特開 2024-32140 アナログメモリ素子およびニューラルネットワーク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024032140

(43)【公開日】2024-03-12

(54)【発明の名称】アナログメモリ素子およびニューラルネットワーク

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20240305BHJP

   H10B 99/00 20230101ALI20240305BHJP

   H10B 69/00 20230101ALI20240305BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240305BHJP

   G11C 11/54 20060101ALI20240305BHJP

   G11C 27/02 20060101ALI20240305BHJP

   G06N 3/063 20230101ALI20240305BHJP

   G06G 7/60 20060101ALI20240305BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

H01L27/10 451

H01L27/115

H01L27/105 447

H01L27/10 481

G11C11/54

G11C27/02 100

G06N3/063

G06G7/60

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022135633

(22)【出願日】2022-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】国橋 要司

(72)【発明者】

【氏名】眞田 治樹

(72)【発明者】

【氏名】田中 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】後藤 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】輕部 修太郎

(72)【発明者】

【氏名】田中 貴大

(72)【発明者】

【氏名】好田 誠

(72)【発明者】

【氏名】新田 淳作

【テーマコード（参考）】

4M119

5F083

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119BB20

4M119CC05

4M119CC10

4M119DD22

4M119DD60

4M119HH01

4M119HH04

4M119KK14

5F083FZ10

5F083GA05

5F083JA43

5F083JA60

5F083PR22

5F083PR25

5F083ZA21

5F092AB10

5F092AC26

5F092AC30

5F092AD02

5F092AD25

5F092AD30

5F092BD01

5F092BD19

5F092BD23

5F092BD24

5F092CA02

5F092CA03

5F092DA01

5F092DA03

(57)【要約】

【課題】簡易な構成のアナログメモリ素子およびニューラルネットワークを提供する。
【解決手段】本発明に係るアナログメモリ素子１０は、電流誘起によりスピン流を生じる反強磁性材料からなるチャネル構造１２を備え、チャネル構造が、一の方向に配置される第１のチャネル１２＿１と、第１のチャネルと垂直な他の方向に配置される第２のチャネル１２＿２と、第１のチャネルと所定の角度をなす第３のチャネル１２＿３と、第３のチャネルに垂直な第４のチャネル１２＿４とにより構成され、第１および第２のチャネルそれぞれに一の書き込み電流１４＿１および他の書き込み電流１４＿２が印加され、第３のチャネルと第４のチャネルとのいずれか一方に読み出し電流が印加され、他方に読み出し電圧が出力される。
【選択図】 図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流誘起によりスピン流を生じる反強磁性材料からなるチャネル構造を備え、
前記チャネル構造が、
一の方向に配置される第１のチャネルと、
前記第１のチャネルと垂直な他の方向に配置される第２のチャネルと、
前記第１のチャネルと所定の角度をなすように配置される第３のチャネルと、
前記第３のチャネルと垂直に配置される第４のチャネルとにより構成され、
前記第１のチャネルに一の書き込み電流が印加され、
前記第２のチャネルに他の書き込み電流が印加され、
前記第３のチャネルと前記第４のチャネルとのいずれか一方に読み出し電流が印加され、他方に読み出し電圧が出力される
ことを特徴とするアナログメモリ素子。

【請求項2】

前記一の書き込み電流により、前記一の方向のネールベクトルが、前記他の方向に配向するように９０°程度回転し、
前記他の書き込み電流により、前記他の方向のネールベクトルが、前記一の方向に配向するように９０°程度回転する
ことを特徴とする請求項１に記載のアナログメモリ素子。

【請求項3】

前記一の書き込み電流が印加されたときの前記読み出し電圧の値と、前記他の書き込み電流が印加されたときの前記読み出し電圧の値とが異なる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアナログメモリ素子。

【請求項4】

前記一の書き込み電流および前記他の書き込み電流が電流パルスであって、
前記電流パルスの数に応じて前記読み出し電圧の値が異なる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアナログメモリ素子。

【請求項5】

前記一の書き込み電流の密度および前記他の書き込み電流の密度に応じて前記読み出し電圧の値が異なる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアナログメモリ素子。

【請求項6】

前記一の書き込み電流の密度および前記他の書き込み電流の印加方向と、パルスの数と、密度との少なくともいずれかが変数として入力される入力部と、
請求項１又は請求項２に記載のアナログメモリ素子により構成され、前記入力される変数に応じて多値で出力するシナプス部と、
前記アナログメモリ素子の出力の総和を出力する出力部と
を備えるニューラルネットワーク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、簡易な構造のアナログメモリ素子およびニューラルネットワークに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、医療、経営、金融市場など様々な分野において、高度なデータ処理・分析が可能である人工知能に関する研究が盛んに行われている。

【0003】

この人工知能の研究において、ニューロモルフィック・エンジニアリング（Ｎｅｕｒｏｍｏｒｐｈｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）では、神経回路や情報処理様式を電子アナログ回路で模倣して、工学的な側面から研究することで、人間の脳の構造や仕組みについて理解が進められている。

【0004】

そこで、人間の脳の神経回路を構成しているシナプスのようなアナログ的信号出力を可能とする素子の開発は喫緊の課題である。

【0005】

従来のスピントロニクスでは、主に磁性体を用いた「１」か「０」に限定された２値出力において、スピン流による強磁性体磁化の反転などが実証され（非特許文献１）、磁気ランダムアクセスメモリなどに応用された。

【0006】

一方、多値出力を可能とするアナログ素子やニューロモルフィック素子は、スピントロニクス分野において、スピントランスファートルクを用いた自励発振（非特許文献２）、隣接反強磁性体からの交換バイアス磁場による強磁性体磁化の多磁区化により実現されている（非特許文献３）。これらの素子は自発磁化により情報保持を行うため、メモリ素子に必然的に要求される不揮発性も兼ね備えている。

【0007】

また、ニューロモルフィック・エンジニアリング技術に基づき、学習機能による音声認証（非特許文献２）や連想記憶（非特許文献４）など人間の脳に近い動作が可能であることも実証されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】L. Liu et al, "Spin-Torque Switching with the Giant Spin Hall Effect of Tantalum", Science 336, 555 (2012).

【非特許文献2】J. Torrejon et al, "Neuromorphic computing with nanoscale spintronic oscillators", Nature 547, 428 (2017).

【非特許文献3】S. Fukami et al, "Magnetization switching by spin-orbit torque inan antiferromagnet-ferromagnet bilayer system", Nat. Mater. 15, 535 (2016).

【非特許文献4】W. A. Borders et al, "Analogue spin-orbit torque device for artificialneural-network-based associative memory operation", Appl. Phys. Express 10, 013007 (2017).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上述のアナログメモリ素子は強磁性体／絶縁体／強磁性体や反強磁性体と強磁性体との多層構造で構成され、素子構造が複雑であるため、汎用性に乏しいという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述したような課題を解決するために、本発明に係るアナログメモリ素子は、電流誘起によりスピン流を生じる反強磁性材料からなるチャネル構造を備え、前記チャネル構造が、一の方向に配置される第１のチャネルと、前記第１のチャネルと垂直な他の方向に配置される第２のチャネルと、前記第１のチャネルと所定の角度をなすように配置される第３のチャネルと、前記第３のチャネルと垂直に配置される第４のチャネルとにより構成され、前記第１のチャネルに一の書き込み電流が印加され、前記第２のチャネルに他の書き込み電流が印加され、前記第３のチャネルと前記第４のチャネルとのいずれか一方に読み出し電流が印加され、他方に読み出し電圧が出力されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、簡易な構成のアナログメモリ素子およびニューラルネットワークを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子の構成を示す鳥瞰概略図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子の構成を示す上面透視概略図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子における二酸化ルテニウムの結晶構造の模式図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子における二酸化ルテニウムの結晶構造の透過電子顕微鏡写真である。

【図3A】図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子の動作を説明するための上面透視概要図である。

【図3B】図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子の動作を説明するための図である。

【図4A】図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子の動作を説明するための図である。

【図4B】図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子の動作を説明するための図である。

【図5】図５は、本発明の第２の実施の形態に係るニューロネットワークの構成を示す概要図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子について、図１Ａ～図４Ｂを参照して説明する。

【0014】

＜アナログメモリ素子の構成＞
本実施の形態に係るアナログメモリ素子１０は、図１Ａ、Ｂに示すように、基板１１と、チャネル構造１２と、電極１３とを備える。

【0015】

基板１１は、Ａｌ_２Ｏ_３（０００１）基板である。基板１１は、Ａｌ_２Ｏ_３（０００１）基板以外のＭｇＯ（１００）基板やＴｉＯ_２（１００）基板などの酸化物基板でもよい。

【0016】

チャネル構造１２は、基板１１上にエピタキシャル成長されたＲｕＯ_２（１００）結晶からなり、４本のチャネル（細線）で米字状に構成される。

【0017】

図２Ａに、ＲｕＯ_２（１００）結晶構造の一例の模式図を示す。ＲｕＯ_２（１００）結晶はルチル型の結晶構造を有する。ここで、黒丸が磁性原子であるルテニウム（Ｒｕ）原子１＿１、１＿２、白丸が酸素原子２を示す。

【0018】

また、矢印３＿１、３＿２は、ルテニウム（Ｒｕ）原子１＿１、１＿２の磁気モーメントを示す。図２Ａに示すように、ミクロ的な領域（ドメイン）において、隣り合うＲｕ原子１＿１、１＿２の磁気モーメントの方向は反対である。

【0019】

図２Ｂに、成膜されたＲｕＯ_２（１００）薄膜の断面を透過電子顕微鏡で観察した写真を示す。ここで、Ｒｕ原子が白い円形状で写される。これより、ＲｕＯ_２（１００）は原子層レベルで結晶配向していることがわかる。

【0020】

また、チャネル構造１２において、第１のチャネル１２＿１と第２のチャネル１２＿２がそれぞれ書き込みチャネルとして、［００１］、［０１０］方向に形成される。これらの第１のチャネル１２＿１と第２のチャネル１２＿２それぞれに、書き込み動作を行うための電流（以下、「書き込み電流」という。）が印加される（後述）。

【0021】

また、第３のチャネル１２＿３と第４のチャネル１２＿４がそれぞれ、読み出しチャネルとして、（１００）面上で第１のチャネル１２＿１又は第２のチャネル１２＿２と４５°の角度をなすように形成される。第３のチャネル１２＿３に電流（以下、「読み出し電流」という。）が印加され、第４のチャネル１２＿４で電圧（以下、「読み出し電圧」という。）が出力され、測定される（後述）。

【0022】

ここで、第１のチャネル１２＿１と第２のチャネル１２＿２と第３のチャネル１２＿３の幅はそれぞれ１０μｍである。また、第４のチャネル１２＿４の幅は、５μｍである。ここで、ホール測定時に縦方向の抵抗がホール抵抗に与える影響を抑制するために、第４のチャネル１２＿４の幅は、第３のチャネル１２＿３の幅より狭いことが望ましい。

【0023】

電極１３は、各チャネル端部の表面上に形成されたＴｉ（８ｎｍ厚）／Ａｕ（１００ｎｍ厚）である。電極１３には、これに限らず、公知の電極金属を用いてもよい。

【0024】

＜アナログメモリ素子の製造方法＞
本実施に係るアナログメモリ素子１０の製造方法の一例を、以下に説明する。

【0025】

初めに、反応性スパッタを用いた成膜手法により、Ａｌ_２Ｏ_３（０００１）基板１１上に、ＲｕＯ_２結晶を膜厚１０ｎｍでエピタキシャル成長する。ここでは、成膜手法に高周波マグネトロンスパッタリングを用いる。

【0026】

ＲｕＯ_２結晶の成長において、Ａｌ_２Ｏ_３（０００１）基板１１を４００℃で加熱しながら、Ａｒ（流量：１０ｓｃｃｍ）とＯ_２（流量：２．５ｓｃｃｍ）との混合ガス雰囲気中で、動作圧力を０．３Ｐａ、Ｏ_２分圧を０．０６Ｐａで制御し、ＲｕターゲットをスパッタリングしてＲｕＯ_２を成膜する。

【0027】

引き続き、ＲｕＯ_２結晶上に、酸化アルミニウムＡｌＯ_ｘターゲットをスパッタリングしてキャッピング材としてＡｌＯ_ｘ膜を２ｎｍ厚で成膜する。

【0028】

次に、ＲｕＯ_２薄膜／酸化アルミニウムＡｌＯ_ｘ薄膜積層構造をフォトリソグラフィとイオンミリングにより、チャネル構造１２に細線加工する。

【0029】

次に、電極１３を成膜する領域で、キャッピング材（ＡｌＯ_ｘ膜）をＡｒイオンミリングで除去する。

【0030】

最後に、フォトリソグラフィと電子線加熱蒸着を併用した有機レジストマスクによるリフトオフ法によって、Ｔｉ（８ｎｍ厚）／Ａｕ（１００ｎｍ厚）膜を成膜して電極１３を作製する。

【0031】

以上より、本実施に係るアナログメモリ素子１０を作製できる。

【0032】

＜アナログメモリ素子の動作＞
本実施の形態に係るアナログメモリ素子１０の動作について、図３Ａ～図４Ｂを参照して説明する。

【0033】

図３Ａに、アナログメモリ素子１０における書き込み動作、読み出し動作の態様を示す。

【0034】

アナログメモリ素子１０に対する書き込み動作は、ＲｕＯ_２結晶の［００１］方向の第１のチャネル１２＿１と［０１０］方向の第２のチャネル１２＿２それぞれに、パルス電流１４＿１、１４＿２を印加することにより実行される。以下、［００１］方向の第１のチャネル１２＿１、［０１０］方向の第２のチャネル１２＿２それぞれでの書き込み動作を「Ｗｒｉｔｅ“１”」、「Ｗｒｉｔｅ“０”」という。

【0035】

アナログメモリ素子１０に対する書き込み動作において、ＲｕＯ_２結晶に電流が印加されると、量子相対論的効果により磁気の流れであるスピン流（スピン偏極電流）が誘起され、このスピン流がＲｕ原子の磁気モーメントに作用する。その結果、ネールベクトルの向きを可逆的に変化させる。ここで、ネールベクトルは、反強磁性体における磁気秩序（磁気モーメントの並び方）を特徴付けるパラメータである。

【0036】

ここで、反強磁性体であるＲｕＯ_２結晶において、図２Ａに示すように、隣り合うＲｕ原子における磁気モーメントがそれぞれ［００１］方向と［００－１］方向に配向する場合を、「ネールベクトルが［００１］方向に配向する」という。

【0037】

一方、隣り合うＲｕ原子における磁気モーメントがそれぞれ［０１０］方向と［０－１０］方向に配向する場合を、「ネールベクトルが［０１０］方向に配向する」という。

【0038】

例えば、Ｒｕ原子のネールベクトルが［００１］方向に配向する場合、［００１］方向に書き込み電流（一の書き込み電流）１４＿１を印加するとスピン流が［１００］方向に誘起され、このスピン流により［０１０］方向にスピン軌道トルクが生じる。その結果、ネールベクトルが９０°程度回転する。

【0039】

一方、Ｒｕ原子のネールベクトルが［０１０］方向に配向する場合、［０１０］方向に書き込み電流（他の書き込み電流）１４＿２を印加するとスピン流が［１００］方向に誘起され、このスピン流により［００１］方向にスピン軌道トルクが生じる。その結果、ネールベクトルが９０°程度回転する。

【0040】

このように、ネールベクトルの向きを変えることにより書き込み動作が行われる。

【0041】

書き込み動作後は、読み出し動作（以下、「Ｒｅａｄ」ともいう。）を行う。図３Ａに示すように、第３のチャネル１２＿３に対して読み出し電流Ｉ_ｒｅａｄ１４＿３を印加し、第３のチャネル１２＿３と垂直方向の第４のチャネル１２＿４でホール電圧（以下、「読み出し電圧」ともいう。）Ｖ_ｘｙ１４＿４を測定すること（いわゆるホール測定）により、読み出し動作を実行する。

【0042】

ネールベクトルの読み出しは、読み出し電流印加方向と面内ネールベクトルの相対角に依存するプレーナーホール抵抗Ｒ_ｘｙ（＝Ｖ_ｘｙ／Ｉ_ｒｅａｄ）に基づいて行われる。

【0043】

図３Ｂに、書き込み動作、読み出し動作のためのシーケンスの一例を示す。例えば、書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“０”の後に読み出し動作Ｒｅａｄを行い、引き続き、Ｗｒｉｔｅ“１”、Ｒｅａｄを繰り返し行う。

【0044】

ここで、書き込み動作では、多くのスピン流をネールベクトルに作用させる必要があるため、２．０×１０^１１Ａ／ｍ^２程度の電流密度で書き込み電流１４＿１、１４＿２を印加する。一方、読み出し動作では、書き込み電流１４＿１、１４＿２より低い読み出し電流１４＿３でホール電圧を計測できるので、２×１０^１０Ａ／ｍ^２程度の低電流密度で読み出し電流１４＿３を印加する。

【0045】

このように、本実施の形態に係るアナログメモリ素子１０では、主に、第１のチャネルと第２のチャネルが交差する領域において、書き込み電流によりネールベクトルが回転して（操作され）、書き込み動作が実行される。

【0046】

本実施の形態に係るアナログメモリ素子１０の動作の一例として、作製されたアナログメモリ素子１０を用いた実験結果について、図４Ａ、Ｂを参照して説明する。

【0047】

実験に用いられたアナログメモリ素子１０におけるＲｕＯ_２（１００）の電気抵抗率は、１８０μΩｃｍである。また、実験は室温で行われ、書き込みに用いた電流パルス（以下、「書き込みパルス」という。）の時間幅は１００ｍｓである。

【0048】

図４Ａに、ホール抵抗値変化の書き込みパルス数依存性の実験結果を示す。

【0049】

実験では、書き込みパルスの印加による書き込み動作と、書き込み動作後にホール抵抗値を取得する読み出し動作とを繰り返す。

【0050】

以下、書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“１”において、第１のチャネル１２＿１に印加するパルスを「書き込みパルス“１”」という。また、書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“０”において、第２のチャネル１２＿２に印加するパルスを「書き込みパルス“０”」という。

【0051】

また、パルス数が０～９９において、書き込みパルス“０”の印加による書き込み動作と、ホール抵抗値を取得する読み出し動作とを繰り返す。以下、書き込みパルス“０”による動作領域を「パルス“０”領域」という。

【0052】

引き続き、パルス数が１００～１９９において、書き込みパルス“１”の印加による書き込み動作と、ホール抵抗値を取得する読み出し動作とを繰り返す。以下、書き込みパルス“１”による動作領域を「パルス“１”領域」という。

【0053】

以降、同様に、パルス“０”領域での動作とパルス“１”領域での動作とを交互に繰り返し、パルス数が２００～２９９、４００～４９９等がパルス“０”領域であり、パルス数が３００～３９９、５００～５９９等がパルス“１”領域である。

【0054】

図４Ａに示すように、パルス数が０～９９で書き込み動作Ｗｒｉｔｅ”０”が実行されるとき（パルス“０”領域）、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは、０から－１ｍΩ程度に減少した後、パルス数の増加に伴い徐々に－５ｍΩ程度まで減少する。

【0055】

パルス“０”領域でパルス数が０（書き込み電流が印加されない状態）のとき、ＲｕＯ_２結晶においてネールベクトルが［００１］方向に配向するドメインとネールベクトルが［０１０］方向に配向するドメインとが混在する。パルス数を増加させ、書き込み動作Ｗｒｉｔｅ”０”を行うと、［０－１０］方向に印加された書き込み電流（他の書き込み電流）１４＿２で誘起される［１００］方向のスピン流により、［００－１］方向にスピン軌道トルクが生じる。その結果、［０１０］方向のネールベクトルが９０°程度回転して［００１］方向に配向する。

【0056】

次に、パルス数が１００～１９９で書き込み動作Ｗｒｉｔｅ”１”が実行されるとき（パルス“１”領域）、パルス数：１００で、Ｗｒｉｔｅ”０”からＷｒｉｔｅ”１”への切り替え時にホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは－５ｍΩ程度から－１ｍΩ程度に急激に変化した後、パルス数の増加に伴い徐々に３ｍΩ程度まで増加する。

【0057】

パルス“１”領域でパルス“０”領域から切り替わるとき、ＲｕＯ_２結晶においてネールベクトルが初期化され、いったんネールベクトルが［００１］方向に配向するドメインとネールベクトルが［０１０］方向に配向するドメインが混在する状態になる。引き続き、パルス数を増加させ、書き込み動作Ｗｒｉｔｅ”１”を行うと、［００１］方向に印加された書き込み電流（一の書き込み電流）１４＿１で誘起される［－１００］方向のスピン流により、［０１０］方向にスピン軌道トルクが生じる。その結果、［００１］方向のネールベクトルが９０°程度回転して［０１０］方向に配向する。

【0058】

以降、パルス数：１００ごとにＷｒｉｔｅ”０”とＷｒｉｔｅ”１”を交互に繰り返すとき、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは同様に減少と増加を繰り返す。

【0059】

このように、書き込みパルスによってホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙが徐々に変化する。すなわち、書き込みパルスに対応してホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙが異なる値を示し、多値での出力を示す。このホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは、ＲｕＯ_２のネールベクトルのドメイン構造を反映する。すなわちネールベクトルが一方向に揃っている度合いを示す。

【0060】

ここで、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙが徐々に変化することは、チャネル（細線）においてネールベクトルが９０°回転する領域（ドメイン）が徐々に増えることによると考えられる。すなわち、チャネル（細線）において部分的にネールベクトルのスイッチング（反転）が生じていると考えられる。

【0061】

以上より、アナログメモリ素子における多値出力すなわちアナログ的な動作が可能になる。

【0062】

また、書き込み動作をＷｒｉｔｅ”０”からＷｒｉｔｅ”１”またはＷｒｉｔｅ”１”とＷｒｉｔｅ”０”に切り替えるとき、ＲｕＯ_２結晶におけるネールベクトルが初期化され、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは－５ｍΩまたは５ｍΩから－１～０ｍΩ程度に急激に変化する。

【0063】

このように、書き込み動作の切り替え時に、情報が初期化され、引き続き、ホール抵抗値の増減する傾きの符号が変化して、再び徐々にホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙが変化し、アナログ的な書き込みが可能となる。

【0064】

次に、図４Ｂに、書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“０”及び書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“１”におけるホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙの書き込み電流密度依存性を示す。図中、黒四角が書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“０”におけるホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙを示し、白丸が書き込み動作Ｗｒｉｔｅ“１”におけるホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙを示す。

【0065】

書き込み電流密度が０から１．７×１０^１１Ａ／ｍ^２まで増加するとき、Ｗｒｉｔｅ“０”及びＷｒｉｔｅ“１”のホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは０（零）である。

【0066】

書き込み電流密度が１．７×１０^１１Ａ／ｍ^２以上になると、Ｗｒｉｔｅ“０”では、書き込み電流密度が１．８×１０^１１Ａ／ｍ^２で－２０ｍΩ、１．９×１０^１１Ａ／ｍ^２で－５０ｍΩ、２．０×１０^１１Ａ／ｍ^２で－１００ｍΩとなり、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは徐々に減少する。

【0067】

一方、Ｗｒｉｔｅ“１”では、書き込み電流密度が１．８×１０^１１Ａ／ｍ^２で２０ｍΩ、１．９×１０^１１Ａ／ｍ^２で５０ｍΩ、２．０×１０^１１Ａ／ｍ^２で１００ｍΩとなり、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙは徐々に増加する。

【0068】

これらの書き込み電流密度によるホール抵抗値の変化も、書き込み電流によりスピン流が誘起され、このスピン流により生じたスピン軌道トルクによりネールベクトルが９０°程度回転することによる。

【0069】

また、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙが徐々に変化することは、チャネル（細線）において部分的にネールベクトルのスイッチング（反転）が生じているためと考えられる。

【0070】

このように、Ｗｒｉｔｅ“０”及びＷｒｉｔｅ“１”の書き込み電流密度の増加にともない、ホール抵抗値変化ΔＲ_ｘｙはＷｒｉｔｅ“０”、Ｗｒｉｔｅ“１”それぞれで変化し、異なる値すなわち多値出力を示す。このことは、書き込み電流密度を変化させることにより、単一パルスあたりのホール抵抗値を変化させることが可能であることを示す。

【0071】

以上のように、本実施に係るアナログメモリ素子によれば、書き込み電流の方向、書き込みパルス数、書き込み電流密度を変数とした多値出力が可能である。

【0072】

また、書き込み方向を変えた動作や、数百回にも及ぶ動作を行っても再現性の高いホール抵抗値を得ることができ、不揮発かつアナログスピンメモリ素子としての動作が可能である。

【0073】

＜効果＞
本実施の形態に係るアナログメモリ素子は、上述の通り、反強磁性酸化物ＲｕＯ_２薄膜の単層で構成される。

【0074】

従来のメモリ素子において、動作層に用いる酸化物は絶縁体である。そこで、動作層において、酸化物層と、電気抵抗率が低くスピン流生成が可能なスピンソースとなる金属層との接合が必須である。その結果、従来のメモリ素子は、動作層として酸化物層と金属層との多層構造を有する。

【0075】

例えば、絶縁性の反強磁性酸化物のＮｉＯと金属のＰｔとからなるＰｔ／ＮｉＯ／Ｐｔの層構造において、Ｐｔ金属（強磁性金属）層に電流を印加するとＰｔのスピンホール効果によって生じたスピン流がＮｉＯに流れ込み、スピントルク効果によりＮｉＯのネールベクトルを回転させる。

【0076】

このとき、反強磁性酸化物と強磁性金属との接合界面を高品質に形成する必要がある。また、スピントルク効果によりネールベクトルを回転させるために高い電流密度が必要であるので消費電力が高くなる。

【0077】

しかしながら、反強磁性酸化物と強磁性金属との接合界面を高品質に形成することは困難であり、高品質の動作層を作製することが困難である。また、室温における磁気秩序を安定して実現することが困難である。

【0078】

一方、本実施の形態に係るアナログメモリ素子において、ＲｕＯ_２は室温反強磁性体である酸化物であり（T. Berlijn et al, "Itinerant Antiferromagnetism in RuO₂", Phys. Rev. Lett. 118, 077201 (2017)）、金属と同等の電気抵抗率を有する。したがって、酸化物ＲｕＯ_２は、単層でネールベクトルを回転させるための高い電流密度を低消費電力で供給できる。

【0079】

また、ＲｕＯ_２の室温における磁気秩序は、本実施の形態に係るアナログメモリ素子への応用に対する親和性が高い。

【0080】

したがって、本実施の形態に係るアナログメモリ素子は、単層の反強磁性酸化物（ＲｕＯ_２）からなる簡易な構造で、この反強磁性酸化物内で誘起されるスピン流によりスピン軌道トルクを生じさせ、この反強磁性酸化物内のネールベクトルを操作できる。

【0081】

さらに、磁性体の特徴であるドメイン構造において、部分的なドメインを操作することにより、多値出力動作を実現できる。

【0082】

本実施の形態では、第３のチャネル１２＿３と第４のチャネル１２＿４がそれぞれ、（１００）面上で第１のチャネル１２＿１又は第２のチャネル１２＿２と４５°の角度をなすように形成される例を示したが、これに限らない。第３のチャネル１２＿３と第４のチャネル１２＿４がそれぞれ、第１のチャネル１２＿１又は第２のチャネル１２＿２と所定の角度をなすように形成されればよい。このとき、第３のチャネル１２＿３と第４のチャネル１２＿４が垂直に配置されればよい。ここで、読み出し電圧が最大になりＳＮ比が最大になるので、上記の角度は４５°であることが望ましい。

【0083】

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係るニューラルネットワークついて、図５を参照して説明する。

【0084】

＜ニューラルネットワークの構成＞
本実施の形態に係るニューラルネットワーク２０は、図５に示すように、入力部２１とシナプス部２２と出力部２３とを備える。

【0085】

入力部２１には、変数として書き込み電流方向、パルス数、パルス電流密度値などの様々なパラメータが入力される。

【0086】

シナプス部２２には、第１の実施の形態に係るアナログメモリ素子が用いられ、不揮発アナログスピンメモリ素子として機能する。シナプス部２２は入力される変数に応じて多値出力を実行する。

【0087】

出力部２３は、ニューロンとして機能し、シナプス部における複数のアナログメモリ素子から得られる応答出力の総和を演算する。

【0088】

ニューラルネットワークにおいて、入力をＳｉ、シナプスをＷｊとすると、出力は

【0089】

【数1】

で表される。

【0090】

本実施の形態に係るニューラルネットワークによれば、人間の脳と同様の演算が可能になる。

【0091】

本発明の実施の形態に係るアナログメモリ素子によれば、スピントロニクス分野における「スピン」を用いたニューロモルフィック素子を簡易な構造で実現でき簡便に作製できるので汎用性が向上し、脳科学分野を理解するためのニューロモルフィック・エンジニアリングや人工知能素子などに有用である。

【0092】

本発明の実施の形態では、ＲｕＯ_２（１００）結晶を用いる例を示したが、これに限らず、ＲｕＯ_２（０１０）結晶、ＲｕＯ_２（００１）結晶でもよい。以下、（１００）面、（０１０）面、（００１）面を「（１００）面等」という。

【0093】

また、本発明の実施の形態におけるスピン軌道トルクを用いたスイッチング動作にネールベクトルの結晶磁気異方性が大きく影響しないので、（１００）面等以外の結晶面を有する結晶を用いてもよい。

【0094】

また、本発明の実施の形態では、ＲｕＯ_２（１００）結晶において、一の書き込み電流（Ｗｒｉｔｅ”１”）を印加する第１のチャネルを［００１］方向に配置して、他の書き込み電流（Ｗｒｉｔｅ”０”）を印加する第２のチャネルを［０１０］方向に配置する例を示したが、これに限らない。例えば、ＲｕＯ_２（０１０）結晶において、第１のチャネルを［１００］方向に配置して、第２のチャネルを第１のチャネルと垂直な［００１］方向に配置してもよい。以下、［００１］方向、［０１０］方向、［１００］方向を「［１００］方向等」という。

【0095】

また、本発明の実施の形態におけるスピン軌道トルクを用いたスイッチング動作にネールベクトルの結晶磁気異方性が大きく影響しないので、第１のチャネル、第２のチャネルは［１００］方向等以外の結晶方位に形成されてもよい。第１のチャネルと第２のチャネルが垂直に形成されていればよい。

【0096】

このように、第１のチャネルを所定の結晶面に配置して、第２のチャネルを所定の結晶面上で第１のチャネルと垂直な方向に配置すればよい。

【0097】

また、本発明の実施の形態では、第３のチャネルに読み出し電流が印加され、第４のチャネルに読み出し電圧が出力される例を示したが、第４のチャネルに読み出し電流が印加され、第３のチャネルに読み出し電圧が出力されてもよい。この場合、読み出し電圧が出力される第３のチャネルの幅が、読み出し電流が印加される第４のチャネルの幅より狭く設定されることが望ましい。

【0098】

本発明の実施の形態では、アナログメモリ素子およびニューラルネットワークの構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。アナログメモリ素子およびニューラルネットワークの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

【産業上の利用可能性】

【0099】

本発明は、アナログメモリ素子およびニューラルネットワークに関するものであり、ニューロモルフィック素子や人工知能素子に適用することができる。

【符号の説明】

【0100】

１０ アナログメモリ素子
１１ 基板
１２ チャネル構造
１２＿１ 第１のチャネル
１２＿２ 第２のチャネル
１２＿３ 第３のチャネル
１２＿４ 第４のチャネル
１３ 電極
１４＿１ 一の書き込み電流
１４＿２ 他の書き込み電流
１４＿３ 読み出し電流
１４＿４ 読み出し電圧

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】