JP6897888B2 - リザボア素子及びニューロモルフィック素子 - Google Patents

Description

本発明は、リザボア素子及びニューロモルフィック素子に関する。

ニューロモルフィック素子は、ニューラルネットワークにより人間の脳を模倣した素子である。ニューロモルフィック素子は、人間の脳におけるニューロンとシナプスとの関係を人工的に模倣している。

階層型素子は、ニューロモルフィック素子の一つである。階層型素子は、階層状に配置されたチップ（脳におけるニューロン）と、これらの間を繋ぐ伝達手段（脳におけるシナプス）と、を有する。階層型素子は、伝達手段（シナプス）が学習することで、問題の正答率を高める。学習は情報から将来使えそうな知識を見つけることであり、ニューロモルフィック素子では入力されたデータに重み付けをする。階層型素子は、各階層で学習を行う。

しかしながら、各階層での学習は、チップ（ニューロン）の数が増加すると、回路設計の大きな負担となり、ニューロモルフィック素子の消費電力の増加の原因となる。リザボアコンピュータは、この負担を軽減する一つの方法として検討されている。

リザボアコンピュータは、ニューロモルフィック素子の一つである。リザボアコンピュータは、リザボア素子と出力部とを備える。リザボア素子は、互いに相互作用する複数のチップからなる。複数のチップは、入力された信号によって、互いに相互作用し、信号を出力する。複数のチップを繋ぐ伝達手段は、重みが固定され、学習しない。出力部は、リザボア素子からの信号を学習し、外部に出力する。リザボアコンピュータは、リザボア素子でデータを圧縮し、出力部でデータに重み付けをすることで、問題の正答率を高める。リザボアコンピュータにおける学習は出力部のみで行われる。リザボアコンピュータは、ニューロモルフィック素子の回路設計の簡素化及び消費電力の向上を可能にする手段の一つとして期待されている。

非特許文献１には、スピントルク発振（ＳＴＯ）素子をチップ（ニューロン）として用いたニューロモルフィック素子が記載されている。

Jacob Torrejon et al., Nature, Vol.547, pp.428-432 (2017).

しかしながら、ＳＴＯ素子をチップに用いたニューロモルフィック素子は、それぞれのＳＴＯ素子の共鳴周波数を揃える必要がある。ＳＴＯ素子の共鳴周波数は、製造誤差等によりばらつく場合があり、ＳＴＯ素子同士が十分相互作用しない場合がある。またＳＴＯ素子は、高周波電流を積層方向に印加することで発振する。絶縁層を有するＳＴＯ素子の積層方向に高周波電流を長時間印加することは、ＳＴＯ素子の故障の原因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、安定して動作するリザボア素子及びニューロモルフィック素子を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかるリザボア素子は、第１方向に積層され、互いに離間した複数の強磁性層と、前記複数の強磁性層のうち少なくとも一つの強磁性層に面するスピン軌道トルク配線と、前記複数の強磁性層に面し、前記複数の強磁性層のうち最近接の２つの強磁性層の間を少なくとも繋ぎ、スピンを伝導するスピン伝導層と、を備える。

（２）上記態様にかかるリザボア素子は、前記スピン伝導層に面し、前記複数の強磁性層の間に位置するゲート電極をさらに備えてもよい。

（３）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン軌道トルク配線を複数有し、それぞれのスピン軌道トルク配線は、前記強磁性層のそれぞれに接続されていてもよい。

（４）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記複数の強磁性層のうち２つ以上の強磁性層に接続されていてもよい。

（５）上記態様にかかるリザボア素子は、前記複数の強磁性層は、前記第１方向と交差する第１面において、１次元配列してもよい。

（６）上記態様にかかるリザボア素子は、前記複数の強磁性層は、前記第１方向と交差する第１面において、２次元配列してもよい。

（７）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層は格子をなし、それぞれの強磁性層は、前記スピン伝導層の格子の交点の位置に面してもよい。

（８）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層を複数有し、第１スピン伝導層は、前記第１方向の第１の高さ位置にある強磁性層に面し、第２スピン伝導層は、前記第１方向の第２の高さ位置にある強磁性層に面し、前記第１スピン伝導層と前記第２スピン伝導層とは、スピンを伝導するスピンビア配線で互いに接続されていてもよい。

（９）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの金属又は合金を含んでもよい。

（１０）上記態様にかかるリザボア素子において、前記スピン伝導層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの単体又は化合物を含んでもよい。

（１１）第２の態様にかかるニューロモルフィック素子は、上記態様にかかるリザボア素子と、前記リザボア素子に接続された入力部と、前記リザボア素子に接続され、前記リザボア素子からの信号を学習する出力部と、を備える。

本実施形態にかかるリザボア素子及びニューロモルフィック素子は、安定した動作が可能である。

第１実施形態にかかるニューロモルフィック素子の概念図である。 第１実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第１実施形態にかかるリザボア素子の動作を説明するための図である。 ２つの磁化の振動の位相が同期した場合の磁化の関係を示す図である。 ２つの磁化の振動の位相が半波長（π）ずれた場合の磁化の関係を示す図である。 第２実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第３実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第４実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第５実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第６実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第７実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。 第８実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［第１実施形態］
（ニューロモルフィック素子）
図１は、第１実施形態にかかるニューロモルフィック素子の概念図である。ニューロモルフィック素子２００は、入力部１１０とリザボア素子１００と出力部１２０とを有する。入力部１１０及び出力部１２０は、リザボア素子１００に接続されている。

ニューロモルフィック素子２００は、入力部１１０から入力された信号を、リザボア素子１００で圧縮し、出力部１２０で圧縮された信号に重み付け（学習）を行い、外部に信号を出力する。

入力部１１０は、外部から入力された信号をリザボア素子１００に伝える。入力部１１０は、例えば、複数のセンサーを含む。複数のセンサーは、ニューロモルフィック素子２００の外部の情報を感知し、リザボア素子１００に情報を信号として入力する。信号は、外部の情報の変化を経時的に連続してリザボア素子１００に入力してもよいし、所定のタイムドメインで分割してリザボア素子１００に入力してもよい。

リザボア素子１００は、複数のチップＣｐを有する。複数のチップＣｐは、相互作用する。リザボア素子１００に入力される信号は、多数の情報をもつ。信号がもつ多数の情報は、複数のチップＣｐが相互作用することで、必要な情報に圧縮される。圧縮された信号は、出力部１２０に伝わる。リザボア素子１００は、学習をしない。すなわち、複数のチップＣｐはそれぞれ相互作用するだけであり、複数のチップＣｐの間を伝達する信号に重み付けは行わない。

出力部１２０は、リザボア素子１００のチップＣｐから信号を受け取る。出力部１２０は、学習する。出力部１２０は、各チップＣｐからの信号ごとに、学習により重み付けをする。出力部１２０は、例えば、不揮発性メモリを含む。不揮発性メモリは、例えば、磁気抵抗効果素子である。出力部１２０は、ニューロモルフィック素子２００の外部に信号を出力する。

ニューロモルフィック素子２００は、リザボア素子１００でデータを圧縮し、出力部１２０でデータに重み付けをすることで、問題の正答率を高める。

またニューロモルフィック素子２００は、消費電力に優れる。ニューロモルフィック素子２００において学習は、出力部１２０のみで行われる。学習は、各チップＣｐから伝わる信号の重みを調整することである。信号の重みは、信号の重要度に応じて決定される。信号の重みを随時調整すると、チップＣｐ間の回路がアクティブになる。アクティブな回路が多いほど、ニューロモルフィック素子２００の消費電力は大きくなる。ニューロモルフィック素子２００は、最終段階の出力部１２０のみ学習すればよく、消費電力に優れる。

図２は、第１実施形態にかかるリザボア素子１００の斜視図である。
まず方向について規定する。後述する強磁性層１０が積層された方向をｚ方向、ｚ方向に直交する面のうち一の方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。ｚ方向は、第１方向の一例である。ｘｙ平面は、第１面の一例である。

（リザボア素子）
リザボア素子１００は、複数の強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０とスピン伝導層３０とを備える。図２に示す強磁性層１０は、図１におけるチップＣｐに対応する。図２に示すスピン伝導層３０は、図１におけるチップＣｐ間を繋ぐ伝達手段に対応する。

「強磁性層」
リザボア素子１００は、複数の強磁性層１０を有する。リザボア素子１００は、例えば、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とを含む。以下、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とを区別しない場合は、単に強磁性層１０という場合がある。

第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とは、互いに離間している。隣接する強磁性層１０は、例えば、層間絶縁膜で絶縁されている。第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とは、ｘ方向に１次元に配列する。本明細書において「１次元に配列する」とは、それぞれの強磁性層が１方向に並ぶことを言い、それぞれの強磁性層を繋ぐ線が１方向（例えば、ｘ方向）に揃うことを意味する。

それぞれの強磁性層１０の形状は、例えば、円柱状である。強磁性層１０の形状は、円柱状に限られない。強磁性層１０の形状は、例えば、楕円柱状、四角柱、円錐、楕円錐、円錐台、四角錐台等でもよい。

強磁性層１０は、強磁性体を含む。強磁性層１０は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金を含む。強磁性層１０は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）である。

強磁性層１０は磁化を有する。磁化は、ｚ方向に配向した垂直配向でも、ｘｙ面内方向に配向した面内配向でもよい。磁化は、スピン軌道トルク配線２０からのスピンにより振動する。

「スピン軌道トルク配線」
リザボア素子１００は、スピン軌道トルク配線２０を有する。リザボア素子１００は、例えば、第１スピン軌道トルク配線２１と第２スピン軌道トルク配線２２とを有する（図２参照）。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性層１０に面する。本明細書において「面する」とは、２つの部材が互いに接する場合に限られず、２つの部材の間に異なる層が存在する場合を含む。

第１スピン軌道トルク配線２１は第１強磁性層１１に接続され、第２スピン軌道トルク配線２２は第２強磁性層１２に接続されている。本明細書において「接続される」とは、スピンが伝導可能な状態で接続されていることを意味する。例えば、第１強磁性層１１と第１スピン軌道トルク配線２１との間に層を有していても、第１強磁性層１１と第１スピン軌道トルク配線２１との間でスピンの授受が可能であればよい。

スピン軌道トルク配線２０は、強磁性層１０に対して交差する方向に延びる。例えば、第１スピン軌道トルク配線２１及び第２スピン軌道トルク配線２２は、ｙ方向に延びる。

スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れるとスピンホール効果によってスピン流を生み出す。スピンホール効果は、電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの流れ方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。

スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流Ｉが流れる。一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、−ｘ方向に配向した第１スピンが−ｚ方向に曲げられ、＋ｘ方向に配向した第２スピンが＋ｚ方向に曲げられる。

通常のホール効果とスピンホール効果とは、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。

非磁性体は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。−ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と＋ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。第１スピンの電子の流れをＪ_↑、第２スピンの電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、ｚ方向に生じる。

スピン軌道トルク配線２０は強磁性層１０に面する。スピンは、スピン軌道トルク配線２０から強磁性層１０に注入される。注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を、強磁性層１０の磁化に与える。強磁性層１０の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）により振動する。第１強磁性層１１の磁化は、第１スピン軌道トルク配線２１から注入されたスピンによるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて振動する。第２強磁性層１２の磁化は、第２スピン軌道トルク配線２２から注入されたスピンによるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて振動する。

スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。

スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。非磁性の重金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。

電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属は、スピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。

またスピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。

一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。

スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。

トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。

「スピン伝導層」
スピン伝導層３０は、強磁性層１０に面する。スピン伝導層３０は、例えば、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間を繋ぐ。第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とはｘ方向に１次元に配列しており、これらの間を繋ぐスピン伝導層３０はｘ方向に延びる。

スピン伝導層３０は、非磁性の導電体からなる。スピン伝導層３０は、強磁性層１０から染みだしたスピン流を伝播する。

スピン伝導層３０は、例えば、スピン拡散長及びスピン輸送長の長い材料により構成される。スピン拡散長は、スピン伝導層３０に注入されたスピンが拡散し、注入されたスピンの情報が半減するまでの距離である。スピン輸送長は、非磁性体内を流れるスピン偏極電流のスピン流が半減するまでの距離である。スピン伝導層３０への印加電圧が小さいとスピン拡散長とスピン輸送長とは、ほぼ一致する。一方で、スピン伝導層３０への印加電圧が大きくなると、ドリフト効果によりスピン輸送長はスピン拡散長より長くなる。

スピン伝導層３０は、最近接の２つの強磁性層１０の間を少なくとも繋ぐ。隣接する２つの強磁性層１０の距離は、好ましくはスピン伝導層３０を構成する材料のスピン輸送長以下であり、より好ましくはスピン拡散長以下である。

スピン伝導層３０は、例えば、金属又は半導体である。スピン伝導層２に用いられる金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である。スピン伝導層３０に用いられる半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの元素の単体又は合金である。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ化合物、ＧａＡｓ、グラフェン等が挙げられる。

（リザボア素子の製造方法）
次いで、ニューロモルフィック素子２００におけるリザボア素子１００の製造方法の一例について説明する。リザボア素子１００は、スパッタリング等の成膜方法とフォトリソグラフィ等の加工方法を組み合わせて作製できる。

まず基板（図示略）を準備する。基板は、例えば、半導体基板である。基板Ｓｂは、例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣが好ましい。Ｓｉ、ＡｌＴｉＣは、平坦性に優れた表面を得やすい。

次いで、基板の一面にスピン伝導層３０及び強磁性層１０を積層する。スピン伝導層３０及び強磁性層１０は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて積層する。

次いで、強磁性層１０の表面の所定の位置にハードマスクを形成する。そしてハードマスクで被覆されていない部分を、ＲＩＥ又はイオンミリングで除去する。加工方向を変えることで、スピン伝導層３０と強磁性層１０とが所定の形状に加工される。次いで、スピン伝導層３０及び強磁性層１０の周囲を層間絶縁膜で被覆する。

次いで、強磁性層１０及び層間絶縁膜の表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化する。平坦化した強磁性層１０、層間絶縁膜の上に、スピン軌道トルク配線２０を積層する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて積層する。スピン軌道トルク配線２０をフォトリソグラフィ等で所定の形状に加工し、リザボア素子１００が得られる。

（リザボア素子の動作）
次いで、リザボア素子１００の機能について説明する。入力部１１０を構成するセンサーは、スピン軌道トルク配線２０のいずれかと接続されている。センサーが外部の信号を受けると、対応するスピン軌道トルク配線２０に電流Ｉが流れる。

図３は、リザボア素子１００の動作を説明するための図である。スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉが流れると、スピンホール効果により第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２がｚ方向に移動する。例えば、第１スピンＳ１は−ｚ方向に移動し、第２スピンＳ２は＋ｚ方向に移動する。強磁性層１０とスピン伝導層３０との界面に蓄積された第１スピンＳ１は、強磁性層１０に注入され、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２にスピン軌道トルクを加える。

第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが移動する方向（＋ｚ方向又は−z方向）は、スピン軌道トルク配線２０に流れる電流Ｉの向きによって変化する。スピン軌道トルク配線２０に高周波電流を印加すると、強磁性層１０に注入されるスピンの向きが変化し、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２は振動する。また、スピン軌道トルク配線２０に流す電流を調整することにより、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２は振動させることができる。

スピン流は、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２からスピン伝導層３０に至る。磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２は振動しているため、スピン流も磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２に対応した振動を示す。第１強磁性層１１又は第２強磁性層１２とスピン伝導層３０との界面に蓄積されたスピンは、スピン流としてスピン伝導層３０内を伝播する。

第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１が生み出すスピン流と、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２が生み出すスピン流とは、スピン伝導層３０内の合流領域３１で干渉する。合流領域３１は、スピン伝導層３０内の第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間にある。スピン流の干渉は、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の振動に影響を及ぼし、第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１の振動と第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２の振動とが共振する。磁化Ｍ_１１の振動の周波数と磁化Ｍ_１２の振動の周波数とは、共振により一致する。磁化Ｍ_１１の振動の位相と磁化Ｍ_１２の振動の位相とは、同期する又は半波長（π）ずれる。

スピン軌道トルク配線２０への電流Ｉの印加が止まると、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の振動は止まる。図４及び図５は、共振後の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の関係を示す。図４は、磁化Ｍ_１１の振動の位相と磁化Ｍ_１２の振動の位相とが同期した場合の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の関係である。２つの振動の位相が同期すると、磁化Ｍ_１１の向きと磁化Ｍ_１２の向きとが揃う（以下、「平行」という）。これに対し、図５は、磁化Ｍ_１１の振動の位相と磁化Ｍ_１２の振動の位相とが半波長（π）ずれた場合の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の関係である。２つの振動の位相が半波長（π）ずれると、磁化Ｍ_１１の向きと磁化Ｍ_１２の向きとは逆向きになる（以下、「反平行」という）。

次いで、リザボア素子１００から出力部１２０に信号を出力する。信号は、リザボア素子１００の抵抗値として出力される。リザボア素子１００の抵抗値は、第１スピン軌道トルク配線２１、第１強磁性層１１、スピン伝導層３０、第２強磁性層１２、第２スピン軌道トルク配線２２の順で直流電流を流した際の抵抗値である。磁化Ｍ_１１と磁化Ｍ_１２とが平行な場合は、磁化Ｍ_１１と磁化Ｍ_１２とが反平行な場合より、リザボア素子１００の抵抗値は小さくなる。リザボア素子１００は、例えば、リザボア素子１００の抵抗値が大きい場合（磁化Ｍ_１１と磁化Ｍ_１２とが反平行な場合）に“１”、小さい場合（磁化Ｍ_１１と磁化Ｍ_１２とが平行な場合）に“０”の情報を出力部１２０に伝える。

スピン軌道トルク配線２０に入力される電流Ｉは、様々な情報を有する。例えば、電流Ｉの周波数、電流密度、電流量等である。一方で、リザボア素子１００は、抵抗値として、“１”、 “０”の情報を出力する。すなわち、第１実施形態にかかるリザボア素子１００は、複数の強磁性層１０の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の振動が、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮する。

圧縮された信号は、出力部１２０に伝わる。出力部１２０は、学習によりリザボア素子１００から読み出される信号に重み付けをする。

上述のように、第１実施形態にかかるリザボア素子１００は、複数の強磁性層１０の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の振動が、スピン流に変換されて、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮する。リザボア素子１００で信号が圧縮されると、出力部１２０のみが学習すればよくなり、ニューロモルフィック素子２００の消費電力が低減する。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１の斜視図である。リザボア素子１０１は、ゲート電極４０を有する点が、図２に示すリザボア素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間に位置する。

ゲート電極４０は、公知の電極材料を含む。スピン伝導層３０が金属又は合金からなる場合は、ゲート電極４０とスピン伝導層３０との間に、絶縁層を有することが好ましい。

ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に電圧を印加する。ゲート電極４０に電圧を印加すると、スピン伝導層３０内におけるスピンの伝導しやすさが変化する。そのため、第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１が生み出すスピン流と、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２が生み出すスピン流との干渉条件（例えばスピン流が干渉する位置（合流領域３１の位置）等）が変化する。スピン流同士の干渉条件が変化すると、磁化Ｍ_１１の振動の位相と磁化Ｍ_１２の振動の位相とが、同期する確率と半波長（π）ずれる確率とが変動する。すなわち、ゲート電極４０は、リザボア素子１００内での情報の圧縮条件を変えることができる。

上述のように、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１は、複数の強磁性層１０の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またゲート電極４０により情報の圧縮条件を変動させることができる。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態にかかるリザボア素子１０２の斜視図である。リザボア素子１０２は、強磁性層１０及びスピン軌道トルク配線２０の数が、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

リザボア素子１０２は、複数の強磁性層１０と、複数のスピン軌道トルク配線２０と、スピン伝導層３０と、複数のゲート電極４０と、を有する。

複数の強磁性層１０は、例えば、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２と第３強磁性層１３を含む。第１強磁性層１１、第２強磁性層１２及び第３強磁性層１３は、ｘ方向に１次元に配列する。

複数のスピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１スピン軌道トルク配線２１と第２スピン軌道トルク配線２２と第３スピン軌道トルク配線２３とを含む。複数のスピン軌道トルク配線２０はそれぞれ、複数の強磁性層１０のそれぞれに設けられている。すなわち、第１スピン軌道トルク配線２１は第１強磁性層１１に接続され、第２スピン軌道トルク配線２２は第２強磁性層１２に接続され、第３スピン軌道トルク配線２３は第３強磁性層１３に接続される。

スピン伝導層３０は、ｘ方向に延びる。スピン伝導層３０は、複数の強磁性層１０に面する。スピン伝導層３０は、第１強磁性層１１、第２強磁性層１２及び第３強磁性層１３の間を繋ぐ。

ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２の間、及び、第２強磁性層１２と第３強磁性層１３との間に、位置する。

第１強磁性層１１の磁化の振動と第２強磁性層１２の磁化の振動とは、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。第２強磁性層１２の磁化の振動と第３強磁性層１３の磁化の振動とは、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。また第１強磁性層１１と第３強磁性層１３との距離が近い場合は、第１強磁性層１１の磁化の振動と第３強磁性層１３の磁化の振動とは、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。

例えば、第１強磁性層１１の磁化の振動の位相と、第２強磁性層１２の磁化の振動の位相とが同期し、第２強磁性層１２の磁化の振動の位相と、第３強磁性層１３の磁化の振動の位相とが半波長（π）ずれたとする。それぞれのスピン軌道トルク配線２０への電流Ｉの印加が止まると、第１強磁性層１１の磁化と第２強磁性層１２の磁化とは平行となり、第２強磁性層の磁化と第３強磁性層１３の磁化とは反平行となる。また第１強磁性層の磁化と第３強磁性層１３の磁化とは反平行となる。

第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間に直流電流を印加すると、“０”の信号が出力される。また第２強磁性層１２と第３強磁性層１３との間、または、第１強磁性層１１と第３強磁性層１３との間に、直流電流を印加すると、“１”の信号が出力される。

上述のように、第３実施形態にかかるリザボア素子１０２は、複数の強磁性層１０の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。また強磁性層１０の数が多くなることで、それぞれの強磁性層１０からの信号の干渉が複雑化する。したがって、第３実施形態にかかるリザボア素子１０２は、より複雑な情報の処理が可能になる。

なお、図７に示すリザボア素子１０２は、強磁性層１０が３つの例を図示したが、強磁性層１０がｘ方向に４以上配列していてもよい。

［第４実施形態］
図８は、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３の斜視図である。リザボア素子１０３は、強磁性層１０の数及び配置、スピン軌道トルク配線２０の数、スピン伝導層３０の形状、及び、ゲート電極４０の数が、第２実施形態にかかるリザボア素子１０１と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

リザボア素子１０３は、複数の強磁性層１０と、複数のスピン軌道トルク配線２０と、スピン伝導層３０と、複数のゲート電極４０と、を有する。

複数の強磁性層１０は、ｚ方向と直交するｘｙ平面において、２次元に配列している。本明細書において「２次元に配列する」とは、複数の強磁性層１０が同一面上に存在し、任意の２つの強磁性層を結ぶ直線と交差する線上に、別の強磁性層が存在することを意味する。例えば、複数の強磁性層１０が、ｚ方向からの平面視で、正方格子状に配列する場合、または、六方格子状に配列する場合は、複数の強磁性層１０が「２次元に配列する」と言える。

複数のスピン軌道トルク配線２０はそれぞれ、複数の強磁性層１０のそれぞれに設けられている。

スピン伝導層３０は、ｘ方向に延びる部分とｙ方向に延びる部分とを有し、格子をなしている。複数の強磁性層１０は、例えば、スピン伝導層３０の格子の交点の位置に配設される。スピン伝導層３０は、複数の強磁性層１０のうち最近接の２つの強磁性層１０の間を少なくとも繋ぐ。

ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、ｚ方向からの平面視で、隣接する強磁性層１０の間に、位置する。

隣接する強磁性層１０の磁化の振動は、スピン流に変換されて、スピン伝導層３０内で干渉する。

上述のように、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３は、複数の強磁性層１０の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。また強磁性層１０の数が多くなることで、それぞれの強磁性層１０からの信号の干渉が複雑化する。したがって、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３は、より複雑な情報の処理が可能になる。

なお、図８に示すリザボア素子１０３は、強磁性層１０が２行３列で配置している例を図示したが、配列はこの場合に限られない。

［第５実施形態］
図９は、第５実施形態にかかるリザボア素子１０４の斜視図である。リザボア素子１０４は、スピン伝導層３０の形状、及び、ゲート電極４０の形が、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

スピン伝導層３０は、ｘｙ方向に延びる平面である。スピン伝導層３０は、複数の強磁性層１０のそれぞれを繋ぐ。

ゲート電極４０は、スピン伝導層３０に面する。ゲート電極４０は、それぞれの強磁性層１０の周囲を囲む円環状である。

上述のように、第５実施形態にかかるリザボア素子１０４は、複数の強磁性層１０の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またスピン伝導層３０が平面であることで、隣接する強磁性層１０以外の強磁性層１０同士の干渉が容易になる。

なお、図９に示すリザボア素子１０４は、強磁性層１０が２行３列で配置している例を図示したが、配列はこの場合に限られない。

［第６実施形態］
図１０は、第６実施形態にかかるリザボア素子１０５の斜視図である。リザボア素子１０５は、スピン軌道トルク配線２０が複数の強磁性層１０に接続されている点が、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

スピン軌道トルク配線２０は、複数の強磁性層１０のうち２つ以上の強磁性層１０に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性層１０にスピンを注入し、強磁性層１０の磁化にスピン軌道トルクを加える。同じスピン軌道トルク配線２０に接続された強磁性層１０には、同じスピン軌道トルクが加えられる。したがって、同じスピン軌道トルク配線２０に接続された強磁性層１０同士は共振しやすい。

上述のように、第６実施形態にかかるリザボア素子１０５は、複数の強磁性層１０の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またスピン軌道トルク配線２０が複数の強磁性層１０に接続されていることで、同じスピン軌道トルク配線２０に接続された強磁性層１０同士が干渉しやすくなる。

［第７実施形態］
図１１は、第７実施形態にかかるリザボア素子１０６の斜視図である。リザボア素子１０６は、スピン軌道トルク配線２０が複数の強磁性層１０に接続されている点が、第４実施形態にかかるリザボア素子１０３と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延びる部分とｙ方向に延びる部分とを有し、格子をなしている。スピン軌道トルク配線２０内を流れる電流の方向と強磁性層１０の積層方向（ｚ方向）とが交差すると、強磁性層１０にスピンが注入される。スピン軌道トルク配線２０が格子をなすことで、スピン軌道トルク配線２０内を流れる電流の方向と、強磁性層の積層方向とが交差する。

スピン軌道トルク配線２０は、複数の強磁性層１０の全てに接続されている。全ての強磁性層１０は、同じスピン軌道トルクが加えられる。したがって、それぞれの強磁性層１０の振動の周波数が一致し、それぞれの強磁性層１０が共振しやすくなる。

上述のように、第７実施形態にかかるリザボア素子１０６は、複数の強磁性層１０の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またスピン軌道トルク配線２０が複数の強磁性層１０に接続されていることで、同じスピン軌道トルク配線２０に接続された強磁性層１０同士が干渉しやすくなる。

［第８実施形態］
図１２は、第８実施形態にかかるリザボア素子１０７の斜視図である。リザボア素子１０７は、スピン軌道トルク配線２０、強磁性層１０、スピン伝導層３０及びゲート電極が３次元的に配列している点が、第７実施形態にかかるリザボア素子１０６と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については、説明を省く。

リザボア素子１０７は、複数の強磁性層１０と、複数のスピン軌道トルク配線２０と、複数のスピン伝導層３０と、複数のゲート電極４０と、複数のビア配線５１と、複数のスピンビア配線５２とを有する。

複数の強磁性層１０は、第１の高さ位置にある複数の強磁性層１５と、第２の高さ位置にある複数の強磁性層１６と、を有する。高さ位置は、ｚ方向の位置を示す。複数の強磁性層１５は、同一の高さのｘｙ平面上にある。複数の強磁性層１６は、同一の高さのｘｙ平面上にある。

複数のスピン伝導層３０は、第１スピン伝導層３５と第２スピン伝導層３６とを有する。第１スピン伝導層３５は、第１の高さ位置にある複数の強磁性層１５に面する。第２スピン伝導層３６は、第２の高さ位置にある複数の強磁性層１６に面する。第１スピン伝導層３５と第２スピン伝導層３６とは異なる高さ位置にある。

複数のスピン軌道トルク配線２０は、第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とを有する。第１スピン軌道トルク配線２５は、第１の高さ位置にある複数の強磁性層１５に面する。第２スピン軌道トルク配線２６は、第２の高さ位置にある複数の強磁性層１６に面する。第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とは異なる高さ位置にある。

複数のゲート電極４０は、第１ゲート電極４５と第２ゲート電極４６とを有する。第１ゲート電極４５は、第１スピン伝導層３５に面する。第２ゲート電極４６は、第２スピン伝導層３６に面する。第１ゲート電極４５は、例えば第１スピン伝導層３５の＋ｚ面に面し、第２ゲート電極４６は、例えば第２スピン伝導層３６の−ｚ面に面する。

複数のビア配線５１は、第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とを接続する。複数のビア配線５１により、第１スピン軌道トルク配線２５と第２スピン軌道トルク配線２６とに同じ電流が流れる。ビア配線５１は、スピン軌道トルク配線と同様の材料が用いられる。

複数のスピンビア配線５２は、第１スピン伝導層３５と第２スピン伝導層３６とを接続する。スピンビア配線５２は、スピンを伝導する。スピンビア配線５２は、スピン伝導層と同様の材料が用いられる。スピンビア配線５２により異なる高さ位置にある強磁性層１５、１６が互いに干渉する。

上述のように、第８実施形態にかかるリザボア素子１０７は、複数の強磁性層１０の振動がスピン流に変換され、スピン流がスピン伝導層３０内で干渉することで、情報を圧縮できる。またリザボア素子１０７が３次元構造をなすことで、より強磁性層１０の集積性を高めることができる。

なお、図１２に示すリザボア素子１０７は、強磁性層１０が異なる高さ位置に２層となっている例を図示したが、強磁性層１０は２以上の異なる高さ位置に位置してもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例について詳述したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１５、１６ 強磁性層
１１ 第１強磁性層
１２ 第２強磁性層
１３ 第３強磁性層
２０ スピン軌道トルク配線
２１、２５ 第１スピン軌道トルク配線
２２、２６ 第２スピン軌道トルク配線
２３ 第３スピン軌道トルク配線
３０ スピン伝導層
３５ 第１スピン伝導層
３６ 第２スピン伝導層
３１ 合流領域
４０ ゲート電極
４５ 第１ゲート電極
４６ 第２ゲート電極
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７ リザボア素子
１１０ 入力部
１２０ 出力部
２００ ニューロモルフィック素子
Ａ 集合体
Ｃｐ チップ
Ｍ_１１、Ｍ_１２ 磁化

Claims (11)

1. 第１方向に積層され、互いに離間した複数の強磁性層と、
   前記複数の強磁性層のうち少なくとも一つの強磁性層に面するスピン軌道トルク配線と、
   前記複数の強磁性層に面し、前記複数の強磁性層のうち最近接の２つの強磁性層の間を少なくとも繋ぎ、スピンを伝導するスピン伝導層と、を備え、
   前記スピン伝導層を介して繋がれる前記最近接の２つの強磁性層の間の距離は、前記スピン伝導層を構成する材料のスピン輸送長以下である、リザボア素子。
2. 前記スピン伝導層に面し、前記複数の強磁性層の間に位置するゲート電極をさらに備える、請求項１に記載のリザボア素子。
3. 前記スピン軌道トルク配線を複数有し、
   それぞれのスピン軌道トルク配線は、前記強磁性層のそれぞれに接続されている、請求項１又は２に記載のリザボア素子。
4. 前記スピン軌道トルク配線は、前記複数の強磁性層のうち２つ以上の強磁性層に接続されている、請求項１又は２に記載のリザボア素子。
5. 前記複数の強磁性層は、前記第１方向と交差する第１面において、１次元配列している、請求項１から４のいずれか一項に記載のリザボア素子。
6. 前記複数の強磁性層は、前記第１方向と交差する第１面において、２次元配列している、請求項１から４のいずれか一項に記載のリザボア素子。
7. 前記スピン伝導層は格子をなし、
   それぞれの強磁性層は、前記スピン伝導層の格子の交点の位置に面している、請求項６に記載のリザボア素子。
8. 前記スピン伝導層を複数有し、
   第１スピン伝導層は、前記第１方向の第１の高さ位置にある強磁性層に面し、
   第２スピン伝導層は、前記第１方向の第２の高さ位置にある強磁性層に面し、
   前記第１スピン伝導層と前記第２スピン伝導層とは、スピンを伝導するスピンビア配線で互いに接続されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のリザボア素子。
9. 前記スピン伝導層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの金属又は合金を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のリザボア素子。
10. 前記スピン伝導層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの単体又は化合物を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のリザボア素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のリザボア素子と、
    前記リザボア素子に接続された入力部と、
    前記リザボア素子に接続され、前記リザボア素子からの信号を学習する出力部と、を備える、ニューロモルフィック素子。

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