存储单元、嵌入式存储器及其读写方法技术

本发明专利技术提供一种存储单元、嵌入式存储器及其读写方法，包括：并联设置的第一器件及第二器件，第二器件的下表面设置有第一超导电极，第一器件的上表面设置有第二超导电极，第一器件与第二器件在垂直平面内的正投影不交叠。多个存储单元形成阵列，各行或各列存储单元通过第一超导位线串联连接；各存储单元分别对应一位于存储单元上方或下方的超导字线，超导字线与第一超导位线垂直设置。本发明专利技术的嵌入式存储器可完全嵌入在超导集成电路中，以实现低温、高速、低功耗存储，适用于超导计算机的缓存和主存，可在低电压下工作，无需SFQ‑CMOS接口，并对SFQ放大器要求较低。

【技术实现步骤摘要】
存储单元、嵌入式存储器及其读写方法
本专利技术涉及集成电路存储器领域，特别是涉及一种存储单元、嵌入式存储器及其读写方法。
技术介绍
磁性随机存取存储器(MagneticRandomAccessMemory,MRAM)是一种新型存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。它的经济性相当地好，单位容量的集成电路面积比SRAM缩小一半以上，比NORFlash也有巨大的面积优势。读写速度性能优良，最佳读写延时接近SRAM和超过DRAM。由于具有非挥发性，无待机功耗，使得运行总功耗和SRAM、DRAM存储器相比具有优势。有别于传统存储器利用电荷存储0、1信息，MRAM采用磁矩方向存储0、1信息，因而无需上电即可保存数据(非挥发性)。因此MRAM是一种兼具速度、非挥发性、长寿命、抗辐射、低功耗、高密度诸多优点的存储器技术。世界主流晶圆厂，如台积电、三星、格罗方德、联电等均计划在近期量产MRAM，在包括消费电子、人工智能、企业级存储、汽车电子、物联网、工业自动化、航天航空等市场前景巨大。超导技术是研究物质在超导状态下的性质、功能以及超导材料、超导器件的研制、开发和应用的技术。某些物质在温度降低到一定值时电阻会完全消失，这种现象称为超导电性。具有超导电性的物质称为超导材料或超导体。超导材料包括金属低温超导材料、陶瓷高温超导材料和有机超导材料等。超导技术的开发和应用对国民经济、军事技术、科学实验与医疗卫生等具有重大价值。常规CMOS存储器需要V级(伏级)的读写电压和操作电压，而超导逻辑电路通常仅能提供1-10mV量级的电压，高速低温放大器对于超导集成电路是一个很大的挑战。因此，如何将磁性随机存取存储器嵌入到超导逻辑制程中，减小对高速低温放大器的需求，实现低温、高速、低功耗存储已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种存储单元、嵌入式存储器及其读写方法，用于解决现有技术中没有可完全嵌入超导集成电路中的存储器的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种存储单元，用于超导集成电路，所述存储单元至少包括：并联设置的磁性存储器件及约瑟夫森结；所述磁性存储器件包括从下往上依次叠置的第一铁磁材料层、非铁磁材料层、第二铁磁材料层及第一超导电极层，所述约瑟夫森结包括从下往上依次叠置的第二超导电极层、第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层；或，所述磁性存储器件包括从上往下依次叠置的第一铁磁材料层、非铁磁材料层、第二铁磁材料层及第一超导电极层，所述约瑟夫森结包括从上往下依次叠置的第二超导电极层、第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层；其中，所述第一铁磁材料层、所述非铁磁材料层及所述第二铁磁材料层的叠层结构与所述第一超导材料层、所述绝缘层及所述第二超导材料层的叠层结构在垂直平面内的正投影不交叠。可选地，所述存储单元还包括设置于所述第一铁磁材料层远离所述非铁磁材料层的表面的第三超导电极层。更可选地，所述存储单元还包括设置于所述第二超导材料层远离所述绝缘层的表面的第四超导电极层。可选地，所述存储单元还包括设置于所述第二超导材料层远离所述绝缘层的表面的第四超导电极层。可选地，所述磁性存储器件为磁性隧道结器件或自选阀器件。可选地，所述非铁磁材料层的材质包括Cu、Au、Cr及Ag中至少一种。可选地，所述非铁磁材料层的材质包括非磁金属氧化物、氮化物、MgO、Al2O3，ZnO，MgZnO，MgAlO及MgAlZnO中至少一种。可选地，所述第一超导材料层的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，所述第二超导材料层的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种。可选地，所述绝缘层的材质包括MgO、Si3N4、Al2O3及SiO2中的至少一种。更可选地，所述约瑟夫森结在非超导状态下的电阻阻值为所述磁性存储器件的电阻阻值的十倍以上。更可选地，各超导电极的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种嵌入式存储器，所述嵌入式存储器至少包括：上述存储单元、第一超导位线及超导字线；多个所述存储单元排列形成阵列，各行或各列存储单元通过所述第一超导位线串联连接；各超导字线分别位于对应存储单元的上方或下方，所述超导字线与所述第一超导位线垂直设置。可选地，所述嵌入式存储器还包括第二超导位线，各第二超导位线分别位于对应存储单元的上方或下方，所述第二超导位线与所述第一超导位线平行设置。更可选地，所述第一超导位线的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，所述第二超导位线的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，所述超导字线的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种上述嵌入式存储器的写操作方法，所述写操作方法至少包括：基于地址解码选择相对应的第二超导位线及超导字线通电，被通电的所述第二超导位线与所述超导字线交叉处磁场叠加，叠加后的磁场驱动所述磁性存储器件中记忆层磁矩的翻转，以将数据写入对应磁性存储器件中。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种上述嵌入式存储器的写操作方法，所述写操作方法至少包括：基于地址解码选择相对应的第一超导位线及超导字线通电，被通电的所述第一超导位线与所述超导字线交叉处存储单元中的约瑟夫森结处于非超导状态下，基于所述第一超导位线上的电流驱动所述磁性存储器件中记忆层磁矩的翻转，以将数据写入对应磁性存储器件中。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种上述嵌入式存储器的读操作方法，所述读操作方法至少包括：基于地址解码选择相对应的第一超导位线及超导字线通电，被通电的所述第一超导位线及所述超导字线交叉处存储单元中的约瑟夫森结处于非超导状态下，测量所述第一超导位线上的电阻，进而读出被选中的存储单元中的数据。如上所述，本专利技术的存储单元、嵌入式存储器及其读写方法，具有以下有益效果：本专利技术的嵌入式存储器将磁性存储单元集成在超导逻辑电路中，以实现低温、高速、低功耗存储，适用于超导计算机的缓存和主存；本专利技术的嵌入式存储器可完全嵌入在超导集成电路中，基于超导逻辑单元制造的外围读写和控制电路可在低电压下工作，无需SFQ-CMOS接口，并对SFQ放大器要求较低。附图说明图1显示为磁性随机存取存储器的基本存储比特单元的磁化方向垂直于材料界面，且记忆层磁化方向与参考层磁化方向相同的示意图。图2显示为磁性随机存取存储器的基本存储比特单元的磁化方向垂直于材料界面，且记忆层磁化方向与参考层磁化方向相反的示意图。图3显示为磁性随机存取存储器的基本存储比特单元的磁化方向平行于材料界面，且记忆层磁化方向与参考层磁化方向相同的示意图。图4显示为磁性随机存取存储器的基本存储比特单元的磁化方向平行于材料界面，且记忆层磁化方向与参考层磁化方向相反的示意图。图5显示为磁性随机存取存储器的一种结构示意图。图6显示为磁性随机存取存储器的另一种结构示意图。图7显示为本专利技术的嵌入式存储器的结构示意图。图8显示为本专利技术的存储单元的一种结构示意图。图9显示为本专利技术的存储单元的写操作中磁场与电阻的对应关系示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储单元，用于超导集成电路，其特征在于，所述存储单元至少包括：并联设置的磁性存储器件及约瑟夫森结；所述磁性存储器件包括从下往上依次叠置的第一铁磁材料层、非铁磁材料层、第二铁磁材料层及第一超导电极层，所述约瑟夫森结包括从下往上依次叠置的第二超导电极层、第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层；或，所述磁性存储器件包括从上往下依次叠置的第一铁磁材料层、非铁磁材料层、第二铁磁材料层及第一超导电极层，所述约瑟夫森结包括从上往下依次叠置的第二超导电极层、第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层；其中，所述第一铁磁材料层、所述非铁磁材料层及所述第二铁磁材料层的叠层结构与所述第一超导材料层、所述绝缘层及所述第二超导材料层的叠层结构在垂直平面内的正投影不交叠。

【技术特征摘要】
1.一种存储单元，用于超导集成电路，其特征在于，所述存储单元至少包括：并联设置的磁性存储器件及约瑟夫森结；所述磁性存储器件包括从下往上依次叠置的第一铁磁材料层、非铁磁材料层、第二铁磁材料层及第一超导电极层，所述约瑟夫森结包括从下往上依次叠置的第二超导电极层、第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层；或，所述磁性存储器件包括从上往下依次叠置的第一铁磁材料层、非铁磁材料层、第二铁磁材料层及第一超导电极层，所述约瑟夫森结包括从上往下依次叠置的第二超导电极层、第一超导材料层、绝缘层及第二超导材料层；其中，所述第一铁磁材料层、所述非铁磁材料层及所述第二铁磁材料层的叠层结构与所述第一超导材料层、所述绝缘层及所述第二超导材料层的叠层结构在垂直平面内的正投影不交叠。2.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述存储单元还包括设置于所述第一铁磁材料层远离所述非铁磁材料层的表面的第三超导电极层。3.根据权利要求2所述的存储单元，其特征在于：所述存储单元还包括设置于所述第二超导材料层远离所述绝缘层的表面的第四超导电极层。4.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述存储单元还包括设置于所述第二超导材料层远离所述绝缘层的表面的第四超导电极层。5.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述磁性存储器件为磁性隧道结器件或自选阀器件。6.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述非铁磁材料层的材质包括Cu、Au、Cr及Ag中至少一种。7.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述非铁磁材料层的材质包括非磁金属氧化物、氮化物、MgO、Al2O3，ZnO，MgZnO，MgAlO及MgAlZnO中至少一种。8.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述第一超导材料层的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，所述第二超导材料层的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种。9.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：所述绝缘层的材质包括MgO、Si3N4、Al2O3及SiO2中的至少一种。10.根据权利要求1～9任意一项所述的存储单元，其特征在于：所述约瑟夫森结在非超导状态下的电阻阻值为所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶力，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31