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.
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
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
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).
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
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
<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
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
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
<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-
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-
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
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-
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JSと表すと、JS=J↑−J↓で定義される。JS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-
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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JS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
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
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
トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe2,Bi2Te3,(Bi1−xSbx)2Te3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
<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-
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
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
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-
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-
ここで、MSは強磁性金属層10の飽和磁化(emu/cm3)、tF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)、Hx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
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
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
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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、Al2O3、SiO2、MgO、及び、MgAl2O4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MgAl2O4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
When the
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
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
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
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
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
「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
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
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
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
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
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-
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
「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
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
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
「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
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-
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/cm3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-
そして乱数発生器のスピン軌道トルク配線20に5.0×107A/cm2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(4.3×107A/cm2)より大きかった。
And applying a spin-orbit
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
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)
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、
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
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.
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