[发明专利]低温磁性超导混合存储单元及存储器

说明书

本发明提供一种低温磁性超导混合存储单元及存储器，存储单元包括：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；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；超导纳米线低温管为三端器件，包括沟道端、源端及漏端，于沟道端施加栅电流用于控制沟道端电阻的变化，以使超导纳米线低温管实现具有门控功能的逻辑开关。通过将电压调控磁各向异性磁隧道结及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。

技术领域

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

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。

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-to-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。

磁性随机存储器，以自旋转移力矩磁随机存储器(spin-transfer torquemagnetoresistive random access memory，STT-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(MagneticTunneling 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-MRAM写入数据时需要较大的写入电流，动态功耗较高。

发明内容

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。

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：

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；

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；

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。

可选地，所述参考层及所述自由层的材料为铁磁金属。

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。

可选地，所述势垒层的材料为氧化物或石墨烯。