CN109524035B - 存储单元、嵌入式存储器及其读写方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种存储单元、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。

Description

存储单元、嵌入式存储器及其读写方法
技术领域
本发明涉及集成电路存储器领域，特别是涉及一种存储单元、嵌入式存储器及其读写方法。
背景技术
磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory,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NOR Flash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。
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，本发明提供一种存储单元，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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明的存储单元、嵌入式存储器及其读写方法，具有以下有益效果：
本发明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；本发明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显示为本发明的嵌入式存储器的结构示意图。
图8显示为本发明的存储单元的一种结构示意图。
图9显示为本发明的存储单元的写操作中磁场与电阻的对应关系示意图。
图10显示为本发明的嵌入式存储器进行写操作的原理示意图。
图11显示为本发明的存储单元的写操作中电压与电阻的对应关系示意图。
图12显示为本发明的存储单元的另一种结构示意图。
图13显示为本发明的存储单元的又一种结构示意图。
元件标号说明
1 存储比特单元
11 参考层
12 绝缘材料层或非铁磁金属层
13 记忆层
2 场效应管
31 第一位线
32 源线
33 第二位线
4 嵌入式存储器
41 存储单元
411 磁性存储器件
411a 第一铁磁材料层
411b 非铁磁材料层
411c 第二铁磁材料层
411d 第一超导电极层
411e 第三超导电极层
412 约瑟夫森结
412a 第二超导电极层
412b 第一超导材料层
412c 绝缘层
412d 第二超导材料层
412e 第四超导电极层
42 第一超导位线
42a 超导下导线
42b 超导上导线
43 第二超导位线
44 超导字线
具体实施方式
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。
请参阅图1～图13。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，遂图式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。
磁性随机存取存储器的基本存储比特单元1是磁性隧道结(Magnetic TunnelJunction，MTJ)器件或自选阀(Spin Valve)器件，磁性隧道结器件由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成，自选阀器件由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁金属组成。如图1～图4所示，底层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层11，上层铁磁材料是可变磁化方向的记忆层13，中间层为绝缘材料层或非铁磁金属层12；其中，所述记忆层13的磁化方向可以和所述参考层11相平行或反平行；所述记忆层13和所述参考层11的磁化方向可以垂直于材料界面或平行于材料界面。
磁隧道结器件或自选阀器件是可变电阻器件，其电阻和可变磁化层的磁化方向有关，所述记忆层13和所述参考层11的磁化方向相同时电阻低，方向相反时电阻高。如图5及图6所示，读操作时电流从第一位线31注入流过存储单元后通过场效应管2流入源线32(或反过来从源线32流入第一位线31)，通过测量所述存储比特单元1的电阻大小来判断所存储的信号是0还是1。
磁性随机存取存储器的写操作有两种方法：磁场翻转和电流翻转。如图2所示，磁场翻转方法是在所述存储比特单元1附近设置一条或若干条第二位线33，当所述第二位线33中通过电流时产生奥斯特磁场，所产生磁场可控制所述记忆层13磁矩的翻转，从而实现对0、1的控制(写入)。如图3所示，电流翻转方法采用电流通过所述存储比特单元1，利用自旋转矩(spin transfer torque)效应实现对所述记忆层13磁矩的翻转，该翻转电流采用比读更强的电流进行写操作；一个自上而下的电流把所述记忆层13(可变磁化层)磁矩置成与所述参考层11(固定层)磁矩相同的方向，自下而上的电流则把所述记忆层13(可变磁化层)磁矩置成与所述参考层11(固定层)磁矩相反的方向，从而实现写入0、1的操作。
本发明将磁性隧道结器件或自选阀器件嵌入到超导逻辑制程中，在很大的温区范围内工作(4.2K-500K)，进而实现低温、高速、低功耗存储。
实施例一
如图7所示，本实施例提供一种嵌入式存储器4，所述嵌入式存储器4包括：
存储单元41、第一超导位线42(read or write bit line)、第二超导位线43(write bit line)及超导字线44(word line)。
如图7所示，多个所述存储单元41排列形成阵列。
具体地，多个所述存储单元41纵横排列形成阵列结构，为了便于图示，图7中仅显示一行(或列)，多行(或列)存储单元41纵向(横向)排布形成阵列，在此不一一赘述。
具体地，所述存储单元41包括并联设置的磁性存储器件411及约瑟夫森结412，如图8所示，在本实施例中，所述磁性存储器件411包括从下往上依次叠置的第一铁磁材料层411a、非铁磁材料层411b、第二铁磁材料层411c及第一超导电极层411d；所述约瑟夫森结412包括从下往上依次叠置的第二超导电极层412a、第一超导材料层412b、绝缘层412c及第二超导材料层421d。所述第一铁磁材料层411a、所述非铁磁材料层411b及所述第二铁磁材料层411c的叠层结构与所述第一超导材料层412b、所述绝缘层412c及所述第二超导材料层412d的叠层结构在垂直平面内的正投影不交叠。
更具体地，所述磁性存储器件411包括但不限于磁性隧道结器件或自选阀器件，任何磁性存储器件均适用于本发明。所述第一铁磁材料层411a及所述第二铁磁材料层411c的材质包括但不限于稀土永磁材料，金属永磁材料或铁氧体永磁材料；所述非铁磁材料层411b的材质包括但不限于绝缘材料或非铁磁金属，若所述磁性存储器件411为磁性隧道结器件，则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，若所述磁性存储器件411为自选阀器件，则所述非铁磁材料层的材质包括Cu、Au、Cr及Ag中至少一种；在此不一一列举。所述第一超导电极层411d与所述第二铁磁材料层411c连接，所述第一超导电极层411d的下表面低于所述第一超导材料层412b的下表面。在本实施例中，所述磁性存储器件411与所述约瑟夫森结412的上下表面齐平，所述第一超导电极层411d的厚度大于所述第一超导材料层412b、所述绝缘层412c及所述第二超导材料层412d的叠层结构的厚度。所述第一超导电极层411d的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi或NbTiN，任意超导材料均适用于本发明。
更具体地，所述约瑟夫森结412位于所述磁性存储器件411的一侧，所述约瑟夫森结412与所述磁性存储器件411并列设置。所述第一超导材料层412b及所述第二超导材料层412d的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi或NbTiN，任意超导材料均适用于本发明。所述绝缘层412c的材质包括但不限于MgO、Si3N4、Al2O3或SiO2。所述第二超导电极层412a的上表面高于所述第一铁磁材料层411a、所述非铁磁材料层411b及所述第二铁磁材料层411c的叠层结构的上表面。所述第二超导电极层412a的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi或NbTiN，任意超导材料均适用于本发明。
需要说明的是，所述约瑟夫森结412在非超导状态下的电阻阻值远大于所述磁性存储器件411的电阻阻值，在本实施例中设定为五倍以上，优选为十倍以上，具体倍数可根据实际需要设定，以能读出所述磁性存储器件411中存储的数据为准，不以本实施例为限。
需要说明的是，在实际应用中，所述磁性存储器件411及所述约瑟夫森结412的叠置方向可从上往下，即所述磁性存储器件411包括从上往下依次叠置的第一铁磁材料层411a、非铁磁材料层411b、第二铁磁材料层411c及第一超导电极层411d，所述约瑟夫森结412包括从上往下依次叠置的第二超导电极层412a、第一超导材料层412b、绝缘层412c及第二超导材料层412d，在此不一一赘述。
如图7所示，各行或各列存储单元41通过所述第一超导位线42串联连接。
具体地，在本实施例中，各行存储单元41通过所述第一超导位线42串联，所述第一超导位线42包括超导下导线42a及超导上导线42b，所述超导下导线42a及所述超导上导线42b依次交替连接相邻两个存储单元41的下表面及上表面，依次实现同一行各存储单元41的串联。同时，同一存储单元41中的所述磁性存储器件411及所述约瑟夫森结412分别通过一对所述超导下导线42a及所述超导上导线42b并联连接。所述第一超导位线42的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi或NbTiN，在此不一一赘述。
如图7所示，各存储单元41分别对应一第二超导位线43及一超导字线44，各第二超导位线43及各超导字线44分别位于对应存储单元41的上方及下方，所述第二超导位线43与所述第一超导位线42平行设置，所述超导字线44与所述第一超导位线42垂直设置。
具体地，在本实施例中，同一行存储单元41共用一根第二超导位线43，所述第二超导位线43与对应行的第一超导位线42平行设置，且与对应行的所述超导上导线42b之间存在间隙，在本实施例中，所述第二超导位线43位于对应行存储单元41的正上方，在实际应用中，所述第二超导位线43可偏移所述存储单元41的正上方，所述第二超导位线43与所述超导字线44的叠加磁场能影响对应存储单元41即可，不以本实施例为限。所述第二超导位线43的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi或NbTiN。
具体地，在本实施例中，同一列存储单元41共用一根超导字线44，各超导字线44与各第一超导位线42(各第二超导位线43)垂直设置，且与对应行的所述超导下导线42a之间存在间隙，在本实施例中，所述超导字线44位于对应行存储单元41的正上方，在实际应用中，所述超导字线44可偏移所述存储单元41的正下方，所述第二超导位线43与所述超导字线44的叠加磁场能影响对应存储单元41即可，不以本实施例为限。所述超导字线44的材质包括但不限于Nb、NbN、NbTi或NbTiN。
需要说明的是，所述第二超导位线43及所述超导字线44可位于对应存储单元41的一侧(上方或下方)，本实施例中，为了减小器件尺寸将所述第二超导位线43及所述超导字线44分别设置于对应存储单元41的上方或下方。
所述嵌入式存储器4利用磁性存储器件的二元高、低电阻状态存储0、1数据，并通过外部电路判断电阻状态来读出0、1数据。如图9所示，高电阻状态对应16000欧姆、低电阻状态对应9000欧姆，在实际应用中，高、低电阻状态对应的电阻值可通过器件材料设计进行调节。所述嵌入式存储器4的工作原理如下：
如图7所示，第一种写操作方法包括：
基于地址解码选择相对应的第二超导位线43及超导字线44通电，被通电的所述第二超导位线43与所述超导字线44产生磁场，所述第二超导位线43与所述超导字线44交叉处的磁场叠加，叠加后的磁场驱动所述磁性存储器件411中记忆层磁矩的翻转，以实现数据的写入。
具体地，写操作时通过地址解码电路(图中未显示)选择和地址相对应的第二超导位线43和超导字线44通电，各第一超导位线42不通电。所述第二超导位线43及所述超导字线44上通过的电流将产生两个奥斯特磁场，所述第二超导位线43及所述超导字线44所产生的两个磁场将矢量叠加成一个幅值更大的磁场，磁场幅值将大于其中任一个磁场的幅值。所述磁性存储器件411在单独所述第二超导位线43或所述超导字线44所产生的磁场大小下都无法翻转记忆层的磁矩方向，仅当所述第二超导位线43及所述超导字线44同时通电流的情况下所产生的叠加磁场大小才能够翻转记忆层磁矩方向，实现数据的写入。因此当且仅当处于通电的第二超导位线43和超导字线44交叉处的存储单元41才能执行写操作。由于本发明中的所述第二超导位线43及所述超导字线44均采用超导材料，因此仅需较小电压即可产生足够电流和奥斯特磁场。
如图9所示，在本实施例中，+600高斯磁场可将存储单元41从高电阻态(假设为“1”)写为低电阻态(假设为“0”)；-800高斯磁场可将存储单元41从低电阻态(假设为“0”)写为高电阻态(假设为“1”)。在实际应用中，写操作需要的磁场大小可根据器件材料进行调节，不以本实施例为限。
如图10所示，第二种写操作方法包括：
基于地址解码选择相对应的第一超导位线42及超导字线44通电，被通电的所述第一超导位线42与所述超导字线44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42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。
具体地，写操作时通过地址解码电路(图中未显示)选择和地址相对应的第一超导位线42和超导字线44通电，各第二超导位线43不通电。通电的所述超导字线44对应列的存储单元41中的约瑟夫森结412处于非超导状态下，呈现较大的电阻(远大于所述磁性存储器件411的电阻阻值，优选为十倍以上)；未通电的超导字线44对应列的约瑟夫森结412处于超导状态下，呈短路状态。由于各存储单元41中的磁性存储器件411及约瑟夫森结412并联，因此，未被选中的磁性存储器件411被短路，被选中的磁性存储器件411与其对应的约瑟夫森结412并联于通路中；被选中的约瑟夫森结的电阻远大于磁性存储器件的电阻，电流基本从所述磁性存储器件411流过，进而通过电流实现数据的写入。因此当且仅当处于通电的第一超导位线42和超导字线44交叉处的存储单元41才能执行写操作。由于本发明中的所述第一超导位线42及所述超导字线44均采用超导材料，因此仅需较小电压即可改变磁性存储器件中记忆层的磁矩。
如图11所示，在本实施例中，0.9V电压可将存储单元41从高电阻态(假设为“1”)写为低电阻态(假设为“0”)；-0.8V电压可将存储单元41从低电阻态(假设为“0”)写为高电阻态(假设为“1”)。在实际应用中，写操作需要的电压大小可根据器件材料进行调节，不以本实施例为限。
如图7所示，读操作方法包括：
基于地址解码选择相对应的第一超导位线42及超导字线44通电，被通电的所述超导字线44产生磁场使被选中的存储单元41中的约瑟夫森结412处于非超导状态下，测量所述第一超导位线42上的电阻，进而读出被选中的存储单元41中的数据。
具体地，读操作时通过所述地址解码电路选择和地址相对应的第一超导位线42和超导字线44通电，各第二超导位线43不通电。通电的所述超导字线44对应列的存储单元41中的约瑟夫森结412处于非超导状态下，呈现较大的电阻(远大于所述磁性存储器件411的电阻阻值，优选为十倍以上)；未通电的超导字线44对应列的约瑟夫森结412处于超导状态下，呈短路状态。由于各存储单元41中的磁性存储器件411及约瑟夫森结412并联，因此，未被选中的存储单元41呈现零电阻，被选中的存储单元41呈现与其磁性存储器件411相近的电阻(并联电阻的总电阻值趋向于较小的，其中，较大的电阻值越大，总电阻值越接近较小的)。获取被选中的存储单元41所对应的第一超导位线42上的总电阻(由所述第一超导位线42串联起来的一系列磁性存储器件411和约瑟夫森结412的总电阻)，即可得到被选中的存储单元41的阻值。因此当且仅当处于通电的第一超导位线42和超导字线44交叉处的存储单元41才能执行读操作。由于本发明中的超导字线44和第一超导位线42均采用超导材料，且约瑟夫森结将其他存储单元41短路，因此仅需较小电压(小于100mV)即可实现读取操作。
需要说明的是，所述嵌入式存储器4可去除所述第二超导位线43，如图10所示，此时，所述嵌入式存储器4的写方法只适用于第二种写操作方法，具体结构及读写方法在此不一一赘述。
实施例二
如图12所示，本实施例提供一种存储单元41，与实施例一的不同之处在于，所述磁性存储器件411还包括设置于所述第一铁磁材料层411a表面的第三超导电极层411e。
具体地，所述第三超导电极层411e设置于所述第一铁磁材料层411a的下表面，所述第三超导电极层411e的下表面与所述第三超导电极415的下表面齐平。
需要说明的是，所述磁性存储器件411与所述约瑟夫森结412的各材料层的叠置方向可从上往下，此时所述第三超导电极层411e设置于所述第一铁磁材料层411a的上表面，其它结构在此不一一赘述。
实施例三
如图13所示，本实施例提供一种存储单元41，与实施例二的不同之处在于，所述第二超导材料层412d的表面还设置有第四超导电极层412e。
具体地，所述第四超导电极层412e设置于所述第二超导材料层412d的上表面，所述第四超导电极层412e的上表面与所述第一超导电极层411d的上表面齐平。
需要说明的是，所述第四超导电极层412e还可以增加于实施例一的结构上，不以本实施例为限。
需要说明的是，所述磁性存储器件411与所述约瑟夫森结412的超导电极层可根据需要设定，所述第一铁磁材料层411a、所述非铁磁材料层411b及所述第二铁磁材料层411c的叠层结构与所述第一超导材料层412b、所述绝缘层412c及所述第二超导材料层412d的叠层结构在垂直平面内的正投影不交叠即可，不以本发明的实施例一～实施例三所列举为限。
综上所述，本发明提供一种存储单元、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，所述第二器件的下表面设置有第一超导电极，所述第一器件的上表面设置有第二超导电极，所述第一器件与所述第二器件在垂直平面内的正投影不交叠；其中，所述第一器件与所述第二器件分别为磁性存储器件及约瑟夫森结。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。本发明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；本发明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。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。
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。

Claims (17)

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磁性存储器件的电阻阻值的十倍以上。
11.根据权利要求10所述的存储单元，其特征在于：各超导电极层的材质包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种。
12.一种嵌入式存储器，其特征在于，所述嵌入式存储器至少包括：
如权利要求1～11任意一项所述的存储单元、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。
13.根据权利要求12所述的嵌入式存储器，其特征在于：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。
14.根据权利要求13所述的嵌入式存储器，其特征在于：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。
15.一种如权利要求13或14所述的嵌入式存储器的写操作方法，其特征在于，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。
16.一种如权利要求12～14任意一项所述的嵌入式存储器的写操作方法，其特征在于，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。
17.一种如权利要求12～14任意一项所述的嵌入式存储器的读操作方法，其特征在于，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。
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