(57)【要約】  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。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００１８８２２号明細書
【特許文献２】特表２０１３−５４１２１９号公報
【特許文献３】国際公開第２０１３／０２５９９４号
【特許文献４】国際公開第２０１６／１５９０１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】磁気抵抗効果素子の外観を示す斜視図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】交換バイアスの作用を示す説明図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】−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。
【図１４】＋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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】パルス時間差を示す説明図である。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】書き込み電流パルスの入力波形を示す波形図である。
【図２４】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。
【図２５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
＜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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
＜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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
−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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
＜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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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
【００７０】
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
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
＜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。
【００７４】
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
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
［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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
［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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【符号の説明】
【０１３７】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月3日(2019.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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端子及び前記第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、
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、
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し、
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
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
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１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
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２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
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１ないし３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
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１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
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１ないし５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
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、
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し、
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
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
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７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
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８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
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１ないし６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
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１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
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６、９ないし１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
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７または８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
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１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
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１４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
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１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
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１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
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１７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
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１８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
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ないし１９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
請求項１ないし６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。
【請求項２２】
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２１に記載の回路装置。
【請求項２３】
請求項７または８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。
【請求項２４】
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２３に記載の回路ユニット。
【請求項２５】
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２３または２４に記載の回路ユニット。
【国際調査報告】
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