WO2019155957A1 - 磁気抵抗効果素子、回路装置及び回路ユニット - Google Patents

磁気抵抗効果素子、回路装置及び回路ユニット Download PDF

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俊輔 深見
アレクサンダー クレンコフ
ウィリアム アンドリュー ボーダーズ
大野　英男
哲郎 遠藤
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国立大学法人東北大学
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element, a circuit device, and a circuit unit.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MTJ Magnetic Tunneling Junction element
  • Patent Document 1 discloses a laminate suitable for a three-terminal MRAM.
  • This laminated body has a structure in which a first outer layer made of a nonmagnetic material, a central layer (recording layer) made of a magnetic material, and a second outer layer made of a nonmagnetic material are laminated.
  • a reference layer made of a magnetic material is laminated on the first outer layer.
  • a write current parallel to the center layer is passed through the second outer layer (conductive layer) to reverse the magnetization direction of the center layer. Note that the magnetization directions of the center layer and the reference layer are both perpendicular to the in-plane direction of the second outer layer.
  • Patent Document 2 discloses a laminate suitable for a three-terminal MRAM.
  • This laminated body has a structure in which a first outer layer made of a nonmagnetic material, a central layer (recording layer) made of a magnetic material, and a second outer layer made of a nonmagnetic material are laminated.
  • a reference layer is laminated on the first outer layer.
  • a write current parallel to the center layer is passed through the second outer layer (conductive layer) to reverse the magnetization direction of the center layer. Note that the magnetization directions of the center layer and the reference layer are both parallel to the in-plane direction of the second outer layer and perpendicular to the inflow direction of the write current.
  • At least one of the first outer layer and the second outer layer is made of a nonmagnetic metal.
  • Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Ag, Bi, and alloys thereof are described as specific materials of the nonmagnetic metal.
  • a neural network that performs information processing on a computer using a mechanism of a biological brain as a model is known.
  • a neural network using a semiconductor element or the like research on its constituent elements and circuits has been advanced.
  • the magnetoresistive effect element is non-volatile and generally small and capable of high-speed writing, for example, the elements in the neuron circuit constituting the above-described neural network, the pre-neuron circuit and the post-neuron circuit If it can be used as a synapse element or the like that determines the coupling load, it is expected to reduce the area, improve the processing speed, and save power.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetoresistive effect element that can be used as an element constituting a neural network, a circuit device using the magnetoresistive effect element, and a circuit unit. Objective.
  • a magnetoresistive element of the present invention includes a channel layer formed of a material having no net magnetization, extending in a first direction, and a film made of a ferromagnetic material.
  • a recording layer formed on one surface of the channel layer, which changes to one of the above magnetization states, and a non-magnetic layer provided on the surface of the recording layer opposite to the channel layer A nonmagnetic layer, a reference layer provided on a surface of the nonmagnetic layer opposite to the recording layer, the magnetization direction being fixed including a film made of a ferromagnetic material, and the channel layer including the first layer A first terminal and a second terminal electrically connected to each other at intervals in the direction, and a current is passed through the channel layer between the first terminal and the second terminal, and the recording is performed in a plurality of pulses.
  • a current pulse that causes the layer to be in any one of the magnetization states is the first terminal.
  • the other is intended to include a terminal pair inputted to the second terminal, and
  • the circuit device is connected to the magnetoresistive element, the first neuron circuit connected to the first terminal and inputting the current pulse to the first terminal in synchronization with an ignition timing, and connected to the second terminal. And a post-neuron circuit that inputs the current pulse to the second terminal in synchronization with the firing timing.
  • the circuit unit of the present invention includes the magnetoresistive element, and a pulse generation circuit that detects a reversal of the magnetization direction of the magnetoresistive element from the initial state and generates a pulse.
  • a neuron circuit is connected to one input terminal of the first terminal and the second terminal, and the current pulse is input to the one input terminal in synchronization with the firing timing of the neuron circuit. .
  • a magnetoresistive element can be used as an element constituting a neural network or the like.
  • various circuits such as a neural network and a neuron circuit that are advantageous in reducing the area, improving the processing speed, and saving power can be realized.
  • FIG. 6 is a graph showing a current-resistance characteristic showing a change in resistance value when a current is passed through a magnetoresistive effect element capable of storing multiple values with the Z-axis direction as an initial state of the magnetization direction of a recording layer.
  • 10 is a graph showing a current-resistance characteristic showing a change in resistance value when a current is passed through a magnetoresistive effect element capable of storing multiple values with the + Z-axis direction as an initial state of the magnetization direction of a recording layer.
  • It is a block diagram which shows the outline of the neural network circuit which concerns on 2nd Embodiment.
  • the magnetoresistive element 10 has a configuration in which a channel layer 11, a recording layer 12, a nonmagnetic layer 13, and a reference layer 14 are laminated in this order.
  • the channel layer 11 is provided with a first terminal T1 and a second terminal T2, and the reference layer 14 is provided with a third terminal T3.
  • the magnetoresistive element 10 has a three-terminal structure.
  • the magnetoresistive element 10 in this example is a type in which the recording layer 12 changes to one of two magnetization states (hereinafter referred to as a binary type).
  • the first terminal T1 and the second terminal T2 may be electrically connected to the channel layer 11 through another conductive member or layer.
  • the third terminal T3 may be electrically connected to the reference layer 14 through another conductive member or layer.
  • the direction in which the channel layer 11, the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14 are stacked is defined as the Z-axis direction, and the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
  • the directions are orthogonal to each other.
  • the direction of the magnetoresistive element 10 is not particularly limited. Accordingly, the recording layer 12 and the like may be disposed below the channel layer 11.
  • the channel layer 11 is made of a material that is conductive and does not have a net magnetization, has a predetermined thickness in the Z-axis direction, and in this example is a (long) plate that extends in the X-axis direction. Is.
  • Examples of the material having no net magnetization of the channel layer 11 include a nonmagnetic material and an antiferromagnetic material.
  • the channel layer 11 in this example is made of an antiferromagnetic material, and the direction of each magnetic moment inside thereof is a direction parallel to the direction in which the channel layer 11 extends (X-axis direction).
  • the structure of the magnetic moment in the antiferromagnetic material in the channel layer 11 may be a non-collinear structure other than the collinear structure as in this example.
  • the magnetization direction of the recording layer 12 is changed by a spin orbit torque caused by a spin current or the like generated when a write current is supplied thereto.
  • the direction in which the write current flows is the longitudinal direction (X-axis direction) of the channel layer 11.
  • the X-axis direction is the first direction.
  • the shape of the channel layer 11 is not limited to a shape extending in one direction.
  • the channel layer 11 includes a first group of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni, and a second group of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, and Au. It is an antiferromagnetic material formed of an alloy containing each element selected at least one by one. Examples of such an alloy constituting the channel layer 11 include a Pt—Mn alloy and an Ir—Mn alloy.
  • the composition ratio of Pt X Mn 100-X is preferably such that X is 30 to 70, for example, an alloy of Pt 40 Mn 60 is preferred.
  • the composition ratio is preferably 20 to 80 in the case of Ir X Mn 100-X .
  • the channel layer 11 is a non-magnetic material formed of Hf, Ta, W, Ir, Pt single metal, and an alloy containing these as main components.
  • the channel layer 11 has, for example, a thickness (length in the Z-axis direction) of 1 nm to 15 nm, preferably 3 nm to 10 nm, a length in the X-axis direction of 40 nm to 920 nm, preferably 60 nm to 600 nm, and a width ( The length in the Y-axis direction) is 15 nm to 150 nm, preferably 20 nm to 100 nm.
  • the channel layer 11 gives an exchange bias magnetic field to the recording layer 12. Therefore, it can be considered that a steady magnetic field in the X-axis direction (hereinafter referred to as a steady magnetic field Ho) is applied to the recording layer 12.
  • a steady magnetic field in the X-axis direction hereinafter referred to as a steady magnetic field Ho
  • the action of the exchange bias magnetic field by the channel layer 11 will be described later.
  • the recording layer 12 is provided on a part of one surface of the channel layer 11, and in this example, the recording layer 12 is disposed at the center of the channel layer 11 in the X-axis direction.
  • the recording layer 12 is a layer including a film made of a ferromagnetic material, and the magnetization state can be changed.
  • the recording layer 12 has an easy axis (perpendicular easy axis) in a direction perpendicular to the film surface (Z-axis direction).
  • the direction of magnetization near the interface with the channel layer 11 may be inclined from the direction perpendicular to the film surface by an exchange bias from the channel layer 11 described later.
  • the recording layer 12 is laminated at the center of the upper surface of the channel layer 11, but the recording layer 12 may be laminated on the entire upper surface of the channel layer 11. With this configuration, the magnetoresistive element can be easily manufactured. Further, although the recording layer 12 is laminated at the center of the channel layer 11 in the longitudinal direction (X-axis direction), the recording layer 12 may be laminated at a position shifted from the center of the channel layer 11 in the longitudinal direction.
  • the component in the Z-axis direction of magnetization changes between the + Z-axis direction and the -Z-axis direction due to the spin orbit torque described above.
  • the recording layer 12 has an anti-parallel state in which the components in the Z-axis direction of magnetization are aligned and are in the same direction as the magnetization of the reference layer 14 (first magnetization state). (Second magnetization state).
  • the recording layer 12 is formed on one surface of the channel layer 11 so that the recording layer 12 is formed directly on one surface of the channel layer 11 and is adjacent to or close to the recording layer 12. It includes that the channel layer 11 is formed. Therefore, the recording layer 12 and the channel layer 11 may be disposed via other layers, spaces, and the like. The same applies to the other layers.
  • the recording layer 12 includes a ferromagnetic film such as Fe, Co, or Ni. Specifically, Co / Ni, Co / Pt, Co / Pd, Co / Au or Fe / Au laminated structure, Co—Pt, Co—Cr—Pt, Co—Pd, Fe—Pt, Fe—Pd, An alloy such as Fe—Co—Pt or Fe—C Cincinnati—Pd, or an alloy such as C CincinnatiFeB or FeB can be used. Furthermore, it may be a laminated structure obtained by combining the above laminated structures or alloys, for example, [Co / Ni] / Ta / CoFeB.
  • the above description of the laminated structure means a laminated structure in which films made of materials before and after “/” are laminated.
  • the material on the front side of “/” is the channel layer 11 side.
  • the above description of an alloy containing “-” means an alloy containing an element connected by “-” as a component, and may contain other elements. The same applies to the following laminated structure and alloy notation.
  • the recording layer 12 has a thickness of 0.8 nm to 5 nm, preferably 1 nm to 3 nm, a length in the X-axis direction of 10 nm to 120 nm, preferably 20 nm to 100 nm, and a width of 10 nm to 120 nm, preferably 20 nm. It is formed within the range of 100 nm or less.
  • the nonmagnetic layer 13 is provided on the surface of the recording layer 12 opposite to the channel layer 11 and is formed of a nonmagnetic material having insulation properties such as MgO, Al 2 O 3 , and AlN.
  • the nonmagnetic layer 13 is formed in a range of, for example, a thickness of 0.1 nm to 5 nm, desirably 0.5 nm to 2.5 nm.
  • the nonmagnetic layer 13 may be formed of a nonmagnetic material having conductivity such as Cu or Al.
  • the reference layer 14 is a layer including a film made of a ferromagnetic material, and has a fixed magnetization direction.
  • the magnetization direction of the reference layer 14 is fixed in the + Z axis direction or the ⁇ Z axis direction.
  • the fixation of the magnetization direction of the reference layer 14 includes a case where the magnetization direction is substantially fixed. That is, the direction of magnetization of the reference layer 14 may be varied within a range that does not affect the read operation using the tunnel magnetoresistive effect.
  • the reference layer 14 is provided on the surface of the nonmagnetic layer 13 opposite to the recording layer 12. When the nonmagnetic layer 13 is made of an insulator, it is nonmagnetic between the recording layer 12.
  • MTJ Magnetic : Tunnel Junction
  • GMR giant magnetoresistive
  • the first terminal T1 and the second terminal T2 are provided on the surface of the channel layer 11 opposite to the recording layer 12, and are electrically connected to the channel layer 11.
  • the first terminal T1 and the second terminal T2 are disposed in the XY plane at a position where the terminals sandwich the recording layer 12 with an interval in the X-axis direction.
  • the first terminal T ⁇ b> 1 and the second terminal T ⁇ b> 2 are disposed at the end portions of the channel layer 11 in the longitudinal direction.
  • An external circuit (not shown) is connected to the first terminal T1 and the second terminal T2, and a current pulse is input from the external circuit to one of the first terminal T1 and the second terminal T2. That is, the first terminal T1 and the second terminal T2 constitute an input terminal pair.
  • the first terminal T1 and the second terminal T2 are provided on the surface of the channel layer 11 opposite to the recording layer 12, they may be provided on any surface of the channel layer 11.
  • a write current flows in the channel layer 11 from the one terminal toward the other terminal.
  • the write current flows in the + X-axis direction when a current pulse (first current pulse) is input to the first terminal T1, and the current pulse (second current pulse) is input to the second terminal T2.
  • Some of them flow in the ⁇ X-axis direction, and the recording layer 12 can be in either the parallel state or the anti-parallel state depending on the direction of the write current.
  • the third terminal T3 is an output terminal for taking out a read current corresponding to the magnetization state of the recording layer by using either or both of the first terminal T1 and the second terminal T2 (in this example, the second terminal T2). Configure a pair.
  • the output terminal pair applies a voltage between the second terminal T2 and the third terminal T3 when determining the magnetization state of the recording layer 12, and the channel layer 11 to the recording layer 12 and the nonmagnetic layer 13 are applied. Then, a read current is passed through a path that reaches the reference layer 14 via.
  • the magnetization state (parallel state or anti-resistance) of the recording layer 12 is determined. (Parallel state).
  • the resistance between the channel layer 11 and the reference layer 14 changes between a relatively high high resistance state and a relatively low low resistance state according to the magnetization state of the recording layer 12.
  • a predetermined current can be applied between the second terminal T2 and the third terminal T3, and the level of resistance between the reference layer 14 and the channel layer 11 can be determined from the extracted voltage.
  • the length Lm1 in the X-axis direction of the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14 is typically in the range of 20 nm to 1000 nm.
  • the length Lm2 in the Y-axis direction of the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14 is typically in the range of 20 nm to 1000 nm.
  • the length Lb1 and the length Lb2 in the X-axis direction of the region where the channel layer 11 does not overlap the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14 are typically 0 nm or more and 600 nm or less. Be in range.
  • the length Lb3 in the Y-axis direction of the channel layer 11 is typically 20 nm or more and 1000 nm or less.
  • These magnitude relationships among Lm1, Lm2, Lb1, Lb2, and Lb3 preferably satisfy the following relationships: Lm1 to Lm2, Lm2 ⁇ Lb3, and Lm1 ⁇ to Lb1 to Lb2.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates the same level, and the other length is within a range of, for example, ⁇ 50% of one length based on the length of one connected by “ ⁇ ”. means.
  • the symbol “ ⁇ ⁇ ” indicates that the value on the right side is equal to or greater than the value on the left side. For example, if the value on the right side is ⁇ 50% or more of the value on the left side, the value on the right side The same level as the value of.
  • the shape in the XY plane is that the channel layer 11 is rectangular, the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14 are square, but is not limited thereto.
  • the shapes of the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14 in the XY plane can be appropriately determined so as to obtain a suitable device operation such as a circle, an ellipse, a parallelogram, a rhombus, and a hexagon. .
  • the cell area can be reduced.
  • the channel layer 11 to the reference layer 14 are sequentially deposited on a substrate (not shown) by, for example, an ultra-high vacuum sputtering method.
  • the channel layer 11 to the reference layer 14 thus formed may be heat-treated in a magnetic field.
  • the processing conditions are, for example, temperature: 300 to 400 ° C., holding time: 2 hours, and magnetic flux density: 1.2T.
  • the magnetic field is within ⁇ 45 degrees with respect to the extending direction of the channel layer 11 (longitudinal direction: X-axis direction), preferably within ⁇ 30 degrees.
  • the direction of the magnetic moment can be made uniform, and an internal magnetic field can be applied to the ferromagnetic material of the adjacent recording layer 12 by an exchange bias.
  • the deposited film is patterned into an appropriate shape by a lithography technique or the like.
  • the magnetization direction of the reference layer 14 is set to a desired direction by magnetic anisotropy inherent to the material and application of a magnetic field after the device is manufactured. Note that the channel layer 11 to the reference layer 14 may be deposited in a magnetic field having a predetermined magnetic flux density without performing heat treatment, and the deposited film may be patterned.
  • ⁇ Element operation> An operation when the magnetoresistive effect element 10 configured as described above is used as a memory of 1-bit data (data “1” or “0”) will be described.
  • 1-bit data of “0” and “1” is assigned in advance to the magnetization state of the recording layer 12, that is, the resistance state.
  • the high resistance state is assigned to “1” and the low resistance state is assigned to “0” in advance. That is, “1” is assigned to the parallel state of the recording layer 12 and “0” is assigned to the anti-parallel state.
  • the magnetization direction of the recording layer 12 is the Z-axis direction. Only the components are described or illustrated.
  • the recording layer 12 shown in FIG. 2A is in an antiparallel state in which the direction of the magnetization M12 is in the + Z-axis direction and is opposite to the magnetization M14 in the ⁇ Z-axis direction of the reference layer. For this reason, the magnetoresistive effect element 10 is in a high resistance state in which the resistance of the current path between the reference layer 14 and the recording layer 12 is relatively large. For this reason, the read current is relatively small.
  • the direction of the magnetization M12 is the ⁇ Z-axis direction, and is in the same parallel state as the direction of the magnetization M14 of the reference layer. For this reason, the magnetoresistive element 10 is in a low resistance state in which the resistance of the current path between the reference layer 14 and the recording layer 12 is relatively small. For this reason, the read current is relatively large.
  • the resistance state of the current path from the reference layer 14 to the recording layer 12 is determined from the applied voltage and the magnitude of the read current, and 1-bit data is specified from the resistance state. The assignment of 1-bit data and the resistance state may be reversed. Further, since the read current only needs to flow in a direction penetrating the magnetic tunnel junction composed of the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, and the reference layer 14, the reading current also flows in the direction from the channel layer 11 toward the reference layer 14. But you can.
  • a pulsed write current Iw is passed through the laminated structure composed of the channel layer 11 and the recording layer 12 using the first terminal T1 and the second terminal T2.
  • the write current Iw may flow only in the channel layer 11 or may flow in both the channel layer 11 and the recording layer 12.
  • a write current Iw is supplied to at least the channel layer 11.
  • the magnetization reversal is induced by the Rashba-Edelstein effect, it is necessary to introduce a current into the laminated film interface.
  • the write current Iw is supplied to both the channel layer 11 and the recording layer 12.
  • the recording layer 12 is formed directly on the surface of the channel layer 11 as in this example, since the channel layer 11 and the recording layer 12 are conductors, if a current is passed through the channel layer 11, the recording layer 12 Current also flows, and of course, current also flows between these interfaces. For the sake of simplicity, when there is no need to distinguish between them, the description will be given as “flowing the write current Iw to the channel layer 11” in any case.
  • a current pulse is input to the first terminal T 1, and the channel terminal 11 is input from the first terminal T 1 to the second terminal T 2.
  • a write current Iw in the + X axis direction is applied.
  • the write current Iw flows through the channel layer 11, for example, a spin current Js in the ⁇ Z-axis direction is generated in the channel layer 11 due to the spin Hall effect or the like. Therefore, polarized spin accumulates in the recording layer 12, spin orbit torque acts on the magnetization M12 of the recording layer 12, and the magnetization M12 of the recording layer 12 is in the + Z-axis direction as shown in FIG.
  • the magnetoresistive effect element 10 Rotates from the facing antiparallel state and reverses to the parallel state facing the ⁇ Z-axis direction as shown in FIG. As a result, the magnetoresistive effect element 10 is in a low resistance state. Thereby, the storage data “1” of the magnetoresistive effect element 10 is rewritten to “0”.
  • the origin of the spin orbit torque may be derived from other effects.
  • the Rashba Edelstein effect may be used.
  • polarized spin is accumulated by the Rashba effective magnetic field acting on the electrons flowing through the interface between the channel layer 11 and the recording layer 12, and this acts on the magnetization M12 of the recording layer 12 to induce magnetization reversal.
  • the pulse height (current value) of the write current Iw when writing the data “1” is below a threshold value IC1 ( ⁇ 0) described later.
  • the pulse height of the write current Iw when writing data “0” is equal to or higher than a threshold value IC0 (> 0) described later.
  • the pulse width of the write current Iw is a time longer than the time required for rewriting data. In this example, the pulse width is less than 20 microseconds, for example, 0.1 nanoseconds or more and less than 5 microseconds.
  • the write current Iw for writing the same data as the data stored in the magnetoresistive effect element 10 is supplied, the data is not rewritten.
  • the relationship between the direction of the write current Iw and the direction of the spin current and the spin orbit torque is an example.
  • the direction of the spin current and the spin orbit torque with respect to the direction of the write current Iw depends on the channel layer 11 and the recording layer 12.
  • the material used for the nonmagnetic layer 13 and the combination thereof Therefore, the direction of the write current Iw with respect to the data to be stored is determined based on the materials used for the channel layer 11, the recording layer 12, and the nonmagnetic layer 13 and the combination thereof.
  • FIG. 1 An example of the relationship between the write current Iw and the resistance R between the channel layer 11 and the reference layer 14 is shown in FIG.
  • the write current Iw below the threshold IC1 flows, the direction of the magnetization M12 of the recording layer 12 is opposite to the direction of the magnetization M14 of the reference layer 14 (anti-parallel state), and the resistance R has a relatively large value RAP.
  • the write current Iw equal to or greater than the threshold value IC0 flows, the direction of the magnetization M12 of the recording layer 12 becomes the same as the direction of the magnetization M14 of the reference layer 14 (parallel state), and the resistance R has a relatively small value RP.
  • the absolute values of the threshold values IC1 and IC0 of the write current Iw at which data rewrite occurs are substantially equal.
  • exchange bias magnetic field when an antiferromagnetic material is used for the channel layer 11 will be described with reference to FIG.
  • the channel layer 11 which is an antiferromagnetic material
  • a unidirectional exchange bias magnetic field working from the channel layer 11 acts on the magnetization M12 of the recording layer 12.
  • the action that the magnetic field of the antiferromagnet gives to the ferromagnet is called exchange bias.
  • the magnetization of the ferromagnet rotates in the direction of the magnetic moment of the antiferromagnet near the antiferromagnetic interface, and the direction of the easy axis of the ferromagnet itself as it moves away from the antiferromagnet Turn to.
  • the magnetic moment of the channel layer 11 is in the in-plane direction
  • an exchange bias in the in-plane direction acts on the recording layer 12, and the magnetization of the recording layer 12 Is rotating in the in-plane direction in the vicinity of the interface with the channel layer 11 and is oriented in the vertical direction as the distance from the antiferromagnetic material increases.
  • the exchange bias from the channel layer 11 acts on the recording layer 12, it is not necessary to separately provide a mechanism for applying an external magnetic field to the recording layer 12. For this reason, in the recording apparatus etc. which employ
  • FIG. 5 schematically shows the flow of the spin current Js when the write current Iw in the + X-axis direction flows through the channel layer 11.
  • the electrons spin-polarized in the ⁇ Y-axis direction exert a torque in the direction of the magnetization M12 of the recording layer 12. This is the spin orbit torque.
  • spin orbit torque There are two types of work in spin orbit torque, which can be represented by a longitudinal effective magnetic field and a transverse effective magnetic field, respectively.
  • the longitudinal effective magnetic field corresponds to the Slonczewski torque as the type of torque, while the transverse effective magnetic field corresponds to the field-like torque.
  • FIG. 6A to 6D schematically show the directions of the longitudinal effective magnetic field H1 and the transverse effective magnetic field H2 when the magnetization M12 of the recording layer 12 faces four directions.
  • the transverse effective magnetic field H2 always faces the + Y axis direction.
  • the longitudinal effective magnetic field H1 is directed to rotate the magnetization M12 in the XZ plane.
  • the directions of the longitudinal effective magnetic field H1 and the transverse effective magnetic field H2 vary depending on the combination of materials used.
  • FIG. 6A it is assumed that a stationary magnetic field Ho in the + X-axis direction by the channel layer 11 is acting on the recording layer 12.
  • the magnetization M12 is oriented in the + Z-axis direction as shown in FIG. 6A due to the longitudinal effective magnetic field H1 caused by the spin current Js.
  • the magnetization M12 rotates to the state where the magnetization M12 faces the ⁇ Z axis direction as shown in FIG. 6C via the state where the magnetization M12 faces the + X axis direction. In the state shown in FIG.
  • the longitudinal effective magnetic field H1 works in the ⁇ X axis direction, but since the stationary magnetic field Ho works in the + X axis direction, no further rotation in the direction of the magnetization M12 occurs. Accordingly, the state shown in FIG. 6C is the final state.
  • both the longitudinal effective magnetic field H1 and the transverse effective magnetic field H2 act on the magnetization M12, and the reversal process of the magnetization direction is as described above. Are the same.
  • the magnetization direction can be controlled in the manner described here as long as the longitudinal effective magnetic field H1 is generated by the current.
  • the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment is common to the magnetoresistive effect element disclosed in Patent Document 1 in that spins in the in-plane direction perpendicular to the magnetization direction are injected into the recording layer. This is different from the magnetoresistive effect element described in Patent Document 2 in which spins in the direction parallel or antiparallel to the magnetization direction are injected into the recording layer.
  • the magnetization direction of the recording layer is reversed by precession. For this reason, a large current is required to cause the magnetization direction reversal in the nanosecond range.
  • FIG. 7 shows the reference layer 14 having a laminated ferri structure.
  • the reference layer 14 of the magnetoresistive effect element 20 has a laminated ferrimagnetic structure in which a ferromagnetic layer 14a, a nonmagnetic coupling layer 14b, and a ferromagnetic layer 14c are laminated, and the ferromagnetic layer 14a, the ferromagnetic layer 14c, and the like. Are antiferromagnetically coupled by the coupling layer 14b.
  • the ferromagnetic layer 14a and the ferromagnetic layer 14c are preferably made of a ferromagnetic material containing Fe, Co, and Ni.
  • the coupling layer 14b is preferably made of a material exhibiting RKKY interaction such as Ru, Ir, Rh.
  • CoFeB / Ta / [Co / Pt] / Ru / [Co / Pt] can be exemplified.
  • the direction of the magnetization M12 of the recording layer 12 matches the direction of the magnetization M14a of the ferromagnetic layer 14a adjacent to the recording layer 12 among the ferromagnetic layers 14a and 14c constituting the reference layer 14.
  • Time is parallel and low resistance.
  • the direction of the magnetization M12 of the recording layer 12 and the direction of the magnetization M14a of the ferromagnetic layer 14a are opposite to each other, it is an antiparallel state and a high resistance state. In order to perform stable writing and reading of data, it is effective to stabilize the magnetization of the reference layer 14 with the reference layer 14 having such a laminated ferrimagnetic structure.
  • the recording layer has excellent characteristics in the following two points.
  • the first point relates to writing, and it is desirable that the magnetization direction be reversed with a small current and a short pulse width.
  • the second point relates to reading, and the tunnel magnetoresistive effect (TMR) ratio corresponding to the resistance difference in the parallel / antiparallel state of magnetization when a current is passed between the recording layer, nonmagnetic layer, and reference layer is large. Is desirable.
  • TMR tunnel magnetoresistive effect
  • the magnetoresistive effect element 30 shown in FIG. The sensor layer 15 and the conductive layer 16 may be provided.
  • the sensor layer 15 may be designed so as to increase the TMR ratio.
  • the recording layer 12 may be designed so as to improve the writing characteristics. That is, an independent design is possible, and the ease of manufacturing is increased.
  • the sensor layer 15 and the recording layer 12 are magnetically coupled. As the form of coupling, for example, magnetostatic interaction can be used.
  • the sensor layer 15 is a layer for sensing the magnetization of the recording layer 12, and the easy axis of magnetization is perpendicular to the film surface like the recording layer 12.
  • the conductive layer 16 is a layer for electrically connecting the recording layer 12 and the sensor layer 15.
  • a material that is compatible with the material of the recording layer 12 and the sensor layer 15 is used.
  • Ta or the like can be used for the conductive layer 16.
  • the magnetization direction of the sensor layer 15 Due to the reversal of the magnetization direction of the recording layer 12, a magnetic field leaks from the recording layer 12, and the leaked magnetic field is transmitted to the sensor layer 15 through the conductive layer 16. In response to this magnetic field, the magnetization direction of the sensor layer 15 is reversed up and down. When data is read from the recording element, the magnetization direction of the sensor layer 15 using a material having good read characteristics may be detected. As described above, by adding the sensor layer 15 and the conductive layer 16, it is possible to improve both the characteristics of reading and writing.
  • the magnetoresistive effect element 40 has a four-terminal structure in which a fourth terminal T4 is provided in the sensor layer 15 in addition to the first terminal T1 to the third terminal T3. At the time of reading, a read current is passed between the third terminal T3 and the fourth terminal T4, and at the time of writing, a write current is passed between the first terminal T1 and the second terminal T2.
  • the current path at the time of reading and the current path at the time of writing become independent, and a write operation and a read operation can be performed simultaneously.
  • a 1-bit element can be obtained by devising a circuit in one cell. It is also possible to relax the required value of the error rate required for.
  • the read operation is common to both the three-terminal structure and the four-terminal structure in that the read current is passed through the nonmagnetic layer to obtain the tunnel resistance.
  • the sensor layer 15 may be provided with the fourth terminal T4.
  • the conductive layer 16 may be provided with the fourth terminal T4. Good.
  • the 10 has a conductive layer 17 made of a conductive material at both ends in the longitudinal direction of the channel layer 11.
  • the conductive layer 17 has a higher conductivity than the channel layer 11.
  • the channel layer 11 may have a two-layer structure of a first layer 11a containing an antiferromagnetic material and a second layer 11b made of a high spin Hall effect material.
  • a first layer 11a containing an antiferromagnetic material examples include Cr, Mn, Cr—O, Mn—O, Fe—O, and Fe—Mn.
  • the high spin Hall effect material included in the second layer 11b examples include Pt, W, Ta, and Ir.
  • a seed layer is provided on the lower surface of the channel layer 11 (surface opposite to the recording layer 12), and an underlayer is provided on the lower surface of the seed layer (surface opposite to the channel layer 11), or the reference layer 14
  • a cap layer may be provided on the top.
  • the underlayer include Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W films.
  • the seed layer include films of Cr, Fe, Co, Ni, NiFe, Ru, Rh, Pd, Ag, Cu, Ir, Pt, Au, and the like.
  • the cap layer include films of Ta, Ru, Cu, Pt, and the like.
  • the underlayer, seed layer, and cap layer are provided to improve substrate adhesion, crystal orientation, electrical conductivity, and corrosion resistance.
  • each layer of the magnetoresistive effect element provided with the base layer, seed layer, and cap layer is shown below.
  • a laminated ferrimagnetic structure is adopted as the reference layer 14, and Ru is used as a coupling layer in the laminated ferrimagnetic structure.
  • Nonmagnetic layer 13 MgO, thickness 1.2 nm
  • Reference layer 14 C CincinnatiFeB, thickness 1.5 nm, Ta, thickness 0.5 nm, C Cincinnati, thickness 0.4 nm, Pt, thickness 0.4 nm, C Cincinnati, thickness 0.4 nm, Pt, thickness 0.
  • the channel layer 11 may have a magnetic moment in a direction perpendicular to the film surface.
  • the magnetic moments inside the channel layer 11 are staggered in the direction perpendicular to the film surface.
  • the recording layer 12 adjacent to the channel layer 11 has an in-plane easy magnetization axis.
  • the magnetization direction of the recording layer 12 rotates in the vertical direction in the vicinity of the interface with the channel layer 11, and moves toward the easy axis of magnetization of the recording layer 12 itself as it moves away from the channel layer 11. That is, it can be considered that a perpendicular magnetic field is applied to the recording layer 12.
  • the magnetization state of the recording layer 12 of the magnetoresistive effect element changes to either the parallel state or the antiparallel state. It can be changed to a plurality of magnetization states. That is, the recording layer has a multi-domain structure, and in the recording layer, magnetization in the same direction as the magnetization direction of the reference layer (first magnetization) and magnetization in the opposite direction (second magnetization) are mixed. The ratio can be changed.
  • the magnetization state can be determined as a resistance when a read current is passed.
  • a magnetoresistive element hereinafter referred to as a multi-value type
  • a multi-value type can be used as an element for storing multi-values (including analog values).
  • multi-values can be stored by changing the magnitude of the write current.
  • FIG. 13 and FIG. 14 show examples of graphs obtained by measuring changes in resistance value with respect to changes in write current.
  • the configuration of the magnetoresistive effect element used for the measurement was as follows, and the heat treatment conditions were as follows: temperature: 300 ° C., holding time: 2 hours, and magnetic flux density: 1.2T.
  • Nonmagnetic layer MgO, 2 nm
  • a current was passed through the magnetoresistive effect element 10 manufactured in this way, and the change in resistance value was measured.
  • the current pulse width the 1 second, the applied current density of 10 two 10 A / m of the current.
  • FIG. 13 shows the relationship between resistance and current when a negative current pulse is applied in a state where the magnetization of the recording layer 12 is directed downward, and then a positive current pulse is applied.
  • the amplitude of the current pulse was intermittently increased gradually from 0 to a certain value and then gradually decreased to 0.
  • the measured resistance value is a value after applying each pulse current.
  • FIG. 14 shows the relationship between resistance and current when a positive current pulse is passed in a state where the magnetization of the recording layer 12 is directed upward, and then a negative current pulse is passed.
  • the amplitude of the current pulse was intermittently increased gradually from 0 to a certain value and then gradually decreased to 0.
  • the measured resistance value is a value after applying each pulse current.
  • the magnetization direction of the recording layer 12 is reversed by an external magnetic field by the action of the exchange bias, and that the resistance changes in an analog manner with respect to the magnitude of the flowing current. It was done.
  • the film configuration mainly the film thickness of the channel layer 11 (PtMn) and the recording layer 12 (Co / Ni)
  • the characteristics suitable for the analog operation can be exhibited and the digital operation can be performed. It was also confirmed that it can be designed to show suitable characteristics.
  • the magnetic field in the direction perpendicular to the film surface of the recording layer 12 is used. It is effective to increase the anisotropy. For example, when the thickness of the PtMn channel layer 11 is reduced to 7 nm, it has been confirmed that if the thickness of the Pt seed layer is increased to 5 nm, a highly square hysteresis loop suitable for digital operation can be obtained.
  • the recording layer 12 and the channel layer 11 have a polycrystalline structure than a single crystal. This is because in the case of a polycrystalline structure, the direction and magnitude of the exchange bias varies from domain to domain, and as a result, analog behavior is realized.
  • the channel layer 11 is an antiferromagnetic material in order to realize a multivalued magnetoresistive effect element.
  • a type of magnetoresistive effect element can be realized.
  • Such a channel layer 11 is made of a nonmagnetic material such as Pt, Ir, Ta, or W.
  • the exchange interaction between crystal grains of the recording layer 12 is effectively weakened, and It is effective to increase the domain wall propagation magnetic field in the recording layer 12.
  • it In order to weaken the exchange interaction between crystal grains, it is effective to adopt a nano granular structure or a nano composite structure. In order to increase the domain wall propagation magnetic field, it is effective to increase the anisotropy dispersion between the crystal grains of the recording layer 12.
  • the second embodiment uses a multi-value type magnetoresistive effect element as a synapse element in a neural network circuit as an example of a circuit device, and the coupling load is changed by the magnetoresistive effect element. Except as described below, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the configuration of the neural network circuit described below is an example, and the present invention is not limited to this.
  • FIG. 15 shows an outline of the neural network circuit 50 according to the second embodiment.
  • the neural network circuit 50 includes a front neuron circuit 51, a back neuron circuit 52, a multi-value type magnetoresistive effect element 53 as a synapse element connected between the front neuron circuit 51 and the back neuron circuit 52, and the like. It is configured.
  • one set of the front neuron circuit 51 and the magnetoresistive effect element 53 are illustrated, but a plurality of sets of the front neuron circuit 51 and the magnetoresistive effect element 53 may be connected to the rear neuron circuit 52.
  • the neural network circuit 50 realizes “spike timing dependent Synaptic plasticity (hereinafter referred to as STDP)” by the magnetoresistive effect element 53.
  • STDP spike timing dependent Synaptic plasticity
  • the STDP includes a symmetrical STDP in which the coupling weight changes depending only on the pulse time difference between two spike pulses from each neuron, and the coupling weight depending on the pulse time difference between the two spike pulses and the temporal order. There is an asymmetric STDP in which changes.
  • the amount of change in the coupling load decreases as the pulse time difference increases, and the former precedes the spike pulse from the previous neuron and the spike pulse from the rear neuron. In this case, the coupling load increases, and when the latter precedes, the coupling load decreases.
  • the front neuron circuit 51 is connected to the first terminal T1, and the rear neuron circuit 52 is connected to the second terminal.
  • a readout circuit 54 is connected to the third terminal T3.
  • the magnetoresistive effect element 53 stores a resistance (hereinafter referred to as element resistance) between the reference layer 14 and the recording layer 12 as a coupling load, and reads out a read pulse Pr1 (corresponding to a spike pulse) that is input to the post-neuron circuit 52. Controls the pulse height (current or voltage magnitude).
  • the read circuit 54 generates a read pulse Pr1 by applying a predetermined voltage or current to the third terminal T3. Thereby, a change in element resistance is reflected in the circuit as a change in coupling load.
  • the pre-neuron circuit 51 and the post-neuron circuit 52 are based on, for example, an integral firing model, but are not limited to those models.
  • the pre-neuron circuit 51 receives a read pulse from the outside or from another neuron circuit via a magnetoresistive effect element. This read pulse may be amplified using an amplifier or the like.
  • the pre-neuron circuit 51 integrates a current or voltage input as a read pulse, or a write current pulse Pw1 to be described later when the integration value of the integration circuit reaches a predetermined threshold value (or in synchronization therewith). It consists of a circuit to output.
  • the post-neuron circuit 52 has the same configuration and outputs a write current pulse Pw2 described later.
  • the write current pulse Pw1 from the front neuron circuit 51 is input to the first terminal T1 of the magnetoresistive effect element 53, and the write current pulse Pw2 from the back neuron circuit 52 is input to the second terminal T2.
  • the write current by the input of the write current pulse Pw1 flows in the + X-axis direction
  • the write by the input of the write current pulse Pw2 Current flows in the -X axis direction.
  • the element resistance that is, the synaptic coupling load is changed according to the pulse time difference and the temporal order of the write current pulses Pw1 and Pw2.
  • a decrease in element resistance corresponds to an increase in synapse coupling load, and an increase in element resistance corresponds to a decrease in synapse coupling load.
  • the order in which the write current pulses Pw1 and Pw2 are input to the first terminal T1 and the second terminal T2 and the change in the coupling load at that time are determined by the magnetization direction of the reference layer 14 and the like. As will be described in detail later, when the write current pulses Pw1 and Pw2 are input within a predetermined time, depending on the direction of the write current flowing by the second (subsequent) write current pulse following the first (previous) write current pulse The direction (increase or decrease) of the change in element resistance is determined.
  • both the front neuron circuit and the rear neuron circuit may be designed to automatically fire locally without being controlled from the outside. In this case, only when the firing timings of the pre-neuron circuit and the post-neuron circuit are close, the synaptic connection load changes depending on the order, and the connection load does not change when firing at a timing separated in time.
  • FIG. 16 shows an actual change in the element resistance of the magnetoresistive effect element 53 with respect to the change in the pulse time difference ⁇ T between the write current pulses Pw1 and Pw2.
  • the pulse time difference ⁇ T is the difference between the input timings Tp1 and Tp2 of the write current pulses Pw1 and Pw2.
  • the pulse widths of the write current pulses Pw1 and Pw2 are 175 ns, and the waveform is a rectangular wave.
  • the element resistance increases as the pulse time difference ⁇ T between the write current pulses Pw1 and Pw2 is closer to “0”, and the amount of change (absolute value) increases. As the pulse time difference ⁇ T increases, the amount of change (absolute value) decreases. Showing change. It can also be seen that the direction of change (increase / decrease) is determined depending on the temporal order of the write current pulses Pw1, Pw2. That is, it can be seen that the magnetoresistive effect element 53 can be used as a synaptic element having the above-mentioned asymmetric STDP characteristics.
  • the channel layer 11 generates heat due to the write current generated by the preceding write current pulse, and the recording layer 12 is heated.
  • the magnetization direction of the recording layer 12 is likely to change as the temperature rises, and the magnetization state is changed by reversing the magnetization direction of a part of the recording layer 12 by the write current generated by the subsequent write current pulse.
  • the temperature of the recording layer 12 that has been increased in temperature decreases with the passage of time due to heat conduction to surrounding members, and returns to a steady state in which the temperature has not been increased. In the process of returning to the steady state, the magnetization state of the recording layer 12 does not change even when a write current pulse is input.
  • the magnetoresistive effect element 53 exhibits a change in element resistance similar to the characteristics of the asymmetric STDP with respect to the pulse time difference ⁇ T between the write current pulses Pw1 and Pw2.
  • the write current pulses Pw1 and Pw2 have a pulse height (a magnitude of the write current) and a pulse width that do not substantially change the magnetization state of the recording layer 12 in the steady state that is not heated by the write current. Has been.
  • the characteristic of the asymmetric STDP is realized by using the characteristic of the magnetoresistive effect element 53, a circuit for generating a special waveform or the like is not required to realize the characteristic of the asymmetric STDP, and the circuit is small. It is advantageous for area saving and power saving.
  • the data rewriting operation in the magnetoresistive effect element 53 that is, the connection load updating operation in this example can be performed at high speed, the processing speed of the neural network circuit 50 can be improved (speeded up). It is advantageous.
  • the channel layer 11 preferably has a resistivity in the range of 10 ⁇ ⁇ cm to 1000 ⁇ ⁇ cm. If the resistivity is 10 ⁇ ⁇ cm or more, the heat generation necessary to obtain the characteristics of the asymmetric STDP can be reliably obtained, and if the resistivity is 1000 ⁇ ⁇ cm or less, it is normally used for the neural network circuit 50 or the like. It is possible to drive with the supplied power supply voltage. In the case where the channel layer 11 has a laminated structure composed of a plurality of layers, the resistivity of the layer with the largest volume may be set so as to satisfy the above conditions.
  • the mode of temperature change of the recording layer 12 can be controlled.
  • the thermal conductivity is preferably in the range of 0.5 W / (m ⁇ K) to 180 W / (m ⁇ K). If the thermal conductivity is 0.5 W / (m ⁇ K) or more, a rapid temperature rise of the recording layer 12 can be suppressed, and a sufficient circuit operation margin can be secured. Further, if the thermal conductivity is 180 W / (m ⁇ K) or less, it is possible to reliably suppress the recording layer 12 from returning to a steady state in an extremely short time, so that the characteristics of the asymmetric STDP can be obtained with certainty. Examples of such materials include Si—O, Si—N, Al—O, Al—N, Zr—O, and Ti—O.
  • the pulse width of the write current pulses Pw1 and Pw2 is preferably in the range of 10 ns to 10 ⁇ s. If the pulse widths of the write current pulses Pw1 and Pw2 are 10 ns or more, the necessary heat generation in the channel layer 11 can be reliably obtained, and if it is 10 ⁇ s or less, the channel layer 11 can reliably prevent the heat generation from being saturated. More preferably, the pulse width is not less than 30 ns and not more than 1 ⁇ s. If it is 30 ns or more, sufficient heat generation can be obtained. On the other hand, if it is 1 ⁇ s or less, power consumption can be kept small, and if it is within this range, circuit design is easy. In addition to the rectangular wave, the pulse waveform may be a triangular wave or a trapezoidal wave.
  • an effective pulse time difference ⁇ T that causes a change in magnetization state similar to the characteristics of the asymmetric STDP depends on the rate of temperature rise of the recording layer 12 and the rate of temperature decrease due to heat dissipation, for example, 10 ns or more 10 ⁇ s or less.
  • the ratio of the effective pulse time difference ⁇ T to the pulse width is preferably 0.1 or more and 50 or less. If it is 0.1 or more, the write current pulses Pw1 and Pw2 are not inputted almost simultaneously, and the resistance value of the magnetoresistive effect element 53 is surely changed.
  • FIG. 18 is an example showing the neural network circuit 50 more specifically.
  • the pre-neuron circuit 51 includes a main body circuit unit 51a including the above-described readout circuit 54 and a first interface circuit 51b.
  • the main circuit unit 51a is connected to the magnetoresistive effect element 53 via the first interface circuit 51b.
  • the post-neuron circuit 52 has a main body circuit unit 52a and a second interface circuit 52b, and is connected to the magnetoresistive effect element 53 via the second interface circuit 52b.
  • the front neuron circuit 51 has a second interface circuit and the rear neuron circuit 52 has a first interface circuit, which are omitted in FIG.
  • the main body circuit unit 51a outputs the above-described read pulse Pr1 and write current pulse Pw1.
  • the read pulse Pr1 is generated by applying a voltage or a current to the third terminal T3.
  • the main circuit unit 52a of the post-neuron circuit 52 integrates the current or voltage of the read pulse Pr1, and outputs the read pulse Pr2 and the write current pulse Pw2 based on the integration result.
  • the first interface circuit 51b and the second interface circuit 52b are drawn as switches for switching the path of the pulse signal, but in reality, each pulse signal of the read pulse Pr1, the write current pulses Pw1, and Pw2 flows.
  • a voltage or current is applied to the first terminal T1 to the third terminal T3 of the magnetoresistive effect element 53, or the pulse signal is controlled to flow through a predetermined path.
  • the main circuit unit 51a of the pre-neuron circuit 51 applies a voltage to the third terminal T3 and outputs the readout pulse Pr1, the switches S1 and S5 are turned on, the switches S3 and S6 are turned off, and the readout pulse Pr1 is the third one.
  • the signal is input from the terminal T3 to the main body circuit portion 52a through the reference layer 14, the nonmagnetic layer 13, the recording layer 12, the channel layer 11, and the second terminal T2.
  • the main body circuit unit 52a integrates the current or voltage of the input read pulse Pr1, and the magnitude of the current or voltage (the pulse height of the read pulse Pr1) depends on the element resistance based on the magnetization state of the recording layer 12. It depends on the size.
  • the main body circuit unit 51a outputs the write current pulse Pw1 with a delay of ⁇ Td from the time when the read pulse Pr1 is output.
  • the switches S3 and S6 are turned on, the switches S1 and S5 are turned off, the switch S2 is switched to the main body circuit unit 51a side, and the switch S7 is switched to the ground side.
  • the write current pulse Pw1 is input to the first terminal T1, and the current flows through the channel layer 11 toward the second terminal T2.
  • the write current pulse Pw2 is output with a delay of ⁇ Td from the output point.
  • the switches S3 and S6 are turned on, the switches S1 and S5 are turned off, the switch S7 is switched to the main circuit part 52a side, and the switch S2 is switched to the ground side.
  • the write current pulse Pw2 is input to the second terminal T2, and the current flows through the channel layer 11 toward the first terminal T1.
  • the write current pulses Pw1 and Pw2 are output with a certain delay time ⁇ Td from the read pulses Pr1 and Pr2, respectively. Therefore, the firing timings of the front neuron circuit 51 and the post-neuron circuit 52 are determined.
  • Write current pulses Pw1 and Pw2 are input to the first terminal T1 and the second terminal T2 at intervals. The interval between the write current pulses Pw1 and Pw2 may be proportional to the interval of each ignition timing.
  • the output timings of the write current pulses Pw1 and Pw2 may be simultaneous.
  • the switches S2 and S7 are switched to the main body circuit portions 51a and 52a, respectively, so that the same voltage is applied to the first terminal T1 and the second terminal T2, and no current flows in the channel layer 11.
  • FIG. 19 shows another example showing the neural network circuit 50 more specifically.
  • the read pulse Pr1 and the write current pulse Pw1 from the previous neuron circuit 51 are input to the first terminal T1.
  • the main body circuit portions 57 and 58 are the same as the main body circuit portions 51a and 52a except that they have an output terminal common to the read pulse Pr1 and the write current pulse Pw1.
  • the switch S11 in the front neuron circuit 51 is switched to the main body circuit unit 57 side, the switch S12 in the rear neuron circuit 52 is turned on, and the switch S13 is turned off.
  • the read pulse Pr1 is input to the first terminal T1, and is input to the main body circuit unit 58 through the channel layer 11, the recording layer 12, the nonmagnetic layer 13, the reference layer 14, and the third terminal T3.
  • a read pulse Pr 1 having a pulse height depending on the element resistance based on the magnetization state of the recording layer 12 is input to the main body circuit unit 58.
  • the switch S11 When the write current pulse Pw1 is output from the main circuit unit 57, the switch S11 is switched to the main circuit unit 57 side, the switch S12 in the rear neuron circuit 52 is turned off, the switch S13 is turned on, and the switch S14 is turned to the ground side. Can be switched. Thus, the write current pulse Pw1 is input to the first terminal T1, and the current flows through the channel layer 11 toward the second terminal T2.
  • the switch S12 When the write current pulse Pw2 is output from the main body circuit section 58, the switch S12 is turned off, the switch S13 is turned on, the switch S14 is switched to the main circuit section 58, and the switch S11 is switched to the ground side. As a result, the write current pulse Pw2 is input to the second terminal T2, and the current flows through the channel layer 11 toward the first terminal T1.
  • the property that the recording layer 12 is likely to undergo magnetization reversal as the temperature of the recording layer 12 rises is utilized. That is, the steady state of the recording layer 12 that has not been heated by the write current is set to the most stable state, the temperature of the recording layer 12 is increased by the preceding write current pulse to excite the energy from the most stable state, and subsequent writing The magnetization state of the recording layer 12 is changed by the current pulse.
  • magnetization dynamics can be used as a method of energizing other than the rise in temperature. When this magnetization dynamics is used to control the magnetization with multiple write current pulses, when the magnetization moves dynamically based on the Landau-Lifshitz-Gilbert equation, the magnetization is caused by the previously input write current pulse.
  • the pulse width of the write current pulse is preferably in the range of 10 ps to 5 ns, and the interval between two effective write current pulses that cause a change in the magnetization state is 20 ps to 2 ns.
  • the change in the magnetization state of the recording layer 12 in this example is, in a broad sense, the recording layer 12 is energetically excited from the most stable state by the preceding writing current pulse, and the recording layer 12 is excited by the subsequent writing current pulse. This changes the magnetization state of.
  • the property that the direction of magnetization can be reversed by the nth current pulse or the pulse frequency is fixed.
  • the nature of the magnetization direction can be reversed with the nth current pulse according to the number of pulses, and the magnetization of only when the input timing is close when multiple pulses are input from multiple channels.
  • a magnetoresistive effect element is used as an element (hereinafter referred to as an integration element) for performing an integration operation in the neuron circuit as an example of a circuit unit by utilizing the property that the direction can be reversed.
  • the programming method using the first property is called rate coding, and the programming method using the last property is called timing coding. Except as described below, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Further, the configuration of the neuron circuit described below is an example, and the present invention is not limited to this.
  • magnetoresistive effect element 62 in which first to Mth (M is 2 or more) input circuits 61a to 61m (hereinafter referred to as input circuit 61 unless otherwise specified) are provided in neuron circuit 60.
  • the input circuit 61 is a pre-neuron circuit, for example, and outputs a write current pulse Pw1 corresponding to a spike pulse at an arbitrary timing.
  • the current generated by the write current pulse Pw1 flows in the channel layer 11 from the first terminal T1 toward the second terminal T2.
  • the neuron circuit 60 is provided with an output destination circuit 63 and a readout circuit 64.
  • the read circuit 64 applies a predetermined voltage or current to the third terminal T3, thereby applying a read pulse Pr2 having a pulse height (current or voltage magnitude) depending on the element resistance of the magnetoresistive effect element 62 to the second terminal.
  • the output destination circuit 63 is made to output from T2.
  • the magnetoresistive effect element 62 is provided as an integration element for realizing an integration function in the integral ignition model.
  • the output destination circuit 63 is, for example, a pulse generation circuit that generates a pulse when the integral value exceeds a threshold value. Note that the ignition characteristics of the magnetoresistive effect element 62 change depending on the typical frequency of the input write current pulse Pw1.
  • the magnetoresistive effect element 62 the actual change of the element resistance with respect to the current flowing through the channel layer 11 is changed as shown in FIG. It is of value type.
  • the magnetoresistive element 62 changes from the antiparallel state to the parallel state when the magnetization state is changed by the write current pulse Pw1, for example.
  • n q (n q is an integer of 2 or more) write current pulses Pw1 are input to the magnetoresistive effect element 62 at a specific pulse frequency, the first to (n q ⁇ 1) th By the write current pulse Pw1, the recording layer 12 is heated to a temperature higher than the temperature at which the magnetization state of the recording layer 12 can be changed by one write current pulse Pw1 (hereinafter referred to as a threshold temperature), and the n qth write current
  • the pulse height and pulse of each write current pulse Pw1 are changed according to the characteristics of the channel layer 11 and the recording layer 12 so that the magnetization state of the recording layer 12 changes from the antiparallel state to the parallel state in response to the input of the pulse Pw1.
  • the width is determined.
  • the recording layer 12 becomes equal to or higher than the threshold temperature when n q-th write current pulse Pw1 is input Need to be. Further, since the magnetization state of the recording layer 12 is reversed by the n qth write current pulse Pw1, the individual write current pulses Pw1 do not change the magnetization state of the recording layer 12 in the steady state that is not heated by the write current. It is a size.
  • the write current pulse Pw1 is input to the magnetoresistive effect element 62 at a specific pulse frequency or at a specific number of pulses within a predetermined time, n write currents depending on the pulse frequency.
  • the magnetization state of the recording layer 12 can be reversed by the input of the pulse Pw1.
  • the number n of write current pulses Pw1 necessary for reversing the magnetization state of the recording layer 12 decreases as the pulse frequency increases.
  • the first to (n ⁇ 1) th write current pulse Pw1 raises the temperature of the recording layer 12 above the threshold temperature, and the magnetization state of the recording layer 12 changes in response to the input of the nth write current pulse Pw1. It changes from an antiparallel state to a parallel state.
  • FIG. 22 shows an actual measurement of the relationship between the pulse frequency (input signal frequency) of the write current pulse and the output signal frequency indicating the frequency of reversal of the magnetization direction of the recording layer 12.
  • the pulse frequency input signal frequency
  • FIG. 23 shows waveforms of write current pulses with pulse frequencies of 2 MHz, 5 MHz, and 7 MHz when this measurement is performed. From this measurement, it can be seen that when the pulse frequency is lower than the predetermined frequency, the magnetization of the recording layer 12 does not reverse. When the pulse frequency exceeds the predetermined frequency, the magnetization is reversed. It turns out that it becomes so high that it becomes high.
  • the influence of the input of the write current pulse Pw1 to the magnetoresistive effect element 62 is attenuated with time, but the influence is accumulated by the influence of the input of the write current pulse Pw1 becoming larger than the degree of the attenuation of the influence.
  • the direction is reversed to the magnetization of the recording layer 12 by the input of the write current pulse Pw1 when the influence reaches a certain level.
  • the influence of the input of the write current pulse Pw1 can be considered as the temperature of the recording layer 12.
  • n write current pulses Pw1 whose pulse frequency satisfies a predetermined condition is input is defined as a change in element resistance of the magnetoresistive effect element 62, that is, a change in pulse height of the read pulse Pr2. Can be detected.
  • the magnetoresistive effect element 62 can be used also as an integration element of a post-neuron circuit connected to each of the pre-neuron circuits for which a timing corresponding to a spike pulse is not output. In this case, whether or not the magnetization state of the recording layer 12 is reversed is determined by the pulse width, pulse height, and pulse input interval of the plurality of write current pulses Pw1 corresponding to the spike pulse.
  • the waveform of the input pulse is arbitrary, and a rectangular wave, a triangular wave, a trapezoidal wave, or the like is used.
  • the preferable range of the resistivity of the channel layer 11 is the preferable range of the thermal conductivity of the material covering the surface of the magnetoresistive effect element 62, and the preferable range of the pulse width of the write current pulse Pw1 is the magnetoresistance of the second embodiment. This is the same as that shown for the effect element. If the resistivity of the channel layer 11 is equal to or higher than the lower limit value of the preferable range, the heat generation necessary to realize the integration function in the integral ignition model can be reliably obtained.
  • the thermal conductivity of the material covering the surface of the magnetoresistive element 62 is equal to or less than the upper limit of the preferable range, it is possible to reliably suppress the recording layer 12 from returning to a steady state in an extremely short time, so that an integration function is used. it can.
  • the magnetoresistive effect element 62 is used as an integrating element in the neuron circuit, the integrating function can be realized only by the magnetoresistive effect element 62, which is advantageous in reducing the area and power consumption.
  • the data rewriting operation in the magnetoresistive effect element 62 that is, the integration operation in this example can be performed at high speed, it is advantageous in increasing the speed of the neuron circuit, and hence the neural network circuit.
  • FIG. 24 shows one of more specific examples of the neuron circuit 60 using the magnetoresistive effect element 62.
  • a post-neuron circuit 70 corresponding to the neuron circuit 60 is connected to a plurality of pre-neuron circuits 71.
  • the front neuron circuit 71 outputs a write current pulse Pw1 corresponding to the spike pulse at an arbitrary timing, and inputs it to the post-neuron circuit 70.
  • the post-neuron circuit 70 includes a magnetoresistive effect element 62, a pulse generation circuit 74, and an interface circuit 75.
  • the interface circuit 75 is depicted as various switches for switching the path of the pulse signal, actually, the first terminal T1 to the third terminal T3 of the magnetoresistive effect element 62 so that each of the read pulse Pr2 and the write current pulse Pw1 flows. It is composed of a transistor or the like that applies a voltage or current to the terminal T3 and controls the pulse signal to flow through a predetermined path.
  • the switch S31 When the write current pulse Pw1 is input to the post-neuron circuit 70, the switch S31 is turned off, the switch S32 is switched to the front neuron circuit 71 side, and the switch S33 is switched to the ground side.
  • the write current pulse Pw1 is input to the first terminal T1, and the current flows through the channel layer 11 toward the second terminal T2.
  • the write current pulse Pw1 flows through the channel layer 11, so that the channel layer 11 generates heat, and accordingly, the recording layer 12 rises in temperature. After the temperature rises, the recording layer 12 decreases in temperature due to heat dissipation.
  • the temperature of the recording layer 12 increases.
  • the next write current pulse Pw1 is input in a state where the temperature of the recording layer 12 reaches the threshold temperature by the write current pulse Pw1 that is input successively, the magnetization of the recording layer 12 is changed from the antiparallel state to the parallel state. Invert.
  • the switch S31 as the read circuit 64 is turned on, and the switch S33 is in the neutral position where neither switch S32 is connected.
  • the switch S34 is switched to the input side of the pulse generation circuit 74, respectively.
  • the read pulse Pr2 is sent from the third terminal T3 to the pulse generation circuit 74 through the reference layer 14, the nonmagnetic layer 13, the recording layer 12, the channel layer 11, and the second terminal T2.
  • the pulse height of the read pulse Pr2 has a magnitude depending on the element resistance based on the magnetization state of the recording layer 12.
  • the pulse generation circuit 74 determines the magnetization state of the recording layer 12 from the pulse height of the read pulse Pr2.
  • the pulse generation circuit 74 is also an initialization circuit. On the other hand, if the determined magnetization state is antiparallel, the pulse generation circuit 74 does nothing.
  • the switch S31 When outputting the reset current pulse Preset2, the switch S31 is turned off, the switch S32 is switched to the ground side, the switch S33 is switched to the switch S34 side, and the switch S34 is switched to the output side of the pulse generation circuit 74.
  • the reset current pulse Preset2 from the pulse generation circuit 74 is input to the second terminal T2, and the current flows through the channel layer 11 toward the first terminal T1.
  • the reset current pulse Preset 2 is configured to pass a current sufficient to reverse the magnetization of the recording layer 12. Therefore, the magnetization state of the recording layer 12 is reversed from the parallel state to the antiparallel state, and the magnetoresistive effect element 62 is initialized.
  • the recording layer of the magnetoresistive element is changed from the antiparallel state to the parallel state by the write current pulse from the previous neuron circuit.
  • the recording layer may be changed from the parallel state to the antiparallel state.
  • the temperature of the recording layer is increased by the preceding write current pulse to be excited from the most stable state, and the magnetization state of the recording layer is generated by the subsequent write current pulse. Is changing.
  • the pulse width of the write current pulse is preferably in the range of 10 ps to 5 ns, and the typical frequency of the applied plurality of write current pulses is about 500 MHz to 5 GHz.
  • the change in the magnetization state of the recording layer in this example is more broadly defined by the preceding n ⁇ 1 writing current pulses causing the recording layer to be energized from the most stable state and the subsequent nth writing.
  • the magnetization state of the recording layer is changed by a current pulse.
  • a recording layer is formed by passing a current by a plurality of current pulses between the first terminal and the second terminal connected to the channel layer.
  • a magnetized state By setting the magnetized state, it can be used as a synapse element in a neural network circuit, an element for integration in a neuron circuit, or the like.
  • the difference in time when a plurality of write current pulses for magnetization reversal is input is determined by the pulse width and pulse height of the plurality of write current pulses. This is the same as in the third embodiment. According to the inventors' experiment using two write current pulses, when the pulse width is 25 ns and the pulse height is smaller than the threshold value for causing magnetization reversal of the recording layer under this pulse width, 2 It was found that magnetization reversal was induced when the time difference between two write current pulses input was about 20 ns or less, and when the pulse width was 175 ns, magnetization reversal was induced when the time difference was about 150 ns or less. By using such a property, it is possible to function as a coincidence detector and determine whether or not there is a correlation between a plurality of input signals. This is one of the important functions of neural networks.
  • the graph of FIG. 25 shows the resistance value of the magnetoresistive element with respect to the integration time of the pulse width of the write current pulse input to, for example, the second terminal of the magnetoresistive element capable of storing multiple values for several pulse widths.
  • the measurement results are shown. Here, a sufficient (millisecond or more) interval is provided between a plurality of input write current pulses. From this measurement result, it can be seen that even if the pulse widths of the write current pulses having the same pulse height are different, the same resistance value can be obtained if the integration times of the pulse widths coincide.
  • two or more write current pulses are input to one or both of the first terminal and the second terminal, and the magnetization state is changed according to the sum of the pulse widths of the two or more write current pulses. be able to.
  • the change in resistance value is affected by the pulse height of the write current pulse, it can be changed to a magnetization state corresponding to the product sum of the pulse width and pulse height of two or more write current pulses. I understand.
  • circuit units such as counters and circuit devices used in the conventional Neumann architecture.

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Abstract

ニューラルネットワーク等を構成する素子として利用することができる磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子を用いた回路装置及び回路ユニットを提供する。磁気抵抗効果素子５３の第１端子Ｔ１には、前ニューロン回路５１からの書き込み電流パルスＰｗ１が入力され、第２端子Ｔ２には、後ニューロン回路５２からの書き込み電流パルスＰｗ２が入力される。書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２は、ニューロン回路が発火したときにスパイクパルスに同期して出力される。先行する書き込み電流パルスによる書き込み電流で記録層１２がエネルギー的に励起する。記録層１２は、エネルギー的な励起により磁化の向きが変化しやすくなり、後続する書き込み電流パルスによる書き込み電流で記録層１２の一部の磁化の方向が反転して磁化状態が変化する。磁気抵抗効果素子５３は、非対称型ＳＴＤＰの特性と同様な素子抵抗の変化を示す。

Description

磁気抵抗効果素子、回路装置及び回路ユニット
　本発明は、磁気抵抗効果素子、回路装置及び回路ユニットに関する。
　磁気抵抗効果素子（磁気トンネル接合素子、ＭＴＪ（Magnetic Tunneling Junction）素子等とも称される）を使用するＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が注目されている。
　特許文献１には、３端子型のＭＲＡＭに適した積層体が開示されている。この積層体は、非磁性体からなる第１外層と、磁性体からなる中心層（記録層）と、非磁性体からなる第２外層と、が積層された構造を有する。第１外層には、磁性体からなる参照層が積層されている。書き込みの際には、中心層に平行な書き込み電流を第２外層（導電層）に流して、中心層の磁化の向きを反転させる。なお、中心層、参照層の磁化の方向はいずれも第２外層の面内方向に対して垂直である。
　また、特許文献２にも、３端子型のＭＲＡＭに適した積層体が開示されている。この積層体は、非磁性体からなる第１外層と、磁性体からなる中心層（記録層）と、非磁性体からなる第２外層とが積層された構造を有する。第１外層には、参照層が積層されている。書き込みの際には、中心層に平行な書き込み電流を第２外層（導電層）に流して、中心層の磁化の向きを反転させる。なお、中心層、参照層の磁化の方向はいずれも、第２外層の面内方向に対して平行であり、書き込み電流の流入方向に対して垂直である。
　特許文献１、特許文献２ともに、第１外層、第２外層の少なくとも一方は非磁性の金属から構成される。非磁性の金属の具体的な材料としてＰｔ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ、及びそれらの合金が記載されている。
　一方で、生体の脳の仕組みをモデルにしてコンピュータ上で情報処理を行うニューラルネットワークが知られている。また、ニューラルネットワークを、半導体素子等を用いて実現すべく、その構成素子及び回路に関する研究が進められている。
米国特許出願公開第２０１２／００１８８２２号明細書 特表２０１３－５４１２１９号公報 国際公開第２０１３／０２５９９４号 国際公開第２０１６／１５９０１７号
　ところで、磁気抵抗効果素子は、不揮発性であり、また一般的に小型で高速書き込みが可能であるため、例えば上記のようなニューラルネットワークを構成するニューロン回路内の素子や前ニューロン回路と後ニューロン回路との結合荷重を決めるシナプス素子等として利用ができれば、小面積化、処理速度の向上、省電力化等が期待される。
　本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ニューラルネットワーク等を構成する素子として利用することができる磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子を用いた回路装置及び回路ユニットを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、正味の磁化を持たない材料で形成され、第１の方向に延びたチャネル層と、強磁性体からなる膜を含み、２つ以上の磁化状態のうち１つの磁化状態に変化する、前記チャネル層の一方の面上に形成された記録層と、前記記録層の前記チャネル層と反対側の面上に設けられた非磁性の非磁性層と、前記非磁性層の前記記録層と反対側の面上に設けられ、強磁性体からなる膜を含む磁化の方向が固定された参照層と、前記チャネル層に前記第１の方向に互いに間隔をあけて電気的にそれぞれ接続された第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間の前記チャネル層に電流を流し複数パルスで前記記録層をいずれか１つの磁化状態にする電流パルスが前記第１端子または前記第２端子に入力される端子対と、前記参照層に電気的に接続された第３端子とを備えるものである。
　本発明の回路装置は、上記磁気抵抗効果素子と、前記第１端子に接続され、発火タイミングに同期して前記電流パルスを前記第１端子に入力する前ニューロン回路と、前記第２端子に接続され、発火タイミングに同期して前記電流パルスを前記第２端子に入力する後ニューロン回路とを備えるものである。
　本発明の回路ユニットは、上記磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子の磁化の方向のの初期状態からの反転を検出してパルスを発生させるパルス発生回路とを備え、前記磁気抵抗効果素子の前記第１端子と前記第２端子とのいずれか一方の入力端子にニューロン回路が接続され、前記一方の入力端子に前記ニューロン回路の発火タイミングに同期して前記電流パルスが入力されるものである。
　本発明によれば、ニューラルネットワーク等を構成する素子として磁気抵抗効果素子を利用することができる。また、本発明によれば、上記磁気抵抗効果素子を用いることにより、小面積化、処理速度の向上、省電力化等に有利なニューラルネットワークやニューロン回路等の各種回路を実現できる。
磁気抵抗効果素子の外観を示す斜視図である。 磁気抵抗効果素子の記録層の磁化の変化を示す説明図である。 書き込み電流と磁気抵抗効果素子抵抗との関係を示すグラフである。 交換バイアスの作用を示す説明図である。 スピン軌道トルクを作用させるスピン流を示す説明図である。 スピン軌道トルクによる磁化方向の回転を示す説明図である。 参照層を積層フェリ構造とした磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 記録層と非磁性層との間にセンサー層と導電層を設けた磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 記録層と非磁性層との間にセンサー層を設けた磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 チャネル層の両端を導電層とした磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 チャネル層を２層構造とした磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 チャネル層が垂直方向における磁気モーメントを有する例における交換バイアスの作用を示す説明図である。 －Ｚ軸方向を記録層の磁化の向きの初期状態として多値を記憶可能な磁気抵抗効果素子に電流を流した場合の抵抗値の変化を示す電流－抵抗特性を示すグラフである。 ＋Ｚ軸方向を記録層の磁化の向きの初期状態として多値を記憶可能な磁気抵抗効果素子に電流を流した場合の抵抗値の変化を示す電流－抵抗特性を示すグラフである。 第２実施形態に係るニューラルネットワーク回路の概略を示すブロック図である。 向きの異なる電流パルスを入力したときのパルス時間差と磁気抵抗効果素子の抵抗変化との関係を測定したグラフである。 パルス時間差を示す説明図である。 ニューラルネットワーク回路の構成例を示す説明図である。 ニューラルネットワーク回路の別の構成例を示す説明図である。 第３実施形態に係る回路の概略を示すブロック図である。 第３実施形態に用いた磁気抵抗効果素子の書き込み電流と磁気抵抗効果素子の抵抗との関係を測定したグラフである。 書き込み電流パルスの入力周波数と記録層の磁化が反転する頻度を示す出力信号周波数との関係を測定したグラフである。 書き込み電流パルスの入力波形を示す波形図である。 磁気抵抗効果素子をニューロン回路内の積分素子として用いた構成例を示す説明図である。 書き込み電流パルスのパルス幅の積算時間と磁気抵抗効果素子の抵抗との関係を示すグラフである。
［第１実施形態］
＜磁気抵抗効果素子：素子構造＞
　図１に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、チャネル層１１、記録層１２、非磁性層１３、参照層１４が、この順番で積層された構成を有する。また、チャネル層１１には、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２が、参照層１４には第３端子Ｔ３がそれぞれ設けられており、磁気抵抗効果素子１０は、３端子構造になっている。この例における磁気抵抗効果素子１０は、記録層１２が２つの磁化状態のうちのいずれかに変化するタイプ（以下、二値タイプという）である。第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２は、導電性を有する他の部材や層を介してチャネル層１１に電気的に接続されてもよい。同様に、第３端子Ｔ３は、導電性を有する他の部材や層を介して参照層１４に電気的に接続されてもよい。
　なお、以下の説明では、図示されるように、チャネル層１１、記録層１２、非磁性層１３、参照層１４が積層された方向をＺ軸方向として、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を互い直交する方向とする。磁気抵抗効果素子１０の向きは、特に限定されない。したがって、チャネル層１１の下側に記録層１２等が配置される構成であってもよい。
　チャネル層１１は、導電性を有し、正味の磁化を持たない材料で形成されており、Ｚ軸方向に所定の厚みを有しており、この例ではＸ軸方向に延びた（長い）板状である。チャネル層１１の正味の磁化を持たない材料としては、非磁性体や反強磁性体等が挙げられる。この例におけるチャネル層１１は反強磁性体で形成されており、その内部の各磁気モーメントの方向が、チャネル層１１の延びた方向（Ｘ軸方向）と平行な方向になっている。ただし、チャネル層１１における反強磁性体内の磁気モーメントの構造は、この例のようにコリニア構造である以外に、ノンコリニア構造であっても構わない。チャネル層１１と記録層１２からなる積層構造体においては、それに書き込み電流を流した際に生じるスピン流等によるスピン軌道トルクによって記録層１２の磁化の向きを変化させる。書き込み電流を流す方向は、チャネル層１１の長手方向（Ｘ軸方向）である。なお、この例では、Ｘ軸方向が第１の方向である。また、チャネル層１１の形状は、一方向に延びた形状に限定されない。
　上記チャネル層１１は、一例においては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの第１の群と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの第２の群とのそれぞれから少なくとも１つずつ選択される各元素を含む合金で形成された反強磁性体である。このような、チャネル層１１を構成する合金の例としては、Ｐｔ－Ｍｎ合金、Ｉｒ－Ｍｎ合金が挙げられる。例えばＰｔ－Ｍｎ合金の場合では、その組成比は、ＰｔＸＭｎ１００－Ｘにおいて、Ｘが３０から７０であることが好ましく、例えばＰｔ４０Ｍｎ６０の合金が好ましい。また、Ｉｒ－Ｍｎ合金の場合では、その組成比は、ＩｒＸＭｎ１００－Ｘにおいて、Ｘが２０から８０であることが好ましい。
　また、上記チャネル層１１は、別の一例においては、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ単体金属、及びこれらを主成分とする合金で形成された非磁性体である。
　チャネル層１１は、例えば、厚み（Ｚ軸方向の長さ）が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、望ましくは３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、Ｘ軸方向の長さが４０ｎｍ以上９２０ｎｍ以下、望ましくは６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下、幅（Ｙ軸方向の長さ）が１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内に形成される。
　また、チャネル層１１は、記録層１２に交換バイアス磁場を与える。このため、記録層１２にはＸ軸方向の定常的な磁場（以下、定常磁場Ｈｏという）が印加されているものとみなすことができる。チャネル層１１による交換バイアス磁場の作用については後述する。
　記録層１２は、チャネル層１１の一方の面上の一部に設けられており、この例ではチャネル層１１のＸ軸方向の中央に配置されている。この記録層１２は、強磁性体からなる膜を含む層であって、磁化状態が変化可能な層である。この例では、記録層１２は、その膜面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に磁化容易軸（垂直磁化容易軸）を有している。ただし、後述するチャネル層１１からの交換バイアスによって、定常状態において、チャネル層１１との界面付近の磁化の方向が膜面に垂直な方向から傾斜していてもよい。
　なお、この例では、チャネル層１１の上面の中央部に記録層１２を積層しているが、チャネル層１１の上面全体に記録層１２を積層してもよい。この構成は、磁気抵抗効果素子の製造が容易である。また、チャネル層１１の長手方向（Ｘ軸方向）の中心に、記録層１２を積層したが、チャネル層１１の長手方向の中心からずれた位置に記録層１２を積層してもよい。
　この記録層１２の磁化状態は、上述のスピン軌道トルクにより磁化のＺ軸方向の成分が＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とで変化する。この例では、記録層１２は、磁化のＺ軸方向の成分が揃って参照層１４の磁化と同じ向きになっている平行状態（第１の磁化状態）と逆向きになっている反平行状態（第２の磁化状態）とのいずれかになる。
　なお、記録層１２がチャネル層１１の一方の面上に形成されるとは、チャネル層１１の一方の面上に直接に記録層１２が形成されるほか、記録層１２に隣接ないし近接するようチャネル層１１が形成されていることを含む。したがって、他の層、空間等を介して、記録層１２とチャネル層１１とが配置されてもよい。他の層についても同様である。
　記録層１２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性体の膜を含む構成である。具体的には、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／ＡｕまたはＦｅ／Ａｕの積層構造、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｐｄ、Ｆｅ－Ｃｏ－ＰｔまたはＦｅ－Ｃо－Ｐｄ等の合金、あるいは、ＣоＦｅＢやＦｅＢ等の合金を使用することができる。さらには、上記の積層構造、合金を組み合わせて積層した積層構造、例えば、［Ｃｏ／Ｎｉ］／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ等であってもよい。なお、上記の積層構造の表記は、「／」の前後の材料からなる膜を積層した積層構造であることを意味し、この例では「／」の前側の材料がチャネル層１１側である。また、上記「－」を含む合金の表記は、「－」で結ばれた元素を成分として含む合金を意味しており、それ以外の元素を含んでいてもよい。以下の積層構造及び合金の表記についても同様である。
　記録層１２は、厚みが０．８ｎｍ以上５ｎｍ以下、望ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下、Ｘ軸方向の長さが１０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、幅が１０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内に形成される。
　非磁性層１３は、記録層１２のチャネル層１１と反対側の面上に設けられており、例えばＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等の絶縁性を有する非磁性材料から形成される。この場合、非磁性層１３は、例えば、厚みが０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下、望ましくは０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の範囲内に形成されている。なお、非磁性層１３は、ＣｕやＡｌなどの導電性を有する非磁性材料から形成されても良い。
　参照層１４は、強磁性体からなる膜を含む層であって、磁化の向きが固定されたものである。参照層１４の磁化の向きは、＋Ｚ軸方向、または－Ｚ軸方向に固定されている。参照層１４の磁化の向きの固定は、実質的に固定されている場合を含む。すなわち、参照層１４は、トンネル磁気抵抗効果を利用した読み出し動作に影響が出ない範囲で磁化の向きが変動してもかまわない。この参照層１４は、非磁性層１３の記録層１２と反対側の面上に設けられており、非磁性層１３が絶縁体で構成される場合には、記録層１２との間に非磁性層１３を挟むことで、磁気トンネル接合（以下、ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）を形成する。なお、非磁性層１３が導電体で構成される場合には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子構造を形成する。
　第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２は、この例ではチャネル層１１の記録層１２と反対側の面に設けられており、チャネル層１１に電気的に接続されている。第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２は、ＸＹ面内において、それら端子が記録層１２を挟む位置に互いにＸ軸方向に間隔をあけて配置されている。この例では、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２は、チャネル層１１の長手方向の端部にそれぞれ配置されている。第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２には、外部の回路（図示省略）が接続されており、外部の回路から第１端子Ｔ１または第２端子Ｔ２の一方に電流パルスが入力される。すなわち、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２は、入力端子対を構成している。なお、チャネル層１１の記録層１２と反対側の面に第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２を設けているが、チャネル層１１のいずれの面に設けてもよい。
　外部の回路から第１端子Ｔ１または第２端子Ｔ２の一方に電流パルスが入力されると、その一方の端子から他方の端子に向けてチャネル層１１内に書き込み電流が流れる。これにより、スピン軌道トルクによって記録層１２の磁化状態を変化させる。書き込み電流は、第１端子Ｔ１に電流パルス（第１の電流パルス）が入力されたときに＋Ｘ軸方向に流れるものと、第２端子Ｔ２に電流パルス（第２の電流パルス）が入力されたときに－Ｘ軸方向に流れるものとがあり、書き込み電流の向きにより、記録層１２を平行状態と反平行状態とのいずれか一方にすることができる。
　第３端子Ｔ３は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の両方またはいずれか一方（この例では、第２端子Ｔ２とする）とで、記録層の磁化状態に対応する読み出し電流を取り出す出力端子対を構成する。この例では出力端子対は、記録層１２の磁化状態を判断する際に、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間に電圧を印加し、チャネル層１１から記録層１２、非磁性層１３を経て参照層１４に至る経路に読み出し電流を流す。印加電圧と読み出し電流とから、参照層１４とチャネル層１１との間の抵抗（トンネル抵抗）の高低（高抵抗または低抵抗）を判別することにより、記録層１２の磁化状態（平行状態または反平行状態）を求める。チャネル層１１と参照層１４との間の抵抗は、記録層１２の磁化状態に応じて相対的に高い高抵抗状態と相対的に低い低抵抗状態とに変化する。
　なお、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間に所定の電流を印加し、取り出される電圧から参照層１４とチャネル層１１との間の抵抗の高低を判別することもできる。
＜形状＞
　記録層１２、非磁性層１３、参照層１４のＸ軸方向の長さＬｍ１は、典型的には２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にされる。記録層１２、非磁性層１３、参照層１４のＹ軸方向の長さＬｍ２は典型的には２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にされる。ＸＹ平面において、チャネル層１１が記録層１２、非磁性層１３、参照層１４とオーバーラップしていない領域のＸ軸方向の長さＬｂ１と長さＬｂ２は、典型的には０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内にされる。チャネル層１１のＹ軸方向の長さＬｂ３は、典型的には２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下にされる。これらＬｍ１、Ｌｍ２、Ｌｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３の大小関係はＬｍ１～Ｌｍ２、Ｌｍ２≦Ｌｂ３及びＬｍ１＜～Ｌｂ１～Ｌｂ２の各関係を満たすことが望ましい。なお、記号「～」は同程度であることを表し、「～」で結ばれた一方の長さを基準にして、他方の長さが一方の長さの例えば±５０％の範囲に収まること意味する。また、記号「＜～」は、右辺の値は左辺の値と同程度かそれよりも大きいことを表し、例えば右辺の値が左辺の値の－５０％以上であれば、右辺の値は左辺の値と同程度とする。
　ＸＹ平面における形状は、チャネル層１１が長方形、記録層１２、非磁性層１３、参照層１４がそれぞれ正方形としているが、これに限定されるものではない。例えば、記録層１２、非磁性層１３、参照層１４のＸＹ平面における形状は、円形、楕円形、平行四辺形、菱形、六角形等、好適なデバイス動作が得られるように適宜決めることができる。
　また、チャネル層１１の短手方向であるＹ軸方向を記録層１２の長手方向とする必要がないので、チャネル層の長手方向と記録層の長手方向とをほぼ垂直方向とする構成（書き込み電流と記録層の磁化の方向が直角な構成）に比較して、セル面積を小さくすることができる。
　上記チャネル層１１～参照層１４は、図示せぬ基板上に、例えば超高真空スパッタリング法等により順次に堆積されて形成される。このように形成されたチャネル層１１～参照層１４は、磁場中にて熱処理を施してもよい。処理条件は、例えば、温度：３００～４００℃、保持時間：２時間、磁束密度：１．２Ｔである。磁場は、チャネル層１１の延びた方向（長手方向：Ｘ軸方向）に対して±４５度以内、好ましくは、±３０度以内の方向とする。この処理により、チャネル層１１に反強磁性体を用いた場合にはその磁気モーメントの方向を揃えることができ、交換バイアスにより隣接する記録層１２の強磁性体に内部磁場を及ぼすことが可能となる。その後、堆積された膜を、リソグラフィー技術などにより適当な形状にパターニングする。参照層１４の磁化方向は、材料に固有の磁気異方性、及び素子作製後の磁場印加により所望とする向きにする。なお、熱処理を行わず、所定の磁束密度の磁場中において、チャネル層１１～参照層１４を堆積し、堆積膜をパターニングしてもよい。
＜素子動作＞
　上記のように構成される磁気抵抗効果素子１０を１ビットデータ（データ“１”または“０”）のメモリとして利用する場合の動作について説明する。記録層１２の磁化状態、すなわち抵抗状態に“０”と“１”の１ビットデータが予め割り当てられる。例えば、高抵抗状態を“１”、低抵抗状態を“０”に予め割り当てられる。すなわち、記録層１２の平行状態に“１”、反平行状態に“０”が割り当てられる、なお、以下では、説明を簡単にするために、記録層１２の磁化の向きは、Ｚ軸方向の成分についてのみ説明ないし図示する。
　磁気抵抗効果素子１０からデータを読み出す際には、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間に予め定められた電圧を印加する。図２（Ａ）に示す記録層１２は、磁化Ｍ１２の向きが＋Ｚ軸方向であり、参照層１４の－Ｚ軸方向の磁化Ｍ１４と逆向きの反平行状態である。このため、磁気抵抗効果素子１０は、参照層１４と記録層１２との間の電流路の抵抗が相対的に大きい高抵抗状態にある。このため、読み出し電流は、相対的に小さい。一方、図２（Ｂ）に示す記録層１２は、磁化Ｍ１２の向きが－Ｚ軸方向であり、参照層１４の磁化Ｍ１４の向きと同じ平行状態である。このため、磁気抵抗効果素子１０は、参照層１４と記録層１２との間の電流路の抵抗が相対的に小さい低抵抗状態にある。このため、読み出し電流は、相対的に大きい。
　印加電圧と読み出し電流の大きさから、参照層１４から記録層１２に至る電流路の抵抗状態を判別し、その抵抗状態から１ビットデータが特定される。なお、１ビットデータと抵抗状態の割り当ては逆でもよい。また、読み出し電流は、記録層１２、非磁性層１３、参照層１４からなる磁気トンネル接合を貫通する方向に流れれば良いから、チャネル層１１から参照層１４に向かって流れる向きでも、その逆でもよい。
　磁気抵抗効果素子１０にデータを書き込む際には、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを用いてチャネル層１１と記録層１２からなる積層構造体にパルス状の書き込み電流Ｉｗを流す。この書き込み電流Ｉｗは、チャネル層１１だけに流れてもよく、チャネル層１１と記録層１２の両方に流れてもよい。記録層１２の磁化反転が、後述するようにスピンホール効果によって誘起される場合には、チャネル層１１に電流を導入する必要があり、この場合には少なくともチャネル層１１に書き込み電流Ｉｗを流す。一方、磁化反転がラシュバ・エーデルシュタイン効果によって誘起される場合には、積層膜界面に電流を導入する必要があり、この場合にはチャネル層１１と記録層１２の両方に書き込み電流Ｉｗを流す。この例のようにチャネル層１１の面上に直接に記録層１２が形成されている構成では、チャネル層１１と記録層１２がそれぞれ導体であるため、チャネル層１１に電流を流せば記録層１２にも電流が流れることになり、もちろんそれらの界面にも電流が流れる。なお、説明を簡単にするために、特に区別する必要がないときには、いずれの場合をも含めて「チャネル層１１に書き込み電流Ｉｗを流す」等と称して説明する。
　データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１０にデータ“０”を書き込む際には、例えば第１端子Ｔ１に電流パルスを入力し、チャネル層１１に第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に向う＋Ｘ軸方向の書き込み電流Ｉｗを流す。この書き込み電流Ｉｗがチャネル層１１に流れることで、チャネル層１１内でスピンホール効果等によって例えば－Ｚ軸方向のスピン流Ｊｓが発生する。このため、偏極スピンが記録層１２に蓄積し、スピン軌道トルクが記録層１２の磁化Ｍ１２に作用し、記録層１２の磁化Ｍ１２は、図２（Ａ）に示すように、＋Ｚ軸方向に向いた反平行状態から回転し、図２（Ｂ）に示すように、－Ｚ軸方向に向いた平行状態に反転する。この結果、磁気抵抗効果素子１０は、低抵抗状態となる。これにより、磁気抵抗効果素子１０の記憶データ“１”が“０”に書き換えられる。
　一方、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１０にデータ“１”を書き込む際には、第２端子Ｔ２に電流パルスを入力し、チャネル層１１と記録層１２からなる積層構造体に第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１に向う－Ｘ軸方向の書き込み電流Ｉｗを流す。この場合には、チャネル層１１にスピンホール効果等によって、＋Ｚ軸方向にスピン流Ｊｓが発生する。上記と同様に偏極スピンが蓄積し、スピン軌道トルクが記録層１２の磁化Ｍ１２に作用する。このため、記録層１２の磁化Ｍ１２は、図２（Ｂ）に示すように、－Ｚ軸方向に向いた平行状態から回転し、図２（Ａ）に示すように、＋Ｚ軸方向に向いた反平行状態に反転する。この結果、磁気抵抗効果素子１０は、高抵抗状態となって記憶データが“１”に書き換えられる。
　なお、ここではスピンホール効果がスピン軌道トルクの起源として説明をしているが、スピン軌道トルクの起源は他の効果に由来しても構わない。例えばラシュバ・エーデルシュタイン効果であっても構わない。この場合には、チャネル層１１と記録層１２の界面を流れる電子に対してラシュバ有効磁場が働くことで偏極スピンが蓄積し、これが記録層１２の磁化Ｍ１２に作用して磁化反転が誘起される。
　いずれの場合も、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きは、書き込み電流Ｉｗが「０」になった後も維持されるので、データは磁気抵抗効果素子１０に不揮発的に記憶される。チャネル層１１に流れる電流の正負をＸ軸方向の正負と同じにとれば、データ“１”を書き込む際の書き込み電流Ｉｗのパルス高（電流値）は、後述する閾値ＩＣ１（＜０）以下であり、データ“０”を書き込む際の書き込み電流Ｉｗのパルス高は、後述する閾値ＩＣ０（＞０）以上である。また、書き込み電流Ｉｗのパルス幅は、データの書き換えに要する時間以上の時間であり、この例においては、２０マイクロ秒未満の時間、例えば、０．１ナノ秒以上５マイクロ秒未満である。
　なお、磁気抵抗効果素子１０に記憶しているデータと同じデータを書き込むための書き込み電流Ｉｗを流した場合、データの書き換えは起こらない。また、上記書き込み電流Ｉｗの向きとスピン流、及びスピン軌道トルクの向きとの関係は一例であり、書き込み電流Ｉｗの向きに対するスピン流、及びスピン軌道トルクの向きは、チャネル層１１と記録層１２と非磁性層１３とに使用する材料とその組み合わせにより変化する。したがって、記憶すべきデータに対する書き込み電流Ｉｗの向きは、チャネル層１１と記録層１２と非磁性層１３とに使用する材料とその組み合わせに基づいて決められる。
　書き込み電流Ｉｗと、チャネル層１１と参照層１４との間の抵抗Ｒとの関係の一例を、図３に示す。閾値ＩＣ１以下の書き込み電流Ｉｗが流れることにより、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが参照層１４の磁化Ｍ１４の向きと反対となり（反平行状態）、抵抗Ｒは相対的に大きな値ＲＡＰとなる。一方、閾値ＩＣ０以上の書き込み電流Ｉｗが流れることにより、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが参照層１４の磁化Ｍ１４の向きと同一となり（平行状態）、抵抗Ｒは相対的に小さな値ＲＰとなる。データの書き換えが起こる書き込み電流Ｉｗの閾値ＩＣ１とＩＣ０は、その絶対値がほぼ等しい。
　次に、チャネル層１１に反強磁性体を用いた場合の交換バイアス磁場の作用を図４を参照して説明する。反強磁性体であるチャネル層１１の内部には、隣り合う磁気モーメントが相反する向きになった磁気的な秩序が存在している。このチャネル層１１を強磁性体である記録層１２に隣接させると、チャネル層１１から働く一方向の交換バイアス磁場が記録層１２の磁化Ｍ１２に作用する。このように反強磁性体の磁場が強磁性体に与える作用を交換バイアスという。この交換バイアスにより、強磁性体の磁化は、反強磁性体界面付近では、反強磁性体の磁気モーメントの方向に回転し、反強磁性体から遠ざかるにつれて強磁性体自身が有する磁化容易軸方向へ向く。この例では、チャネル層１１の磁気モーメントは、面内方向であって、記録層１２が垂直磁化容易軸を有するから、記録層１２には面内方向の交換バイアスが働き、記録層１２の磁化は、チャネル層１１との界面付近で面内方向に回転しており、反強磁性体から遠ざかるにつれて垂直方向を向く。
　このように、記録層１２には、チャネル層１１からの交換バイアスが働くため、外部磁場を記録層１２に印加するための機構を別途設ける必要がない。このため、磁気抵抗効果素子１０を採用した記録装置等においては、外部磁場印加の機構を有する構成に比べ、その構成を簡略化することができる。
　次に、上述したようにスピン軌道トルクによって記録層１２の磁化Ｍ１２の向きが反転する原理を説明する。ここでは、スピンホール効果によってスピン軌道トルクが働く場合における磁化Ｍ１２の方向の反転のメカニズムを説明する。また、簡単化のために磁化は準静的過程における軌跡を辿って反転するものと仮定する。図５は、チャネル層１１に＋Ｘ軸方向の書き込み電流Ｉｗが流れたときのスピン流Ｊｓの流れを模式的に示している。＋Ｘ軸方向に書き込み電流Ｉｗが流れると、＋Ｙ軸方向にスピン偏極した電子は－Ｚ軸方向に散乱され、－Ｙ軸方向にスピン偏極した電子は＋Ｚ軸方向に散乱される。これによって、記録層１２に、－Ｙ軸方向にスピン偏極した電子が蓄積される。なお、電流の符号（電流の向き）と偏極スピンの散乱される方向や大きさはスピンホール角の符号で決まり、上記と逆となることもある。上記の説明は、スピンホール角が正の場合の電流方向とスピン散乱方向の関係に基づく。
　－Ｙ軸方向にスピン偏極した電子は、記録層１２の磁化Ｍ１２の方向にトルクを及ぼす。これがスピン軌道トルクである。スピン軌道トルクには２種類の働き方があり、それぞれ、縦有効磁場と横有効磁場で表すことができる。縦有効磁場はトルクの種類としてはスロンチェフスキートルク（Slonczewski torque）に対応し、一方、横有効磁場はフィールドライクトルク（Field-like torque）に対応する。
　図６（Ａ）～（Ｄ）は、記録層１２の磁化Ｍ１２が４つの方向を向いているときの縦有効磁場Ｈ１、横有効磁場Ｈ２の方向を模式的に示している。横有効磁場Ｈ２は常に＋Ｙ軸方向を向く。一方、縦有効磁場Ｈ１は磁化Ｍ１２の向きをＸＺ面内で回転させる方向を向く。なお、縦有効磁場Ｈ１と横有効磁場Ｈ２の向きは用いる材料の組み合わせによって変化する。
　ここで、図６（Ａ）に示すように、チャネル層１１による＋Ｘ軸方向の定常磁場Ｈｏが記録層１２に作用していると仮定する。＋Ｘ軸方向に書き込み電流Ｉｗが流れた場合には、それにともなうスピン流Ｊｓによる縦有効磁場Ｈ１によって、図６（Ａ）に示すように、磁化Ｍ１２が＋Ｚ軸方向を向いている状態から、図６（Ｂ）に示すように、磁化Ｍ１２が＋Ｘ軸方向を向いた状態を経由して、図６（Ｃ）に示すように、磁化Ｍ１２が－Ｚ軸方向を向いた状態まで回転する。図６（Ｃ）に示す状態では縦有効磁場Ｈ１が－Ｘ軸方向に働いているが、定常磁場Ｈｏが＋Ｘ軸方向に働いているので、それ以上の磁化Ｍ１２に向きの回転は生じない。したがって、図６（Ｃ）に示す状態が終状態となる。
　一方、図６（Ｃ）に示す状態において、チャネル層１１に上記と逆向きの書き込み電流Ｉｗが流れた場合、縦有効磁場Ｈ１は逆向きになる。これによって、磁化Ｍ１２は、図６（Ｃ）に示す状態から、図６（Ｂ）に示す状態を経由して、図６（Ａ）に示す状態に変化し、この状態が終状態となる。
　なお、定常磁場Ｈｏが－Ｘ軸方向である場合には、図６（Ｂ）を経由せずに、図６（Ｄ）を経由して、図６（Ａ）に示す状態と図６（Ｃ）に示す状態とに変化し、書き込み電流Ｉｗの向きに応じて、図６（Ａ）に示す状態または図６（Ｃ）に示す状態に安定させることができる。
　上記はスピンホール効果に基づいた説明であるが、ラシュバ・エーデルシュタイン効果であっても縦有効磁場Ｈ１と横有効磁場Ｈ２の両方が磁化Ｍ１２に作用し、その磁化方向の反転過程は上記説明と同一である。またスピンホール効果やラシュバ・エーデルシュタイン効果以外でも、電流によって縦有効磁場Ｈ１を生じさえすれば、ここで説明した様式により磁化方向を制御することができる。
　なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子１０は、記録層に、その磁化の方向に直交する面内方向のスピンが注入される点で特許文献１に開示された磁気抵抗効果素子と共通し、記録層に、その磁化の方向に平行または反平行方向のスピンが注入される特許文献２に記載の磁気抵抗効果素子とは異なっている。平行または反平行方向のスピンが記録層に注入される場合は、歳差運動により記録層の磁化の方向が反転する。このため、ナノ秒領域での磁化方向反転を起こすために大きな電流を必要としてしまう。一方で直交方向のスピンが記録層に注入される場合は、ナノ秒領域でのしきい電流の増大が小さくて済み、高速動作を実現する上で好適である（Applied Physics Letters,　Vol. 104,　072413 (2014).参照）。上記実施形態の構成によれば、縦有効磁場で情報を書き換えることにより、０．１ナノ秒～１０ナノ秒未満のパルス幅で書き換えが可能であり、高速書き換え性能が得られる。なお、書き込み電流Ｉｗのパルス幅を１０ナノ秒～３０ナノ秒とした範囲でも、従来の平行または反平行方向のスピンの注入による書き換えと遜色ない書き換え速度が確保できる。
＜変形例＞
　上記に説明した、磁気抵抗効果素子の構成は、一例であり、それに限定されるものではない。以下、磁気抵抗効果素子の他の構成について説明するが、以下に詳細を説明する他は、上記磁気抵抗効果素子１０と同じであり、同じ構成部材には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
　図７は、参照層１４を積層フェリ構造としたものである。磁気抵抗効果素子２０の参照層１４は、強磁性層１４ａと非磁性の結合層１４ｂと強磁性層１４ｃとが積層された積層フェリ構造になっており、強磁性層１４ａと強磁性層１４ｃとは、結合層１４ｂによって反強磁的に結合している。強磁性層１４ａと強磁性層１４ｃは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む強磁性材料を使用することが望ましい。また、結合層１４ｂは、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ等のＲＫＫＹ相互作用を示す材料を使用することが望ましい。積層フェリ構造の好ましい積層構造としては、例えばＣｏＦｅＢ／Ｔａ／［Ｃｏ／Ｐｔ］／Ｒｕ／［Ｃｏ／Ｐｔ］等を挙げることができる。
　この構成によれば、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きと、参照層１４を構成する強磁性層１４ａ、１４ｃのうちで、記録層１２に近接する強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａの向きが一致したときが平行状態であり、低抵抗状態となる。一方、記録層１２の磁化Ｍ１２の向きと、強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａの向きが反対向きとなったときが反平行状態であり、高抵抗状態となる。データの安定した書き込み及び読み出し行うために、参照層１４をこのような積層フェリ構造として、その参照層１４の磁化を安定させることは有効である。
　磁気抵抗効果素子は、記録層が以下の２点において優れた特性を有していることが望ましい。一点目は書き込みに関し、小さな電流、かつ短いパルス幅で磁化の方向を反転させられることが望ましい。二点目は読出しに関し、記録層、非磁性層、参照層の間に電流を流した時の磁化の平行／反平行状態での抵抗差に相当するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）比が大きいことが望ましい。
　上記のように読み出し特性、書き込み特性の両方を独立に設計し、良好な特性を得るために、図８に示す磁気抵抗効果素子３０のように、記録層１２と非磁性層１３との間に、センサー層１５と導電層１６とを設けてもよい。センサー層１５と導電層１６とを設けることで、センサー層１５は、ＴＭＲ比が大きくなるように設計すればよい。一方、記録層１２は、書き込み特性が良くなるように設計すればよい。すなわち独立な設計が可能となり、製造容易性が高まる。なお、センサー層１５と記録層１２は磁気的に結合している。結合の形態としては例えば静磁気的な相互作用を用いることができる。
　センサー層１５は、記録層１２の磁化をセンシングするための層であり、その磁化容易軸は記録層１２と同じく膜面に垂直である。センサー層１５には、読み出し特性が良好な材料が使用される。導電層１６は、記録層１２と、センサー層１５とを電気的に接続するための層である。導電層１６には、記録層１２やセンサー層１５の材料と相性のよい材料が使用される。記録層１２にＣｏ／Ｎｉ積層膜が使用されている場合、導電層１６には、Ｔａなどを使用することができる。
　記録層１２の磁化方向の反転により、記録層１２からは磁場が漏洩し、この漏洩した磁場が導電層１６を介してセンサー層１５に伝えられる。この磁場に応答して、センサー層１５の磁化方向が上下反転する。この記録素子からデータを読み出す際には、読み出し特性の良好な材料が使用されたセンサー層１５の磁化方向を検出すればよい。このように、センサー層１５と導電層１６とを追加することにより、読み出し、書き込みの両方の特性を良好にすることができる。
　さらに、図９に示す磁気抵抗効果素子４０ように、センサー層１５のみを追加してもよい。この場合も、図８に示した例と同様に、記録層１２は書き込み特性のみに特化して設計することができる。さらに、センサー層１５により、読み出し特性も良好となる。この磁気抵抗効果素子４０では、第１端子Ｔ１～第３端子Ｔ３の他に、センサー層１５に第４端子Ｔ４を設けた４端子構造になっている。読み出し時には、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４との間に読み出し電流を流し、書き込み時には、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に書き込み電流を流す。このように構成することで、読み出し時の電流路と書き込み時の電流路が独立したものとなり、書き込み動作と読み出し動作を同時に実行できるほか、１セル内の回路を工夫することで１ビットの素子に求められるエラーレートの要求値を緩和することもできる。なお、読み出し動作に関して３端子構造、４端子構造のいずれも、読み出し電流は非磁性層を貫通する方向に電流を流してトンネル抵抗を求めるという点で共通している。なお、上記図８に示す磁気抵抗効果素子３０の場合においても、センサー層１５に第４端子Ｔ４を設けてもよく、この磁気抵抗効果素子３０では導電層１６に第４端子Ｔ４を設けてもよい。
　図１０の磁気抵抗効果素子４１は、チャネル層１１の長手方向の両端を、導電体材料からなる導電層１７としたものである。導電層１７は、チャネル層１１よりも導電率を高くする。このような構成により、書き込み電流を流しやすくなるという効果がある。
　また、図１１の磁気抵抗効果素子４２に示すように、チャネル層１１を、反強磁性材料を含む第１層１１ａと、高スピンホール効果材料からなる第２層１１ｂとの２層構造としてもよい。第１層１１ａに含まれる反強磁性材料の例としては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｒ－Ｏ、Ｍｎ－Ｏ、Ｆｅ－Ｏ、Ｆｅ－Ｍｎ等がある。また、第２層１１ｂに含まれる高スピンホール効果材料の例としては、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ等がある。このようにチャネル層１１を２層構造とする場合、チャネル層１１の設計の自由度が上がり、製造が容易となる他、書き込みに用いる電流の大きさやパルス幅を低減されるように設計することも可能である。
　さらに、チャネル層１１の下面（記録層１２と反対側の面）にシード層を設けたり、さらにこのシード層の下面（チャネル層１１と反対側の面）に下地層を設けたり、参照層１４の上にキャップ層を設けたりしてもよい。下地層としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の膜が挙げられる。シード層としては、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ等の膜が挙げられる。キャップ層は、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｐｔ等の膜が挙げられる。下地層、シード層、キャップ層は基板密着性や結晶配向性、電気伝導性、耐腐食性を向上するために設けられる層である。
　以下に下地層、シード層、キャップ層を設けた磁気抵抗効果素子の各層の構成（膜構成）例を示す。なお、この例では、参照層１４として積層フェリ構造を採用しており、積層フェリ構造における結合層としてＲｕを使用している。
　下地層：Ｔａ、厚さ３ｎｍ
　シード層：Ｐｔ、厚さ４ｎｍ
　チャネル層１１：ＰｔＭｎ、厚さ７ｎｍ
　記録層１２：Ｃо、厚さ０．３ｎｍ、Ｎｉ、厚さ０．６ｎｍ、Ｃо、厚さ０．３ｎｍ、Ｎｉ、厚さ０．６ｎｍ、Ｃо、厚さ０．３ｎｍ
　非磁性層１３：ＭｇＯ、厚さ１．２ｎｍ
　参照層１４：ＣоＦｅＢ、厚さ１．５ｎｍ、Ｔａ、厚さ０．５ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｔ、厚さ０．４ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｔ、厚さ０．４ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｒｕ、厚さ０．４５ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｔ、厚さ０．４ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｔ、厚さ０．４ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｔ、厚さ０．４ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｔ、厚さ０．４ｎｍ
　キャップ層：Ｒｕ、厚さ５ｎｍ
　また、磁気抵抗効果素子の各層の構成（膜構成）の他の例を示す。
　下地層：Ｔａ、厚さ３ｎｍ
　チャネル層１１：ＩｒＭｎ、厚さ３ｎｍ
　記録層１２：ＣоＦｅ、厚さ１．２ｎｍ
　非磁性層１３：ＭｇＯ、厚さ１．２ｎｍ
　参照層１４：ＣоＦｅＢ、厚さ１．５ｎｍ、Ｔａ、厚さ０．５ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｄ、厚さ０．８ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｄ、厚さ０．８ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｄ、厚さ０．８ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｄ、厚さ０．８ｎｍ、Ｃо、厚さ０．４ｎｍ、Ｐｄ、厚さ０．８ｎｍ
　キャップ層：Ｒｕ、厚さ５ｎｍ
　なお、上記に例示された膜厚や寸法に関する好適な範囲は、現在の半導体集積回路の技術水準に照らし合わせて設定されたものであり、将来の加工技術の進歩に伴い、本発明の効果が得られる膜厚や寸法の範囲は変更できる。
　図１２に示すように、チャネル層１１に膜面に垂直な方向における磁気モーメントを持たせてもよい。この場合、チャネル層１１内部の磁気モーメントは、膜面に垂直方向において、その向きが互い違いになっている。このとき、チャネル層１１に隣接する記録層１２は、面内磁化容易軸を有するものとする。記録層１２の磁化方向は、チャネル層１１との界面付近では、垂直方向に回転し、チャネル層１１から遠ざかるにつれて、記録層１２自体が有する磁化容易軸方向へ向く。即ち、記録層１２には垂直方向の磁場が印加されているものとみなすことができる。
＜多値タイプ＞
　上記では磁気抵抗効果素子の記録層１２の磁化状態が平行状態と反平行状態とのいずれかに変化する場合について説明したが、記録層１２は、平行状態と反平行状態との間の１あるいは複数の磁化状態とに変化させることができる。すなわち、記録層が多磁区構造となり、記録層に参照層の磁化の向きと同じ向きの磁化（第１の磁化）と反対向きの磁化（第２の磁化）とが混在し、それらの磁化の比率を変化させることができる。その磁化状態は、読み出し電流を流したときの抵抗として判定することができる。これにより、多値（アナログ値を含む）を記憶する素子として磁気抵抗効果素子（以下、多値タイプという）を利用することができる。上記のように多値を記憶させる場合には、書き込み電流の大きさを変えることで実現できる。
　図１３及び図１４に書き込み電流の変化に対する抵抗値の変化を測定したグラフの一例を示す。測定に用いた磁気抵抗効果素子の構成は、下記の通りのものとして、熱処理条件は、温度：３００℃、保持時間：２時間、磁束密度：１．２Ｔにより作製した。
　基板：Ｔａ、３ｎｍ
　シード層：Ｐｔ、４ｎｍ
　チャネル層：ＰｔＭｎ、８ｎｍ
　記録層：［Ｃｏ／Ｎｉ］２（Ｃｏ，０．３ｎｍ、Ｎｉ、０．６ｎｍ）、
　参照層：Ｃｏ、０．３ｎｍ
　非磁性層：ＭｇＯ、２ｎｍ
　このように製作した磁気抵抗効果素子１０に電流を流し、抵抗値の変化を測定した。測定条件としては、無磁場、室温（２０℃）、電流パルス幅：１秒、印加した電流の電流密度１０１０Ａ／ｍ２台とした。
　図１３に、記録層１２の磁化を下方向に向けた状態で、負電流パルスを流し、その後、正電流パルスを流したときの抵抗と電流の関係を示す。電流パルスの振幅は、断続的に、０からある値まで徐々に大きくし、その後、０まで徐々に小さくした。測定した抵抗値は、各パルス電流印加後の値である。
　図１４に、記録層１２の磁化を上方向に向けた状態で、正電流パルスを流し、その後、負電流パルスを流したときの抵抗と電流の関係を示す。電流パルスの振幅は、断続的に、０からある値まで徐々に大きくし、その後、０まで徐々に小さくした。測定した抵抗値は、各パルス電流印加後の値である。
　上述の測定の結果より、交換バイアスの作用により、無外部磁場で記録層１２の磁化の向きが反転すること、及び、流れる電流の大きさに対して、抵抗がアナログ的に変化することが確認された。また、膜構成（主にチャネル層１１（ＰｔＭｎ）, 記録層１２（Ｃｏ／Ｎｉ）の膜厚）を変えることによって、このようなアナログ動作に適した特性を示すようにも、またデジタル動作に適した特性を示すようにも設計することが可能であることも確認された。
　チャネル層１１に反強磁性体を用いる場合では、交換バイアスの大きさが適度に小さいときに二値タイプの動作が実現され、一方で交換バイアスが適度に大きいときに多値タイプの動作が実現される。発明者の行った実験によれば、交換バイアス磁場が５０ｍＴ以上であるときには多値タイプの動作が得られやすく、かつ多値状態を安定して保持できることが分かった。また、交換バイアス磁場が５０ｍＴ未満のときには二値タイプの動作が得られやすいことが分かった。
　二値タイプの動作を実現するためには、ヒステリシスループの角型性を高めることが有効であり、このために交換バイアス磁場を小さくする他に、記録層１２の膜面に垂直な方向の磁気異方性を大きくすることが有効である。例えばＰｔＭｎのチャネル層１１の膜厚を７ｎｍに薄くした場合、Ｐｔのシード層の膜厚を５ｎｍに厚くするとデジタル動作に適した角型性の高いヒステリシスループが得られることが確認された。
　多値タイプの磁気抵抗効果素子では、記録層１２及びチャネル層１１としては、単結晶のものよりも、多結晶構造とすることがより好ましい。これは多結晶構造とした場合には、ドメイン単位で交換バイアスの方向や大きさにばらつきが生じ、結果的にアナログ的な振る舞いが実現されるためである。さらに交換バイアスを強くして熱安定性を高めるために、チャネル層１１と記録層１２との間に、非磁性の原子層からなる非磁性膜を形成することも好ましい。非磁性膜は、原子層が１層以上６層以下の範囲内で形成することも好ましい。例えば、Ｐｔの原子層からなる非磁性膜では、その非磁性膜の厚みが０．１ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の範囲内である。
　また、上記では多値タイプの磁気抵抗効果素子を実現するためにチャネル層１１を反強磁性体とした例について説明しているが、チャネル層１１が反強磁性体ではなくても、多値タイプの磁気抵抗効果素子を実現することが可能である。このようなチャネル層１１としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｗなどの非磁性材料から形成したものがある。なお、これらの非磁性材料で形成されたチャネル層１１を用いて多値タイプの磁気抵抗効果素子を実現する上では、記録層１２の結晶粒間の交換相互作用を実効的に弱めること、及び記録層１２における磁壁伝播磁界を大きくすることが有効である。結晶粒間の交換相互作用を弱めるためには、ナノグラニュラー構造、ナノコンポジット構造の採用が有効である。また、磁壁伝播磁界を大きくするためには、記録層１２の結晶粒間の異方性の分散を大きくすることが有効である。
［第２実施形態］
　第２実施形態は、回路装置の一例としてのニューラルネットワーク回路において、シナプス素子として多値タイプの磁気抵抗効果素子を用い、磁気抵抗効果素子によって結合荷重を変化させるようにしたものである。なお、以下に説明する他は、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明するニューラルネットワーク回路の構成等は一例であり、これに限定されるものではない。
　図１５に、第２実施形態に係るニューラルネットワーク回路５０の概略を示す。ニューラルネットワーク回路５０は、前ニューロン回路５１と、後ニューロン回路５２と、これら前ニューロン回路５１と後ニューロン回路５２との間に接続されたシナプス素子としての多値タイプの磁気抵抗効果素子５３等で構成されている。図１５では、１組の前ニューロン回路５１と磁気抵抗効果素子５３を描いてあるが、複数組の前ニューロン回路５１と磁気抵抗効果素子５３を後ニューロン回路５２に接続してもよい。
　ニューラルネットワーク回路５０は、磁気抵抗効果素子５３により「スパイクタイミング依存シナプス可塑性（Spike Timing Dependent Synaptic Plasticity（以下、ＳＴＤＰという)）」を実現している。ＳＴＤＰは、１つのシナプスに着目した場合に、そのシナプスの前後に接続された前ニューロン及び後ニューロンがそれぞれ発火してスパイクパルスを出力するタイミングに依存して、前ニューロンと後ニューロンの間に位置するシナプスとの結合荷重が変化する性質である。ＳＴＤＰには、結合荷重が各ニューロンからの２つのスパイクパルスのパルス時間差だけに依存して結合荷重が変化する対称型ＳＴＤＰと、２つのスパイクパルスのパルス時間差と時間的順序に依存して結合荷重が変化する非対称型ＳＴＤＰとがある。非対称型ＳＴＤＰでは、パルス時間差の増大にともなって結合荷重の変化量（絶対値）が小さくなる変化を示し、かつ前ニューロンからのスパイクパルスと後ニューロンからのスパイクパルスのうち、前者が先行する場合には結合荷重が大きくなり、後者が先行する場合には結合荷重が小さくなる。
　磁気抵抗効果素子５３は、第１端子Ｔ１に前ニューロン回路５１が接続され、第２端子には後ニューロン回路５２が接続されている。また、第３端子Ｔ３に読み出し回路５４が接続されている。この磁気抵抗効果素子５３は、参照層１４と記録層１２との間の抵抗（以下、素子抵抗という）を結合荷重として記憶し、後ニューロン回路５２に入力する読み出しパルスＰｒ１（スパイクパルスに相当）のパルス高（電流または電圧の大きさ）を制御する。読み出し回路５４は、第３端子Ｔ３に所定の電圧または電流を印加して、読み出しパルスＰｒ１を発生させる。これにより、素子抵抗の変化が結合荷重の変化として回路に反映される。
　前ニューロン回路５１、後ニューロン回路５２は、例えば積分発火モデルに基づくものが用いられるが、そのモデルに限定されるものではない。前ニューロン回路５１には、外部からのあるいは他のニューロン回路からの磁気抵抗効果素子を介した読み出しパルスが入力される。この読み出しパルスは増幅器などを用いて増幅されていても良い。前ニューロン回路５１は、読み出しパルスとして入力される電流または電圧を積分する積分回路や、積分回路の積分値が所定の閾値に達したときに（またはそれに同期して）後述する書き込み電流パルスＰｗ１を出力する回路等で構成される。後ニューロン回路５２についても同様な構成であり、後述する書き込み電流パルスＰｗ２を出力する。
　磁気抵抗効果素子５３の第１端子Ｔ１には、前ニューロン回路５１からの書き込み電流パルスＰｗ１が入力され、第２端子Ｔ２には、後ニューロン回路５２からの書き込み電流パルスＰｗ２が入力される。これにより、チャネル層１１には、前ニューロン回路５１が発火したときには、書き込み電流パルスＰｗ１の入力による書き込み電流が＋Ｘ軸方向に流れ、後ニューロン回路５２が発火したときには書き込み電流パルスＰｗ２の入力による書き込み電流が－Ｘ軸方向に流れる。
　上記のように磁気抵抗効果素子５３に書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２を入力することによって、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス時間差、時間的順序によって、素子抵抗、すなわちシナプスの結合荷重を変化させる。素子抵抗が減少することはシナプスの結合荷重が大きくなることに、また素子抵抗が増大することはシナプスの結合荷重が小さくなることに対応する。
　書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２が第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２に入力される順序と、その時の結合荷重の変化は、参照層１４の磁化の向き等で決まる。詳細を後述するように、所定の時間内に書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２を入力した場合、１番目（先行）の書き込み電流パルスに続く２番目（後続）の書き込み電流パルスによって流れる書き込み電流の向きによって、素子抵抗の変化の方向（増加または減少）が決まる。上述の非対称型ＳＴＤＰようにするためには、書き込み電流パルスＰｗ２が２番目の書き込み電流パルスとして入力されたときに、素子抵抗を減少させる向き、すなわち記録層１２内で参照層１４の磁化と同じ向きの磁化が増加する向きでチャネル層１１に書き込み電流が流れるようにすればよい。なお、実際のニューラルネットワーク回路においては、前ニューロン回路、後ニューロン回路のいずれも外部から制御されることなくローカルに自動的に発火するように設計されて良い。この場合には前ニューロン回路と後ニューロン回路の発火するタイミングが近い場合に限って、その順序によってシナプス結合荷重が変化し、時間的に離れたタイミングで発火した場合には結合荷重は変化しない。
　図１６は、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス時間差ΔＴの変化に対する磁気抵抗効果素子５３の素子抵抗の実際の変化を示している。なお、パルス時間差ΔＴは、図１７に示すように、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２の入力タイミングＴｐ１、Ｔｐ２の差であり、その正負は書き込み電流パルスＰｗ１が先行する場合を負、書き込み電流パルスＰｗ２が先行する場合を正としている（ΔＴ＝Ｔｐ１―Ｔｐ２）。また、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス幅は１７５ｎｓとし、波形は矩形波としている。
　素子抵抗は、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス時間差ΔＴが「０」に近いほどその変化量（絶対値）が大きく、パルス時間差ΔＴが増大することにともなって変化量（絶対値）が小さくなる変化を示す。また、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２の時間的順序に依存して変化の方向（増減）が決まることも分かる。すなわち、磁気抵抗効果素子５３により上述の非対称型ＳＴＤＰの特性を持ったシナプス素子として利用することができることがわかる。
　なお、ここで用いた磁気抵抗効果素子５３では、先行する書き込み電流パルスによる書き込み電流でチャネル層１１が発熱して記録層１２が昇温する。記録層１２は、昇温により磁化の向きが変化しやすくなり、後続する書き込み電流パルスによる書き込み電流で記録層１２の一部の磁化の方向が反転して磁化状態が変化する。昇温した記録層１２は、時間の経過とともに、周囲の部材への熱伝導によって温度が低下し、昇温されていない定常状態に戻る。この定常状態に戻る過程において、書き込み電流パルスが入力されても記録層１２の磁化状態が変化しない状態に至る。このため、先行する書き込み電流パルスから所定の時間内に後続の書き込み電流パルスが入力された場合に記録層１２の磁化状態に変化が生じ、所定時間の経過後の書き込み電流パルスの入力では記録層１２の磁化状態に変化が生じない。また、記録層１２は、温度が高いほど磁化の向きが変化しやすくなる程度が大きくなる。このため当該磁気抵抗効果素子５３は、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス時間差ΔＴに対して非対称型ＳＴＤＰの特性と同様な素子抵抗の変化を示す。
　書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２は、そのパルス高（書き込み電流の大きさ）及びパルス幅が、書き込み電流で昇温されていない定常状態の記録層１２の磁化状態を実質的には変化させない大きさにされている。
　磁気抵抗効果素子５３の特性を利用して、非対称型ＳＴＤＰの特性を実現しているので、非対称型ＳＴＤＰの特性を実現するために特別な波形を発生させる回路等が不要となって回路の小面積化、省電力化に有利である。また、磁気抵抗効果素子５３でのデータの書き換え動作、すなわちこの例における結合荷重の更新動作は、高速に行うことができるので、ニューラルネットワーク回路５０の処理速度の向上（高速化）を図るうえで有利である。
　チャネル層１１は、その抵抗率が１０μΩ・ｃｍ以上１０００μΩ・ｃｍ以下の範囲内とすることが好ましい。抵抗率が１０μΩ・ｃｍ以上であれば、非対称型ＳＴＤＰの特性を得るのに必要な発熱を確実に得られ、抵抗率が１０００μΩ・ｃｍ以下であれば、ニューラルネットワーク回路５０等に通常的に利用されている電源電圧での駆動が可能である。なお、チャネル層１１が複数の層からなる積層構造を有する場合は、最も体積の大きい層の抵抗率が上記の条件を満たすようにすればよい。
　また、磁気抵抗効果素子５３の表面を覆う材料の熱伝導率を適宜に選択することによって、記録層１２の温度変化の態様を制御することもできる。その熱伝導率は、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の範囲内であることが好ましい。熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば記録層１２の急激な温度上昇を抑制することができ、十分な回路動作マージンが確保できる。また、熱伝導率が１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であれば、極めて短時間で記録層１２が定常状態に戻ることを確実に抑制できるため非対称型ＳＴＤＰの特性が確実に得られる。このような材料としては、例えばＳｉ－Ｏ、Ｓｉ－Ｎ、Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｎ、Ｚｒ－Ｏ、Ｔｉ－Ｏ等を挙げることができる。
　書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス幅は、１０ｎｓ以上１０μｓ以下の範囲内であることが好ましい。書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２のパルス幅が１０ｎｓ以上であれば、チャネル層１１で必要な発熱を確実に得ることができ、１０μｓ以下であればチャネル層１１が発熱の飽和を確実に防止できる。また、より好ましくは、パルス幅は３０ｎｓ以上、１μｓ以下である。３０ｎｓ以上であればより十分な発熱が得られ、一方で１μｓ以下とすることで消費電力も小さく抑えられ、かつこの範囲内であれば回路の設計も容易である。また、パルスの波形は矩形波の他に、三角波や台形波であっても良い。
　記録層１２において、非対称型ＳＴＤＰの特性と同様な磁化状態の変化が生じる有効なパルス時間差ΔＴは、記録層１２の昇温の速さと放熱による温度低下の速さに依存するが、例えば１０ｎｓ以上１０μｓ以下である。このような有効なパルス時間差ΔＴのパルス幅に対する比は、０．１以上５０以下であることが好ましい。０．１以上であれば、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２がほぼ同時に入力されている状態とならず磁気抵抗効果素子５３の抵抗値が確実に変化、また、上記比が５０以下であれば、二つの符号の異なる書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２が独立に到着することがないため、それら書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２が磁気抵抗効果素子５３に与える効果が打ち消し合うことがなく、結果として有効な磁化状態の変化が確実に得られる。
　図１８は、ニューラルネットワーク回路５０をより具体的に示した一例である。前ニューロン回路５１は、上述の読み出し回路５４を含む本体回路部５１ａ及び第１インタフェース回路５１ｂを有し、本体回路部５１ａは、第１インタフェース回路５１ｂを介して磁気抵抗効果素子５３に接続されている。後ニューロン回路５２は、本体回路部５２ａ及び第２インタフェース回路５２ｂを有し、第２インタフェース回路５２ｂを介して磁気抵抗効果素子５３に接続されている。なお、前ニューロン回路５１は第２インタフェース回路を、後ニューロン回路５２は第１インタフェース回路をそれぞれ有しているが、図１８では省略してある。
　本体回路部５１ａは、上述の読み出しパルスＰｒ１と書き込み電流パルスＰｗ１を出力する。なお、読み出しパルスＰｒ１は、第３端子Ｔ３に電圧または電流を印加することにより生じるものである。後ニューロン回路５２の本体回路部５２ａは、読み出しパルスＰｒ１の電流または電圧を積分し、その積分結果に基づいて読み出しパルスＰｒ２と書き込み電流パルスＰｗ２を出力する。
　図１８では、第１インタフェース回路５１ｂ、第２インタフェース回路５２ｂは、パルス信号の経路を切り替えるスイッチとして描いてあるが、実際には読み出しパルスＰｒ１、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２の各パルス信号が流れるように磁気抵抗効果素子５３の第１端子Ｔ１～第３端子Ｔ３に電圧や電流を印加したり、そのパルス信号が所定の経路を流れるように制御したりするトランジスタ等で構成される。
　前ニューロン回路５１の本体回路部５１ａが第３端子Ｔ３に電圧を印加して読み出しパルスＰｒ１を出力する場合、スイッチＳ１，Ｓ５がＯＮ、スイッチＳ３、Ｓ６がオフとされ、読み出しパルスＰｒ１が第３端子Ｔ３から参照層１４、非磁性層１３、記録層１２、チャネル層１１、第２端子Ｔ２を通して本体回路部５２ａに入力される。本体回路部５２ａは、この入力される読み出しパルスＰｒ１の電流または電圧を積分するが、その電流または電圧の大きさ（読み出しパルスＰｒ１のパルス高）は、記録層１２の磁化状態に基づく素子抵抗に依存した大きさになる。
　本体回路部５１ａからは、読み出しパルスＰｒ１を出力した時点から遅延時間ΔＴｄだけ遅延して書き込み電流パルスＰｗ１が出力される。このときには、スイッチＳ３、Ｓ６がオン、スイッチＳ１、Ｓ５がオフとされ、またスイッチＳ２が本体回路部５１ａ側に、スイッチＳ７がグランド側にそれぞれ切り替えられる。これにより、書き込み電流パルスＰｗ１は、第１端子Ｔ１に入力され、その電流がチャネル層１１を第２端子Ｔ２に向けて流れる。
　本体回路部５２ａが読み出しパルスＰｒ２を出力した場合、その出力時点から遅延時間ΔＴｄだけ遅延して書き込み電流パルスＰｗ２が出力される。このときには、スイッチＳ３、Ｓ６がオン、スイッチＳ１、Ｓ５がオフとされ、またスイッチＳ７が本体回路部５２ａ側に、スイッチＳ２がグランド側にそれぞれ切り替えられる。これにより、書き込み電流パルスＰｗ２は、第２端子Ｔ２に入力され、その電流がチャネル層１１を第１端子Ｔ１に向けて流れる。
　このように、この例では書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２は、読み出しパルスＰｒ１、Ｐｒ２よりも一定の遅延時間ΔＴｄだけ遅れてそれぞれ出力されるから、前ニューロン回路５１、後ニューロン回路５２の各発火タイミングの間隔で書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２が第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２に入力される。書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２の間隔は、各発火タイミングの間隔に比例したものでもよい。
　なお、書き込み電流パルスＰｗ１、Ｐｗ２の出力タイミングが同時になる場合もある。このときには、スイッチＳ２、Ｓ７が本体回路部５１ａ、５２ａ側にそれぞれ切り替えられることによって、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２に同じ電圧が与えられてチャネル層１１には電流が流れない。
　図１９は、ニューラルネットワーク回路５０をより具体的に示した他の例を示している。この例は、前ニューロン回路５１からの読み出しパルスＰｒ１と書き込み電流パルスＰｗ１を第１端子Ｔ１に入力するように構成されている。本体回路部５７、５８は、読み出しパルスＰｒ１と書き込み電流パルスＰｗ１に共通な出力端子を有する他は、上述の本体回路部５１ａ、５２ａと同様である。
　この例において、読み出しパルスＰｒ１を出力する場合には、前ニューロン回路５１内のスイッチＳ１１が本体回路部５７側に切り替えられ、後ニューロン回路５２内のスイッチＳ１２がオン、スイッチＳ１３がオフにされる。これにより、読み出しパルスＰｒ１が第１端子Ｔ１に入力され、チャネル層１１、記録層１２、非磁性層１３、参照層１４、第３端子Ｔ３を通して本体回路部５８に入力される。この結果、本体回路部５８には、記録層１２の磁化状態に基づく素子抵抗に依存したパルス高の読み出しパルスＰｒ１が入力される。
　本体回路部５７から書き込み電流パルスＰｗ１が出力されるときには、スイッチＳ１１が本体回路部５７側に切り替えられ、後ニューロン回路５２内のスイッチＳ１２がオフ、スイッチＳ１３がオン、スイッチＳ１４がグランド側にそれぞれ切り替えられる。これにより、書き込み電流パルスＰｗ１は、第１端子Ｔ１に入力され、その電流がチャネル層１１を第２端子Ｔ２に向けて流れる。
　本体回路部５８から書き込み電流パルスＰｗ２が出力されるときには、スイッチＳ１２がオフ、スイッチＳ１３がオン、スイッチＳ１４が本体回路部５８側に切り替えられ、またスイッチＳ１１がグランド側に切り替えられる。これにより、書き込み電流パルスＰｗ２は、第２端子Ｔ２に入力され、その電流がチャネル層１１を第１端子Ｔ１に向けて流れる。
　上記では記録層１２の温度の上昇によって、その記録層１２が磁化反転しやすくなる性質を利用している。すなわち、書き込み電流で昇温されていない記録層１２の定常状態を最安定状態とし、先行する書き込み電流パルスによって記録層１２の温度を上昇させて最安定状態からエネルギー的に励起させ、後続する書き込み電流パルスによって記録層１２の磁化状態を変化させている。温度の上昇以外でエネルギー的に励起させる手法としては、例えば磁化ダイナミクスを利用することができる。この磁化ダイナミクスを利用して複数の書き込み電流パルスで磁化を制御する場合は、Landau-Lifshitz-Gilbert方程式に基づいて磁化が動的な運動を行うとき、先に入力される書き込み電流パルスによって磁化が運動して平衡状態から離れ、後に入力される書き込み電流パルスによって磁化反転が誘起されるように設計すれば良い。この場合には書き込み電流パルスのパルス幅は１０ｐｓから５ｎｓの範囲が好適となり、また磁化状態の変化が生じる有効な２つの書き込み電流パルスの間隔は２０ｐｓから２ｎｓとなる。このように、この例における記録層１２の磁化状態の変化は、より広義には先行する書き込み電流パルスによって記録層１２が最安定状態からエネルギー的に励起し、後続する書き込み電流パルスによって記録層１２の磁化状態を変化させるものである。
［第３実施形態］
　第３実施形態は、パルス周波数（パルス間隔）に依存するｎ個の電流パルスが入力されたときに、ｎ番目の電流パルスで磁化の向きを反転させることができる性質またはパルス周波数が固定されているときにパルス数に応じてｎ番目の電流パルスで磁化の向きを反転させることができる性質、及び複数のパルスが複数のチャネルから入力されるときにそれらの入力タイミングが近いときにのみ磁化の向きを反転させることができる性質を利用し、回路ユニットの一例としてのニューロン回路において、その回路内で積分動作をさせる素子（以下、積分素子という）として磁気抵抗効果素子を用いたものである。最初の性質を利用したプログラム方法はレートコーディングと称され、最後の性質を利用したプログラム方法はタイミングコーディングと称されている。なお、以下に説明する他は、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明するニューロン回路の構成等は一例であり、これに限定されるものではない。
　図２０に示すように、第１～第Ｍ（Ｍは２以上）入力回路６１ａ～６１ｍ（以下、特に区別しない場合は入力回路６１と称する）がニューロン回路６０に設けられた磁気抵抗効果素子６２の第１端子Ｔ１に接続されている。入力回路６１は、例えば前ニューロン回路であり任意のタイミングでスパイクパルスに相当する書き込み電流パルスＰｗ１を出力する。この書き込み電流パルスＰｗ１による電流は、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に向ってチャネル層１１内を流れる。
　また、ニューロン回路６０には、出力先回路６３、読み出し回路６４が設けられている。読み出し回路６４は、第３端子Ｔ３に所定の電圧または電流を印加することによって、磁気抵抗効果素子６２の素子抵抗に依存したパルス高（電流または電圧の大きさ）の読み出しパルスＰｒ２を第２端子Ｔ２から出力先回路６３に出力させる。磁気抵抗効果素子６２は、積分発火モデルにおける積分機能を実現するための積分素子として設けられている。出力先回路６３は、例えば積分値が閾値を超えたときにパルスを発生するパルス発生回路などである。なお、磁気抵抗効果素子６２は、入力される書き込み電流パルスＰｗ１の典型的な周波数に依存して発火特性が変化する。より具体的には、入力される書き込み電流パルスＰｗ１が頻繁に与えられる（典型的な周波数が高い）場合、あるいは所定の時間内に入力される書き込み電流パルスＰｗ１の数が多い場合には発火するが、入力される書き込み電流パルスＰｗ１の頻度が低い（典型的な周波数が低い）場合、あるいは所定の時間内に入力される書き込み電流パルスＰｗ１の数が少ない場合には発火しない。このような特性はニューラルネットワークにおいてはリーキー・インテグレート・アンド・ファイア（Leaky Integrate and Fire）と呼ばれる。
　磁気抵抗効果素子６２は、チャネル層１１に流す電流に対する素子抵抗の変化の実際の変化を図２１に示すように、記録層１２の磁化状態が平行状態と反平行状態との一方に変化する二値タイプのものである。磁気抵抗効果素子６２は、例えば書き込み電流パルスＰｗ１によって磁化状態が変化する場合には、反平行状態から平行状態に変化する。
　磁気抵抗効果素子６２に対して、例えば特定のパルス周波数でｎｑ（ｎｑは２以上の整数）個の書き込み電流パルスＰｗ１が入力されたときに、１番目から（ｎｑ－１）番目の書き込み電流パルスＰｗ１により、１個の書き込み電流パルスＰｗ１によって記録層１２の磁化状態を変化させることができる温度（以下、閾値温度という）以上に記録層１２が昇温し、ｎｑ番目の書き込み電流パルスＰｗ１の入力に応答して記録層１２の磁化状態が反平行状態から平行状態に変化するように、チャネル層１１、記録層１２の特性等に応じて各書き込み電流パルスＰｗ１のパルス高、パルス幅が決められる。なお、ｎｑ番目の書き込み電流パルスＰｗ１で記録層１２の磁化状態を反転させる場合、厳密には、ｎｑ番目の書き込み電流パルスＰｗ１が入力された時点で記録層１２が閾値温度以上になっている必要がある。また、ｎｑ番目の書き込み電流パルスＰｗ１で記録層１２の磁化状態を反転するため、個々の書き込み電流パルスＰｗ１は、書き込み電流で昇温されていない定常状態の記録層１２の磁化状態を変化させない大きさである。
　上記のようにすることにより、特定のパルス周波数、あるいは所定の時間内に特定のパルス数以上で書き込み電流パルスＰｗ１を磁気抵抗効果素子６２に入力すれば、パルス周波数に依存したｎ個の書き込み電流パルスＰｗ１の入力によって記録層１２の磁化状態を反転することができる。記録層１２の磁化状態を反転させるのに必要な書き込み電流パルスＰｗ１のパルスの個数ｎは、パルス周波数が高くなるほど小さくなる。この場合、１番目から（ｎ－１）番目の書き込み電流パルスＰｗ１により閾値温度以上に記録層１２が昇温し、ｎ番目の書き込み電流パルスＰｗ１の入力に応答して記録層１２の磁化状態が反平行状態から平行状態に変化する。
　図２２は、書き込み電流パルスのパルス周波数（入力信号周波数）と記録層１２の磁化の向きの反転の頻度を示す出力信号周波数との関係を実測したものである。なお、測定では、磁化の向きが反転するごとに記録層１２の磁化の向きを元に戻している。この測定をしたときのパルス周波数が２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、７ＭＨｚの書き込み電流パルスの波形を図２３に示す。この測定からパルス周波数が所定の周波数よりも低い場合では、記録層１２の磁化が反転しないことが分かり、パルス周波数が所定の周波数以上となると磁化の反転が生じ、その反転の頻度はパルス周波数が高くなるほど高くなることが分かる。すなわち、磁気抵抗効果素子６２に対する書き込み電流パルスＰｗ１の入力の影響は時間の経過とともに減衰するが、その影響の減衰の程度よりも書き込み電流パルスＰｗ１の入力の影響が大きくなることによって影響が蓄積し、その影響がある一定レベルまで達した状態での書き込み電流パルスＰｗ１の入力により記録層１２の磁化に向きが反転する。そして、書き込み電流パルスＰｗ１の入力の影響は、記録層１２の温度と考えることができる。
　したがって、上記の構成により、パルス周波数が所定の条件を満たすｎ個の書き込み電流パルスＰｗ１が入力されたか否かを磁気抵抗効果素子６２の素子抵抗の変化、すなわち読み出しパルスＰｒ２のパルス高の変化として検出することができる。
　また、パルス周波数が一定でなくても、閾値温度にまで記録層１２を昇温させることができる。したがって、記録層１２の磁化状態を反転させるために入力する書き込み電流パルスＰｗ１のパルス周波数は一定である必要はない。このため、スパイクパルスに相当する信号を出力するタイミングが定まっていない各前ニューロン回路に接続された後ニューロン回路の積分素子としても磁気抵抗効果素子６２の利用が可能である。この場合、スパイクパルスに相当する複数の書き込み電流パルスＰｗ１のパルス幅、パルス高、及びパルスの入力間隔によって、記録層１２の磁化状態が反転するか否かが決まる。また入力されるパルスの波形にも任意性があり、矩形波、三角波、台形波などを用いられる。
　チャネル層１１の抵抗率の好ましい範囲は、磁気抵抗効果素子６２の表面を覆う材料の熱伝導率の好ましい範囲、書き込み電流パルスＰｗ１のパルス幅の好ましい範囲は、いずれも第２実施形態の磁気抵抗効果素子について示したものと同様である。なお、チャネル層１１の抵抗率が好ましい範囲の下限値以上であれば積分発火モデルにおける積分機能を実現するのに必要な発熱を確実に得られる。また、磁気抵抗効果素子６２の表面を覆う材料の熱伝導率が好ましい範囲の上限値以下であれば、極めて短時間で記録層１２が定常状態に戻ることを確実に抑制できるため積分機能を利用できる。
　上記のように、磁気抵抗効果素子６２をニューロン回路内の積分素子として用いれば、磁気抵抗効果素子６２だけで積分機能を実現できるので小面積化、省電力化に有利である。また、磁気抵抗効果素子６２でのデータの書き換え動作、すなわちこの例における積分動作は、高速に行うことができるので、ニューロン回路、ひいてはニューラルネットワーク回路の高速化を図るうえで有利である。
　図２４は、上記磁気抵抗効果素子６２を用いたニューロン回路６０のより具体的な例の一つを示している。上記ニューロン回路６０に相当する後ニューロン回路７０は、複数の前ニューロン回路７１に接続されている。前ニューロン回路７１は、それぞれが任意のタイミングでスパイクパルスに対応する書き込み電流パルスＰｗ１を出力し、それを後ニューロン回路７０に入力する。
　後ニューロン回路７０は、磁気抵抗効果素子６２、パルス発生回路７４、インタフェース回路７５を備えている。インタフェース回路７５は、パルス信号の経路を切り替える各種スイッチとして描いてあるが、実際には読み出しパルスＰｒ２、書き込み電流パルスＰｗ１の各電流が流れるように磁気抵抗効果素子６２の第１端子Ｔ１～第３端子Ｔ３に電圧または電流を印加したり、そのパルス信号が所定の経路を流れるように制御したりするトランジスタ等で構成される。
　書き込み電流パルスＰｗ１が後ニューロン回路７０に入力されるときに、スイッチＳ３１がオフ、スイッチＳ３２が前ニューロン回路７１側に、スイッチＳ３３がグランド側にそれぞれ切り替えられる。これにより、書き込み電流パルスＰｗ１は、第１端子Ｔ１に入力され、その電流がチャネル層１１を第２端子Ｔ２に向けて流れる。この書き込み電流パルスＰｗ１がチャネル層１１を流れたときに、記録層１２が閾値温度以上でなければ、記録層１２の磁化状態が変化することはない。また、書き込み電流パルスＰｗ１がチャネル層１１を流れることによってチャネル層１１が発熱し、それにともなって記録層１２が昇温する。記録層１２は、昇温した後には放熱によって温度が低下する。
　後ニューロン回路７０に入力される書き込み電流パルスＰｗ１のパルス間隔が短くなると、記録層１２は温度が上昇する。そして、次々に入力される書き込み電流パルスＰｗ１によって記録層１２の温度が閾値温度に達した状態で、次の書き込み電流パルスＰｗ１が入力されると、記録層１２の磁化が反平行状態から平行状態に反転する。
　第３端子Ｔ３に電圧または電流を印加して読み出しパルスＰｒ２を出力する場合、読み出し回路６４としてのスイッチＳ３１がオンに、スイッチＳ３２がどちらにも接続されていない中立位置に、スイッチＳ３３がスイッチＳ３４側に、スイッチＳ３４がパルス発生回路７４の入力側にそれぞれ切り替えられる。これにより、読み出しパルスＰｒ２が第３端子Ｔ３から参照層１４、非磁性層１３、記録層１２、チャネル層１１、第２端子Ｔ２を通してパルス発生回路７４に送られる。読み出しパルスＰｒ２のパルス高は、記録層１２の磁化状態に基づく素子抵抗に依存した大きさになる。パルス発生回路７４は、読み出しパルスＰｒ２のパルス高から記録層１２の磁化状態を判別する。判別される磁化状態が平行状態であれば、すなわち磁化状態が初期状態から反転したことを検出したときには、他のニューロン回路に送るスパイクパルスに相当する書き込み電流パルスＰｗ２を出力（発火）し、また磁気抵抗効果素子６２をリセットするためのリセット電流パルスＰreset２を出力する。したがって、この例では、パルス発生回路７４は、初期化回路にもなっている。一方、判別される磁化状態が反平行状態であれば、パルス発生回路７４は特に何もしない。
　リセット電流パルスＰreset２を出力するときには、スイッチＳ３１がオフ、スイッチＳ３２がグランド側に、スイッチＳ３３がスイッチＳ３４側に、スイッチＳ３４がパルス発生回路７４の出力側にそれぞれ切り替えられる。これにより、パルス発生回路７４からのリセット電流パルスＰreset２は、第２端子Ｔ２に入力され、その電流がチャネル層１１を第１端子Ｔ１に向けて流れる。リセット電流パルスＰreset２は、記録層１２の磁化を反転させるのに十分な電流を流すようにされている。したがって、記録層１２の磁化状態が平行状態から反平行状態に反転されて磁気抵抗効果素子６２が初期化される。
　なお、リセット電流パルスＰreset２が出力されるときの各スイッチの状態が優先される。また、スイッチＳ３のオンによる読み出しパルスＰｒ１の出力は、書き込み電流パルスＰｗ１が入力されていないとき、例えば書き込み電流パルスＰｗ１が入力されるごとに行われる。
　なお、上記第３実施形態では、前ニューロン回路からの書き込み電流パルスによって磁気抵抗効果素子の記録層を反平行状態から平行状態に変化させるようにしているが、前ニューロン回路からの書き込み電流パルスによって記録層を平行状態から反平行状態に変化させるようにしてもよい。
　第３実施形態についても、第２実施形態と同様に、先行する書き込み電流パルスによって記録層の温度を上昇させて最安定状態からエネルギー的に励起させ、後続する書き込み電流パルスによって記録層の磁化状態を変化させている。この第３実施形態の場合にも、温度の上昇以外でエネルギー的に励起させる手法を用いて、複数の書き込み電流パルスで磁化を制御することができる。具体的には、Landau-Lifshitz-Gilbert方程式に基づいて磁化が動的な運動を行うとき、予備的に印加されるｎ－１回の書き込み電流パルスによって磁化が運動して平衡状態から離れ、ｎ回目の書き込み電流パルスによって磁化反転が誘起されるように設計すればよい。この場合には書き込み電流パルスのパルス幅は１０ｐｓから５ｎｓの範囲が好適となり、また印加される複数の書き込み電流パルスの典型的な周波数は５００ＭＨｚから５ＧＨｚ程度となる。このように、この例における記録層の磁化状態の変化は、より広義には先行するｎ－１回の書き込み電流パルスによって記録層が最安定状態からエネルギー的に励起され、後続するｎ回目の書き込み電流パルスによって記録層の磁化状態を変化させるものである。
　上記の第２実施形態、第３実施形態で説明したように、チャネル層に接続された第１端子と第２端子との間に複数の電流パルスによる電流を流して記録層をいずれか１つの磁化状態にすることによって、ニューラルネットワーク回路におけるシナプス素子やニューロン回路における積分を行う素子等としても利用できる。
　また、複数の経路から入力される信号が近い時間に入力された場合に発火し、離れた時間に入力されたときには発火しない、いわゆるコインシデンスディテクター（Coincidence Detector）と称されるニューロンの機能を、第３実施形態と同様な磁気抵抗効果素子を用いて実現することができる。すなわち、複数の経路から同一符号の書き込み電流パルスが磁気抵抗効果素子の同一の入力端子（第１または第２端子のいずれか一方）に入力されたとき、それらの入力間隔（時間の差）が所定時間以下である場合には記録層の磁化が反転し、所定時間を超えている場合には磁化が反転しないように設計することが可能である。
　磁化反転が起こるための複数の書き込み電流パルスが入力される時間の差は、複数の書き込み電流パルスのパルス幅、及びパルス高で決まる。この点は、第３実施形態と同様である。発明者らの２つの書き込み電流パルスを用いた実験によると、パルス幅が２５ｎｓであり、このパルス幅の下でパルス高が記録層の磁化反転をさせための閾値よりも小さい場合には、２つの書き込み電流パルスの入力される時間差が２０ｎｓ程度以下の時に磁化反転が誘起され、またパルス幅を１７５ｎｓとした場合には、時間差が１５０ｎｓ程度以下の時に磁化反転が誘起されることが分かった。このような性質を用いることによって、コインシデンスディテクターとして機能させ複数の入力信号の相関の有無を判別することができる。これはニューラルネットワークの重要な機能の一つである。
　図２５のグラフは、多値を記憶することができる磁気抵抗効果素子の例えば第２端子に入力する書き込み電流パルスのパルス幅の積算時間に対する磁気抵抗効果素子の抵抗値をいくつかのパルス幅について測定した結果を示している。ここでは入力する複数の書き込み電流パルスの間には十分（ミリ秒以上）な間隔を設けている。この測定結果から、パルス高が同じ書き込み電流パルスのパルス幅が異なっていても、パルス幅の積算時間が一致すれば同じ抵抗値にすることができることが分かる。すなわち、２つ以上の書き込み電流パルスを第１端子と第２端子とのいずれか一方または両方に入力して、その２つ以上の書き込み電流パルスのパルス幅の和に応じた磁化状態に変化させることができる。また、抵抗値の変化に対しては、書き込み電流パルスのパルス高の影響を受けるため、２つ以上の書き込み電流パルスのパルス幅とパルス高の積和に応じた磁化状態に変化させることができることが分かる。この性質を用いることで、上記で説明したニューラルネットワーク回路やニューロン回路に加えて、従来のノイマン型アーキテクチャに用いられるカウンターなどの回路ユニット、回路装置を提供することもできる。
１０、２０、３０、４０、４１、４２、５３、６２　磁気抵抗効果素子
１１　チャネル層
１２　記録層
１３　非磁性層
１４　参照層
５０　ニューラルネットワーク回路
６０　ニューロン回路
Ｔ１　第１端子
Ｔ２　第２端子
Ｔ３　第３端子

 

Claims (31)

  1. 　正味の磁化を持たない材料で形成され、第１の方向に延びたチャネル層と、
    　強磁性体からなる膜を含み、２つ以上の磁化状態のうち１つの磁化状態に変化する、前記チャネル層の一方の面上に形成された記録層と、
    　前記記録層の前記チャネル層と反対側の面上に設けられた非磁性の非磁性層と、
    　前記非磁性層の前記記録層と反対側の面上に設けられ、強磁性体からなる膜を含む磁化の方向が固定された参照層と、
    　前記チャネル層に第１の方向に互いに間隔をあけて電気的にそれぞれ接続された第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間の前記チャネル層に電流を流し複数パルスで前記記録層をいずれか１つの磁化状態にする電流パルスが前記第１端子または前記第２端子に入力される端子対と、
    　前記参照層に電気的に接続された第３端子と
    　を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記チャネル層は、反強磁性体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記第１端子は、第１の前記電流パルスが入力され、
    　前記第２端子は、前記第１の電流パルスとは逆向きに前記チャネル層に電流を流す第２の前記電流パルスが入力される
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記記録層は、磁化の方向が前記参照層と平行な第１の磁化状態と、前記参照層と反平行な第２の磁化状態と、前記第１の磁化状態と前記第２の磁化状態との間の少なくとも１つの磁化状態とに変化することを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記記録層は、所定の時間内に入力される前記第１の電流パルスと前記第２の電流パルスとのうち先行する電流パルスによりエネルギー的に励起され、後続の電流パルスによりいずれか１つの磁化状態に変化することを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記記録層は、前記第１の電流パルスと前記第２の電流パルスにより昇温することでエネルギー的に励起されることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記所定の時間は、１０ｎｓ以上１０μｓ以下の範囲内であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記第１の電流パルスと前記第２の電流パルスが入力される時間差に基づいて前記記録層の磁化状態の変化する大きさが定まることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記第１の電流パルスと前記第２の電流パルスは、パルス幅が１０ｎｓ以上１０μｓ以下の範囲内であることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　前記第１の電流パルスと前記第２の電流パルスは、前記所定の時間のパルス幅に対する比が０．１以上５０以下の範囲内であることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 　２つ以上の前記電流パルスが前記第１端子と前記第２端子のいずれか一方に入力され、
    　前記記録層は、所定の時間内に入力される２つ以上の前記電流パルスによって磁化状態が変化することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 　前記記録層は、磁化の方向が前記参照層と平行な第１の磁化状態と前記参照層と反平行な第２の磁化状態とのいずれかに変化することを特徴とする請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 　前記記録層は、パルス周波数に依存するｎ（ｎは２以上の整数）個の前記電流パルスが入力されることにより、１番目から（ｎ－１）番目の前記電流パルスにより前記記録層の磁化状態を変化させる閾値以上にエネルギー的に励起され、ｎ番目の前記電流パルスによって磁化状態が変化することを特徴とする請求項１１または１２に記載の磁気抵抗効果素子。
  14. 　前記電流パルスは、前記電流パルスによってエネルギー的に励起されていない状態における前記記録層の磁化状態を変化させる電流よりも小さい電流を前記チャネル層に流すことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  15. 　２つ以上の前記電流パルスが前記第１端子と前記第２端子とのいずれか一方または両方に入力され、
    　前記記録層は、磁化の方向が前記参照層と平行な第１の磁化状態と、前記参照層と反平行な第２の磁化状態と、前記第１の磁化状態と前記第２の磁化状態との間の１または複数の磁化状態とのいずれかに変化可能であり、前記２つ以上の前記電流パルスのパルス幅とパルス高の積和に応じた磁化状態に変化することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
  16. 　前記第１端子と前記第２端子とのいずれか一方と前記第３端子とは、それら端子の間に電圧または電流を印加したときに前記記録層の磁化状態に対応する電流または電圧を取り出す出力端子対を構成することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  17. 　前記記録層は、多磁区構造を取ることを特徴とする請求項４ないし１０、１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  18. 　前記記録層は、前記参照層と平行な第１の磁化と反平行な第２の磁化との比率が変化することで前記磁化状態が変化することを特徴とする請求項１７に記載の磁気抵抗効果素子。
  19. 　前記チャネル層は反強磁性体から構成され、前記チャネル層と前記記録層の間に働く交換バイアス磁場が５０ｍＴ以上であることを特徴とする請求項１ないし１０、１５ないし１８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  20. 　前記チャネル層と前記記録層の間に働く交換バイアス磁場が５０ｍＴ未満であることを特徴とする請求項１ないし３、１１ないし１４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  21. 　前記記録層は、Ｃｏ及びＮｉが積層された構造を有することを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  22. 　前記参照層は、非磁性の結合層を２層の強磁性層で挟む積層フェリ構造を有することを特徴とする請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  23. 　前記チャネル層は、多結晶構造であることを特徴とする請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  24. 　前記チャネル層は、抵抗率が１０μΩ・ｃｍ以上１０００μΩ・ｃｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  25. 　前記チャネル層と前記記録層との間に、１層以上６層以下の非磁性の原子層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  26. 　熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の材料で表面が覆われていることを特徴とする請求項１ないし２５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  27. 　請求項４ないし１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
    　前記第１端子に接続され、発火タイミングに同期して前記電流パルスを前記第１端子に入力する前ニューロン回路と、
    　前記第２端子に接続され、発火タイミングに同期して前記電流パルスを前記第２端子に入力する後ニューロン回路と
    　を備えることを特徴とする回路装置。
  28. 　前記前ニューロン回路は、前記第１端子と前記第２端子とのいずれか一方と前記第３端子とからなる出力端子対の一方の出力端子に、発火タイミングで電圧または電流を印加し、
    　前記後ニューロン回路は、前記一方の出力端子に電圧または電流を印加した際に前記出力端子対の一方の出力端子からの電流または電圧が入力されることを特徴とする請求項２７に記載の回路装置。
  29. 　請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
    　前記磁気抵抗効果素子の磁化の方向の初期状態からの反転を検出してパルスを発生させるパルス発生回路とを備え、
    　前記磁気抵抗効果素子の前記第１端子と前記第２端子とのいずれか一方の入力端子にニューロン回路が接続され、前記一方の入力端子に前記ニューロン回路の発火タイミングに同期して前記電流パルスが入力される
    　ことを特徴とする回路ユニット。
  30. 　前記第１端子と前記第２端子とのいずれか一方と前記第３端子とからなる出力端子対の一方の出力端子に電圧または電流を印加して他方の出力端子から電流または電圧を出力させる読み出し回路と、
    　前記パルス発生回路は、前記電圧または電流の印加による前記他方の出力端子から出力される電流または電圧に基づいて、前記磁気抵抗効果素子の磁化の方向の初期状態からの反転を検出することを特徴とする請求項２９に記載の回路ユニット。
  31. 　前記パルス発生回路のパルスの発生後、前記記録層を前記初期状態に反転させる前記電流パルスを前記第１端子と前記第２端子との他方の入力端子に入力する初期化回路を備えることを特徴とする請求項２９または３０に記載の回路ユニット。

     
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