WO2023017714A1 - 超常磁性磁気トンネル接合素子、及びコンピューティングシステム - Google Patents

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WO2023017714A1
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ferromagnetic layer
ferromagnetic
layer
tunnel junction
superparamagnetic
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PCT/JP2022/028076
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奎斗 小林
駿 金井
俊輔 深見
佳祐 早川
英男 大野
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国立大学法人東北大学
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
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Definitions

  • the present invention relates to a superparamagnetic magnetic tunnel junction element and a computing system using it.
  • a random number generation unit whose output varies randomly over time between 0 and 1 and whose ratio between 0 and 1 can be controlled by an external input current (or voltage) Is required.
  • a circuit or solid-state device capable of generating a random output signal is required in this random number generation unit.
  • a magnetic tunnel junction element typically includes a first ferromagnetic layer group made of a ferromagnetic material, a second ferromagnetic layer group also made of a ferromagnetic material, a first ferromagnetic layer group and a second ferromagnetic layer group. 2 and a barrier layer made of an insulator formed between the two ferromagnetic layer groups.
  • a first ferromagnetic layer group made of a ferromagnetic material
  • a second ferromagnetic layer group also made of a ferromagnetic material
  • a first ferromagnetic layer group and a second ferromagnetic layer group. 2 and a barrier layer made of an insulator formed between the two ferromagnetic layer groups.
  • the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer group can be detected by the level of electrical resistance, so that information can be assigned to 0 and 1 and used.
  • the first ferromagnetic layer group is also called a free layer
  • the second ferromagnetic layer group is also called a fixed layer.
  • a magnetic tunnel junction element can be applied as a storage element of a nonvolatile memory by designing the magnetization direction of the free layer so that it does not easily change due to thermal disturbance.
  • the direction of magnetization is designed to be easily changed by thermal disturbance, it can be applied to a computing system that performs stochastic information processing as a solid-state device that generates random output signals.
  • the stability of the magnetization direction against thermal disturbance is called thermal stability, and the thermal stability index is the value obtained by dividing the energy barrier E between two states by the thermal disturbance kBT (E/ kBT ).
  • superparamagnetism The state in which the magnetization direction fluctuates with a short time constant due to thermal disturbance is called superparamagnetism, and a magnetic tunnel junction device whose free layer exhibits superparamagnetism is called a superparamagnetic magnetic tunnel junction device. Called.
  • Non-Patent Document 10 the physical definition of the time constant ⁇ representing the frequency of temporal fluctuations in the magnetization direction of the magnetic tunnel junction element (for example, Non-Patent Document 10), the first ferromagnetic layer group, the second strong It has also been shown that a superparamagnetic magnetic tunnel junction element designed so that all of the magnetic layers exhibit superparamagnetism exhibits properties suitable for stochastic information processing (see, for example, Non-Patent Document 11). ).
  • Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 8 Because the free layer of the superparamagnetic magnetic tunnel junction element is designed to have a small anisotropic magnetic field, it generally reacts sensitively to external magnetic fields, making it difficult to overcome this problem.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device disclosed in Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 8 keeps outputting 0 regardless of time even when the applied magnetic field changes by only about 1 millitesla. The state has changed to continue to output 1.
  • Such restrictions on stray magnetic fields severely limit the applications in which computing systems using superparamagnetic magnetic tunnel junction devices can be used, or they require magnetic field shields that are large and costly. be an element.
  • Non-Patent Documents 3, 5 to 7, and 9 do not clearly show the external magnetic field dependence of the characteristics, but have the same problems as Non-Patent Documents 4 and 8.
  • the present invention has been made by paying attention to such problems, and is a superparamagnetic magnetic tunnel junction device that has excellent operational stability (robustness) against external magnetic fields and is suitable for computing systems based on stochastic information processing. , and a computing system using the same.
  • a superparamagnetic magnetic tunnel junction device comprises a first ferromagnetic layer group containing a ferromagnetic material, a second ferromagnetic layer group containing a ferromagnetic material, and the first ferromagnetic layer group containing a ferromagnetic material.
  • the first ferromagnetic layer group comprising a 1-1 ferromagnetic layer, a first nonmagnetic coupling layer, and a first 1-2 ferromagnetic layer, wherein the 1-1 ferromagnetic layer is composed of a ferromagnetic material, the magnetization direction thereof changes with a first time constant, and the first time constant is 1 second or less and the first non-magnetic coupling layer contains at least one of Ru, Ir, Rh, Cr, and Cu.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device includes a first ferromagnetic layer group containing a ferromagnetic material, a second ferromagnetic layer group containing a ferromagnetic material, the first ferromagnetic layer group and the second ferromagnetic layer group.
  • the first ferromagnetic layer group comprises a 1-1 ferromagnetic layer, a first nonmagnetic coupling layer, and a 1-2 ferromagnetic layer
  • the 1-1 ferromagnetic layer is composed of a ferromagnetic material, the magnetization direction thereof changes with a first time constant, the first time constant is 1 second or less, and the first The magnetizations of the -1 ferromagnetic layer and the 1-2 ferromagnetic layer are coupled by the first non-magnetic coupling layer such that their substantially antiparallel directions are stable.
  • the first nonmagnetic coupling layer contains at least one of Ru, Ir, Rh, Cr, and Cu, or the 1-1 ferromagnetic
  • the magnetizations of the layer and the 1-2nd ferromagnetic layer are coupled by the first non-magnetic coupling layer so that their nearly anti-parallel directions are stable.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device according to the present invention is suitable for computing systems based on stochastic information processing.
  • the second ferromagnetic layer group has at least a 2-1 ferromagnetic layer, the 2-1 ferromagnetic layer is composed of a ferromagnetic material, and The magnetization direction may be substantially fixed.
  • the second ferromagnetic layer group has at least a 2-1 ferromagnetic layer, and the 2-1 ferromagnetic layer is made of a ferromagnetic material. , its magnetization direction may change with a second time constant, said second time constant being less than or equal to 1 second.
  • the second ferromagnetic layer group further includes a second nonmagnetic coupling layer and a 2-2 ferromagnetic layer
  • the second nonmagnetic coupling layer comprises at least Ru, Ir, Rh, Cr, and Cu
  • the second ferromagnetic layer group further includes a second nonmagnetic coupling layer and a 2-2 ferromagnetic layer
  • the magnetizations of the ferromagnetic layer and the 2-2nd ferromagnetic layer may be coupled by the second non-magnetic coupling layer such that their substantially antiparallel directions are stabilized.
  • the thickness of the first nonmagnetic coupling layer is 0.5 nm or more and 1.1 nm or less, or 1.7 nm or more and 2.5 nm or less. It is preferably within the following range.
  • the first ferromagnetic layer group has a circular or elliptical shape, the ratio of the major axis to the minor axis is 1 or more and 3 or less, and the minor axis is It is preferably 80 nanometers or less.
  • the average magnetic volume [tesla-cubic meter] of the 1-1 ferromagnetic layer and the 1-2 ferromagnetic layer is coupled by the first nonmagnetic coupling layer.
  • the value divided by the intensity [tesla] is preferably 2.5 ⁇ 10 ⁇ 23 [cubic meter] or less, more preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 23 [m 3 ] or less.
  • the coupling strength [tesla] of the first non-magnetic coupling layer is 1 [tesla] or less.
  • a computing system comprises a weighting circuit, a plurality of random number generating units connected by the weighting circuit, and an output circuit, each random number generating unit comprising a superparamagnetic magnetic tunnel junction device according to the present invention. characterized by having
  • the computing system according to the present invention has the superparamagnetic magnetic tunnel junction element according to the present invention, it has excellent operational stability (robustness) against external magnetic fields.
  • a superparamagnetic magnetic tunnel junction element that is excellent in operational stability (robustness) against an external magnetic field and suitable for a computing system based on stochastic information processing, and a computing system using the same are provided. be able to.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a computing system according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 is an XZ cross-sectional view schematically showing the lamination structure of the first ferromagnetic layer group of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device according to the first embodiment of the present invention
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction element of the first embodiment of the present invention (a) when the 1-1 ferromagnetic layer is oriented in the -x direction, (b) the 1-1 ferromagnetic layer is in the +x direction 2 is an XZ cross-sectional view schematically showing a stable magnetization state of the first ferromagnetic layer group when facing .
  • FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the response of the device when A magnetic field was applied in the hard axis direction of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device of the first embodiment of the present invention (filled plot) and the superparamagnetic magnetic tunnel junction device of the conventional structure (white plot).
  • 4 is a graph showing the measurement results of the response of the device at time;
  • FIG. 4A is an XZ cross-sectional view, and
  • FIG. 4B is an XY plan view schematically showing the structure of a modification of the superparamagnetic magnetic tunnel junction element of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an XZ cross-sectional view of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a computing system 1 according to an embodiment of the invention.
  • a computing system 1 according to the embodiment of the present invention includes a weighted logic 200, a plurality of random number generation units 100 connected by the weighting circuit 200, and an output circuit 300.
  • Random number generation unit 100 includes at least one superparamagnetic tunnel junction element 10 .
  • the energy (cost function) for solving a given problem is set mathematically, and the magnitude of the input signal to be introduced into each bit to minimize the energy (cost function) is determined. is described as a function of the states of the other bits. This function is programmed into weighting circuit 200 .
  • An input signal V IN is input to the random number generation unit 100 and an output signal V OUT is output from the random number generation unit 100 .
  • the random number generation unit 100 generates an output signal V OUT that fluctuates moment by moment with a first time constant ⁇ 1, and its time-average characteristic changes like a sigmoidal function with respect to the input signal VIN .
  • the weighting circuit 200 calculates the input signal V IN to each random number generation unit 100 according to the ever-changing output signal V OUT from each random number generation unit 100 and feeds it back to each random number generation unit 100 . This loop continues for a certain period of time T-- COMP .
  • the output circuit 300 continues to measure the output signal V OUT from each random number generation unit 100 that fluctuates from moment to moment, and obtains a solution corresponding to the output signal V OUT from each random number generation unit 100 at each time for a fixed time T Accumulates during COMP .
  • the time T COMP depends on the scale and nature of the problem and the accuracy of the solution to be obtained, but is preferably at least 1000 times the first time constant ⁇ 1.
  • the optimum solution is obtained as the most frequently observed state.
  • the state distribution itself becomes a sample solution corresponding to a given problem.
  • FIG. 2 schematically shows the structure of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 2(a) is an XZ sectional view
  • FIG. 2(b) is an XY plan view.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 shown in FIG. 2 has two upper and lower terminals.
  • the circuit configuration of the random number generation unit 100 for performing probabilistic information processing using the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 having such a two-terminal structure is disclosed, for example, in Non-Patent Document 2, and is omitted here. do.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 includes a lower electrode 11, a second ferromagnetic layer group 12 provided adjacent to the upper surface of the lower electrode 11, and a barrier provided adjacent to the upper surface of the second ferromagnetic layer group 12. It has a layer 13 , a first ferromagnetic layer group 14 provided adjacent to the upper surface of the barrier layer 13 , and an upper electrode 15 provided adjacent to the upper surface of the first ferromagnetic layer group 14 .
  • the order of the first ferromagnetic layer group 14 and the second ferromagnetic layer group 12 may be reversed.
  • the second ferromagnetic layer group 12 contains a ferromagnetic material and its magnetization direction is substantially fixed.
  • the barrier layer 13 is composed of an insulator.
  • the first ferromagnetic layer group 14 is composed of a laminated structure including a ferromagnetic material, and the magnetization direction of at least a part thereof freely changes with a first time constant ⁇ 1 due to thermal disturbance. A specific laminated structure will be described later in detail.
  • both the second ferromagnetic layer group 12 and the first ferromagnetic layer group 14 have an axis of easy magnetization (in-plane easy axis of magnetization) in the film in-plane direction. However, any of them may have an axis of easy magnetization in the direction perpendicular to the film surface (perpendicular easy axis of magnetization).
  • the lower electrode 11 and the upper electrode 15 are made of a metallic material.
  • the lower electrode 11 and upper electrode 15 are electrically connected to the wiring shown.
  • the first time constant ⁇ 1 should be sufficiently shorter than the constant time TCOMP .
  • ⁇ 1 is 1/1000 or less of T COMP , and preferably 1 second or less.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 has an elliptical shape in the film plane, with a minor axis of L1 and a major axis of L2.
  • at least the first ferromagnetic layer group 14 has an elliptical shape in the film plane, with a minor axis of L1 and a major axis of L2.
  • a suitable design range for the minor axis L1 and the major axis L2 will be described later.
  • FIG. 3 is an XZ cross-sectional view showing the laminated structure of the first ferromagnetic layer group 14.
  • the first ferromagnetic layer group 14 of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 includes a 1-1 ferromagnetic layer 14A_1, a first nonmagnetic coupling layer 14B_1, a 1-2 ferromagnetic It has a structure in which the layers 14A_2 are laminated in this order or in reverse order.
  • the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 are made of ferromagnetic material, and the first non-magnetic coupling layer 14B_1 is made of non-magnetic material.
  • the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 is adjacent to the barrier layer 13, and the magnetization direction of at least the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 must be freely changed by thermal disturbance with the first time constant ⁇ 1.
  • FIG. 4 schematically shows typical examples of possible directions of magnetization of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2.
  • the magnetizations of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 are coupled in approximately antiparallel directions via the first non-magnetic coupling layer 14B_1.
  • Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction or the like can be used as the principle of magnetic coupling.
  • RKKY Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida
  • the magnetization states shown here schematically show the configuration in a thermally stable state, and the magnetizations temporarily deviate from the ⁇ x directions during operation. There are moments when it takes states and deviates from the antiparallel state.
  • the magnetic volume per unit area (M S t ) is preferably designed to be 20% or less, more preferably 10% or less. This makes it easier to obtain the effects of the present invention. The principle will be described later.
  • the second ferromagnetic layer group 12 is depicted as being composed of a single ferromagnetic layer, but in reality the second ferromagnetic layer group 12 is also composed of a plurality of layers. It is desirable to have a laminated structure, and it is particularly desirable to have two ferromagnetic layers antiferromagnetically coupled by a pinning layer and a nonmagnetic layer made of an antiferromagnetic material. Since these are the same as the structure adopted in general non-volatile magnetic memories, detailed description thereof will be omitted.
  • the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 are antiferromagnetic layers through the first nonmagnetic coupling layer 14B_1.
  • the number of layers may be further increased to include the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1, the 1-1 non-magnetic coupling layer 14B_1, the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2, the first -2 nonmagnetic coupling layer 14B_2, 1-3 ferromagnetic layer 14A_3, .
  • Magnetizations of ferromagnetic layers facing each other via each non-magnetic coupling layer may be formed so as to be coupled in antiparallel directions.
  • FIG. 5 the principle of realizing the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 excellent in resistance to external magnetic fields according to the present invention will be described.
  • the conventional structure FIG. 5(a) in which the first ferromagnetic layer group 14 consists of a single ferromagnetic layer and, as described above, the structure in which the first ferromagnetic layer group 14 is reversed.
  • the structure of the present invention (FIG. 5(b)) is shown consisting of ferromagnetically coupled 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and 1-2 ferromagnetic layer 14A_2.
  • the left half of the figure is a schematic diagram of the film structure and the magnetization direction, and the right half is the response of the time-averaged magnetization ⁇ M> when an external magnetic field H is applied, and the most stable magnetization at that time.
  • the states (white arrows) are shown schematically.
  • the magnetic tunnel junction element Since the magnetic tunnel junction element is in a low resistance state or a high resistance state depending on the magnetization direction, the magnetic field dependence of the time-average magnetization ⁇ M> remains unchanged from the resistance of the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 and the random number generation unit 100. is reflected in the output signal V OUT of .
  • the magnetization of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 has an angle between 0 and 180 degrees, like scissors. becomes stable, and the pincers close as the magnetic field increases, so that the average magnetization ⁇ M> changes with the magnetic field.
  • a state in which the average magnetization ⁇ M> does not significantly respond to magnetic fields over a wide magnetic field range is achieved, i.e., a robust superparamagnetic magnetic tunnel against external magnetic fields.
  • a junction element is realized.
  • a nonmagnetic and conductive metal can be used for the lower electrode 11 and the upper electrode 15 .
  • Specific examples include Ta, W, Ti, Ru, Cu, Cu—N, Ti—N, and Ta—N.
  • the film thickness is designed in the range of about 5 nm to 80 nm.
  • the second ferromagnetic layer group 12 typically includes a pinning layer made of an antiferromagnetic material, a 2-1 ferromagnetic fixed layer made of a ferromagnetic material, and a fixed layer coupling made of a nonmagnetic material. It is preferable that the 2-1 ferromagnetic pinned layer composed of a layer and a ferromagnetic material be laminated in this order from the substrate side.
  • the 2-1 ferromagnetic fixed layer and the 2-2 ferromagnetic fixed layer are coupled in the antiparallel direction via the pinned layer coupling layer.
  • a Pt--Mn alloy, an Ir--Mn alloy, a Pd--Mn alloy, etc. can be used for the pinning layer. Its film thickness is designed in the range of about 5 nm to 30 nm. Co, Fe, a Co—Fe alloy, or the like can be used for the 2-1 ferromagnetic fixed layer. The film thickness is designed in the range of about 1 nm to 4 nm. Ru or the like can be used for the fixed layer bonding layer. The film thickness is designed in the range of about 0.6 nm to 2.5 nm. A Co--Fe--B alloy, an Fe--B alloy, or the like can be used for the 2-2 ferromagnetic fixed layer. The film thickness is designed in the range of about 1 nm to 4 nm.
  • An insulating non-magnetic material can be used for the barrier layer 13 .
  • MgO metal oxide
  • Its film thickness is designed to be about 0.8 nm to 2.0 nm.
  • a Co--Fe--B alloy, an Fe--B alloy, a Co--Fe alloy, etc. are used. can be done. In both cases, the film thickness is designed in the range of about 1.2 nm to 3.5 nm.
  • the first non-magnetic coupling layer 14B_1 constituting the first ferromagnetic layer group 14 is composed of Ru, Ir, Rh, Cr, Cu, and alloys containing these, and it is particularly preferable to use Ru or Ir.
  • the film thickness is designed so that the magnetizations of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 are coupled in antiparallel directions. When using the RKKY interaction, the film thickness ranges from 0.5 nm to 1.1 nm, or from 1.7 nm to 2.5 nm for Ru and Ir.
  • the magnetization of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the magnetization of the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 can be coupled in antiparallel directions. .
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 having excellent operational stability (robustness) against an external magnetic field can be realized according to the principle described above.
  • the ratio of the minor axis L1 to the major axis L2 of the first ferromagnetic layer group 14 is preferably about 1 to 3. This provides low magnetic anisotropy and properties suitable for achieving a superparamagnetic state.
  • the minor axis L1 is preferably 100 nm or less, more preferably 80 nm or less. Although there is no particular lower limit for L1, the lower limit is about 10 nanometers with the current technology from the viewpoint of microfabrication accuracy.
  • the shape of the first ferromagnetic layer group 14 may be rectangular, rhombic, or the like, other than the elliptical shape shown in FIG. In this case, the minor axis L1 and the major axis L2 are defined as lengths in the lateral direction and the longitudinal direction.
  • the shapes of the barrier layer 13 and the second ferromagnetic layer group 12 may be the same as or different from those of the first ferromagnetic layer group 14 . Forming them in the same shape simplifies the manufacturing process. On the other hand, if the barrier layer 13 and the second ferromagnetic layer group 12 are formed to be larger than the first ferromagnetic layer group 14, the number of manufacturing steps increases, but leakage from the second ferromagnetic layer group 12 There is an advantage that the influence of the magnetic field on the first ferromagnetic layer group 14 can be reduced.
  • a structure (FIG. 2) in which the second ferromagnetic layer group 12 is formed on the substrate side with respect to the first ferromagnetic layer group 14 is assumed.
  • the composition of PtMn is Pt38 - Mn62
  • the composition of CoFeB is ( Co75 - Fe25 ) 75 - B25 (numbers are atomic %).
  • Ta(5) on the substrate side is the lower electrode 11
  • PtMn/Co/Ru/CoFeB is the second ferromagnetic layer group 12
  • MgO(1.0) is the barrier layer 13
  • CoFeB(1.8) is the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1.
  • Ru(0.74) corresponds to the first nonmagnetic coupling layer 14B_1
  • CoFeB(2.1) corresponds to the first-second ferromagnetic layer 14A_2
  • Ta(5)/Ru(5)/Ta(50) corresponds to the upper electrode 15.
  • the reason why the thicknesses of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 are different is that a magnetic dead layer accompanying the formation of the Ta layer of the upper electrode 15 is considered. be.
  • the layers other than MgO were deposited by DC magnetron sputtering method and the MgO layer was deposited by RF magnetron sputtering method.
  • microfabrication was performed using lithography technology.
  • the second ferromagnetic layer group 12 to the first ferromagnetic layer group 14 are collectively patterned in substantially the same shape. Typical experimental results are shown below. properties have been confirmed.
  • heat treatment was performed at 300 degrees for 2 hours while applying an in-plane magnetic field of 1.2 Tesla.
  • the purpose of this heat treatment is to induce an exchange bias at the interface between PtMn and Co of the second ferromagnetic layer group 12 .
  • FIG. 6 shows the first ferromagnetic layer group 14 and the second ferromagnetic layer group when a magnetic field is applied in the magnetization easy axis direction (long axis direction of the ellipse/x direction) of the fabricated superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10.
  • FIG. 6(a) shows a structure in which the conventional first ferromagnetic layer group 14 is composed of a single ferromagnetic layer
  • the layer group 14 is composed of two antiferromagnetically coupled ferromagnetic layers.
  • the residence time of the parallel state and the antiparallel state with respect to the magnetic field of about 1 millitesla varies in the range of about 10 nanoseconds to 150 nanoseconds.
  • the residence time changes only within the range of several nanoseconds to about 20 nanoseconds, confirming the effect of the present invention.
  • FIG. 7 shows changes in the time constant of magnetization reversal of the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 when a magnetic field is applied in the in-plane magnetic hard axis direction (the minor axis direction of the ellipse/y direction). Measurement results are shown.
  • the conventional structure is shown as a hollow plot and the structure of the invention is shown as a solid plot.
  • the residence time changes by about eight orders of magnitude with respect to a magnetic field of several millitesla, whereas in the structure of the present invention, even with the application of a magnetic field of about 10 millitesla, the residence time changes by one to two orders of magnitude. It changes only within the range, and the effect of the present invention can be similarly confirmed.
  • the magnetic volume [Tm 3 ]/coupling strength [T] is 2.5. ⁇ 10 ⁇ 23 [m 3 ] or less, sufficient robustness is obtained against an external magnetic field of about 2 mT, and when 1 ⁇ 10 ⁇ 23 [m 3 ] or less, an external magnetic field of about 5 mT is obtained.
  • the coupling strength between the two ferromagnetic layers by the first nonmagnetic coupling layer 14B_1 is given by a magnetic field (saturation magnetic field) in which the magnetization of the two layers is oriented in one direction in the magnetization curve.
  • the average magnetic volume [Tm 3 ] of the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 is set to
  • the value divided by the bond strength [T] is preferably 2.5 ⁇ 10 ⁇ 23 [m 3 ] or less, more preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 23 [m 3 ] or less.
  • the coupling strength [T] of the first non-magnetic coupling layer 14B_1 is too large, the first time constant ⁇ 1 becomes long and a long calculation time T COMP is required. From detailed calculations, it was found that when the bond strength is 1 [T] or more, such an adverse effect increases. That is, it is preferable that the coupling strength [T] by the first non-magnetic coupling layer 14B_1 is 1 Tesla or less.
  • FIG. 8 shows the structure of a modification of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 8(a) is an XZ sectional view
  • FIG. 8(b) is an XY plan view.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 shown in FIG. 8 has three terminals, two of which are connected to the bottom electrode 11. , and the remaining one is connected to the upper electrode 15 .
  • a first ferromagnetic layer group 14 is formed on the upper surface of the lower electrode 11 and a second ferromagnetic layer group 12 is formed on the lower surface of the upper electrode 15 .
  • the first ferromagnetic layer group 14 has a spin orbit torque (SOT) generated by an in-plane current introduced into the lower electrode 11.
  • SOT spin orbit torque
  • Spin Hall effect, spin anomalous Hall effect, topological Hall effect, Rashba-Edelstein effect, magnetic spin Hall effect, etc. can be used as the origin of spin-orbit torque.
  • the circuit configuration of the random number generating unit 100 using the three-terminal superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 is disclosed in Non-Patent Document 1, and is omitted here.
  • the first ferromagnetic layer group 14 has a structure in which the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1 and the 1-2 ferromagnetic layer 14A_2 face each other with the first non-magnetic coupling layer 14B_1 interposed therebetween.
  • the spin-orbit torque can change the output signal V OUT from the random number generation unit 100 according to the input signal V IN , realizing a computing system for stochastic information processing, and at the same time, artificial A robust antiferromagnetic coupling is realized against an external magnetic field.
  • a material that can generate a large spin-orbit torque for the lower electrode 11 it is desirable to use a material that can generate a large spin-orbit torque for the lower electrode 11 .
  • Specific examples include 5d transition metals such as Ta, W, Hf, Pt, and Bi, and alloys containing them.
  • FIG. 9 is an XZ sectional view schematically showing a typical structure of the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the second ferromagnetic layer group 12 has a structure in which a 2-1 ferromagnetic layer 12A_1, a second nonmagnetic coupling layer 12B_1, and a 2-2 ferromagnetic layer group 12A_2 are laminated. have.
  • the 2-1 ferromagnetic layer 12A_1 is adjacent to the barrier layer 13, and its magnetization direction needs to fluctuate with the second time constant ⁇ 2.
  • the 2-1 ferromagnetic layer 12A_1 and the 2-2 ferromagnetic layer group 12A_2 are antiferromagnetically coupled via the second nonmagnetic coupling layer 12B_1.
  • Materials and structures that can be used for the 2-1 ferromagnetic layer 12A_1, the second nonmagnetic coupling layer 12B_1, and the 2-2 ferromagnetic layer group 12A_2 are the 1-1 ferromagnetic layer 14A_1, the first nonmagnetic coupling Since it is the same as the layer 14B_1 and the 1-2nd ferromagnetic layer group 14A_2, the description is omitted.
  • the state of the second ferromagnetic layer group 12 is also constantly fluctuated by heat with the second time constant ⁇ 1. Since the fluctuation correlation is small, the tunnel magnetoresistance of the superparamagnetic magnetic tunnel junction element 10 changes with a time constant approximately equal to the first time constant ⁇ 1 and the second time constant ⁇ 2.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 of the second embodiment of the invention can also be incorporated into the random number generation unit 100. FIG.
  • the second ferromagnetic layer group 12 in the second embodiment is also robust against external magnetic fields on the same principle as described for the first ferromagnetic layer group 14 in the first embodiment. Action is realized.
  • Non-Patent Document 11 describes the usefulness of a superparamagnetic magnetic tunnel junction device in which both ferromagnetic layers on both sides of the barrier layer 13 exhibit superparamagnetism for stochastic information processing.
  • magnetostatic coupling (dipole interaction) between two ferromagnetic layer groups ) adversely affects the operation, but in the superparamagnetic magnetic tunnel junction device 10 according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 12, since the magnetization is substantially canceled by the plurality of ferromagnetic layers, the static magnetic field generated outside is small. Therefore, the influence of the dipole interaction is greatly reduced, and it is expected that random number generation, stable operation, and the like will be performed at a higher speed than the structure assumed in Non-Patent Document 11.
  • the present invention can be implemented even if the second ferromagnetic layer group 12 has a structure consisting only of the 2-1 ferromagnetic layer 12A_1.
  • the superparamagnetic magnetic tunnel junction element and random number generation unit according to the present invention can also be used for applications other than computing systems specialized for stochastic information processing. For example, it may be used as a random number generator for encryption.

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Abstract

【課題】外部磁場に対する動作安定性（ロバスト性）に優れ、確率論的情報処理に基づくコンピューティングシステムに適した超常磁性磁気トンネル接合素子、及びそれを用いたコンピューティングシステムを提供する。 【解決手段】超常磁性磁気トンネル接合素子１０が、強磁性体を含む第１強磁性層群１４と、強磁性体を含む第２強磁性層群１２と、第１強磁性層群１４と第２強磁性層群１２との間に配置されるバリア層１３とを有し、第１強磁性層群１４は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２と第１非磁性結合層１４Ｂ＿１とを有し、第１－１強磁性層１４Ａ＿１は強磁性体で構成され、その磁化方向は第一の時定数で変化し、第一の時定数は１秒以下であり、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１は、少なくともＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、およびＣｕのいずれか１つを含有している。

Description

超常磁性磁気トンネル接合素子、及びコンピューティングシステム
　本発明は、超常磁性磁気トンネル接合素子、及びそれを用いたコンピューティングシステムに関する。
　従来のコンピューティングシステムは、四則演算などの反復による大規模な問題を効率的に扱うことができる一方で、最適化問題などの計算論的な複雑性が高い問題の扱いを苦手とする。近年、このような従来のコンピューティングシステムが苦手とする複雑な処理を比較的容易に扱うことができる計算原理として、量子情報処理と並んで確率論的情報処理（Probabilistic computing）が注目されている。そして、確率論的情報処理に特化した専用のコンピューティングシステムハードウェアの開発が重要課題となっている。
　確率論的情報処理専用のコンピューティングシステムにおいては、出力が０と１の間で時間的にランダムに変動し、かつ０と１の割合が外部入力電流（または電圧）によって制御可能な乱数発生ユニットが必要となる。そして、この乱数発生ユニット内には、ランダムな出力信号を発生可能な回路または固体素子が必要となる。
　近年、ランダムな出力信号を発生できる固体素子として、磁気トンネル接合素子が注目されている。磁気トンネル接合素子は、典型的には、強磁性体から構成される第１強磁性層群と、同じく強磁性体から構成される第２強磁性層群と、第１強磁性層群と第２強磁性層群との間に形成される絶縁体からなるバリア層とから構成される。例えば、第１強磁性層群の磁化方向は自由に反転するように設計し、第２強磁性層群の磁化方向は実質的に固定されるように設計した場合、トンネル磁気抵抗効果を利用することで、第１強磁性層群の磁化の向きを電気抵抗の高低で検出できるため、情報の０と１に割り当てて利用することができる。なお、この場合、第１強磁性層群は自由層、第２強磁性層群は固定層とも呼ばれる。
　磁気トンネル接合素子は、自由層の磁化の向きが熱擾乱に対して容易には変化しないように設計することで、不揮発性メモリの記憶素子として応用することができる。一方で、磁化の向きが熱擾乱に対して容易に変化するように設計すると、ランダムな出力信号を発生する固体素子として、確率論的情報処理を行うコンピューティングシステムに応用することができる。なお、熱擾乱に対する磁化方向の安定性は、熱安定性と呼ばれ、２つの状態間のエネルギー障壁Ｅを熱擾乱ｋＢＴで除した値（Ｅ／ｋＢＴ）である熱安定性指数を用いて定量的に表される。熱擾乱によって磁化方向が短い時定数で揺らぐような状態は、超常磁性と呼ばれ、自由層が超常磁性を示すように設計された磁気トンネル接合素子のことは、超常磁性磁気トンネル接合素子などと呼ばれる。
　従来、磁気トンネル接合素子を確率論的情報処理に応用したものとして、自由層の熱安定性指数が０で設計された仮想的な磁気トンネル接合素子を想定して、数値計算を行い、確率論的情報処理の実現方法を提案したものがある（例えば、非特許文献１または非特許文献２参照）。また、例えば、超常磁性磁気トンネル接合素子に関する実験結果を示したもの（例えば、非特許文献３乃至８参照）や、超常磁性磁気トンネル接合素子に関する実験結果に加えて、それを用いた確率論的情報処理の原理実証の結果も示したものがある（例えば、非特許文献９参照）。
　なお、磁気トンネル接合素子の磁化方向の時間的な揺らぎの頻度を表す時定数τの物理的な定義を示したもの（例えば、非特許文献１０）や、第１強磁性層群、第２強磁性層群のいずれもが超常磁性を示すように設計された超常磁性磁気トンネル接合素子が、確率論的情報処理に適した特性を示すことを示したものもある（例えば、非特許文献１１参照）。
Kerem Yunus Camsari, Rafatul Faria, Brian M. Sutton, and Supriyo Datta, "Stochastic p-Bits for Invertible Logic", Phys. Rev. X, 2017, vol. 7, 031014 Kerem Yunus Camsari, Sayeef Salahuddin, Supriyo Datta, "Implementing p-bits With Embedded MTJ", IEEE Electron Device Letters, 2017, vol. 38, 1767 Yang Lv, Jian-Ping Wang, "A single magnetic-tunnel-junction stochastic computing unit", 2017 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2017, DOI: 10.1109/IEDM.2017.8268504 Mukund Bapna and Sara A. Majetich, "Current control of time-averaged magnetization in superparamagnetic tunnel junctions", Appl. Phys. Lett., 2017, vol. 111, 243107 Alice Mizrahi, Tifenn Hirtzlin, Akio Fukushima, Hitoshi Kubota, Shinji Yuasa, Julie Grollier & Damien Querlioz, "Neural-like computing with populations of superparamagnetic basis functions", Nature Communications, 2018, vol. 9, 1533 Brandon R. Zink, Yang Lv, and Jian-Ping Wang, "Telegraphic switching signals by magnet tunnel junctions for neural spiking signals with high information capacity", J. Appl. Phys., 2018, vol. 124, 152121 Bradley Parks, Mukund Bapna, Julianne Igbokwe, Hamid Almasi, Weigang Wang, and Sara A. Majetich, "Superparamagnetic perpendicular magnetic tunnel junctions for true random number generators", AIP Advances, 2018, vol. 8, 055903 Keisuke Hayakawa, Shun Kanai, Takuya Funatsu, Junta Igarashi, Butsurin Jinnai, William Andrew Borders, Hideo Ohno, and Shunsuke Fukami, "Nanosecond Random Telegraph Noise in In-Plane Magnetic Tunnel Junctions," Physical Reviewer Letters, 2021, vol. 126, 117202 William A. Borders, Ahmed Z. Pervaiz, Shunsuke Fukami, Kerem Y. Camsari, Hideo Ohno & Supriyo Datta, "Integer factorization using stochastic magnetic tunnel junctions," Nature, 2019, vol. 573, pp. 390-393 William Rippard, Ranko Heindl, Matthew Pufall, Stephen Russek, and Anthony Kos, "Thermal relaxation rates of magnetic nanoparticles in the presence of magnetic fields and spin-transfer effects", Physical Review B, 2011, vol. 84, 064439 Kerem. Y. Camsari, Mustafa Mert Tarunbalci, William A. Borders, Hideo Ohno, and Shunsuke Fukami "Double-Free-Layer Magnetic Tunnel Junctions for Probabilistic Bits", Physical Review Applied, 2021, vol. 15, 044049
　超常磁性磁気トンネル接合素子を用いたコンピューティングシステムの社会実装に向けた課題の一つとして、外部磁場に対する動作の安定性（ロバスト性）がある。コンピューティングシステムが使用される環境においては、最大で数ミリテスラから数１０ミリテスラ程度の磁場が様々な外的要因によって印加されることが予測されるが、超常磁性磁気トンネル接合素子は、このような外部磁場に対しても特性を大きく変えることなく安定して動作する必要がある。
　超常磁性磁気トンネル接合素子の自由層は、異方性磁場が小さく設計されているために、一般的に外部磁場に対して敏感に反応してしまうことから、この課題の克服は容易ではない。例えば、非特許文献４や非特許文献８で示されている超常磁性磁気トンネル接合素子は、印加される磁場が約１ミリテスラ変化しただけで、時間に依存せず０を出力し続ける状態から、１を出力し続ける状態に変化している。このような外乱磁場に対する制約は、超常磁性磁気トンネル接合素子を用いたコンピューティングシステムを利用できる用途を大幅に制限する、あるいはサイズが大きくコストのかかる磁場シールドを必要とするなど、応用上好ましくない要素となる。非特許文献３、５乃至７、９では、特性の外部磁場依存性は明確には示されていないが、非特許文献４や非特許文献８と同様な課題がある。
　本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、外部磁場に対する動作安定性（ロバスト性）に優れ、確率論的情報処理に基づくコンピューティングシステムに適した超常磁性磁気トンネル接合素子、及びそれを用いたコンピューティングシステム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、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子は、強磁性体を含む第１強磁性層群と、強磁性体を含む第２強磁性層群と、前記第１強磁性層群と前記第２強磁性層群との間に配置されるバリア層とを有し、前記第１強磁性層群は、第１－１強磁性層と第１非磁性結合層と第１－２強磁性層とを有し、前記第１－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は第一の時定数で変化し、前記第一の時定数は１秒以下であり、前記第１非磁性結合層は、少なくともＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、およびＣｕのいずれか１つを含有することを特徴とする。
　または、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子は、強磁性体を含む第１強磁性層群と、強磁性体を含む第２強磁性層群と、前記第１強磁性層群と前記第２強磁性層群との間に配置されるバリア層とを有し、前記第１強磁性層群は、第１－１強磁性層と第１非磁性結合層と第１－２強磁性層とを有し、前記第１－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は第一の時定数で変化し、前記第一の時定数は１秒以下であり、前記第１－１強磁性層および前記第１－２強磁性層の磁化は、前記第１非磁性結合層によって互いに概反平行方向が安定になるように結合していることを特徴とする。
　本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子は、第１非磁性結合層が少なくともＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、およびＣｕのいずれか１つを含有しているため、または、第１－１強磁性層および第１－２強磁性層の磁化は、第１非磁性結合層によって互いに概反平行方向が安定になるように結合しているため、外部磁場に対する動作安定性（ロバスト性）に優れている。このため、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子は、確率論的情報処理に基づくコンピューティングシステムに適している。
　本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子で、前記第２強磁性層群は、少なくとも第２－１強磁性層を有し、前記第２－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は実質的に固定されていてもよい。
　また、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子で、前記第２強磁性層群は、少なくとも第２－１強磁性層を有し、前記第２－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は第二の時定数で変化し、前記第二の時定数は１秒以下であってもよい。この場合、前記第２強磁性層群は、さらに第２非磁性結合層と第２－２強磁性層とを有し、前記第２非磁性結合層は、少なくともＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、およびＣｕのいずれか１つを含有していてもよく、あるいは前記第２強磁性層群は、さらに第２非磁性結合層と第２－２強磁性層とを有し、前記第２－１強磁性層および第２－２強磁性層の磁化は、前記第２非磁性結合層によって互いに概反平行方向が安定になるように結合していてもよい。
　本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子は、前記第１非磁性結合層の膜厚が、０．５ナノメートル以上１．１ナノメートル以下、または、１．７ナノメートル以上２．５ナノメートル以下の範囲にあることが好ましい。また、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子で、前記第１強磁性層群は、円形または楕円形状を成し、その長径の短径に対する比は１以上３以下であり、その短径は８０ナノメートル以下であることが好ましい。
　本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子は、前記第１－１強磁性層および前記第１－２強磁性層の磁気ボリューム［テスラ・立方メートル］の平均を、前記第１非磁性結合層による結合強度［テスラ］で除した値が、２．５×１０－２３[立方メートル]以下、より好適には１×１０－２３[ｍ３]以下であることが好ましい。また、前記第１非磁性結合層による結合強度［テスラ］が、１［テスラ］以下であることが好ましい。
　本発明に係るコンピューティングシステムは、重み付け回路と、前記重み付け回路によって接続される複数の乱数発生ユニットと、出力回路とを有し、各乱数発生ユニットは、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子を有することを特徴とする。
　本発明に係るコンピューティングシステムは、本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子を有しているため、外部磁場に対する動作安定性（ロバスト性）に優れている。
　本発明によれば、外部磁場に対する動作安定性（ロバスト性）に優れ、確率論的情報処理に基づくコンピューティングシステムに適した超常磁性磁気トンネル接合素子、及びそれを用いたコンピューティングシステムを提供することができる。
本発明の実施の形態のコンピューティングシステムを示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子の（ａ）Ｘ－Ｚ断面図、（ｂ）Ｘ－Ｙ平面図である。 本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子の、第１強磁性層群の積層構造を模式的に表したＸ－Ｚ断面図である。 本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子の、（ａ）第１－１強磁性層が－ｘ方向を向いたとき、（ｂ）第１－１強磁性層が＋ｘ方向を向いたときの、第１強磁性層群の安定な磁化状態を模式的に表したＸ－Ｚ断面図である。 （ａ）従来型の超常磁性磁気トンネル接合素子の構造、および、（ｂ）本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子の構造の、所望の特性が得られる原理を説明する、（左図）膜構成と磁化方向の模式図、（右図）外部磁場Ｈを印加した場合の時間平均した磁化＜Ｍ＞の応答の様子、及びその時の磁化の最安定状態（白抜きの矢印）の模式図である。 （ａ）図５（ａ）に示す従来型の超常磁性磁気トンネル接合素子、（ｂ）本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子の、磁化容易軸方向に磁場が印加された時の素子の応答の測定結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子（塗りつぶされたプロット）および従来構造の超常磁性磁気トンネル接合素子（白抜きのプロット）の、磁化困難軸方向に磁場が印加された時の素子の応答の測定結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子の、変形例の構造を模式的に表した（ａ）Ｘ－Ｚ断面図、（ｂ）Ｘ－Ｙ平面図である。 本発明の第２の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子のＸ－Ｚ断面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子、及びそれを用いたコンピューティングシステムについて説明する。
［１．コンピューティングシステムの基本構造］
　図１に、本発明の実施の形態のコンピューティングシステム１のブロック図を示す。本発明の実施の形態のコンピューティングシステム１は、重み付け回路（Weighted Logic）２００と、重み付け回路２００によって接続される複数の乱数発生ユニット（Random Number Generation Unit）１００と、出力回路（Output Circuit）３００とを含む。乱数発生ユニット１００は、少なくとも１つの超常磁性磁気トンネル接合（Superparamagnetic Tunnel Junction）素子１０を含む。
　確率論的情報処理においては、与えられた問題を解くためのエネルギー（コスト関数）が数式的に設定され、そのエネルギー（コスト関数）を最小化するための各ビットに導入すべき入力信号の大きさが、他のビットの状態の関数として記述される。この関数が、重み付け回路２００にプログラムされる。
　乱数生成ユニット１００には入力信号ＶＩＮが入力され、乱数生成ユニット１００からは出力信号ＶＯＵＴが出力される。乱数生成ユニット１００は、第１の時定数τ１で時々刻々と変動する出力信号ＶＯＵＴを生成するが、その時間平均特性は、入力信号ＶＩＮに対してシグモイド関数的に変化する。
　重み付け回路２００は、時々刻々と変動する各乱数生成ユニット１００からの出力信号ＶＯＵＴに応じて、各乱数生成ユニット１００への入力信号ＶＩＮを随時計算し、各乱数生成ユニット１００にフィードバックする。このループを、ある一定時間ＴＣＯＭＰだけ継続する。
　出力回路３００は、時々刻々と変動する各乱数生成ユニット１００からの出力信号ＶＯＵＴを計測し続け、各時間での各乱数生成ユニット１００からの出力信号ＶＯＵＴに対応する解を、一定時間ＴＣＯＭＰの間で蓄積する。時間ＴＣＯＭＰは、問題の規模や性質、得たい解の精度にも依存するが、第１の時定数τ１の１０００倍以上であることが好ましい。これによって、最適化問題であれば、最も多く観測された状態として最適解が求まる。また、サンプリング問題であれば、状態の分布そのものが与えられた問題に対応した解のサンプルとなる。
［２．超常磁性磁気トンネル接合の基本構造（第１の実施の形態）］
　図２に、本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０の構造を模式的に示す。図２（ａ）はＸ－Ｚ断面図、図２（ｂ）はＸ－Ｙ平面図である。図２に示された超常磁性磁気トンネル接合素子１０は、上下２つの端子を有している。このような２端子構造の超常磁性磁気トンネル接合素子１０を用いた、確率論的情報処理を行うための乱数発生ユニット１００の回路構成は、例えば非特許文献２に開示されているのでここでは省略する。
　超常磁性磁気トンネル接合素子１０は、下部電極１１と、下部電極１１の上面に隣接して設けられる第２強磁性層群１２と、第２強磁性層群１２の上面に隣接して設けられるバリア層１３と、バリア層１３の上面に隣接して設けられる第１強磁性層群１４と、第１強磁性層群１４の上面に隣接して設けられる上部電極１５とを有する。なお、第１強磁性層群１４と第２強磁性層群１２の順番は、逆でも良い。
　第１の実施の形態においては、第２強磁性層群１２は、強磁性体を含み、その磁化方向は実質的に固定されている。バリア層１３は、絶縁体から構成される。第１強磁性層群１４は、強磁性体を含む積層構造で構成され、少なくともその一部の磁化方向は、熱擾乱によって第１の時定数τ１で自由に変化する。具体的な積層構造は、この後詳述される。好適には、第２強磁性層群１２、及び第１強磁性層群１４は、いずれも膜面内方向に磁化容易軸（面内磁化容易軸）を有している。ただし、いずれも膜面垂直方向に磁化容易軸（垂直磁化容易軸）を有していてもよい。
　下部電極１１および上部電極１５は、金属性の材料から構成される。下部電極１１および上部電極１５は、図示されている配線へと電気的に接続されている。
　第１の時定数τ１は、一定時間ＴＣＯＭＰよりも十分に短い必要がある。その比は、問題の規模と得たい解の精度にも依存するが、τ１はＴＣＯＭＰの１／１０００以下であり、１秒以下であることが望ましい。
　超常磁性磁気トンネル接合素子１０は、膜面内において楕円形の形状を有しており、その短径はＬ１、長径はＬ２である。または、少なくとも第１強磁性層群１４は、膜面内において楕円形の形状を有しており、その短径はＬ１、長径はＬ２である。短径Ｌ１、長径Ｌ２の好適な設計範囲は後述される。
　図３は、第１強磁性層群１４の積層構成を示したＸ－Ｚ断面図である。本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０の第１強磁性層群１４は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１、第１－２強磁性層１４Ａ＿２がこの順または逆順で積層した構造を有する。第１－１強磁性層１４Ａ＿１及び第１－２強磁性層１４Ａ＿２は強磁性体から構成され、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１は非磁性体から構成される。なお、第１－１強磁性層１４Ａ＿１はバリア層１３に隣接し、少なくとも第１－１強磁性層１４Ａ＿１の磁化方向が熱擾乱によって第１の時定数τ１で自由に変化する必要がある。
　図４は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１及び第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁化が取り得る方向の典型例が、模式的に示されている。本発明においては、第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁化は、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１を介して概反平行方向に結合している。磁気結合の原理としては、Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用などが利用できる。図４に示されたように、第１－１強磁性層１４Ａ＿１が－ｘ方向を向くときは、第１－２強磁性層１４Ａ＿２は＋ｘ方向が安定となり、第１－１強磁性層１４Ａ＿１が＋ｘ方向を向くときは、第１－２強磁性層１４Ａ＿２は－ｘ方向が安定となる。なお、ここで示された磁化の状態は、熱的に安定な状態での構成を模式的に示したものであり、動作中には一時的に、お互いの磁化は、±ｘ方向からずれた状態をとり、また反平行状態からずれた状態をとる瞬間もある。なお、第１－１強磁性層１４Ａ＿１および第１－２強磁性層１４Ａ＿２の飽和磁化（ＭＳ）と、有効膜厚（ｔ）との積で与えられる単位面積当たりの磁気ボリューム（ＭＳｔ）の比は、２０％以下となるように設計されることが好ましく、より好適には１０％以下に設計される。これによって、本発明の効果が得られやすくなる。その原理は後述される。
　なお、図２では、第２強磁性層群１２は、単層の強磁性層から構成されるように描かれているが、実際には第２強磁性層群１２も、複数の層からなる積層構造を有することが望ましく、特に反強磁性体からなるピニング層、非磁性層によって、反強磁性的に結合した二層の強磁性層からなることが望ましい。これらは、一般的な不揮発性磁気メモリで採用される構造と同一であるので、詳細な説明は省略する。
　また、図３、図４では、第１強磁性層群１４は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２とが、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１を介して反強磁性的に結合した構造が示されているが、例えばさらに層数を増やし、第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１－１非磁性結合層１４Ｂ＿１、第１－２強磁性層１４Ａ＿２、第１－２非磁性結合層１４Ｂ＿２、第１－３強磁性層１４Ａ＿３、…、第１－Ｎ非磁性結合層１４Ｂ＿Ｎ、第１－Ｎ＋１強磁性層１４Ａ＿Ｎ＋１のような順で積層された構造を採用し、各非磁性結合層を介して対向する強磁性層の磁化が、反平行方向に結合するように形成されても良い。
［３．原理］
　次に、図５を用い、本発明によって外部磁場耐性に優れた超常磁性磁気トンネル接合素子１０が実現される原理を説明する。説明のために、第１強磁性層群１４が単層の強磁性層から構成される従来型の構造（図５（ａ））と、上述のように、第１強磁性層群１４が反強磁性的に結合した第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１－２強磁性層１４Ａ＿２から構成される本発明の構造（図５（ｂ））が図示されている。また、図の左半分は、膜構成と磁化方向の模式図であり、右半分は、外部磁場Ｈを印加した場合の時間平均した磁化＜Ｍ＞の応答の様子、及びその時の磁化の最安定状態（白抜きの矢印）が模式的に示されている。なお、ここでは簡単のために、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁気ボリューム（ＭＳｔ）は等しく、完全に相殺されているものと仮定する。
　単層の強磁性層で構成される場合（図５（ａ））、例えば＋ｘ方向に磁場が印加されると、磁化が＋ｘ方向を向くことでゼーマンエネルギーが下がることから、磁化は＋ｘ方向を向きやすくなる。逆に－ｘ方向に磁場が印加されると、磁化が－ｘ方向を向くことでゼーマンエネルギーが下がることから、磁化は－ｘ方向を向きやすくなる。従って、時間分解的には超常磁性的に揺らいでいたとしても、時間平均をとると、右図に示されるように、時間平均磁化＜Ｍ＞は磁場に対してシグモイド関数的に変化する。磁気トンネル接合素子では、磁化方向に応じて低抵抗、高抵抗状態となることから、時間平均磁化＜Ｍ＞の磁場依存性はそのまま超常磁性磁気トンネル接合素子１０の抵抗、そして乱数生成ユニット１００からの出力信号ＶＯＵＴに反映される。
　一方で、本発明の第１の実施の形態の、人工的な反強磁性結合を用いた超常磁性磁気トンネル接合素子（図５（ｂ））では、磁場が＋ｘ方向に印加されても－ｘ方向に印加されても、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁化が反平行方向に結合しているため、一方の強磁性層が磁場方向を向こうとすると、他方の強磁性層がその変化を妨げる。従って、ある磁場範囲内においては、時間平均磁化＜Ｍ＞は磁場に対して有意に変化しない。そして、ある磁場（フロップ磁場）以上では、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁化が、ハサミのように、０度と１８０度との中間の角度を持つ状態が安定となり、磁場の増大とともにそのハサミが閉じていくことで、平均磁化＜Ｍ＞が磁場に追随して変化する。かくして、図５（ｂ）の右図のように、広い磁場範囲において、平均磁化＜Ｍ＞が磁場に対して有意に応答しない状態が実現され、すなわち外部磁場に対してロバストな超常磁性磁気トンネル接合素子が実現される。
　次に、磁場が、ｙ方向やｚ方向に印加された場合を考える。このときには、単層の強磁性層で構成される場合（図５（ａ））は、反転のためのエネルギー障壁が低減される、あるいは、高エネルギー状態に押し上げられることから、磁化の揺らぎの時定数τ１は短縮される。一方で、人工的な反強磁性結合を用いる場合（図５（ｂ））、一方の強磁性層の磁化が磁場方向を向こうとしても、もう片方がそれを妨げるので、外部磁場の印加の効果は抑制される。従って、ｘ方向の磁場の場合と同様に、外部磁場に対してロバストな振る舞いが実現されることとなる。
［４．材料と形状］
　続いて、本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０の各層に用いることのできる材料について述べる。下部電極１１と上部電極１５には、非磁性で導電性の金属を用いることができる。具体的には、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｎ、Ｔｉ－Ｎ、Ｔａ－Ｎなどが例示される。その膜厚は、５ナノメートルから８０ナノメートル程度の範囲に設計される。
　第２強磁性層群１２は、典型的には反強磁性体で構成されるピニング層、強磁性体で構成される第２－１強磁性固定層、非磁性体で構成される固定層結合層、強磁性体で構成される第２－１強磁性固定層が、基板側からこの順で積層して構成されることが好ましい。ここで、第２－１強磁性固定層、第２－２強磁性固定層は、固定層結合層を介して反平行方向に結合している。
　ピニング層には、Ｐｔ－Ｍｎ合金、Ｉｒ－Ｍｎ合金、Ｐｄ－Ｍｎ合金などを用いることができる。その膜厚は、５ナノメートルから３０ナノメートル程度の範囲に設計される。第２－１強磁性固定層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ合金などを用いることができる。その膜厚は、１ナノメートルから４ナノメートル程度の範囲に設計される。固定層結合層には、Ｒｕなどを用いることができる。その膜厚は、０．６ナノメートルから２．５ナノメートル程度の範囲に設計される。第２－２強磁性固定層には、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｂ合金などを用いることができる。その膜厚は、１ナノメートルから４ナノメートル程度の範囲に設計される。
　バリア層１３には、絶縁性の非磁性材料を用いることができる。特に、ＭｇＯを用いることが好ましい。その膜厚は、０．８ナノメートルから２．０ナノメートル程度に設計される。
　第１強磁性層群１４を構成する第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１－２強磁性層１４Ａ＿２には、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｂ合金、Ｃｏ－Ｆｅ合金などを用いることができる。いずれも膜厚は、１．２ナノメートルから３．５ナノメートル程度の範囲に設計される。
　第１強磁性層群１４を構成する第１非磁性結合層１４Ｂ＿１は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、及びこれらを含む合金で構成され、特にＲｕまたはＩｒを用いることが好ましい。その膜厚は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁化が、反平行方向に結合するように設計される。ＲＫＫＹ相互作用を用いる場合、ＲｕやＩｒではその膜厚は、０．５ナノメートルから１．１ナノメートル、あるいは１．７ナノメートルから２．５ナノメートルの範囲になる。第１非磁性結合層１４Ｂ＿１を上述のような材料で構成することにより、第１－１強磁性層１４Ａ＿１の磁化と第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁化を反平行方向に結合させることができる。これによって、前述の原理により、外部磁場に対する動作安定性（ロバスト性）に優れた超常磁性磁気トンネル接合素子１０を実現できる。
　第１強磁性層群１４の短径Ｌ１、長径Ｌ２の比（アスペクト比：Ｌ２／Ｌ１）は、１から３程度であることが好ましい。これによって、磁気異方性が低く、超常磁性状態を実現するのに適した特性が実現される。また、短径Ｌ１は、１００ナノメートル以下であることが好ましく、より好適には、８０ナノメートル以下であることが好ましい。Ｌ１の下限は特にないが、微細加工の精度の観点から、現行の技術では１０ナノメートル程度が下限となる。なお、第１強磁性層群１４の形状は、図２に示されているような楕円形以外に、長方形、ひし形などであっても構わない。この場合、短径Ｌ１、長径Ｌ２は、短手方向、長手方向の長さとして定義される。
　バリア層１３、第２強磁性層群１２の形状は、第１強磁性層群１４と同一であっても異なっていても良い。同一形状で形成することで、製造プロセスが簡略化される。一方で、バリア層１３、第２強磁性層群１２を第１強磁性層群１４よりも大きく形成する場合、製造の際の工程数は増加するが、第２強磁性層群１２からの漏洩磁場の第１強磁性層群１４への影響を低減することができるという利点がある。なお、ここでは、第２強磁性層群１２が第１強磁性層群１４に対して基板側に形成される構造（図２）が想定されている。
［５．実施例］
　次に、発明者らが行った本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０の実験結果を示す。発明者らは、以下の膜構成を有する超常磁性磁気トンネル接合素子１０を作製した。
 
　熱酸化膜付きSi基板/ Ta(5)/ PtMn(20)/ Co(2.4)/ Ru(0.85)/ CoFeB(2.4)/
　MgO(1.0)/ CoFeB(1.8)/ Ru(0.74)/ CoFeB(2.1)/ Ta(5)/ Ru(5)/ Ta(50)
 
　ここで、カッコ内の数字は膜厚を表し、単位はナノメートルである。
　ＰｔＭｎの組成は、Pt38-Mn62、CoFeBの組成は、(Co75-Fe25)75-B25である（数字は、atomic％）。基板側のTa(5)は下部電極１１、PtMn/Co/Ru/CoFeBは第２強磁性層群１２、MgO(1.0)はバリア層１３、CoFeB(1.8)は第１－１強磁性層１４Ａ＿１、Ru(0.74)は第１非磁性結合層１４Ｂ＿１、CoFeB(2.1)は第１－２強磁性層１４Ａ＿２、Ta(5)/Ru(5)/Ta(50)は上部電極１５に相当する。なお、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２で膜厚が異なるのは、上部電極１５のTa層の形成に伴う、磁気的なデッドレイヤーを考慮されているためである。MgO以外の層はＤＣマグネトロンスパッタリング法で堆積し、MgO層はＲＦマグネトロンスパッタリング法で堆積した。
　積層膜の堆積後は、リソグラフィー技術を用いて微細加工を行った。第２強磁性層群１２から第１強磁性層群１４まで、略同一の形状にて、一括でパターニングされている。以下で典型的な実験結果を示すが、短径Ｌ１は４０ナノメートルから７０ナノメートル、長径Ｌ２は６０ナノメートルから１１０ナノメートル、アスペクト比は１．１から１．７の範囲内において同様な特性が確認されている。
　微細加工後に、１．２テスラの面内磁場を印加しながら、３００度で２時間の熱処理を行った。この熱処理の目的は、第２強磁性層群１２のPtMnとCoの界面に交換バイアスを誘起することにある。
　図６には、作製した超常磁性磁気トンネル接合素子１０の磁化容易軸方向（楕円の長径方向／ｘ方向）に磁場を印加した時の、第１強磁性層群１４と第２強磁性層群１２の磁化が平行方向に滞在する時間の典型値（時定数）τＰ（塗りつぶしプロット）、および、反平行方向に滞在する時間の典型値（時定数）τＡＰ（白抜きプロット）の変化を測定した結果が示されている。図６（ａ）は、従来型の第１強磁性層群１４が単層の強磁性層で構成される構造であり、図６（ｂ）は本発明で開示されている、第１強磁性層群１４が反強磁性的に結合した２層の強磁性層で構成される構造での測定結果である。図から明らかなように、従来構造では、１ミリテスラ程度の磁場に対して平行状態、反平行状態の滞在時間が、１０ナノ秒から１５０ナノ秒程度の範囲で変化しているのに対して、本発明の構造では、５ミリテスラ程度の磁場の印加に対しても、数ナノ秒から２０ナノ秒程度の範囲内でしか滞在時間が変化しておらず、本発明の効果が確認できる。
　続いて、図７には、膜面内の磁化困難軸方向（楕円の短径方向／ｙ方向）に磁場を印加した時の、超常磁性磁気トンネル接合素子１０の磁化反転の時定数の変化の測定結果が示されている。なお、ここで、縦軸の時定数τａｖｅはτａｖｅ＝（τＰ×τＡＰ）１／２で定義され、作製した超常磁性磁気トンネル接合素子１０の揺らぎの第１の時定数τ１に相当するものである。図では、従来構造が白抜きのプロットで、本発明の構造が薄く塗りつぶされたプロットで示されている。従来構造では、数ミリテスラの磁場に対して、滞在時間が８桁程度変化しているのに対して、本発明の構造では、１０ミリテスラ程度の磁場の印加に対しても、１～２桁の範囲でしか変化しておらず、同様に本発明の効果が確認できる。
　次に、得られた図６および図７の実験結果をもとに、第１強磁性層群１４の振る舞いをよく記述する理論モデルを構築し、その理論モデルに基づき、より優れた特性を得るための第１強磁性層群１４の設計指針について検討した。その結果、第１－１強磁性層１４Ａ＿１および第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁気ボリューム（飽和磁化ＭＳと体積Ｖとの積）と、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１によるそれら２層の結合強度との比が、外部磁場に対するロバスト性を決定し、磁気ボリュームが小さく、結合強度が大きいほど、ロバスト性が向上することが分かった。
　具体的には、磁気ボリュームをＴｍ３［テスラ・立方メートル］の単位で表し、結合強度をＴ［テスラ］の単位で表したとき、磁気ボリューム［Ｔｍ３］／結合強度［Ｔ］が２．５×１０－２３[ｍ３]以下のときに、２ｍＴ程度の外部磁場に対して十分なロバスト性が得られ、１×１０－２３[ｍ３]以下のときに、５ｍＴ程度の外部磁場に対して十分なロバスト性が得られることが分かった。なお、ここで、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１による２層の強磁性層の結合強度は、磁化曲線において、２層の磁化が一方向を向く磁場（飽和磁場）で与えられる。
　現行のシールド技術を鑑みると、２ｍＴ程度の磁場擾乱に対するロバスト性があれば、民生用途での利用が可能となり、５ｍＴ程度の磁場擾乱に対するロバスト性があれば、車載等のより過酷な環境での利用も可能となる。このことから、第１強磁性層群１４においては、第１－１強磁性層１４Ａ＿１および第１－２強磁性層１４Ａ＿２の磁気ボリューム［Ｔｍ３］の平均を、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１による結合強度［Ｔ］で除した値が、２．５×１０－２３[ｍ３]以下、より好適には１×１０－２３[ｍ３]以下であることが望ましい。
　加えて、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１による結合強度［Ｔ］が大きすぎると、第１の時定数τ１が長くなり、計算時間ＴＣＯＭＰとして長い時間を要してしまうことが分かった。詳細な計算から、結合強度が１［Ｔ］以上で、このような弊害が大きくなることが分かった。すなわち、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１による結合強度［Ｔ］は１テスラ以下であることが好ましい。
［６．変形例（３端子構造）］
　図８には、本発明の第１の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０の変形例の構造が示されている。図８（ａ）はＸ－Ｚ断面図、図８（ｂ）はＸ－Ｙ平面図である。図２に示された超常磁性磁気トンネル接合素子１０とは異なり、図８に示された超常磁性磁気トンネル接合素子１０は３つの端子を有しており、そのうちの２つは、下部電極１１に接続されており、残りの一つは、上部電極１５に接続されている。また、下部電極１１の上面に第１強磁性層群１４が形成され、上部電極１５の下面に第２強磁性層群１２が形成される。
　本変形例の超常磁性磁気トンネル接合素子１０においては、第１強磁性層群１４には、下部電極１１に導入される面内方向の電流によって生成されるスピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：ＳＯＴ）が利用される。スピン軌道トルクの起源には、スピンホール効果、スピン異常ホール効果、トポロジカルホール効果、ラシュバ・エデルシュタイン効果、磁気スピンホール効果などを利用できる。３端子型の超常磁性磁気トンネル接合素子１０を用いた乱数発生ユニット１００の回路構成については、非特許文献１で開示されているのでここでは省略する。
　本変形例においても、第１強磁性層群１４は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１と第１－２強磁性層１４Ａ＿２が、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１を介して対向した構造を有する。この場合も、スピン軌道トルクによって、乱数生成ユニット１００からの出力信号ＶＯＵＴを入力信号ＶＩＮに応じて変化させることができ、確率論的情報処理向けコンピューティングシステムを実現でき、同時に、人工的な反強磁性結合によって、外部磁場に対してロバストな特性が実現される。
　この場合には、下部電極１１には、大きなスピン軌道トルクを生成できる材料を用いることが望ましい。具体的には、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｂｉなどの５ｄ遷移金属、及びそれらを含む合金などが例示される。
［７．超常磁性磁気トンネル接合の基本構造（第２の実施の形態）］
　次に、本発明の第２の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０について説明する。第２の実施の形態の、第１の実施の形態に対する差異は、第１の実施の形態では、第２強磁性層群１２を構成する強磁性層の磁化方向は実質的に固定されていたのに対して、第２の実施の形態では、第２強磁性層群１２を構成する強磁性層の磁化方向も固定されておらず、少なくともその一部の磁化が第２の時定数τ２で揺らぐように設計されていることにある。また、この第２の時定数τ２は、１秒以下であることが望ましい。また、第１強磁性層群１４の磁化の揺らぎと、第２強磁性層群１２の磁化の揺らぎとの間には、時間相関が小さいことが望ましい。
　図９は、本発明の第２の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０の典型的な構造を模式的に示した、Ｘ－Ｚ断面図である。第２の実施の形態においては、第２強磁性層群１２が、第２－１強磁性層１２Ａ＿１、第２非磁性結合層１２Ｂ＿１、第２－２強磁性層群１２Ａ＿２が積層された構造を有する。第２－１強磁性層１２Ａ＿１がバリア層１３に隣接し、その磁化方向が第２の時定数τ２で揺らぐ必要がある。第１の実施の形態で説明された、第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１、第１－２強磁性層群１４Ａ＿２の場合と同様に、第２－１強磁性層１２Ａ＿１と第２－２強磁性層群１２Ａ＿２は、第２非磁性結合層１２Ｂ＿１を介して反強磁性的に結合している。第２－１強磁性層１２Ａ＿１、第２非磁性結合層１２Ｂ＿１、第２－２強磁性層群１２Ａ＿２に用いることのできる材料や構造は、第１－１強磁性層１４Ａ＿１、第１非磁性結合層１４Ｂ＿１、第１－２強磁性層群１４Ａ＿２と同様であるので説明を省略する。
　第２の実施の形態においては、第２強磁性層群１２も熱によって、第２の時定数τ１で、状態が絶えず揺らぐことになるが、この場合も、第１強磁性層群１１との揺らぎの相関が小さいため、当該超常磁性磁気トンネル接合素子１０のトンネル磁気抵抗は、概ね第１の時定数τ１および第２の時定数τ２と同等な時定数で変化する。本発明の第２の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０も、乱数発生ユニット１００に組み込むことがきる。
　第２の実施の形態における第２強磁性層群１２も、第１の実施の形態において第１の強磁性層群１４に対して説明したのと同様な原理により、外部磁場に対してロバストな動作が実現される。
　バリア層１３の両側の強磁性層がいずれも超常磁性を示す超常磁性磁気トンネル接合素子の確率論的情報処理への有用性については、非特許文献１１で述べられている。また、非特許文献１１で想定されている積層構造では、人工的な反強磁性結合が利用されていないために、二つの強磁性層群の間での静磁気的な結合（双極子相互作用）の影響が動作に悪影響を与えるが、図９に示された本発明の第２の実施の形態の超常磁性磁気トンネル接合素子１０では、第１強磁性層群１４、第２強磁性層群１２のいずれも、複数の強磁性層によって磁化が実質的に相殺されているので、外部に発生する静磁場は小さくなる。従って、双極子相互作用の影響は大幅に軽減され、非特許文献１１で想定されている構造よりもさらに高速な乱数発生、安定した動作などが期待される。
　なお、実際には、第２の強磁性層群１２は、第２－１強磁性層１２Ａ＿１のみからなる構造であっても、本発明を実施可能である。
　本発明に係る超常磁性磁気トンネル接合素子および乱数発生ユニットは、確率論的情報処理に特化したコンピューティングシステム以外の用途に用いることもできる。例えば、暗号用の乱数発生器として用いても良い。
　　　１：コンピューティングシステム
　　１０：超常磁性磁気トンネル接合素子
　　１１：下部電極
　　１２：第２強磁性層群
　　　１２Ａ＿１：第２－１強磁性層
　　　１２Ａ＿２：第２－２強磁性層
　　　１２Ｂ＿１：第２非磁性結合層
　　１３：バリア層
　　１４：第１強磁性層群
　　　１４Ａ＿１：第１－１強磁性層
　　　１４Ａ＿２：第１－２強磁性層
　　　１４Ｂ＿１：第１非磁性結合層
　　１５：上部電極
　　１００：乱数発生ユニット
　　２００：重み付け回路
　　３００：出力回路

 

Claims (10)

  1. 　強磁性体を含む第１強磁性層群と、
    　強磁性体を含む第２強磁性層群と、
    　前記第１強磁性層群と前記第２強磁性層群との間に配置されるバリア層とを有し、
    　前記第１強磁性層群は、第１－１強磁性層と第１非磁性結合層と第１－２強磁性層とを有し、前記第１－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は第一の時定数で変化し、前記第一の時定数は１秒以下であり、前記第１非磁性結合層は、少なくともＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、およびＣｕのいずれか１つを含有することを
    　特徴とする超常磁性磁気トンネル接合素子。
  2. 　強磁性体を含む第１強磁性層群と、
    　強磁性体を含む第２強磁性層群と、
    　前記第１強磁性層群と前記第２強磁性層群との間に配置されるバリア層とを有し、
    　前記第１強磁性層群は、第１－１強磁性層と第１非磁性結合層と第１－２強磁性層とを有し、前記第１－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は第一の時定数で変化し、前記第一の時定数は１秒以下であり、前記第１－１強磁性層および前記第１－２強磁性層の磁化は、前記第１非磁性結合層によって互いに概反平行方向が安定になるように結合していることを
    　特徴とする超常磁性磁気トンネル接合素子。
  3. 　前記第２強磁性層群は、少なくとも第２－１強磁性層を有し、前記第２－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は実質的に固定されていることを特徴とする請求項１または２記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  4. 　前記第２強磁性層群は、少なくとも第２－１強磁性層を有し、前記第２－１強磁性層は強磁性体で構成され、その磁化方向は第二の時定数で変化し、前記第二の時定数は１秒以下であることを特徴とする請求項１または２記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  5. 　前記第２強磁性層群は、さらに第２非磁性結合層と第２－２強磁性層とを有し、前記第２非磁性結合層は、少なくともＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、およびＣｕのいずれか１つを含有することを特徴とする請求項４記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  6. 　前記第２強磁性層群は、さらに第２非磁性結合層と第２－２強磁性層とを有し、前記第２－１強磁性層および第２－２強磁性層の磁化は、前記第２非磁性結合層によって互いに概反平行方向が安定になるように結合していることを特徴とする請求項４記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  7. 　前記第１非磁性結合層の膜厚が、０．５ナノメートル以上１．１ナノメートル以下、または、１．７ナノメートル以上２．５ナノメートル以下の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  8. 　前記第１強磁性層群は、円形または楕円形状を成し、その長径の短径に対する比は１以上３以下であり、その短径は８０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  9. 　前記第１－１強磁性層および前記第１－２強磁性層の磁気ボリューム［テスラ・立方メートル］の平均を、前記第１非磁性結合層による結合強度［テスラ］で除した値が、２．５×１０－２３[立方メートル]以下であり、かつ、前記第１非磁性結合層による結合強度［テスラ］が、１［テスラ］以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超常磁性磁気トンネル接合素子。
  10. 　重み付け回路と、
    　前記重み付け回路によって接続される複数の乱数発生ユニットと、
    　出力回路とを有し、
    　各乱数発生ユニットは、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超常磁性磁気トンネル接合素子を有することを
    　特徴とするコンピューティングシステム。
     
PCT/JP2022/028076 2021-08-12 2022-07-19 超常磁性磁気トンネル接合素子、及びコンピューティングシステム WO2023017714A1 (ja)

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