スピン生成部20Aは、強磁性金属層10に注入するスピンを生み出す必要があり、材料が限定される。そのため、スピン生成部20Aは配線抵抗が高くなることが多い。低抵抗部20Bを設けることで、スピン軌道トルク配線20全体の抵抗を下げることができる。低抵抗部20Bには導電性の高いAl、Cu、Ag等を用いることができる。 The spin generator 20A needs to generate spins to be injected into the ferromagnetic metal layer 10, and the material is limited. Therefore, the spin generation unit 20A often has a high wiring resistance. By providing the low resistance portion 20B, the resistance of the entire spin-orbit torque wiring 20 can be reduced. Highly conductive Al, Cu, Ag or the like can be used for the low resistance portion 20B.

一方で図4は、第1実施形態にかかる乱数発生器の別の例の断面図である。図4に示すように、スピン軌道トルク配線20の積層方向(z方向)に、スピン生成部20Aとスピン伝導部20Cとを有する。 On the other hand, FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of the random number generator according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, it has a spin generation unit 20A and a spin conduction unit 20C in the stacking direction (z direction) of the spin track torque wiring 20.

スピン生成部20Aとスピン伝導部20Cとが積層構造を形成することで、異種元素の界面が増える。その結果、界面ラシュバ効果を利用した強磁性金属層10へのスピン注入を、より効率的に行うことができる。ここでスピン伝導部20Cは、蓄積したスピンを強磁性金属層10へ伝えるために、スピン拡散長の長い材料を用いることが好ましい。例えば、Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge等を用いることができる。 By forming a laminated structure between the spin generating portion 20A and the spin conducting portion 20C, the interface between different elements increases. As a result, spin injection into the ferromagnetic metal layer 10 utilizing the interfacial Rashba effect can be performed more efficiently. Here, it is preferable that the spin conduction portion 20C uses a material having a long spin diffusion length in order to transfer the accumulated spin to the ferromagnetic metal layer 10. For example, Al, Si, Cu, Ag, GaAs, Ge and the like can be used.

図3及び図4のいずれの構成においてもスピン生成部20Aは、強磁性金属層10へ注入するためのスピンを生成する材料により構成される。スピン軌道トルク配線20を構成する材料は、単体の元素からなる材料に限らない。 In any of the configurations of FIGS. 3 and 4, the spin generation unit 20A is composed of a material that generates spins for injection into the ferromagnetic metal layer 10. The material constituting the spin-orbit torque wiring 20 is not limited to a material made of a single element.

スピン生成部20Aは、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン生成部20Aは、非磁性の重金属だけからなってもよい。 The spin generator 20A may contain a non-magnetic heavy metal. Here, the heavy metal is used to mean a metal having a specific density equal to or higher than that of yttrium. The spin generator 20A may be made of only a non-magnetic heavy metal.

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。スピン生成部20A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だけからなってもよい。 The non-magnetic heavy metal is preferably a non-magnetic metal having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having an atomic number of 39 or more and a large atomic number. Non-magnetic heavy metals have a large spin-orbit interaction that causes the Spin Hall effect. The spin generator 20A may be composed of only a non-magnetic metal having an atomic number of 39 or more and having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having a large atomic number.

通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、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いためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流Jが発生しやすい。 Normally, when an electric current is passed through a metal, all electrons move in the opposite direction to the electric current regardless of the spin direction, whereas a non-magnetic metal having a d electron or f electron in the outermost shell and having a large atomic number has a large atomic number. Since the spin-orbit interaction is large, the direction of electron movement depends on the direction of the electron spin due to the spin Hall effect, and a pure spin current JS is likely to occur.

またスピン生成部20Aは、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン生成部20Aのスピン流生成効率を高くできるからである。スピン生成部20Aは、反強磁性金属だけからなってもよい。 Further, the spin generator 20A may contain a magnetic metal. The magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. This is because when the non-magnetic metal contains a small amount of magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced and the spin flow generation efficiency of the spin generation unit 20A can be increased. The spin generator 20A may be made of only an antiferromagnetic metal.

スピン軌道相互作用は、スピン生成部20Aを構成する物質の固有の内場によって生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純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作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線におけるスピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は3%以下であることが好ましい。 The spin-orbit interaction is caused by the inherent internal field of the material constituting the spin generator 20A. When a small amount of magnetic metal is added to the spin-orbit torque wiring material, the spin current generation efficiency is improved because the electron spins flowing through the magnetic metal itself are scattered. However, if the amount of the magnetic metal added is too large, the generated pure spin current is scattered by the added magnetic metal, and as a result, the effect of reducing the spin current becomes stronger. Therefore, it is preferable that the molar ratio of the added magnetic metal is sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the spin generating portion in the spin-orbit torque wiring. As a guide, the molar ratio of the added magnetic metal is preferably 3% or less.

またスピン生成部20Aは、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン生成部20Aは、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、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。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで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。これがトポロジカル絶縁体であり、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することができる。 Further, the spin generator 20A may include a topological insulator. The spin generator 20A may be composed of only the topological insulator. A topological insulator is a substance in which the inside of a substance is an insulator or a high resistor, but a metal state in which spin polarization occurs on the surface thereof. Matter has something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction. Therefore, a new topological phase is expressed by the effect of spin-orbit interaction even in the absence of an external magnetic field. This is a topological insulator, and pure spin current can be generated with high efficiency due to strong spin-orbit interaction and breaking of inversion symmetry at the edge.

トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe,BiTe,(Bi1−xSbTeなどが好ましい。これらの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。 As the topological insulator, for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 and the like are preferable. These topological insulators can generate spin currents with high efficiency.

乱数発生器100は、強磁性金属層10とスピン軌道トルク配線20以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Si、AlTiC等を用いることができる。 The random number generator 100 may have components other than the ferromagnetic metal layer 10 and the spin-orbit torque wiring 20. For example, a substrate or the like may be provided as a support. The substrate preferably has excellent flatness, and for example, Si, AlTiC, or the like can be used as the material.

<乱数発生装置の動作>
電流印加手段によりスピン軌道トルク配線20に電流を流すと、界面ラシュバ効果に伴うスピン蓄積及び純スピン流が生じる。発生したスピンは、強磁性金属層10に拡散して流れ込む。つまり、スピン軌道トルク配線20で発生したスピンS20は、強磁性金属層10に注入される。
<Operation of random number generator>
When a current is passed through the spin-orbit torque wiring 20 by the current application means, spin accumulation and pure spin current are generated due to the interfacial Rashba effect. The generated spin diffuses into the ferromagnetic metal layer 10 and flows into it. That is, the spin S 20 generated in the spin orbital torque wiring 20 is injected into the ferromagnetic metal layer 10.

図5は、本実施形態に係る乱数発生器100のスピン軌道トルク配線20に電流を印加した状態を模式的に示した斜視図である。スピン軌道トルク配線20から注入されるスピンS20の向きは、電流印加手段と接続されるスピン軌道トルク配線20の両端子方向(x方向)と直交する。 FIG. 5 is a perspective view schematically showing a state in which a current is applied to the spin track torque wiring 20 of the random number generator 100 according to the present embodiment. The direction of the spin S 20 injected from the spin track torque wiring 20 is orthogonal to both terminal directions (x direction) of the spin track torque wiring 20 connected to the current applying means.

図1に示すように、注入されるスピンS20の向きは、強磁性金属層10の磁化M10の向き(磁化容易方向)に対して直交している。そのため、強磁性金属層10の磁化M10は、注入されるスピンS20の影響を受ける。z方向に配向した磁化M10は、あたかもy方向に外部磁場が加えられたようなy方向のトルクを受ける。 As shown in FIG. 1, the direction of the injected spin S 20 is orthogonal to the direction of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 (direction in which magnetization is easy). Therefore, the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 is affected by the injected spins S 20. The magnetized M 10 oriented in the z direction receives torque in the y direction as if an external magnetic field was applied in the y direction.

トルクが加わるベクトル方向は、磁化容易方向(図1におけるz方向)に対して直交している。このトルクを受けて、初期状態として磁化容易方向(図1におけるz方向)に配向していた磁化M10は、磁化困難方向(図5における−y方向)に配向する。スピン軌道トルク配線20に電流を印加し続ける限り、この状態は維持される。 The vector direction in which the torque is applied is orthogonal to the easy magnetization direction (z direction in FIG. 1). In response to this torque, the magnetization M 10 which has been oriented easy magnetization direction (z direction in FIG. 1) as an initial state, oriented in the magnetization hard axis (-y direction in FIG. 5). This state is maintained as long as the current is continuously applied to the spin-orbit torque wiring 20.

スピン軌道トルク配線20に印加する電流は以下の関係式(1)を満たすことが好ましい。 The current applied to the spin-orbit torque wiring 20 preferably satisfies the following relational expression (1).

Figure 0006954089
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ここで、Mは強磁性金属層10の飽和磁化(emu/cm)、tは強磁性金属層10の膜厚(cm)、θSHはスピン軌道トルク配線20の有効スピンホール角度、HK,effは強磁性金属層10の有効異方性磁界(Oe)、Hはスピン軌道トルク配線20の電流印加方向にかかる外部磁界(Oe)である。 Here, M S is the saturation magnetization of the ferromagnetic metal layer 10 (emu / cm 3), t F is the thickness of the ferromagnetic metal layer 10 (cm), θ SH is effective spin Hall angle of the spin orbit torque wires 20, HK and eff are the effective anisotropic magnetic field (Oe) of the ferromagnetic metal layer 10, and H x is the external magnetic field (Oe) applied in the current application direction of the spin orbit torque wiring 20.

スピン軌道トルク配線20に上記関係式(1)を満たす電流を印加すれば、十分な量のスピンS20を強磁性金属層10に供給することができ、磁化M10が磁化困難方向(図5における−y方向)に向いた状態を安定的に維持できる。 By applying a current satisfying the above relational expression (1) to the spin orbit torque wiring 20, a sufficient amount of spin S 20 can be supplied to the ferromagnetic metal layer 10, and the magnetization M 10 is in the direction in which magnetization is difficult (FIG. 5). The state facing the −y direction) can be stably maintained.

磁化M10が注入されるスピンS20により受けるトルクのベクトル方向は、−y方向である。そのため、印加電流量が多くなりトルクの大きさが大きくなっても、磁化M10が−z方向に反転してしまうことはない。なお、SOTを利用した磁化反転素子等は、磁化困難方向まで磁化が回転した状態に更なる外力(外部磁場等)を与えることで、その外力をきっかけとした磁化反転を生み出しているが、乱数発生器においては更なる外力は印加しないため、磁化M10は磁化困難方向を向いた状態が保持される。 The vector direction of the torque received by the spin S 20 into which the magnetization M 10 is injected is the −y direction. Therefore, even if the amount of applied current increases and the magnitude of torque increases, the magnetization M 10 does not reverse in the −z direction. It should be noted that a magnetization reversing element or the like using SOT produces a magnetization reversal triggered by the external force by applying a further external force (external magnetic field, etc.) to the state where the magnetization is rotated in the direction in which the magnetization is difficult. Since no further external force is applied to the generator, the magnetization M 10 is maintained in a state in which the magnetization is difficult to magnetize.

一方で従来のSTTを用いた乱数発生器は、電流印加時の磁化の向きの調整が難しい。図6は、STTを用いた乱数発生器の動作を説明するための模式図である。図6に示すSTTを用いた乱数発生器30は、順に積層された自由層31と、非磁性層32と、固定層33と、これらを挟む二つの配線34とを有する。 On the other hand, in the conventional random number generator using STT, it is difficult to adjust the direction of magnetization when a current is applied. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the operation of the random number generator using STT. The random number generator 30 using the STT shown in FIG. 6 has a free layer 31 stacked in this order, a non-magnetic layer 32, a fixed layer 33, and two wirings 34 sandwiching them.

図6に示す乱数発生器では、二つの配線34間に電流を流すと、固定層33から自由層31へスピンが注入される。固定層33から注入されるスピンは、固定層33の磁化M33と同じ+z方向を有する。そのため、自由層31の磁化M31は+z方向の力を受ける。STTを利用した乱数発生器101では、+z方向に係る力を調整し、電流印加時の磁化M31の配向方向がx方向又はy方向(磁化困難方向)となるように調整する。 In the random number generator shown in FIG. 6, when a current is passed between the two wirings 34, spin is injected from the fixed layer 33 to the free layer 31. The spin injected from the fixed layer 33 has the same + z direction as the magnetization M 33 of the fixed layer 33. Therefore, the magnetization M 31 of the free layer 31 receives a force in the + z direction. In the random number generator 101 using STT, the force related to the + z direction is adjusted so that the orientation direction of the magnetization M 31 when a current is applied is the x direction or the y direction (magnetization difficult direction).

このようにSTTを用いた乱数発生器30では、電流印加時に磁化M31を向けたい方向(x方向又はy方向)と、磁化M31に加わる力の方向(+z方向)とが一致していない。そのため、電流印加時に磁化M31の向きを磁化困難方向に保つためには、印加電流量の微妙な調整が必要となる。また熱等の外的要因が加わる場合は、その度に印加電流量の調整が必要になる。 In this way, in the random number generator 30 using STT, the direction in which the magnetization M 31 is desired to be directed (x direction or y direction) when a current is applied does not match the direction of the force applied to the magnetization M 31 (+ z direction). .. Therefore, in order to keep the direction of the magnetization M 31 in the direction in which the magnetization is difficult when the current is applied, it is necessary to finely adjust the amount of the applied current. Further, when an external factor such as heat is added, it is necessary to adjust the amount of applied current each time.

これに対し本実施形態にかかるSOTを利用した乱数発生器100は、図5に示すように、電流印加時に磁化M10を向けたい方向(−y方向)と、磁化M10に加わる力の方向(−y方向)とが一致している。そのため、閾値を超える電流量を印加すればよく、微妙な調整が不要となる。 On the other hand, in the random number generator 100 using SOT according to the present embodiment, as shown in FIG. 5, the direction in which the magnetization M 10 is desired to be directed (−y direction) when a current is applied and the direction of the force applied to the magnetization M 10 (-Y direction) matches. Therefore, it is sufficient to apply a current amount exceeding the threshold value, and delicate adjustment is not required.

次いで、乱数を発生させるために、乱数発生器100のスピン軌道トルク配線20に印加していた電流を止める。スピン軌道トルク配線20に印加していた電流を止めると、強磁性金属層10に注入されていたスピンS20が注入されなくなる。すなわち、強磁性金属層10の磁化M10を−y方向に向けていた力を失う。 Next, in order to generate a random number, the current applied to the spin-orbit torque wiring 20 of the random number generator 100 is stopped. When the current applied to the spin-orbit torque wiring 20 is stopped, the spin S 20 injected into the ferromagnetic metal layer 10 is no longer injected. That lose force the magnetization M 10 was toward the -y direction of the ferromagnetic metal layer 10.

磁化M10は、磁化容易方向(z方向)に配向することがエネルギー的に安定である。そのため、−y方向に配向する力を失った磁化M10は、磁化容易方向(z方向)に戻ろうとする。この際、磁化M10は、+z方向又は−z方向のいずれかに向く。−y方向に対して+z方向と−z方向はいずれも等価であり、磁化M10が+z方向に向く確率、及び、−z方向に向く確率はいずれも50%となる。そのため、例えば+z方向に向いた場合を「1」、−z方向に向いた場合を「0」とすると、「1」と「0」が出る確率が50%である乱数が得られる。 It is energetically stable that the magnetization M 10 is oriented in the easy magnetization direction (z direction). Therefore, the magnetized M 10 that has lost the force oriented in the −y direction tends to return to the easily magnetized direction (z direction). At this time, the magnetization M 10 is oriented in either the + z direction or the −z direction. The + z direction and the −z direction are both equivalent to the −y direction , and the probability that the magnetization M 10 is oriented in the + z direction and the probability that it is oriented in the −z direction are both 50%. Therefore, for example, if the case of facing the + z direction is "1" and the case of facing the −z direction is "0", a random number having a 50% probability of producing "1" and "0" can be obtained.

スピン軌道トルク配線20に印加する電流を(1)式で示す閾値電流以上に上げた場合に、バックホッピング現象が生じ、磁化M10が磁化困難方向からずれる場合がある。しかしながら、この場合でも「1」と「0」が出る確率が50%である乱数を得ることができることは変わらない。スピン軌道トルク配線20に印加していた電流を止めると、磁化M10は、バックホッピング現象によりずれた方向に対応した磁化容易方向(+z方向、−z方向)へ戻る。磁化M10方向のずれは、ランダムに生じることから、戻った磁化容易方向(+z方向、−z方向)もランダムになり、やはり、「1」と「0」が出る確率が50%である乱数が得られる。 When the current applied to the spin-orbit torque wiring 20 is increased above the threshold current shown in Eq. (1), a back hopping phenomenon may occur and the magnetization M 10 may deviate from the direction in which the magnetization is difficult. However, even in this case, it is still possible to obtain a random number having a probability of producing "1" and "0" with a probability of 50%. When the current applied to the spin orbit torque wiring 20 is stopped, the magnetization M 10 returns to the easy magnetization direction (+ z direction, −z direction) corresponding to the direction deviated by the back hopping phenomenon. Since the deviation in the magnetization M 10 direction occurs randomly, the returned magnetization easy direction (+ z direction, −z direction) also becomes random, and the probability that “1” and “0” appear is also a random number with a 50% probability. Is obtained.

磁化M10が+z方向と−z方向のいずれの方向に配向しているかの情報は、種々の手段で取り出すことができる。例えば、磁化の配向状態の違いを抵抗値変化として読み出すことができる。図7は、磁化の配向状態の違いを抵抗値変化として読み出すことができる乱数発生器101の斜視模式図である。 Information on which direction the magnetization M 10 is oriented in the + z direction or the −z direction can be obtained by various means. For example, the difference in the orientation state of magnetization can be read out as a change in resistance value. FIG. 7 is a schematic perspective view of a random number generator 101 capable of reading out the difference in the orientation state of magnetization as a change in resistance value.

図7に示す乱数発生器101は、強磁性金属層10のスピン軌道トルク配線20と反対側に、非磁性層50と、第2強磁性金属層60と、配線層70とを順に備える。 The random number generator 101 shown in FIG. 7 includes a non-magnetic layer 50, a second ferromagnetic metal layer 60, and a wiring layer 70 in this order on the side opposite to the spin-orbit torque wiring 20 of the ferromagnetic metal layer 10.

乱数発生器101は、スピン軌道トルク配線20と配線層70間の抵抗値を測定することで、強磁性金属層10の磁化状態を読み出す。抵抗値は、第2強磁性金属層60の磁化M60の向き(−z方向)に対して強磁性金属層10の磁化M10の向きが平行(−z方向)の場合は低くなり、反平行(+z方向)の場合は高くなる。 The random number generator 101 reads out the magnetization state of the ferromagnetic metal layer 10 by measuring the resistance value between the spin-orbit torque wiring 20 and the wiring layer 70. The resistance value becomes low when the direction of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 is parallel to the direction of the magnetization M 60 of the second ferromagnetic metal layer 60 (-z direction), and is opposite. In the case of parallel (+ z direction), it becomes high.

非磁性層50には、公知の材料を用いることができる。非磁性層50が絶縁体の場合は、強磁性金属層10と非磁性層50と第2強磁性金属層60とでTMR素子を構成する。非磁性層50が金属の場合は、強磁性金属層10と非磁性層50と第2強磁性金属層60とでGMR素子を構成する。磁化M10の配向方向の違いをより明確に得るためには、大きな磁気抵抗変化が得られるTMR素子であることが好ましい。 A known material can be used for the non-magnetic layer 50. When the non-magnetic layer 50 is an insulator, the TMR element is composed of the ferromagnetic metal layer 10, the non-magnetic layer 50, and the second ferromagnetic metal layer 60. When the non-magnetic layer 50 is a metal, the ferromagnetic metal layer 10, the non-magnetic layer 50, and the second ferromagnetic metal layer 60 form a GMR element. To obtain the difference in the orientation direction of the magnetization M 10 more clearly is preferably a TMR element large magnetic resistance change is obtained.

例えば、非磁性層50が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al、SiO、MgO、及び、MgAl等を用いることができる。またこれらの他にも、Al,Si,Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層50が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
For example, when the non-magnetic layer 50 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), Al 2 O 3 , SiO 2 , Mg O , Mg Al 2 O 4, and the like can be used as the material thereof. In addition to these, a material in which a part of Al, Si, and Mg is replaced with Zn, Be, or the like can also be used. Among these, MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, so that spin can be efficiently injected.
When the non-magnetic layer 50 is made of metal, Cu, Au, Ag or the like can be used as the material.

非磁性層50が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、トンネルバリア層の膜厚は2nm以上であることが好ましい。トンネルバリア層の膜厚が2nm以上であると、磁気抵抗変化量が大きくなる。そのため、強磁性金属層10の磁化M10の配向状態を確認するためにスピン軌道トルク配線20と配線層70間に印加する電流量を小さくでき、乱数発生器101の発熱が抑えられる。その結果、安定性の高い乱数発生器が得られる。 When the non-magnetic layer 50 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), the film thickness of the tunnel barrier layer is preferably 2 nm or more. When the film thickness of the tunnel barrier layer is 2 nm or more, the amount of change in magnetic resistance becomes large. Therefore, the amount of current applied between the spin orbit torque wiring 20 and the wiring layer 70 in order to confirm the orientation state of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 can be reduced, and the heat generation of the random number generator 101 can be suppressed. As a result, a highly stable random number generator can be obtained.

第2強磁性金属層60は、強磁性金属層10より磁気異方性が相対的に強く、磁化方向が1方向に固定された固定層である。 The second ferromagnetic metal layer 60 is a fixed layer in which the magnetic anisotropy is relatively stronger than that of the ferromagnetic metal layer 10 and the magnetization direction is fixed in one direction.

第2強磁性金属層60の材料としては、公知のものを用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co−FeやCo−Fe−Bが挙げられる。またホイスラー合金等を用いてもよい。 As the material of the second ferromagnetic metal layer 60, a known material can be used. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni and an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Further, alloys containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N can also be used. Specific examples thereof include Co-Fe and Co-Fe-B. Further, a Whistler alloy or the like may be used.

第2強磁性金属層60の保磁力をより大きくするために、第2強磁性金属層60の非磁性層50と反対側の面にIrMn,PtMnなどの反強磁性材料を接触させてもよい。さらに、第2強磁性金属層60の漏れ磁場を強磁性金属層10に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。 In order to increase the coercive force of the second ferromagnetic metal layer 60, an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be brought into contact with the surface of the second ferromagnetic metal layer 60 opposite to the non-magnetic layer 50. .. Further, in order to prevent the leakage magnetic field of the second ferromagnetic metal layer 60 from affecting the ferromagnetic metal layer 10, a synthetic ferromagnetic coupling structure may be used.

配線層70は、導電性を有するものであれば特に問わない。例えば、銅、アルミ等を用いることができる。 The wiring layer 70 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, copper, aluminum and the like can be used.

「第2実施形態」
図8は、第2実施形態にかかる乱数発生器102を模式的に示した斜視図である。図8に示す乱数発生器102は、強磁性金属層11の磁化M11の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線20から強磁性金属層11に注入されるスピンS20の向きとが、直交しておらず交差している点が、第1実施形態にかかる乱数発生器100と異なる。図8では、強磁性金属層11の磁化M11は、xy平面のx軸及びy軸から45°傾いた方向に、磁化容易軸を有する。
"Second embodiment"
FIG. 8 is a perspective view schematically showing the random number generator 102 according to the second embodiment. In the random number generator 102 shown in FIG. 8, the easy magnetization direction of the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11 and the direction of the spin S 20 injected into the ferromagnetic metal layer 11 from the spin orbit torque wiring 20 are orthogonal to each other. It is different from the random number generator 100 according to the first embodiment in that it does not intersect and intersects. In Figure 8, the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11, the direction inclined by 45 ° from the x-axis and y-axis of the xy plane, having an easy axis of magnetization.

第1実施形態にかかる乱数発生器100は、スピン軌道トルク配線20から強磁性金属層10に注入されるスピンS20の向きと強磁性金属層10の磁化容易方向とが直交し、「1」と「0」が出る確率が50%で等価であった。 In the random number generator 100 according to the first embodiment, the direction of the spin S 20 injected into the ferromagnetic metal layer 10 from the spin-orbit torque wiring 20 and the easy magnetization direction of the ferromagnetic metal layer 10 are orthogonal to each other, and "1". And the probability that "0" appears was 50%, which was equivalent.

しかしながら乱数発生器は、自然界で生じる確率的事象から乱数を生み出すものであれば、「1」と「0」の発生確率が必ずしも50%である必要はない。例えば、「1」の発生確率が70%、「0」の発生確率が30%であっても、1回1回の事象が確率的に生じるものであれば、自然乱数である。 However, if the random number generator generates random numbers from stochastic events that occur in nature, the probability of occurrence of "1" and "0" does not necessarily have to be 50%. For example, even if the probability of occurrence of "1" is 70% and the probability of occurrence of "0" is 30%, if each event occurs stochastically, it is a natural random number.

第2実施形態にかかる乱数発生器102は、強磁性金属層の磁化の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線から強磁性金属層に注入されるスピンの向きとのなす角を調整し、「1」と「0」の発生確率を変動させている。 The random number generator 102 according to the second embodiment adjusts the angle formed by the easy magnetization direction of the magnetization of the ferromagnetic metal layer and the direction of the spin injected into the ferromagnetic metal layer from the spin-orbit torque wiring, and "1. "And" 0 "occurrence probability is fluctuating.

強磁性金属層11の磁化容易方向は、強磁性金属層11を構成する材料種、強磁性金属層11の形状等によって制御することができる。例えば、強磁性金属層11に形状異方性を与えると、強磁性金属層11の長軸方向が磁化容易方向となる。 The easy magnetization direction of the ferromagnetic metal layer 11 can be controlled by the material type constituting the ferromagnetic metal layer 11, the shape of the ferromagnetic metal layer 11, and the like. For example, when the ferromagnetic metal layer 11 is given shape anisotropy, the long axis direction of the ferromagnetic metal layer 11 becomes the easy magnetization direction.

図8に示す乱数発生器102もスピン軌道トルク配線20に電流を印加している場合は、スピン軌道トルク配線20から供給されるスピンS20の影響を受けて、−y方向に配向する。スピン軌道トルク配線20に印加する電流を止めると、強磁性金属層11の磁化M11を−y方向に向けていた力が失われ、強磁性金属層11の磁化M11は磁化容易方向に戻る。 When the random number generator 102 shown in FIG. 8 also applies a current to the spin orbit torque wiring 20, it is influenced by the spin S 20 supplied from the spin orbit torque wiring 20 and is oriented in the −y direction. When stopping the current applied to the spin-orbit torque wires 20, the force was toward the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11 in the -y direction is lost, the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11 returns to the easy magnetization direction ..

強磁性金属層11の磁化容易方向は、+x軸から+y方向に45°傾いた第1の方向と、−x軸から−y方向に45°傾いた第2の方向の2つの方向である。スピン軌道トルク配線20に電流を供給している際の磁化M11の磁化M11が−y方向であるため、第1の方向に向く場合、磁化M11は135°回転する必要がある。これに対し、第2の方向に向く場合は、磁化は45°回転するだけで良い。すなわち、磁化M11は、第1の方向に向くより第2の方向に向きやすい。 The direction in which the ferromagnetic metal layer 11 is easily magnetized is two directions, a first direction inclined by 45 ° in the + y direction from the + x axis and a second direction inclined by 45 ° in the −y direction from the −x axis. Since the magnetization M 11 of the magnetization M 11 when the current is supplied to the spin orbit torque wiring 20 is in the −y direction, the magnetization M 11 needs to rotate 135 ° when facing the first direction. On the other hand, when facing the second direction, the magnetization only needs to be rotated by 45 °. That is, the magnetization M 11 is more likely to be oriented in the second direction than in the first direction.

しかしながら、磁化M11の挙動はあくまで確率的な挙動である。そのため、磁化M11は第2の方向に向きやすいからと言って、必ず第2の方向に向くわけではなく、第1の方向に向く場合もある。この場合、第1の方向に向く確率をA、第2の方向に向く確率をBとすると、A<Bとなる。 However, the behavior of the magnetization M 11 is only a stochastic behavior. Therefore, just because the magnetization M 11 tends to be oriented in the second direction, it does not necessarily be oriented in the second direction, and may be oriented in the first direction. In this case, if the probability of facing the first direction is A and the probability of facing the second direction is B, then A <B.

このように、強磁性金属層11の磁化M11の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線20から強磁性金属層11に注入されるスピンS20の向きとがなす角を調整することで、乱数発生器の発生確率を調整することができる。 In this way, by adjusting the angle formed by the easy magnetization direction of the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11 and the direction of the spin S 20 injected into the ferromagnetic metal layer 11 from the spin-orbit torque wiring 20, a random number is obtained. The occurrence probability of the generator can be adjusted.

強磁性金属層11の磁化M11の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線20から強磁性金属層11に注入されるスピンS20の向きとがなす角は、45°以上90°以下であることが好ましい。強磁性金属層11の磁化M11の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線20から強磁性金属層11に注入されるスピンS20の向きとがなす角が小さいと、STTを用いた乱数発生器30と挙動が近くなり、印加電流量の調整が必要になってくる。 The angle between the easy magnetization direction of the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11 and the direction of the spin S 20 injected into the ferromagnetic metal layer 11 from the spin orbit torque wiring 20 shall be 45 ° or more and 90 ° or less. Is preferable. If the angle between the easy magnetization direction of the magnetization M 11 of the ferromagnetic metal layer 11 and the direction of the spin S 20 injected into the ferromagnetic metal layer 11 from the spin orbit torque wiring 20 is small, a random number generator using STT The behavior becomes close to that of 30, and it becomes necessary to adjust the amount of applied current.

「第3実施形態」
図9は、第3実施形態にかかる乱数発生器103を模式的に示した斜視図である。図9に示す乱数発生器103は、強磁性金属層10に磁場を印加する外部磁場印加手段80が設けられている点が、第1実施形態にかかる乱数発生器100と異なる。図9では、外部磁場印加手段80として配線を強磁性金属層10上に配設した。配線に電流を流すことにより、配線を中心とした磁界が生じる。
"Third embodiment"
FIG. 9 is a perspective view schematically showing the random number generator 103 according to the third embodiment. The random number generator 103 shown in FIG. 9 is different from the random number generator 100 according to the first embodiment in that an external magnetic field applying means 80 for applying a magnetic field to the ferromagnetic metal layer 10 is provided. In FIG. 9, the wiring is arranged on the ferromagnetic metal layer 10 as the external magnetic field applying means 80. By passing an electric current through the wiring, a magnetic field centered on the wiring is generated.

外部磁場印加手段80を設けることで、乱数発生器の「1」と「0」の発生確率を調整することができる。例えば、熱等の影響を受けて発生確率が50%からずれる場合は、外部磁場印加手段80を用いて発生確率が50%となるように調整できる。また発生確率を50%からずらしたい場合にも用いることができる。 By providing the external magnetic field applying means 80, the probability of occurrence of "1" and "0" of the random number generator can be adjusted. For example, when the probability of occurrence deviates from 50% due to the influence of heat or the like, the probability of occurrence can be adjusted to 50% by using the external magnetic field applying means 80. It can also be used when it is desired to shift the probability of occurrence from 50%.

このように乱数発生器の「1」と「0」の発生確率は、外部磁場により調整することができる。一方で換言すると、乱数発生器は周辺回路から発生する磁界の影響を受ける可能性があるとも言える。そこで、周辺回路からの磁界の影響を抑制するために、強磁性金属層及びスピン軌道トルク配線を囲む磁気シールドを設けてもよい。 In this way, the probability of occurrence of "1" and "0" in the random number generator can be adjusted by an external magnetic field. On the other hand, in other words, it can be said that the random number generator may be affected by the magnetic field generated from the peripheral circuit. Therefore, in order to suppress the influence of the magnetic field from the peripheral circuit, a magnetic shield surrounding the ferromagnetic metal layer and the spin-orbit torque wiring may be provided.

図10及び図11は、磁気シールドを設けた乱数発生器の模式図である。図10は、強磁性金属層10及びスピン軌道トルク配線20を挟むように磁気シールド90が設けられている。また図11は、強磁性金属層10及びスピン軌道トルク配線20を囲むように磁気シールド90が設けられている。磁気シールド90と強磁性金属層10及びスピン軌道トルク配線20との間は、絶縁されている(図視略)。磁気シールド90には、NiFe等の高透磁率磁性体を用いることができる。 10 and 11 are schematic views of a random number generator provided with a magnetic shield. In FIG. 10, a magnetic shield 90 is provided so as to sandwich the ferromagnetic metal layer 10 and the spin-orbit torque wiring 20. Further, in FIG. 11, a magnetic shield 90 is provided so as to surround the ferromagnetic metal layer 10 and the spin-orbit torque wiring 20. The magnetic shield 90, the ferromagnetic metal layer 10, and the spin-orbit torque wiring 20 are insulated from each other (not shown). A high magnetic permeability magnetic material such as NiFe can be used for the magnetic shield 90.

「第4実施形態」
図12は、第4実施形態にかかる乱数発生器104を模式的に示した斜視図である。図10に示す乱数発生器104は、スピン軌道トルク配線20に接合する強磁性金属層10が複数である点が、第1実施形態にかかる乱数発生器100と異なる。
"Fourth embodiment"
FIG. 12 is a perspective view schematically showing the random number generator 104 according to the fourth embodiment. The random number generator 104 shown in FIG. 10 is different from the random number generator 100 according to the first embodiment in that a plurality of ferromagnetic metal layers 10 are joined to the spin-orbit torque wiring 20.

複数の強磁性金属層10は、それぞれ乱数を発生させる。そのため、これらの平均をとることで、乱数発生器が生み出す乱数の精度を高めることができる。 Each of the plurality of ferromagnetic metal layers 10 generates a random number. Therefore, by taking the average of these, the accuracy of the random numbers generated by the random number generator can be improved.

上記実施形態にかかる乱数発生器は、自然乱数を生み出すことができる。また上記実施形態にかかる乱数発生器は、電流印加時に磁化を向けたい方向と、磁化に与える力の方向が一致している。そのため、電流の供給量等の調整が不要であり、乱数発生器の安定性が高い。またこの乱数発生器のスピン軌道トルク配線20をトランジスタ等の半導体回路等と接続し、半導体集積素子として用いてもよい。 The random number generator according to the above embodiment can generate a natural random number. Further, in the random number generator according to the above embodiment, the direction in which the magnetization is to be directed when a current is applied and the direction in which the force applied to the magnetization are the same. Therefore, it is not necessary to adjust the amount of current supplied, and the stability of the random number generator is high. Further, the spin-orbit torque wiring 20 of the random number generator may be connected to a semiconductor circuit such as a transistor and used as a semiconductor integrated element.

また上記実施形態にかかる乱数発生器は、ニューロモルフィックコンピュータ、量子コンピュータ等におけるアナログ信号発生器として利用できる。具体的には例えば、乱数発生器をアレイ配置した積和演算回路と、入力信号に重み付けを行う素子とを有し、脳を模擬したニューロモロフィックコンピュータに適用できる。 Further, the random number generator according to the above embodiment can be used as an analog signal generator in a neuromorphic computer, a quantum computer, or the like. Specifically, for example, it has a product-sum calculation circuit in which random number generators are arranged in an array and an element that weights an input signal, and can be applied to a neuromorphic computer simulating a brain.

(乱数発生器の製造方法)
上述の乱数発生器は、スパッタリング等の公知の成膜手段と、フォトリソグラフィー等の加工技術を用いて作製できる。支持体となる基板上に、各層を構成する金属等を順に積層し、その後所定の形に加工する。
(Manufacturing method of random number generator)
The above-mentioned random number generator can be manufactured by using a known film forming means such as sputtering and a processing technique such as photolithography. The metals and the like constituting each layer are laminated in order on the substrate to be the support, and then processed into a predetermined shape.

成膜法としてはスパッタリング法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法等が挙げられる。フォトリソグラフィー法では、レジスト膜を残したい部分に形成し、イオンミリング、反応性イオンエッチング(RIE)等の処理により不要部を除去する。 Examples of the film forming method include a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method, and the like, in addition to the sputtering method. In the photolithography method, a resist film is formed on a portion to be left, and an unnecessary portion is removed by treatments such as ion milling and reactive ion etching (RIE).

情報の読み出し手段として、例えば非磁性層を絶縁体としたTMR素子を作製する場合は、強磁性金属層上に最初に0.4〜2.0nm程度の金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理を行うことで、トンネルバリア層を形成してもよい。 As a means for reading information, for example, when manufacturing a TMR element using a non-magnetic layer as an insulator, a metal thin film of about 0.4 to 2.0 nm is first sputtered on the ferromagnetic metal layer, and then plasma oxidation or oxygen is used. A tunnel barrier layer may be formed by performing natural oxidation by introduction and then performing heat treatment.

本発明は、上記実施形態に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The present invention is not necessarily limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

「実施例1」
実施例1では、図7と同様の配置の乱数発生器を作製した。スピン軌道トルク配線20としてTaを用い、強磁性金属層10としてFeBを用いた。強磁性金属層10の厚みは1nmであり、強磁性金属層10の磁化M10の配向方向はz方向であった。強磁性金属層10の飽和磁化Msは、1200emu/cmであり、強磁性金属層10の有効異方性磁界HK,effは5KOeであり、スピン軌道トルク配線の有効スピンホール角度θSHは0.07であった。外部磁場は印加しなかった。また非磁性層50としてMgOを用い、第2強磁性金属層60としてCoFeBを用いた。
"Example 1"
In Example 1, a random number generator having the same arrangement as in FIG. 7 was produced. Ta was used as the spin-orbit torque wiring 20, and FeB was used as the ferromagnetic metal layer 10. The thickness of the ferromagnetic metal layer 10 was 1 nm, and the orientation direction of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 was the z direction. The saturation magnetization Ms of the ferromagnetic metal layer 10 is 1200 emu / cm 3 , the effective anisotropic magnetic fields HK and eff of the ferromagnetic metal layer 10 are 5 KOe, and the effective spin hole angle θ SH of the spin orbit torque wiring is It was 0.07. No external magnetic field was applied. Further, MgO was used as the non-magnetic layer 50, and CoFeB was used as the second ferromagnetic metal layer 60.

そして乱数発生器のスピン軌道トルク配線20に5.0×10A/cmの電流を印加した。この電流量は、関係式(1)の右辺から求められる電流密度Jc(4.3×10A/cm)より大きかった。 And applying a spin-orbit current torque wires 20 to 5.0 × 10 7 A / cm 2 of the random number generator. The current amount is greater than the current density Jc (4.3 × 10 7 A / cm 2) obtained from the right-hand side of equation (1).

乱数発生器を10000回動作させ、強磁性金属層10と第2強磁性金属層60の磁化が反平行になる確率と平行になる確率を求めた。その結果、乱数発生器が平行と反平行が確率的に発生させ、それぞれの発生確率が50%となることを確認した。 The random number generator was operated 10,000 times to determine the probability that the magnetizations of the ferromagnetic metal layer 10 and the second ferromagnetic metal layer 60 would be antiparallel and parallel. As a result, it was confirmed that the random number generator probabilistically generated parallel and antiparallel, and the respective generation probabilities were 50%.

10,11…強磁性金属層、20…スピン軌道トルク配線、20A…スピン生成部、20B…低抵抗部、20C…スピン伝導部、30…STTを用いた乱数発生器、31…自由層、32…非磁性層、33…固定層、34…配線、50…非磁性層、60…第2強磁性金属層、70…配線層、80…外部磁場印加手段、M10,M11,M31,M33,M60…磁化、S20…スピン、100,101,102,103,104…乱数発生器 10, 11 ... Ferromagnetic metal layer, 20 ... Spin orbit torque wiring, 20A ... Spin generator, 20B ... Low resistance section, 20C ... Spin conduction section, 30 ... Random generator using STT, 31 ... Free layer, 32 ... non-magnetic layer, 33 ... fixed layer, 34 ... wiring, 50 ... non-magnetic layer, 60 ... second ferromagnetic metal layer, 70 ... wiring layer, 80 ... external magnetic field applying means, M 10 , M 11 , M 31 , M 33 , M 60 ... Magnetization, S 20 ... Spin, 100, 101, 102, 103, 104 ... Random generator

Claims (10)

強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が交差しており、
前記スピン軌道トルク配線に印加する電流は、
Figure 0006954089
を満たす、乱数発生器。
Ferromagnetic metal layer and
A spin-orbit torque wiring extending in a first direction intersecting with the stacking direction of the ferromagnetic metal layer and joining to the ferromagnetic metal layer is provided.
The direction of the spin injected into the ferromagnetic metal layer from the spin-orbit torque wiring intersects with the direction in which the ferromagnetic metal layer is easily magnetized .
The current applied to the spin-orbit torque wiring is
Figure 0006954089
Random number generator that meets.
前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が45°以上90°以下傾いている、請求項1に記載の乱数発生器。 The random number generation according to claim 1, wherein the direction of the spin injected into the ferromagnetic metal layer from the spin orbit torque wiring and the direction in which the ferromagnetic metal layer is easily magnetized are inclined by 45 ° or more and 90 ° or less. vessel. 前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が直交している、請求項1または2のいずれかに記載の乱数発生器。 The random number generation according to claim 1 or 2, wherein the direction of the spin injected into the ferromagnetic metal layer from the spin orbit torque wiring and the direction in which the ferromagnetic metal layer is easily magnetized are orthogonal to each other. vessel. 前記強磁性金属層が、前記スピン軌道トルク配線に複数接合している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の乱数発生器。 The random number generator according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of the ferromagnetic metal layers are joined to the spin-orbit torque wiring. 前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、第2強磁性金属層とを順に備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の乱数発生器。 The random number generator according to any one of claims 1 to 4, further comprising a non-magnetic layer and a second ferromagnetic metal layer on the surface of the ferromagnetic metal layer opposite to the spin-orbit torque wiring. .. 前記強磁性金属層に磁場を印加する外部磁場印加手段をさらに有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の乱数発生器。 The random number generator according to any one of claims 1 to 5, further comprising an external magnetic field applying means for applying a magnetic field to the ferromagnetic metal layer. 前記強磁性金属層及び前記スピン軌道トルク配線を挟む、或いは囲む磁気シールドをさらに有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の乱数発生器。 The random number generator according to any one of claims 1 to 6, further comprising a magnetic shield that sandwiches or surrounds the ferromagnetic metal layer and the spin-orbit torque wiring. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の乱数発生器と、
前記乱数発生器の前記スピン軌道トルク配線に電流を流す電流印加手段と、を有する乱数発生装置。
The random number generator according to any one of claims 1 to 7.
A random number generator including a current applying means for passing a current through the spin orbit torque wiring of the random number generator.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の乱数発生器を有するニューロモルフィックコンピュータ。 A neuromorphic computer having the random number generator according to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の乱数発生器を有する量子コンピュータ。 A quantum computer having the random number generator according to any one of claims 1 to 7.
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