超顺磁性磁隧道结元件、以及运算系统

本发明涉及一种超顺磁性磁隧道结元件、以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统。

背景技术：

1、对于现有的运算系统而言，能够高效地处理四则运算等基于迭代的大规模的问题，然而对于优化问题等计算复杂性高的问题难以处理。近年来，作为对于这类现有运算系统难以处理的复杂处理能够比较容易地进行处理的计算原理而言，量子信息处理以及概率性信息处理(probabilistic computing)受到关注。并且，针对概率性信息处理的专用运算系统硬件开发成为重要课题。

2、在概率性信息处理专用的运算系统中需要随机数生成单元，在该随机数生成单元中，输出在0与1之间时间性地随机变动，且0与1的比率能够通过外部输入电流(或电压)来加以控制。并且，在该随机数生成单元内需要能够产生随机的输出信号的电路或固体元件。

3、近年来，作为能够产生随机的输出信号的固体元件，磁隧道结元件受到关注。典型地，磁隧道结元件由如下各部构成，即：由强磁性体构成的第1强磁性层群、同样地由强磁性体构成的第2强磁性层群、在第1强磁性层群与第2强磁性层群之间形成且由绝缘体所成的隔绝层。例如，当第1强磁性层群的磁化方向设计为可自由地翻转，且第2强磁性层群的磁化方向设计为实质性地固定时，能够利用隧道磁阻效应，根据电阻的高低，来检测第1强磁性层群的磁化方向，因此可对信息的0与1进行分配，进行利用。此外，在该情况下，第1强磁性层群也被称为自由层，第2强磁性层群也被称为固定层。

4、对于磁隧道结元件而言，通过设计为自由层的磁化方向针对热扰动而言不容易发生变化，从而能够作为非易失性存储器的存储元件来应用。另一方面，通过设计为磁化方向针对热扰动而言容易发生变化，则能够作为产生随机的输出信号的固体元件，应用于进行概率性信息处理的运算系统。此外，磁化方向相对于热扰动而言的稳定性被称为热稳定性，可使用热稳定性指数来定量地表示，该热稳定性指数是将两个状态间的能量障碍e除以热扰动kbt所得的值(e/kbt)。因热扰动而使磁化方向以较短的时间常数发生变动的状态被称为超顺磁性，自由层被设计为呈现超顺磁性的磁隧道结元件被称为超顺磁性磁隧道结元件等。

5、以往，作为将磁隧道结元件应用于概率性信息处理的技术而言，提出了如下方案：设想为将自由层的热稳定性指数设计为0的假设性的磁隧道结元件，并进行数值计算以实现概率性信息处理的方法(例如，参照非专利文献1或者非专利文献2)。另外，例如示出了关于超顺磁性磁隧道结元件的实验结果(例如，参照非专利文献3至8)，或者除了关于超顺磁性磁隧道结元件的实验结果以外，还示出了使用该超顺磁性磁隧道结元件的概率性信息处理的原理实际验证的结果(例如，参照非专利文献9)。

6、此外，还示出了表示磁隧道结元件的磁化方向的时间性变动的频度的时间常数τ的物理定义(例如非专利文献10)，或者示出了第1强磁性层群、第2强磁性层群均被设计为呈现超顺磁性的超顺磁性磁隧道结元件展现了适合概率性信息处理的特性(例如，参照非专利文献11)。

7、现有技术文献

8、专利文献

9、非专利文献1：kerem yunus camsari,rafatul faria,brian m.sutton,andsupriyo datta,“stochastic p-bits for invertible logic”,phys.rev.x,2017,vol.7,031014

10、非专利文献2：kerem yunus camsari,sayeef salahuddin,supriyo datta,“implementing p-bits with embedded mtj”,ieee electron device letters,2017,vol.38,1767

11、非专利文献3：yang lv,jian-ping wang,“asingle magnetic-tunnel-junctionstochastic computing unit”,2017ieee international electron devices meeting(iedm),2017,doi：10.1109/iedm.2017.8268504

12、非专利文献4：mukund bapna and sara a.majetich,“current control oftime-averaged magnetization in superparamagnetic tunnel junctions”,appl.phys.lett.,2017,vol.111,243107

13、非专利文献5：alice mizrahi,tifenn hirtzlin,akio fukushima,hitoshikubota,shinji yuasa,julie grollier&damien querlioz,“neural-like computingwith populations of superparamagnetic basis functions”,nature communications,2018,vol.9,1533

14、非专利文献6：brandon r.zink,yang lv,and jian-ping wang,“telegraphicswitching signals by magnet tunnel junctions for neural spiking signals withhigh information capacity”,j.appl.phys.,2018,vol.124,152121

15、非专利文献7：bradley parks,mukund bapna,julianne igbokwe,hamid almasi,weigang wang,and sara a.majetich,“superparamagnetic perpendicular magnetictunnel junctions for true random number generators”,aip advances,2018,vol.8,055903

16、非专利文献8：keisuke hayakawa,shun kanai,takuya funatsu,juntaigarashi,butsurin jinnai,william andrew borders,hideo ohno,and shunsukefukami,“nanosecond random telegraph noise in in-plane magnetic tunneljunctions,”physical reviewer letters,2021,vol.126,117202

17、非专利文献9：william a.borders,ahmed z.pervaiz,shunsuke fukami,keremy.camsari,hideo ohno&supriyo datta,“integer factorization using stochasticmagnetic tunnel junctions,”nature,2019,vol.573,pp.390-393

18、非专利文献10：william rippard,ranko heindl,matthew pufall,stephenrussek,and anthony kos,“thermal relaxation rates of magnetic nanoparticles inthe presence of magnetic fields and spin-transfer effects”,physical review b,2011,vol.84,064439

19、非专利文献11：kerem.y.camsari,mustafa mert tarunbalci,williama.borders,hideo ohno,and shunsuke fukami“double-free-layer magnetic tunneljunctions for probabilistic bits”,physical review applied,2021,vol.15,044049

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、对于使用超顺磁性磁隧道结元件的运算系统而言，面向社会实际应用时的课题之一，是针对外部磁场而言的工作稳定性(强健性)。在使用运算系统的环境中，可预测到因为各种外在因素而施加有最大为数毫特斯拉至数十毫特斯拉的程度的磁场，超顺磁性磁隧道结元件必须相对于这种外部磁场而言特性不会大幅变化而能够稳定地工作。

3、对于超顺磁性磁隧道结元件的自由层而言，由于设计为各向异性磁场较小，因此通常对外部磁场会敏感地反应，因此不容易克服该问题。例如，对于非专利文献4或者非专利文献8所示的超顺磁性磁隧道结元件而言，所施加的磁场仅变化约1毫特斯拉，就会从不依存于时间而持续输出0的状态变为持续输出1的状态。就对这种外扰磁场的制约而言，大幅地限制了使用超顺磁性磁隧道结元件的运算系统所能够应用的用途，或者需要大尺寸且耗费成本的磁场屏蔽等，对于应用不理想。对于非专利文献3、5至7、9而言，虽然没有明确地示出特性的外部磁场依存性，但是存在与非专利文献4或者非专利文献8相同的课题。

4、本发明针对该课题做出，目的在于，提供一种超顺磁性磁隧道结元件以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统，针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良，适合基于概率性信息处理的运算系统。

5、(二)技术方案

6、为了达成上述目的，本发明的超顺磁性磁隧道结元件的特征在于，具有：含有强磁性体的第1强磁性层群；含有强磁性体的第2强磁性层群；以及配置在所述第1强磁性层群与所述第2强磁性层群之间的隔绝层，所述第1强磁性层群具有第1-1强磁性层与第1非磁性耦合层与第1-2强磁性层，所述第1-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第一时间常数进行变化，所述第一时间常数为1秒以下，所述第1非磁性耦合层至少含有ru、ir、rh、cr及cu中的任一。

7、或者，本发明的超顺磁性磁隧道结元件的特征在于，具有：含有强磁性体的第1强磁性层群；含有强磁性体的第2强磁性层群；以及配置在所述第1强磁性层群与所述第2强磁性层群之间的隔绝层，所述第1强磁性层群具有第1-1强磁性层与第1非磁性耦合层与第1-2强磁性层，所述第1-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第一时间常数进行变化，所述第一时间常数为1秒以下，所述第1-1强磁性层及所述第1-2强磁性层的磁化通过所述第1非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合。

8、对于本发明的超顺磁性磁隧道结元件而言，由于第1非磁性耦合层至少含有ru、ir、rh、cr及cu中的任一，或者由于第1-1强磁性层及第1-2强磁性层的磁化通过第1非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合，因此针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良。因此，本发明的超顺磁性磁隧道结元件适合基于概率性信息处理的运算系统。

9、在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，可以是，所述第2强磁性层群至少具有第2-1强磁性层，所述第2-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向实质性地固定。

10、另外，在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，可以是，所述第2强磁性层群至少具有第2-1强磁性层，所述第2-1强磁性层由强磁性体构成，其磁化方向以第二时间常数进行变化，所述第二时间常数为1秒以下。在此情况下，可以是，所述第2强磁性层群还具有第2非磁性耦合层与第2-2强磁性层，所述第2非磁性耦合层至少含有ru、ir、rh、cr及cu中的任一；或者可以是，所述第2强磁性层群还具有第2非磁性耦合层与第2-2强磁性层，所述第2-1强磁性层及第2-2强磁性层的磁化通过所述第2非磁性耦合层而彼此朝向大致平行的相反方向呈稳定地耦合。

11、在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，优选地，所述第1非磁性耦合层的膜厚在0.5纳米以上1.1纳米以下的范围内、或者1.7纳米以上2.5纳米以下的范围内。另外，在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，优选地，所述第1强磁性层群呈圆形或椭圆形状，其长径对短径的比为1以上3以下，其短径为80纳米以下。

12、在本发明的超顺磁性磁隧道结元件中，优选地，所述第1-1强磁性层及所述第1-2强磁性层的磁体积量[特斯拉·立方米]的平均除以基于所述第1非磁性耦合层的耦合强度[特斯拉]所得的值为2.5×10-23[立方米]以下，更优选为1×10-23[m3]以下。另外，优选地，基于所述第1非磁性耦合层的耦合强度[特斯拉]为1[特斯拉]以下。

13、本发明的运算系统的特征在于，具有：加权电路；通过所述加权电路连接的多个随机数生成单元；以及输出电路，其中，各随机数生成单元具有本发明的超顺磁性磁隧道结元件。

14、对于本发明的运算系统而言，由于具有本发明的超顺磁性磁隧道结元件，因此针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良。

15、(三)有益效果

16、依据本发明，可提供一种超顺磁性磁隧道结元件以及使用该超顺磁性磁隧道结元件的运算系统，针对外部磁场而言工作稳定性(强健性)优良，适合基于概率性信息处理的运算系统。