低温磁性超导混合存储单元及存储器

1.本发明涉及集成电路存储器领域，特别是涉及一种低温磁性超导混合存储单元及存储器。


背景技术：

2.自从集成电路发明以来，高性能计算成为技术和科学进步的重要驱动力，而随着科技的发展，集成电路领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限，摩尔定律放缓，漏电流的增加和互联延迟成为传统cmos存储器的瓶颈。
3.超导计算机一直是比摩尔计算机更强大的候选者，具有功耗更低、速度更快等优点。超导逻辑已经得到了广泛的发展和实验证明，然而，超导存储器技术并不成熟，短期之内无法实现满足应用需求的超导存储器，大容量和超高速低温存储器技术成为制约超导计算机发展的关键瓶颈之一。基于单通量量子(sfq)技术的存储单元尺寸大，需要十几μm2的面积，限制了其存储器的发展与应用。为低温超导计算机提供高密度ram的方法是使用传统的基于cmos的存储器和sfq
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to
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cmos接口。但是，密度、延迟以及单独的sfq和cmos模具的布线需求限制了这种混合sfq/cmos技术的应用。
4.磁性随机存储器，以自旋转移力矩磁随机存储器(spin
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transfer torque magnetoresistive random access memory，stt
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mram)为代表，由于其独特的性能引起人们越来越多的关注，如非易失性、读写速度快、功耗低、单元结构简单、高阵列密度、与cmos工艺良好的兼容性以及可扩展性等。mram的基本存储位元是磁性隧道结(magnetic tunneling junction，mtj)，由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料所构成，其中一层铁磁层磁矩方向被固定，称为参考层；另一层磁矩方向可变，称为自由层，因此自由层的磁化方向可以和参考层的磁化方向平行或反平行，可以通过改变不同层的磁化方向来改变其电阻，这些基于自旋的器件可以作为存储元件。当自由层与参考层的磁矩方向一致时，mtj器件的电阻呈现低阻态，可表示逻辑状态“0”；当自由层与参考层的磁矩方向相反时，mtj器件的电阻呈现高阻态，可表示逻辑状态“1”。然而stt
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mram写入数据时需要较大的写入电流，动态功耗较高。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温磁性超导混合存储单元及存储器，用于解决现有技术中磁性随机存储器读写速度低、动态功耗高、集成密度低等的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低温磁性超导混合存储单元，所述存储单元包括：
7.串联设置或并联设置的电压调控磁各向异性磁隧道结及超导纳米线低温管；
8.所述电压调控磁各向异性磁隧道结包括依次叠置的参考层、势垒层及自由层，其中，所述参考层的磁化方向固定不变，所述自由层的磁化方向会在与所述参考层磁化方向
平行的p态及与所述参考层磁化方向反平行的ap态之间翻转；
9.所述超导纳米线低温管为三端器件，包括沟道端、源端及漏端，于所述沟道端施加栅电流用于控制所述沟道端电阻的变化，以使所述超导纳米线低温管实现具有门控功能的逻辑开关。
10.可选地，所述参考层及所述自由层的材料为铁磁金属。
11.进一步地，所述铁磁金属包括由钴铁材料、钴铁硼材料及镍铁材料构成的群组中的至少一种。
12.可选地，所述势垒层的材料为氧化物或石墨烯。
13.进一步地，所述氧化物为氧化镁或氧化铝。
14.可选地，所述超导纳米线低温管的材料为nbn或nbtin。
15.可选地，所述超导纳米线低温管包括ntron、h
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tron、m
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ntron或y
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ntron。
16.可选地，所述电压调控磁各向异性磁隧道结为圆柱状、立方体状或圆台状。
17.本发明还提供一种低温磁性超导混合存储器，所述存储器包括：
18.多个如上所述的存储单元、字线、位线及源线；
19.多个所述存储单元排列形成存储阵列，各行所述存储单元分别与所述位线及所述源线连接，各列所述存储单元与所述字线连接。
20.可选地，所述存储单元中所述电压调控磁各向异性磁隧道结与所述超导纳米线低温管的漏端串联设置；各行所述存储单元中的所述电压调控磁各向异性磁隧道结与所述位线连接，所述超导纳米线低温管的源端与所述源线连接；各列所述存储单元中的所述超导纳米线低温管的沟道端与所述字线连接。
21.可选地，所述存储单元中所述电压调控磁各向异性磁隧道结与所述超导纳米线低温管并联设置；各行所述存储单元中的所述电压调控磁各向异性磁隧道结的一端及所述超导纳米线低温管的漏端与所述位线连接，所述电压调控磁各向异性磁隧道结的另一端及所述超导纳米线低温管的源端与所述源线连接；各列所述存储单元中的所述超导纳米线低温管的沟道端与所述字线连接。
22.如上所述，本发明的低温磁性超导混合存储单元及存储器，通过将所述电压调控磁各向异性磁隧道结及所述超导纳米线低温管结合形成存储单元，充分结合了两者的优势，同时考虑两者工艺上的兼容性，可显著提高现有存储单元的读写速度(具有亚纳秒写入速度)、有效降低功耗、增加单元集成密度，尤其适用于大规模低温存储器领域。
附图说明
23.图1显示为本发明的低温磁性超导混合存储单元中电压调控磁各向异性磁隧道结的结构示意图。
24.图2显示为本发明的低温磁性超导混合存储单元中不通电压v
b
对电压调控磁各向异性磁隧道结磁化状态能量势垒的影响示意图。
25.图3显示为本发明的低温磁性超导混合存储单元中超导纳米线低温管的结构示意图，其中超导纳米线低温管的沟道端没有电流注入。
26.图4显示为图3中的超导纳米线低温管的沟道端注入电流igate后形成热岛的结构示意图。
27.图5显示为本发明实施例一的低温磁性超导混合存储器中存储单元的结构示意图。
28.图6显示为本发明实施例一的低温磁性超导混合存储器中存储阵列的结构示意图。
29.图7显示为本发明实施例二的低温磁性超导混合存储器中存储单元的结构示意图。
30.图8显示为本发明实施例二的低温磁性超导混合存储器中存储阵列的结构示意图。
31.元件标号说明
32.10
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存储单元
33.11
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电压调控磁各向异性磁隧道结
34.111
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参考层
35.112
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势垒层
36.113
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自由层
37.12
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超导纳米线低温管
38.121
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源端
39.122
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漏端
40.123
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沟道端
41.13
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字线
42.14
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位线
43.15
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源线
具体实施方式
44.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
45.请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
46.如图1至图4所示，本发明提供一种低温磁性超导混合存储单元，所述存储单元包括：
47.串联设置或并联设置的电压调控磁各向异性磁隧道结11(voltage controlled magnetic anisotropy magnetic tunnel junction，简称vcma
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mtj)及超导纳米线低温管12(nanocryotron)；
48.如图1及图2所示，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11包括依次叠置的参考层111、势垒层112及自由层113，其中，所述参考层111的磁化方向固定不变，所述自由层113的磁化方向会在与所述参考层111磁化方向平行的p态及与所述参考层111磁化方向反平行的
ap态之间翻转；
49.如图3及图4所示，所述超导纳米线低温管12为三端器件，包括沟道端123、源端121及漏端123，于所述沟道端123施加栅电流igate用于控制所述沟道端123电阻的变化，以使所述超导纳米线低温管12实现具有门控功能的逻辑开关。
50.如图2所示，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11具有两个稳定磁化状态，p态和ap态，其中p态时，自由层113的磁化方向与参考层111的磁化方向平行，器件呈低阻特性；ap态时，自由层113的磁化方向与参考层111的磁化方向反平行，器件呈高阻特性。以此特性实现信息的存储，例如可设定p态时表示逻辑状态“0”，ap态时表示逻辑状态“1”。从图2中可看出，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11在两个稳定磁化状态(p态和ap态)切换时需要克服一定的能量势垒，该能量势垒大小受外加电压vb的影响，当vb增大时，p态与ap态之间的能量势垒会随之降低，这有利于所述电压调控磁各向异性磁隧道结11的状态切换，从能量势垒角度来看，当能量势垒完全消除时，对应的外加电压称为临界电压vc，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11切换状态不仅与外加电压vb的大小有关，还与外加电压vb的加载时间即外加电压脉冲宽度密切相关。通过在所述电压调控磁各向异性磁隧道结11两端施加的电场/电压(vb)导致电子电荷的累积，引起界面原子轨道和态密度的变化，从而导致界面磁各项异性的变化，显著降低磁化反转所需的电流密度，从而有效减小由电流引起的欧姆接触，因此具有写入速度快、写入功耗低且可使器件尺寸降低的显著优点。
51.如图3及图4所示，所述超导纳米线低温管12是一种超导纳米线三端器件，用一个输入gate电流igate控制沟道端123电阻的变化，超导纳米线低温管12的gate端接收电流信号至沟道端123，源端121接地，漏端122连接偏置电流ibias，注入gate端的电流脉冲igate用一个小范围热岛的形成来调控与之垂直的超导线的电路，触发纳米线通道从超导状态变为正常的电阻态，使其可以驱动大阻抗负载，同时具有较强的扇出能力。实现具有门控功能的逻辑开关，以作为超导开关使用，具有尺寸小、速度快、功耗低及输出阻抗高的优点，在极低温条件(4.2k)下，可以为本发明的低温磁性超导混合存储单元提供快速的选择开关。
52.本发明的低温磁性超导混合存储单元通过将所述电压调控磁各向异性磁隧道结11及所述超导纳米线低温管12结合形成存储单元，充分结合了两者的优势，同时考虑两者工艺上的兼容性，可显著提高现有存储单元的读写速度(具有亚纳秒写入速度)、有效降低功耗、增加单元集成密度，尤其适用于大规模低温存储器领域。
53.作为示例，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11及所述超导纳米线低温管12可兼容制备，具体步骤一般包括：提供半导体硅衬底，在半导体硅衬底表面形成二氧化硅层；然后采用常规的沉积工艺(例如化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺、离子束外延、原子层沉积、磁控溅射等)将磁隧道结的各层从下向上依次形成在底电极上；接着通过光刻、刻蚀等工艺形成所述电压调控磁各向异性磁隧道结11；接着在半导体硅衬底的固定区域制备超导薄膜，包括但不限于分子束外延法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法和磁控溅射法等制备该超导薄膜；接着利用光刻和反应离子刻蚀方法进行刻蚀，形成所述超导纳米线低温管12，引出顶层电极；最后将所述电压调控磁各向异性磁隧道结11及所述超导纳米线低温管12进行串联或并联的金属互连，最终形成所述存储单元。
54.作为示例，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11可选用圆柱状(如图1所示)、立方体状或横截面为椭圆形的圆台状等常见形状，以降低成本并有利于尺寸持续小型化，同时
适用于双界面结构和多界面结构等多种存储器结构。但也不限于此，在其他示例中，也可选用其他形状，具体根据实际需要进行选择，在此不作限制。
55.如图1所示，作为示例，所述参考层111及所述自由层113的材料可为铁磁金属，例如，该铁磁金属可为钴铁cofe、钴铁硼cofeb或镍铁nife等材料中的至少一种形成的单一或混合金属材料，其中混合的金属材料的比例可以相同也可以不同。所述势垒层112的材料可为氧化物或石墨烯等，所述氧化物可为氧化镁mgo或氧化铝al2o3等氧化物中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。在实际应用中，上述铁磁金属和氧化物还可以采用其他适合的材料，在此不作限制。
56.如图3所示，作为示例，所述超导纳米线低温管12的材料可选择为nbn材料或nbtin材料。
57.如图3所示，作为示例，所述超导纳米线低温管12可以采用ntron，及现有常见的各种变体，例如h
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tron、m
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ntron及y
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ntron等等。
58.如图5至图8所示，本发明还提供一种低温磁性超导混合存储器，所述存储器包括：
59.多个如上所述的存储单元10、字线13、位线14及源线15；
60.多个所述存储单元10排列形成存储阵列，各行所述存储单元10分别与所述位线14及所述源线15连接，各列所述存储单元10与所述字线13连接。
61.下面结合具体的实施例对本发明的低温磁性超导混合存储器进行详细说明。
62.实施例一
63.如图5及图6所示，本实施例提供一种低温磁性超导混合存储器，该存储器包括多个存储单元10、字线13、位线14及源线15。
64.多个所述存储单元10排列形成存储阵列，所述存储单元10中所述电压调控磁各向异性磁隧道结11与所述超导纳米线低温管12的漏端122串联设置；各行所述存储单元10中的所述电压调控磁各向异性磁隧道结11与所述位线14连接，所述超导纳米线低温管12的源端121与所述源线15连接；各列所述存储单元10中的所述超导纳米线低温管12的沟道端123与所述字线13连接。
65.当所述位线14及所述源线15上电后，低温条件下，所述超导纳米线低温管12处于超导态，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11在电压脉冲vb作用下通过控制翻转电压与脉冲时间进行0、1状态翻转，实现数据存储；当所述字线13上电后，由于热岛效应，所述超导纳米线低温管12的沟道端变成常温高阻态，通道被断开，所述超导纳米线低温管12不被选中。
66.实施例二
67.如图7及图8所示，本实施例提供一种低温磁性超导混合存储器，该存储器包括多个存储单元10、字线13、位线14及源线15。
68.多个所述存储单元10排列形成存储阵列，所述存储单元10中所述电压调控磁各向异性磁隧道结11与所述超导纳米线低温管12并联设置；各行所述存储单元10中的所述电压调控磁各向异性磁隧道结11的一端及所述超导纳米线低温管12的漏端122与所述位线14连接，所述电压调控磁各向异性磁隧道结11的另一端及所述超导纳米线低温管12的源端121与所述源线15连接；各列所述存储单元10中的所述超导纳米线低温管12的沟道端123与所述字线13连接。
69.当所述位线14及所述源线15上电后，上电电压vb＜vc(vc是电压调控磁各向异性
磁隧道结的临界电压)，电压调控磁各向异性磁隧道结11在该电压脉冲作用下无法进行翻转，但可以降低两个稳定磁化状态切换的能量势垒，此时，超导纳米线低温管12处于超导态，电流沿着沟道端卸掉；当所述字线13上电后，由于热岛效应，所述超导纳米线低温管12的沟道端变成常温高阻态，通道被断开，电流通过电压调控磁各向异性磁隧道结11，基于stt效应，该电流克服降低的能量势垒使电压调控磁各向异性磁隧道结11进行0到1状态翻转，进行数据存储；选中存储单元后，可通过改变所述位线14及所述源线15上的电压极性，实现电压调控磁各向异性磁隧道结11进行1到0状态翻转。
70.综上所述，本发明提供一种低温磁性超导混合存储单元及存储器，通过将所述电压调控磁各向异性磁隧道结及所述超导纳米线低温管结合形成存储单元，充分结合了两者的优势，同时考虑两者工艺上的兼容性，可显著提高现有存储单元的读写速度(具有亚纳秒写入速度)、有效降低功耗、增加单元集成密度，尤其适用于大规模低温存储器领域。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
71.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。