(57)【要約】【課題】乱数発生速度を早くすると供に、回路構成をコンパクト且つ容易に構成できるようにした乱数発生器を提供することにある。【解決手段】乱数発生器は、磁化自由層、中間層、磁化固定層の３層からなり、磁化自由層と磁化固定層の磁化の配列に応じて少なくとも二値以上の抵抗値を有する磁気抵抗素子を備え、該磁気抵抗素子にその磁化自由層の反転確率が０から１の間の任意の値になる磁化電流を流し、前記磁気抵抗素子の抵抗値を乱数として取り出す。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層、中間層、磁化固定層の３層からなり、前記磁化自由層と前記磁化固定層の磁化の配列に応じて少なくとも二値以上の抵抗値を有する磁気抵抗素子を備え、該磁気抵抗素子にその磁化自由層の反転確率が０から１の間の任意の値になる外場を与え、前記磁気抵抗素子の抵抗値を乱数として取り出すことを特徴とする乱数発生器。
【請求項２】
請求項１記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子として、面直型巨大磁気抵抗素子を用いることを特徴とする乱数発生器。
【請求項３】
請求項１記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子として、トンネル磁気抵抗素子を用いることを特徴とする乱数発生器。
【請求項４】
請求項３記載の乱数発生器において、前記トンネル磁気抵抗素子として、酸化マグネシウムを中間層として備えるトンネル磁気抵抗素子を用いることを特徴とする乱数発生器。
【請求項５】
請求項４記載の乱数発生器において、前記トンネル磁気抵抗素子の磁化自由層あるいは磁化固定層の少なくとも一方にＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系材料を用いることを特徴とする乱数発生器。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層の少なくとも一方に垂直磁気材料を用いることを特徴とする乱数発生器。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層の少なくとも一方にホイスラー合金材料を用いることを特徴とする乱数発生器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる外場として電流を与え、該電流を与える時間および電流の大きさにより、磁化自由層の反転確率を任意の値に調節するようにしたことを特徴する乱数発生器。
【請求項９】
請求項８記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化反転電流の分散が、平均反転電流値に対して０．１％から３０％の範囲内の任意の値になるようにしたことを特徴とする乱数発生器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子に、その磁化自由層の磁化方向を磁化固定層に対し初期化するリセット手段と、前記磁気抵抗素子の磁化を反転させる電流値を設定するセット電流設定手段を設けたことを特徴とする乱数発生器。
【請求項１１】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる外場として外部磁場を印加し、外部磁場を与える時間および外部磁場の大きさにより、磁化自由層の反転確率を任意の値に調節することを特徴する乱数発生器。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の熱安定性指数を３から１００の範囲内の任意の値にすることを特徴とする乱数発生器。ここで、熱安定性指数の定義は、磁化自由層の磁気異方性エネルギーＫｕ・Ｖ（Ｋｕ：  単位体積あたりの磁気異方性エネルギー、Ｖ：  磁化自由層の体積）と環境の熱エネルギーｋＢ・Ｔ（ｋＢ：  ボルツマン定数、Ｔ：  絶対温度）の比（Ｋｕ・Ｖ）／（ｋＢ・Ｔ）とする。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項記載の乱数発生器において、０又は１の発生確率が所定の値ではない場合、前記乱数出力を取り込んで独立した２回の測定結果に基づき、反転成功−反転失敗を“０”に、反転失敗−反転成功“１”に対応づけて出力することを特徴とする乱数発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乱数発生器に関し、より詳細には、小型、低消費電力、集積化が容易であり、かつ生成したデータを不揮発で保持することが可能な乱数発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、乱数を得る方法としては、疑似乱数を用いるものと、自然乱数を用いるものがある。疑似乱数とは、計算機を用い、予め定められたプログラムにより乱数を発生させるものであり、自然乱数とは、自然界で生じる確率的事象を利用し乱数を発生させるものである。自然乱数の発生に用いられる確率的事象（自然乱数の種）としては、抵抗体における熱雑音（ジョンソンノイズ）などが用いられ、得られた熱雑音を増幅し、ある閾値と比較することにより、二値化した乱数を得ることが出来る。
これまでに、より大きな振幅の自然乱数の種として、トンネル接合における雑音（熱雑音とショットノイズの和）を用いたもの（例えば、特許文献１（トンネル素子の熱雑音を用いた乱数発生回路）参照）や、熱雑音を単一電子トランジスタ効果により増幅したもの（例えば、特許文献２（単一電子トンネル現象を用いた乱数生成装置）、非特許文献１（極薄膜ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）トランジスタにおける電子の捕獲、放出についての実験）参照）、熱雑音を２つの負性抵抗素子により増幅したもの（例えば、特許文献３（エサキダイオードなどの負性抵抗素子を用いた乱数発生回路）参照）が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１０８３６４号公報
【特許文献２】特開２００４−０３００７１号公報
【特許文献３】特開２００５−０１８５００号公報
【非特許文献１】Ｋ．Ｕｃｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｉｎｇｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｉｎ  ａｎ  ｕｎｄｕｌａｔｅｄ  ｕｌｔｒａｔｈｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｆｉｌｍ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｎｏ．９０（２００１），ｐｐ．３５５１．
【非特許文献２】Ｒ．  Ｏｈｂａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｉ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ＭＯＳＦＥＴ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ｎｕｍｂｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，”  ＩＥＥＥ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ａｎｎｕａｌ  Ｓｙｍｂｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ２００６．
【非特許文献３】Ｍ．  Ｐａｋａｌａ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，”  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｎｏ．９８  （２００５），  ｐｐ．０５６１０７Ｋ．
【非特許文献４】［１］  Ｓ．  Ｙｕａｓａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｇｉａｎｔ  ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，”  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｎｏ．３  （２００４），  ｐｐ．８６８．［２］  Ｓ．  Ｓ．  Ｐａｒｋｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｇｉａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｗｉｔｈ  ＭｇＯ（１００）  ｔｕｎｎｅｌ  ｂａｒｒｉｅｒ，”  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｎｏ．３  （２００４），  ｐｐ．８６２．
【非特許文献５】Ａ．Ａ．Ｔｕｌａｐｕｒｋａｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｒｅｖｅｒｓａｌ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｎａｎｏｐｉｌｌａｒｓ  ｂｙ  ｓｐｉｎ  ａｎｇｕｌａｒ  ｍｏｍｅｎｔｕｍ  ｔｒａｎｓｆｅｒ，”  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｎｏ．８５（２００４），ｐｐ．５３５８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
疑似乱数には、初期値が同じであれば同じ乱数を発生させてしまうことや、使用する計算機のレジスタの数に基づく周期性を持ってしまうため、真性乱数としては適当ではないことが知られている。
一方、自然乱数では、乱数の真数性についての問題はないものの、例えば、自然乱数の種として抵抗体の熱雑音を利用する場合、その振幅は室温に於いて１マイクロボルト程度であるため、一般のロジック回路に整合する二値化した乱数（例えば“１”を＋３ボルト、“０”を０ボルトに割り当てる）を得るためには、１０の６乗程度の増幅器と適切な閾値判別回路を必要とし、乱数発生回路全体としては、回路構成が大きくなるという問題がある。また、自然乱数の種として、トンネル素子における雑音を利用した場合でも、その振幅は、抵抗体を熱雑音源にした場合に比べ、概ね１０倍程度になるだけであり、二値化した乱数を得るためには、増幅器および閾値判別回路を必要とする点では同じように回路構成が大きくなるという問題が改善されているとは言い難い。
【０００５】
熱雑音を単一電子トランジスタ効果によって増幅する回路の場合は、単一電子効果が発現するトランジスタのゲートにおける捕獲された電子の熱擾乱により、ソース−ドレイン間のコンダクタンスが大きく変わることを利用するもので、増幅回路・閾値回路なしで、二値化した乱数を得ることができる。しかしながら、ゲートに捕獲された電子が近接の二準位間の中をランダムに動くことにより乱数が発生するため、その乱数発生速度は１００キロビット／秒程度であることが報告されている（例えば、非特許文献２（単一電子効果を持つ極薄膜ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）トランジスタを用いた高速乱数発生器）参照）。このため、必要な動作速度を満たすことが困難という問題がある。
【０００６】
また、熱雑音を２つの負性抵抗素子により増幅する回路の場合は、用いる２つの負性抵抗素子の閾値電流を、熱雑音による電流の振幅以下（概ね１ナノアンペア以下）で、正確に一致させなければならないため、乱数発生器用の一対の負性抵抗素子を選定することが困難になるという問題があり、未だ実用化に至っていない。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、乱数発生速度を早くすると供に、回路構成をコンパクト且つ容易に構成できるようにした乱数発生器を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、以上の問題点を解決し、コンパクト、低消費電力、かつ作製した乱数を不揮発に保持することができる乱数発生器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
はじめに本発明に至った発想について説明する。
磁化固定層と中間層と磁化自由層からなる積層構造を有する磁気抵抗素子は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きに応じて、抵抗が変化する素子である。このとき、磁気抵抗素子の磁化特性を工夫することにより、抵抗値が高抵抗状態（反平行状態）と低抵抗状態（平行状態）の二値を取る磁気抵抗素子を作成することが可能である。このような磁気抵抗素子は、計算機におけるメモリとして利用することが可能であり、現在、磁気ランダムアクセスメモリとして実用化されている。
【０００９】
これまで、磁気抵抗素子において、磁化自由層の磁化の操作には、磁場が用いられてきたが、近年、極小の磁気抵抗素子（断面積において１００ナノメートル角程度以下の大きさ）において、電流によって磁化自由層の磁化の向きを操作することが可能であることが明らかになった。この現象は、スピン偏極電流注入磁化反転（あるいは電流誘起磁化反転）と呼ばれている。この電流誘起磁化反転を使った磁気抵抗素子は、従来型の磁場誘起磁化反転型磁気抵抗素子に比べ、磁化反転のために複雑な外部回路を必要としないため、高密度磁気ランダムアクセスメモリの要素素子として注目され、現在盛んに研究開発が進められている。図１に電流誘起磁化反転型磁気抵抗素子の測定例を示し、図２に当該磁気抵抗素子の、磁場−抵抗特性、電流−抵抗特性の例を示す。
【００１０】
図１では、磁化自由層・中間層・磁化固定層の順に積層された磁気抵抗素子に、図示のように電流と磁場を印加し、素子の抵抗変化を測定する。
図２には、電流又は磁場の変化に応じて安定状態となる高抵抗値状態と低抵抗値状態からなるヒステリシス特性が示されている。
【００１１】
発明人らは、電流注入磁化反転の研究の中で、磁化自由層の反転が確率的なものであり、自然乱数の種として有望であることに気が付いた。さらに、反転確率は外場（電流、あるいは磁場、あるいはその両方）によって容易に操作することが可能であり、その結果を不揮発的に保持することができるという特徴があることにも気が付いた。磁気メモリへの応用では、誤動作をできるだけ少なくするため、反転確率が限りなく１である操作方法が重要であるが、本発明では、乱数発生のため反転確率が概ね０．５になる操作方法を実現することが重要である。
【００１２】
従来の磁気抵抗素子は、センサー等に用いる場合（例えば、ハードディスクの磁気ヘッド等に用いる場合）、その磁化反転特性の飽和領域を使い、この飽和領域間の途中の遷移領域の特性には注目していなかった。
上記の目的を達成するために、発明者らは高速動作が期待できる磁気抵抗素子の特性を精査した。
その結果、磁気抵抗素子が、
（１）磁化特性における両飽和領域の途中の遷移領域の特性として、磁化反転電流の変化に対して反転確率が略直線的に変化する特徴、
（２）さらに、上記磁化反転電流の変化に対して反転確率が略直線的に変化する反転特性は、熱安定指数が小さくなるにつれて、特性の傾きがなだらかになり、反転確率が５０パーセントになる磁化反転電流の値を特定し易くなる特徴、
を有するという知見を得ることができた。
このことは、云わば、従来見過ごされていた磁化特性における反転途中の特性を解析し上記の特徴を有することを見出したものであり、従来の常識的な使い方を覆すものであり着想自体が新規である。
【００１３】
そこで、本発明は、上記目的を達成するため、自然乱数の種として、磁気抵抗素子における磁化自由層の反転確率を用いることで、真性度の高い乱数を、高速、かつ不揮発に得ることができる乱数発生器を構成する。
換言すると、本発明の乱数発生器は、磁化固定層と中間層と磁化自由層からなる積層構造を有する磁気抵抗素子と、磁化自由層の反転確率を“０”から“１”の間で調整することのできる外場（電流、あるいは磁場、あるいはその両方）を与える手段とを備える乱数発生手段を有する。
【００１４】
また、磁化固定層と中間層と磁化自由層からなる積層構造を有する磁気抵抗素子においては、外部磁場あるいは直流電流を与えることにより、磁化固定層の磁化の向きに対する磁化自由層の磁化の向きを操作することができ、かつ磁気抵抗素子の抵抗値を高抵抗状態（反平行状態）と低抵抗状態（平行状態）の二値状態にすることができる。
磁気抵抗素子において、磁化自由層の磁化の反転は確率的現象であり、その確率は直流電流の大きさと与える時間、あるいは外部磁場の大きさと与える時間に応じて変化する。
【００１５】
本発明では、磁気抵抗素子における磁化自由層の揺動を乱数の種とし、磁化自由層の反転確率が１から０の間の値（好ましい反転確率は０．５程度）になる直流電流あるいは外部磁場を与え、その後、素子の抵抗値を読み出すことにより、従来の増幅器・閾値回路等の大がかりな構成を使用することなく、二値化した乱数を容易に不揮発的に得ることができるようになる。
【００１６】
さらに、磁気抵抗素子の形状に関係なく、適切な磁化電流を傾きがなだらかになる特性から容易に設定することができるため、磁気抵抗素子の大きさは１ミクロン角より小さくすることが容易であり、既存の集積回路技術によって、素子の並列化をすることも容易になる。また、乱数１ビットを発生させるためのエネルギーはＣＰＰ−ＧＭＲ（膜面に垂直に電流を流す巨大磁気抵抗効果）素子を使った場合１ナノジュール以下、ＭｇＯ−ＴＭＲ（酸化マグネシウムを中間層にもつトンネル磁気抵抗）素子を使った場合１０ナノジュール以下と極めて低消費電力になる。さらに、磁化反転の速度（１ナノ秒程度）から判断すると１００メガビット／秒程度の乱数発生速度（従来の１０００倍以上高速）を得ることができる。
【００１７】
以上から、本発明の解決手段は、具体的には、以下のようになる。
（１）乱数発生器は、磁化自由層、中間層、磁化固定層の３層からなり、磁化自由層と磁化固定層の磁化の配列に応じて少なくとも二値以上の抵抗値を有する磁気抵抗素子を備え、該磁気抵抗素子にその磁化自由層の反転確率が０から１の間の任意の値になる外場を与え、前記磁気抵抗素子の抵抗値を乱数として取り出すことを特徴とする。
（２）乱数発生器は、上記（１）記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子として、面直型巨大磁気抵抗素子を用いることを特徴とする。
（３）乱数発生器は、上記（１）記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子として、トンネル磁気抵抗素子を用いることを特徴とする。
【００１８】
（４）乱数発生器は、上記（３）記載の乱数発生器において、前記トンネル磁気抵抗素子として、酸化マグネシウムを中間層として備えるトンネル磁気抵抗素子を用いることを特徴とする。
（５）乱数発生器は、上記（４）記載の乱数発生器において、前記トンネル磁気抵抗素子の磁化自由層あるいは磁化固定層の少なくとも一方にＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系材料を用いることを特徴とする。
（６）乱数発生器は、上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層の少なくとも一方に垂直磁気材料を用いることを特徴とする。
【００１９】
（７）乱数発生器は、上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層の少なくとも一方にホイスラー合金材料を用いることを特徴とする。
（８）乱数発生器は、上記（１）乃至（７）のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる外場として、電流を流し、該電流を与える時間および電流の大きさにより、磁化自由層の反転確率を任意の値に調節するようにしたことを特徴する。
【００２０】
（９）乱数発生器は、上記（８）記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化反転電流の分散が、平均反転電流値に対して０．１％から３０％の範囲内の任意の値になるようにしたことを特徴とする。
（１０）乱数発生器は、上記（１）乃至（９）のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子に、その磁化自由層の磁化方向を磁化固定層に対しリセットするリセット手段と、前記磁気抵抗素子の磁化を反転させる電流値を設定するセット電流設定手段を設けたことを特徴とする。
（１１）乱数発生器は、上記（１）乃至（７）のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる外場として、外部磁場を印加し、外部磁場を与える時間および外部磁場の大きさにより、磁化自由層の反転確率を任意の値に調節することを特徴する。
【００２１】
（１２）乱数発生器は、上記（１）乃至（１１）のいずれか１項記載の乱数発生器において、前記磁気抵抗素子の磁化自由層の熱安定性指数を３から１００の範囲内の任意の値にすることを特徴とする。ここで、熱安定性指数の定義は、磁化自由層の磁気異方性エネルギーＫｕ・Ｖ（Ｋｕ：  単位体積あたりの磁気異方性エネルギー、Ｖ：  磁化自由層の体積）と環境の熱エネルギーｋＢ・Ｔ（ｋＢ：  ボルツマン定数、Ｔ：  絶対温度）の比（Ｋｕ・Ｖ）／（ｋＢ・Ｔ）とする。
（１３）乱数発生器は、上記（１）乃至（１２）のいずれか１項記載の乱数発生器において、０又は１の発生確率が所定の値ではない場合、前記乱数出力を取り込んで独立した２回の測定結果に基づき、反転成功−反転失敗を“０”に、反転失敗−反転成功“１”に対応づけて出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の乱数発生器は、コンパクト、低消費電力を達成し、高速動作を行えるようにでき、かつ作成した乱数を不揮発に保持することができる乱数発生器を実現することができる。
本発明の乱数発生器によれば、磁気抵抗素子における外場による磁化自由層の揺動を、自然乱数の種とするため、大がかりな増幅器・閾値回路を使用することなく、二値化した真性度の高い乱数を高速に発生させ、かつそのデータを不揮発で保持することができる乱数発生器を得ることができる。
【００２３】
磁気抵抗素子の形状に関係なく、適切な磁化電流を傾きがなだらかになる特性から容易に設定することができるため、磁気抵抗素子の大きさは１ミクロン角より小さくすることが可能であり、既存の集積回路技術によって、本発明による乱数発生回路の並列化をすることができる。また、乱数１ビットを発生させるためのエネルギーはＣＰＰ−ＧＭＲ素子を使った場合１ナノジュール以下、ＭｇＯ−ＴＭＲ素子を使った場合１０ナノジュール以下と極めて低消費電力にできる。さらに、磁化反転の速度（１ナノ秒程度）から判断すると１００メガビット／秒程度の乱数発生速度（従来の１０００倍以上高速）を得ることができる。
【００２４】
本発明によれば、小型、低消費電力で、真性度が高い乱数を、高速かつ不揮発で発生させることができる乱数発生器を実現できる。この乱数発生器を、例えば、ＩＣカード、携帯電話、持ち運び可能なコンピュータなどに組み込むことで、セキュリティの高いシステムを実現することが可能になるという点で、産業上のメリットは甚大である。
【００２５】
磁気抵抗素子において、磁化自由層の磁化の反転は確率的現象であり、その確率は直流電流の大きさと与える時間、あるいは外部磁場の大きさと与える時間に応じて変化する。本発明では、磁気抵抗素子における磁化自由層の揺動を乱数の種とし、磁化自由層の反転確率が１から０の間の任意の値（０．５程度が望ましい）になる直流電流あるいは外部磁場を与え、その後、素子の抵抗値を読み出すことにより、大がかりな増幅器・閾値回路を使用することなく、二値化した乱数を不揮発的に得ることができる。
【００２６】
さらに、磁気抵抗素子の大きさは１ミクロン角より小さくすることができるといえるので、既存の集積回路技術によって、素子の並列化をすることも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
以下、本発明による乱数発生器の実施の形態の例を図面に従って説明する。
（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた例）
磁気抵抗素子として、面直型巨大磁気抵抗素子であるＣＰＰ−ＧＭＲ（電極をＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサー膜の上下に設け、電流を膜面に垂直に流す）素子を用いた電流注入磁化反転の実験にて、磁化自由層の反転確率を操作することが可能であることを示す。
図３にこの実験に用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の構成図を示す。
図３のＣＰＰ−ＧＭＲ素子１０は、基板１１上に順に、バッファ（層）１２、反強磁性層１３、２．５ｎｍ厚のＣｏ−Ｆｅである磁化固定層１４、６ｎｍ厚のＣｕ層である中間層１５、３ｎｍ厚のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層である磁化自由層１６、キャップ１７を積層し、層１３の一部と層１４〜１７までの側面をエッチングし、断面積７０×２００ｎｍで、キャップ上面から反強磁性層までエッチング深さ３０ｎｍのエッチング側面を有する構成とする。
【００２９】
素子は面直柱状構成を持ち、断面積は７０×２００ナノメートル程度、柱状部分の厚みは３０ナノメートル程度である。下部の反強磁性層１３に接しているＣｏ−Ｆｅ層が磁化固定層１４であり、上部のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層が磁化自由層１６である。この素子の磁気抵抗比は０．５％程度であり、磁化反転が起こる電流値は６から１２ミリアンペア程度であった。
ここで、この磁気抵抗素子を図８の回路に適用し、時間幅１００ミリ秒の直流パルス電流を用い、磁化を初期化した後、電流値を少しずつ増加させて、磁化自由層１６の磁化の反転確率を調べた。
ここでいうＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系材料は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金と、Ｃｏ−Ｆｅ−ＢにＮｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒのうち少なくとも一種類以上の元素を添付した合金：例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ−Ｎｉにより構成する。
【００３０】
図４に実験に用いた電流パルスの実験手順に応じた時間変化特性を示す。図４は、電流磁化反転による磁化反転実験の手順図であり、リセットパルスとセットパルスからなる時間−電流特性図（ａ）と、時間−抵抗特性図（ｂ）からなる。
図４および図８に示すように、予め、負の電流パルスにより、磁化自由層の磁化の向きを、磁化固定層の磁化の向きと平行方向に揃える。ここでは、磁化自由層から磁化固定層に向かう電流の方向を負の電流と定義する。次に、正方向の電流パルスを与え、磁化が反転するかどうかを抵抗値の変化によって判定する。即ち、負のリセットパルスの電流値は同じ大きさにし、正のセットパルスの電流値を離散的に増大し、これらリセットパルスとセットパルスを図４（ａ）に示すように交互に印加し、素子の抵抗値変化を図４（ｂ）のように観察し、磁化反転を判定する。
【００３１】
結果の一例を図５に示す。図５は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子での磁化反転電流のばらつきと累積反転確率を示す図である。図５（ａ）は磁化反転電流−Ｃｏｕｎｔｓ（累積反転数）特性図、図５（ｂ）は磁化反転電流−Ｐｒｏｂ．（累積反転確率）特性図である。
図５（ｂ）によると、累積反転確率は電流値に対し、略直線的に変化することが解る。すなわち、累積反転確率が０．５になる磁化反転電流Ｉｃを特定することができる。
また、熱活性モデルによると、熱安定指数が小さくなるにつれて、電流値に対する累積反転確率の増加する割合（図５（ｂ）における曲線の傾き）が小さくなるため、より所望の反転確率に対する電流値を選ぶことが容易となる。ここで、熱安定性指数の定義は、磁化自由層の磁気異方性エネルギーＫｕ・Ｖ（Ｋｕ：  単位体積あたりの磁気異方性エネルギー、Ｖ：  磁化自由層の体積）と環境の熱エネルギーｋＢ・Ｔ（ｋＢ：  ボルツマン定数、Ｔ：  絶対温度）の比（Ｋｕ・Ｖ）／（ｋＢ・Ｔ）とする。
さらに、熱活性化モデルによると、スピン注入磁化反転における反転電流のばらつきは熱雑音によるものと理解される。すなわち、特定の電流値おける反転の不確定性は熱雑音によるものであり、本発明で作製される乱数が自然乱数の範疇であることを示すものである。
【００３２】
図５に示した結果から、電流値７から９．５ミリアンペアの間で、確率的に磁化反転が起こること、おおよそ８．３ミリアンペアで磁化反転の累積確率が０．５になることが解る。さらに、同一ウェハー上に作製したＣＰＰ−ＧＭＲ素子に対し、同様の実験を行った結果、磁化反転はある決まった電流で鋭く起こるのではなく有限の電流幅で確率的に起こること、反転電流のばらつきは磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化反転電流の分散（１σ）が反転電流値の数％から十数％であること（図５の例では１σは８％程度である）、反転確率の累積は反転電流の平均値近傍で単調に増加することが解った。
【００３３】
上記の実験事実から、微小な磁気抵抗素子に対し、磁化自由層の磁化の方向を初期化した後、反転確率の累積が０．５になる電流値のパルス電流をあたえることにより、磁気抵抗素子は低抵抗状態（“０”に対応する事象）と高抵抗状態（“１”に対応する事象）の発生確率が０．５の乱数発生器とすることができること、さらに、“０”（あるいは“１”）に対応する事象の発生確率が０．５からずれている場合、電流値を増減することにより、反転確率を０．５に限りなく近づけることができることが解った。これが本発明の骨子である。
【００３４】
本発明による乱数発生器においては、電流注入磁化反転の反転電流の分散（１σ）が、反転電流の平均値（平均反転電流値）に対して、０．１％から３０％である磁気抵抗素子を用いることで、反転確率の調整を容易にすることができるようになる。
磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化反転電流の分散（１σ）が、平均反転電流値に対して０．１％から３０％の範囲内の任意の値になるようにした。
また、磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる外部磁場を印加し、外部磁場を与える時間および外部磁場の大きさにより、磁化自由層の反転確率を任意の値に調節する。
【００３５】
電流注入磁化反転作用時における反転電流の分散は、磁化反転が熱活性化モデルで近似できる場合磁化自由層の熱安定性指数とよい比例関係にあることが知られている（例えば、非特許文献２（トンネル磁気抵抗素子における電流注入磁化反転の臨界電流の分布についての実験）参照）。熱活性化モデルで近似できる場合とは、電流パルス幅が磁化自由層の固有周波数（Ｃｏ−Ｆｅ系材料では概ね１ナノ秒のオーダー）より十分長い場合であると考えられている。上記モデルによると、熱安定性指数が大きいほど反転電流の分散は小さくなることが示されている。このモデルを用いて、反転電流の分散に対する熱安定性指数を見積ると、概ね３から１００であることが解った。従って、本発明による乱数発生器において、熱安定性指数が３から１００の間である磁気抵抗素子を用いることで、反転確率の調整を容易にすることが可能になる。
【実施例２】
【００３６】
（ＭｇＯ−ＴＭＲ素子を用いた例）
２００４年、湯浅、Ｐａｒｋｉｎらによって、結晶性酸化マグネシウムを中間層にもつトンネル磁気抵抗素子（ＭｇＯ−ＴＭＲ素子）において、巨大トンネル磁気抵抗が発現することが見いだされた（非特許文献４（ＭｇＯ障壁を用いた巨大磁気抵抗を持つトンネル磁気抵抗素子に関する実験）を参照。）。その後、ＭｇＯ−ＴＭＲ素子における巨大トンネル磁気抵抗について、精力的な研究が進められ、現在では、低抵抗領域（面積抵抗値が数Ω平方ミクロン程度の領域）においても、数十から百数十％程度の磁気抵抗比を得ることが可能になった。
このような低抵抗ＭｇＯ−ＴＭＲ素子においては、電流注入磁化反転が可能となる。低抵抗ＭｇＯ−ＴＭＲ素子を、本発明による乱数発生器に用いることで、乱数の出力（磁気抵抗比の変化）を２桁以上増大することができるため、回路の簡素化ができる。
【００３７】
ここで、磁気抵抗素子として、ＭｇＯ−ＴＭＲ素子を用いた乱数発生器の実験について説明する。
図６に使用したＭｇＯ−ＴＭＲ素子の構成図を示す。
ＭｇＯ−ＴＭＲ素子の材料組成を除く積層構造は、上記ＣＰＰ−ＧＭＲ素子と同一である。磁化自由層には、磁歪が少ないＣｏ−Ｆｅ−Ｂ−Ｎｉ（コバルト−鉄−ボロン−ニッケル）合金を用い、素子の耐久性の向上を計った。
図６のＭｇＯ−ＴＭＲ素子２０は、基板２１上に順に、バッファ（層）２２、反強磁性層２３、６ｎｍ厚のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層である強化固定層２４、１ｎｍ厚のＭｇＯ層である中間層２５、２ｎｍ厚のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ−Ｎｉ層である磁化自由層２６、キャップ（層）２７を積層し、層２３の一部と層２４〜２７までの側面をエッチングし、断面積７０×２００ｎｍで、柱状にキャップ２７上面から反強磁性層まで３０ｎｍエッチングした構成を有する。
【００３８】
作製した素子の磁気抵抗比は最大６０％程度であり、磁化反転が起こる電流値は２から６ミリアンペア程度であった。この素子に、幅１００マイクロ秒の直流パルス電流を用い、磁化を初期化した後、磁化を反転させる電流値（以下、「セット電流」という）を一定としたまま、その反転結果と反転確率を調べた。パルスを与える手順は、図４で示したものと同じである。
【００３９】
図７に実験結果を示す。図７は実施例２のＭｇＯ−ＴＭＲ素子におけるセット電流値（ｍＡ）での、反転確率、乱数の発生例を示す。
セット電流を３．０、３．２、３．４ミリアンペアと増加させると、それにつれて反転確率が０．１０、０．４２、０．８８と増加することが解る。図５（ｂ）の磁化反転電流−累積反転確率特性が略直線的な傾きを有することから、セット電流３．２ミリアンペア近傍で、さらに電流を調節することで、反転確率を０．５とできることがわかる。
上記の実験結果から、反転確率を０．５とする手段を備えた乱数発生器の回路例を図８に示す。
【００４０】
図８は本発明の乱数発生器の回路構成図である。
図８の乱数発生器１では、磁気抵抗素子２の磁化固定層側の基板を接地し、磁気抵抗素子２の磁化自由層側のキャップに、リセットパルスを入力するためのバッファアンプ３の出力側と、セットパルスを入力するための利得可変アンプ４の出力側と、乱数出力を取り出すためのコンパレータ５の出力側を接続する。コンパレータ５の出力は、乱数出力として取り出すと供に、積分器６に入力される。積分器６の出力は誤差アンプ７の一方入力端（−）に入力される。誤差アンプ７の他方入力端（＋）には反転確率平均値（例えば、「０．５」）が入力される。誤差アンプ７の出力は、利得可変アンプ４に入力され、利得を可変調整する。ここで、磁気抵抗素子２に接続されたバッファアンプ３は、リセット手段を構成する。また、図８の回路において、バッファアンプ３と磁気抵抗素子２を除いた回路部分はセット電流設定手段を構成する。
【００４１】
動作時、最初にバッファアンプ３を介して図４（ａ）に示すような大きな電流値のリセットパルスを磁気抵抗素子２に印加し、磁化自由層の磁化方向を磁化固定層の磁化方向に整列させ、初期化状態を得る。このとき抵抗値は低い値（低抵抗状態）になる。この初期化状態から、図４（ａ）に示すように、リセットパルスと極性が反対方向であるセットパルスを印加する。セットパルスの電流値を次第に大きくすると、ある電流値で磁化自由層の磁化が反転し、図４（ｂ）に示すように、磁気抵抗素子の抵抗値が大きな値（高抵抗状態）になる。
磁気抵抗素子２の反転結果をコンパレータ５によって判定し、その結果を積分器６によって加算・平均化する。積分器６の出力値と反転確率平均値（すなわち“０”あるいは“１”に対応する事象の発生確率）の入力値を比較し、その誤差出力値によって、セット電流の大きさを調節する。このような構成を取ることで、それぞれの事象の発生確率が０．５である二値化した乱数を得ることが可能である。
さらに、上記の回路においては、反転確率平均値の入力値を例えば０．５以外の任意の値にセットすることにより、０から１の間で任意の発生確率を持つ二値化した乱数を得ることができる。
【実施例３】
【００４２】
（高速動作と集積化と低消費電力の例）
電流注入磁化反転の速度は極めて速く、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた実験（非特許文献５（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子における電流注入磁化反転が２００ｐｓ程度であることを示した実験）参照）によると、数百ピコ秒の幅の電流パルスで磁化反転を起こることが報告されている。したがって、１ナノ秒から１０ナノ秒幅のリセット電流、セット電流を用いて、本発明による乱数発生器を動作させることができる。このとき、乱数の生成速度は１００メガビット／秒程度になることが予測され、この速度はこれまでに報告されている乱数の生成速度（非特許文献２参照）の１０００倍にもなる。
【００４３】
さらに、電流注入磁化反転型磁気抵抗素子は、既存の集積回路技術によって作成され、その回路面の大きさは１００ナノメートル角（１００ｎｍ×１００ｎｍ）程度と極めて小さいため、本発明による乱数発生器を並列化し、集積回路とすることで、乱数発生の速度をさらに向上させることが可能である。また、本発明による乱数発生器によると、乱数１ビットを発生させるためのエネルギーはＣＰＰ−ＧＭＲ素子を使った場合１ナノジュール以下、ＭｇＯ−ＴＭＲ素子を使った場合１０ナノジュール以下であり、かつ乱数を発生させるときにだけパルス電流を与え、その結果を保持するために電力を必要としない（作成した乱数について不揮発性を持つ）ため、極めて低消費電力であるという特徴がある。
【実施例４】
【００４４】
（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系材料を用いる例）
本発明による乱数発生器に用いる磁気抵抗素子としては、磁気抵抗比が大きく、耐久性が高いことが望ましい。磁気抵抗比が大きな磁気抵抗素子としては結晶性酸化マグネシウムを中間層に用いたＭｇＯ−ＴＭＲ素子がある。ＭｇＯ−ＴＭＲ素子は、電極材料にＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いることで、スパッタ法で作製できることが知られている。
このとき、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金に他の金属材料（Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒのうち少なくとも一種類以上の元素）を添加することにより磁化を小さくすることができる。磁化と異方性磁気エネルギーには比例関係があるため、磁化を小さくすることにより、磁気抵抗素子の熱安定性を低減することが可能である。特にＮｉを添加した場合は、磁化が下がるとともに、磁歪を少なくすることができるため、素子の耐久性を向上させることが可能である。
【００４５】
したがって、本発明による乱数発生器に用いる磁気抵抗素子として、ＭｇＯ−ＴＭＲ素子を用い、磁化自由層あるいは磁化固定層の少なくとも一方にＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系材料を用いることで、熱安定性を調節することによる乱数発生器の操作性の向上、磁歪の低減による乱数発生器の耐久性の向上を図ることができるようになる。
【実施例５】
【００４６】
（垂直磁気材料を用いる例）
本発明による乱数発生器に用いる磁気抵抗素子としては、磁化反転電流の小さいことが望ましい。磁化反転電流を低減する方法の一つに、垂直磁気材料を用いる方法がある。垂直磁気材料を用いた磁気抵抗素子においては、形状磁気異方性を必要としないため、素子の断面積を面内型磁気抵抗素子に比べ、１／２以下にすることが可能である。断面積を小さくすることで、磁化反転に必要な電流量も低減することができる。これまでに知られている垂直磁気材料としては、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ系材料がある。
【００４７】
特にＦｅ−Ｐｔは、ＦｅＰｔ／Ａｕ／ＦｅＰｔの構成を持つ、６０ナノメートル径のＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製すると、０．５ミリアンペア程度の反転電流を得ることができる。したがって、本発明による乱数発生器に用いる磁気抵抗素子として、磁化自由層あるいは磁化固定層の少なくとも一方に垂直磁気材料を用いることで、反転電流の低減による乱数発生器の操作性の向上を測ることができる。
図９に本実施例で用いた、垂直磁気材料（ここではＦｅ−Ｐｔ合金）を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の構造図を示す。磁化自由層と、磁化固定層にそれぞれＦｅ−Ｐｔ合金を、中間層にはＡｕを用いた。また、図９には示していないが、中間層と磁化自由層、磁化固定層の界面には、それぞれ原子１層ないし２層のＦｅを挟んである。断面積は６０ｎｍΦ（径）の円形とし、柱状にバッファ層まで、約２０ｎｍ程度エッチングした構成を有する。
図９のＣＰＰ−ＧＭＲ素子３０は、基板３１上に順に、バッファ（層）３２、４ｎｍ厚のＦｅＰｔ層である磁化固定層３３、２．７ｎｍ厚のＡｕ層である中間層３４、１．７ｎｍ厚のＦｅＰｔ層である磁化自由層３５、キャップ（層）３６を積層した構成を有する。
この素子のサンプルの抵抗値は５Ω、磁気抵抗比は２％であった。
【００４８】
図１０に、本実施例で用いた、垂直磁気材料を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子での電流注入磁化反転における磁化反転電流のばらつき特性と、セット電流を固定し多数回測定を行ったときの反転確率特性を示す。図１０（ａ）はパルス幅を１００ｍｓとした磁化反転電流のばらつき特性を示し、図１０（ｂ）はパルス幅を０．０１ｍｓとした磁化反転電流のばらつき特性を示す。図１０（ｃ）はセット電流を固定し多数回測定を行ったときの反転確率特性を示す。
この実験では、図示省略するが、電流パルス幅（τ）を図１０（ａ）の１００ｍｓｅｃから図１０（ｂ）の０．０１ｍｓｅｃまで変化させた。図１０（ｃ）に示すとおり、パルス幅を小さくすると、反転電流の平均値が大きくなり、同時に分散が大きくなることが解る。また、同一のセット電流を用いたときの反転確率の実験結果では、セット電流に対する反転確率の傾きが、パルス幅が短くなるほど小さくなることが確認できた。すなわち、より短いパルス幅を用いることで、特性曲線の傾きを小さくでき、所望の反転確率に調整することが容易となる。
即ち、パルス幅が１００ｍｓから０．０１ｍｓへ小さくなるに伴って、反転確率−磁化反転電流特性曲線の傾きがねてくる（小さく）と供に磁化反転電流のレンジ（電流域）が大きな値になる。
【実施例６】
【００４９】
（ホイスラー合金材料を用いる例）
本発明による乱数発生器に用いる磁気抵抗素子としては、磁気抵抗比が大きいことが望ましい。磁気抵抗比が大きな磁気抵抗素子として、ホイスラー合金材料を磁化自由層あるいは磁化固定層に用いた磁気抵抗素子がある。ホイスラー合金材料は、そのバンド構造から分極率が１００％の完全分極材料の可能性があることが示唆されており、このような材料を用いることにより、磁気抵抗比をさらに向上させることができるといえる。それゆえ、磁気抵抗比を向上させることにより、抵抗比の変化を検出する回路を簡素化することができる。ホイスラー合金材料は、例えばＣｏ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｃｏ−Ｍｎ−Ａｌ合金により構成する。
【００５０】
したがって、本発明による乱数発生器に用いる磁気抵抗素子として、磁化自由層あるいは磁化固定層の少なくとも一方にホイスラー合金材料を用いることで、磁気抵抗比を向上させ、乱数発生器の回路の簡素化を図ることが可能となる。
【実施例７】
【００５１】
（磁場を使った反転方法の例）
実施例１および２では、磁化反転の方法として、電流注入磁化反転を用いていたが、その場合、磁気抵抗素子の大きさを断面積で１００ｎｍ角以下と極小にする必要がある。それより大きな磁気抵抗素子においては、磁場によって磁化を反転させることが可能である。さらに、熱安定性モデルによると、磁化反転に対して、電流と磁場は外場として同様に扱えることが示されているので、磁化を確率的に反転させる方法として、パルス電流と同様にパルス磁場を用いることができる。
【００５２】
パルス磁場を与える手法としては、磁気抵抗素子近傍に電線を設置し、パルス電流により磁場を発生するという方法がある。この方法は、磁界書き込み型磁気ランダムアクセスメモリに用いられている。この手法においても、パルス磁場の強度を変化させることによって、磁化自由層の反転確率を調節することが可能である。
したがって、本発明の乱数発生器に用いる磁気抵抗素子の磁化反転方法として、磁界による反転方法を使用することができる。磁化による反転を用いることで、本発明による乱数発生器において、１００ナノメートル角より大きな磁気抵抗素子を使用することが可能となり、作成上の困難を低減することができる。
【実施例８】
【００５３】
（乱数におけるそれぞれの事象の発生確率を均等にする方法）
本発明による乱数発生器では、二値化した乱数の、それぞれの事象の発生確率を、外場を調整することにより任意の「所定の値」、例えば０．５にあわせることができる。しかしながら、乱数発生回路の高速化、回路の簡素化などの要請により、外場の調節回路を設けることが難しい場合が考えられる。
このような場合においては、あらかじめ、それぞれの事象の発生確率を概ね０．５になるような一定の外場を与えておき、さらに、独立した２回の測定結果を選び（例えば連続した２回の測定結果、あるいは１回おきの測定結果など）、「反転成功−反転失敗」の組み合わせを“０”に、「反転失敗−反転成功」の組み合わせを“１”に（またはそれらの逆に）対応させることにより、“０”と“１”の発生確率が等しい乱数を得ることができる。
【００５４】
例えば、上記「所定の値」として、反転成功の確率が０．３である場合（すなわち反転失敗の確率は０．７である）を考える。上記、独立した２回の測定においては、「反転成功−反転失敗」の発生確率は０．３×０．７＝０．２１、「反転失敗−反転成功」の発生確率は０．７×０．３＝０．２１と、この両者の発生確率は同じになる。このとき、測定結果「反転成功−反転失敗」を乱数“０”と再評価し、測定結果の「反転失敗−反転成功」を乱数“１”と再評価する。ただし、測定結果「反転失敗−反転失敗」および「反転成功−反転成功」は再評価しないで廃棄する。この場合の採用する測定結果は、任意のものでよく、例えば、独立した３回以上の測定結果であってもよく、また、飛び飛びの測定結果であってもよい。この場合、任意の回の測定結果、例えば上記独立した２回の測定結果の「反転失敗−反転成功」や独立した３回以上の測定結果を、「選別パターン」とする。
【００５５】
以上のことは、基本的には、反転確率をｐ（０＜ｐ＜１）としたとき、反転しない確率は１−ｐであるため、独立した２回の測定結果における、「反転成功−反転失敗」の発生確率と「反転失敗−反転成功」の発生確率は、共にｐ（１−ｐ）となることを利用し、「反転成功−反転失敗」を新たに“０”に、「反転失敗−反転成功」を新たに“１”に割り当てることにより、発生確率の等しい乱数を得ることができることを意味する。
図１１は本発明のそれぞれの事象の発生確率を均等にする手段を備えた乱数発生器の構成図である。
【００５６】
図１１の乱数発生器１Ａの構成は、図８の構成と比べ、乱数出力端に乱数選別回路を追加した構成に特徴を有する。選別回路に上記選別するパターンと、それに対応付ける“０”又は“１”を入力することにより、新たに発生確率の等しい乱数を得ることができる。
コンパレータ５の出力端に、スイッチＳＷを介して、（回路１）乱数出力を積分器６で積分し、その積分出力値を反転確率平均値と誤差アンプ７で比較し、比較誤差を利得可変アンプ４へ調整のために入力するフィードバック回路と、（回路２）乱数選別回路８を選択可能に接続する。
フィードバック回路は、図８で実質的に説明したとおりであるから、この図は説明を省略する。
乱数選別回路８は、選別用パターン入力端子からの選別パターンに基づき、この実施例８で説明されている、乱数におけるそれぞれの事象の発生確率を均等にする方法を実行する機能を有する。
なお、図１１の回路の点線部分、即ち、積分器６および誤差アンプ７を省略して、コンパレータ５に、直接乱数選別回路８を接続してもよい。
【００５７】
以上説明したように、本発明による乱数発生器１、１Ａは、高速動作が可能であり、かつ集積化に適している。それ故、乱数の発生確率の均一性を向上させる手法としては、それぞれの磁気抵抗素子に外場の調節回路を設けるよりも、上記の手段が有効である。
さらに、この手法をもちいて、容易に、発生確率の等しい任意の複数値からなる乱数を得ることが可能である。例えば「反転失敗−反転失敗−反転成功」を“０”に、「反転失敗−反転成功−反転失敗」を“１”に、「反転成功−反転失敗−反転失敗」を“２”に、割り当てることにより、発生確率の等しい三値からなる乱数を得ることが可能である。
以下同様に対応付けすることにより、任意の値からなる乱数を発生することができる。
図８および図１１の乱数発生器は、磁気抵抗素子を除いて等業者において自明なＣＰＵ等の演算処理回路を備えるコンピュータで構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、小型、低消費電力で、真性度が高い乱数を、高速かつ不揮発で発生させることができる乱数発生器を実現することができる。この乱数発生器を、例えば、ＩＣカード、携帯電話、持ち運び可能なコンピュータなどに組み込むことで、セキュリティの高いシステムを実現することが可能になるという点で、産業上のメリットは甚大である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】乱数発生器の構成を示した説明図である。
【図２】磁気抵抗素子における磁場−抵抗の関係、電流−抵抗の関係を示した図である。
【図３】本発明の実施例１の乱数発生器の実験に用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の構成図である。
【図４】本発明の実施例１の乱数発生器の実験の手順例を示した図である。
【図５】本発明の実施例１の乱数発生器の実験における、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の反転電流の分散と累積した反転確率を示した図である。
【図６】本発明の実施例２の乱数発生器の実験に用いたＭｇＯ−ＴＭＲ素子の構成図である。
【図７】本発明の実施例２の乱数発生器の実験結果の例を示した図である。
【図８】本発明の実施例２の乱数発生器における回路例を示した図である。
【図９】本発明の垂直磁気材料（ここではＦｅ−Ｐｔ合金）を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の構造図である。
【図１０】本発明の垂直磁気材料を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子での電流注入磁化反転における磁化反転電流のばらつき特性と、セット電流を固定し多数回測定を行ったときの反転確率特性を示す図である。
【図１１】本発明のそれぞれの事象の発生確率を均等にする手段を備えた乱数発生器の構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    乱数発生器
２    磁気抵抗素子
３    バッファアンプ
４    利得可変アンプ
５    コンパレータ
６    積分器
７    誤差アンプ
８    乱数選別回路
【図１】
2008310403.tif 000003
【図２】
2008310403.tif 000004
【図３】
2008310403.tif 000005
【図４】
2008310403.tif 000006
【図５】
2008310403.tif 000007
【図６】
2008310403.tif 000008
【図７】
2008310403.tif 000009
【図８】
2008310403.tif 000010
【図９】
2008310403.tif 000011
【図１０】
2008310403.tif 000012
【図１１】
2008310403.tif 000013