CN110391331B - 一种磁性模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁性模数转换器，在同一强自旋轨道耦合材料层上按一定间隔排列多个磁隧道结，所述强自旋轨道耦合材料层的横截面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减。一种磁性模数转换器的模数转换方法：1、沿强自旋轨道耦合材料层通入足够强的电流，将所有磁隧道结统一置为高阻态或低阻态，撤去电流；2、在强自旋轨道耦合材料层通入稳恒电流，电流方向与第一步所施加的电流方向相反；改变通入的稳恒电流大小，发生阻态翻转的磁隧道结的数量被改变；3、磁性模数转换器的量化信号输出，通过读取各个磁隧道结的阻值实现。本发明利用自旋轨道矩磁隧道结量化输入电流信号，具有静态功耗低，占用面积小，可靠性高，控制复杂度低等优点。

Description

一种磁性模数转换器

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种磁性模数转换器。

背景技术

随着半导体技术的发展，尤其是互补金属氧化物半导体工艺(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)的快速发展，模数转换器(ADC)已经广泛应用于信号处理等各类领域。但由于CMOS工艺其固有的一些技术问题，目前的ADC面临两个显著的性能瓶颈，其一是占用面积的问题，以一个3比特ADC为例，至少需要7个由CMOS晶体管组成的比较器以及其他的控制结构，这使得ADC所占面积难以缩减，另一个显著问题是随着MOS管工艺尺寸的缩小，由漏电流引起的静态功耗越来越不可忽视，在90纳米工艺节点以下，静态功耗所占的比例已经超过总功耗的一半。

相对于CMOS器件，非易失存储器件能够在断电状态下保存数据，允许通过电源门控(Power gating)等技术消除CMOS漏电流所导致的静态功耗。在众多非易失存储器件中，研究较为成熟的是磁隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)，它是一种基于隧穿磁阻效应的电阻型存储器件，通过电阻值状态的高低，来表示二进制信息，这使它也可以用来作为ADC的量化器，完成高速可靠的量化转换操作。同时，磁隧道结的非易失性优势克服了传统ADC的静态功耗过高的问题。而且，磁隧道结器件本身具备存储功能，可以替代传统ADC的锁存结构，减小了面积开销。此外，磁隧道结的抗辐射，耐擦写等优点，有望使ADC适应于更加恶劣的工作环境以及延长使用寿命。以磁隧道结为基础，国内外已经发展出了各种先进的磁性非易失数据写入技术，其中自旋轨道矩磁隧道结(Spin orbit torque MTJ，SOT-MTJ)以高速、低功耗、读写路径分离等优势而获得了极大的研究关注。

发明内容

针对上述背景中提到的传统模数转换器所面临的面积开销和静态功耗的问题，本发明提出一种磁性模数转换器。该方法克服了现有技术的不足，利用自旋轨道矩磁隧道结量化输入电流信号，具有静态功耗低，占用面积小，可靠性高，控制复杂度低等优点。

本发明的技术方案是：一种磁性模数转换器，具体结构为：

在同一强自旋轨道耦合材料层上按一定间隔排列多个磁隧道结，其中，所述强自旋轨道耦合材料层的横截面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减，以实现模数转换器的信号量化。该横截面积的变化包括：该层顶面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减；或该层厚度沿着磁隧道结排列的方向递增或递减；或该层底面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减。

所述的递增或递减趋势可以是连续的也可以是按梯度逐级进行。

所述磁隧道结的数量可以是2^N个，其中N为正整数，则该模数转换器可实现N比特模数转换。

所述强自旋轨道耦合材料层具体为重金属、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；其中，所述的重金属包括铂Pt、钽Ta或钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量为任意值。

其中，强自旋轨道耦合材料层的厚度为0～20nm。

其中，强自旋轨道耦合材料层的顶面积大于磁隧道结的底面积。

其中，强自旋轨道耦合材料层的左右两端分别连接了第二电极和第三电极。

所述磁隧道结由第一铁磁金属、氧化物、第二铁磁金属、合成反铁磁和第一电极等五层物质构成；

作为优选，所述第一铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。

作为优选，所述氧化物是指氧化镁MgO或氧化铝Al₂O₃中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。

作为优选，所述第二铁磁金属是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。

作为优选，所述合成反铁磁层，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]_n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]_m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]_n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]_m构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]_m，或Ta/[Co/Pd]_n/Ru/[Co/Pd]_m，或Ru/CoFe/PtMn，或Ru/CoFeB/PtMn，或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同。

其中，所述磁隧道结至少具有两种电阻状态，其电阻值取决于第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向。

其中，第二铁磁金属的磁化方向固定不变，第一铁磁金属的磁化方向能够通过写入操作被改变。

其中，所述磁隧道结具有垂直磁各向异性，即，在稳定状态下，第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向均沿垂直方向。

其中，所述磁隧道结的表面被制成长短轴不相等的形状，例如，椭圆形、矩形或菱形。

所述磁隧道结具有两种电阻状态，其电阻状态取决于第一铁磁金属层与第二铁磁金属层的磁化方向，第一铁磁金属层磁化方向不变，也称固定层，第二铁磁金属层磁化方向可呈现为与第一铁磁金属层磁化方向相同或者反向，也称自由层，二者同向时为低电阻状态，反向时为高电阻状态，可以存储二进制信息，两种阻态可以相互转化。

为实现磁隧道结的数据写入(即阻态转换)，需要在强自旋轨道耦合材料层输入电流，诱导自旋轨道矩以驱动磁隧道结的阻态转换。磁隧道结下方的强自旋轨道耦合材料层所流经的电流密度的大小需要超过某一阈值。取决于电流的方向，自由层铁磁金属的磁化能够被翻转或者保持不变，从而使其磁化方向与固定层铁磁金属磁化方向一致或者相反，磁隧道结呈现低阻态或高阻态。

由于强自旋轨道耦合材料层的不同位置的横截面积按递增或递减设计，因此，当向强自旋轨道耦合材料层通入稳恒电流时，各个磁隧道结下方的强自旋轨道耦合材料层所流经的电流密度大小各不相同，从而能够使其中一部分磁隧道结发生数据写入，另一部分磁隧道结未发生数据写入。

所述磁性模数转换器的模数转换方法，即模拟信号量化方法为：

第一步，沿所述强自旋轨道耦合材料层通入一个足够强的电流，将所有磁隧道结统一置为高阻态或低阻态后，撤去电流；

第二步，在所述强自旋轨道耦合材料层通入一个稳恒电流，电流的方向与第一步操作所施加的电流的方向相反。由于强自旋轨道耦合材料层的横截面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减，因此，所通入的电流密度大小沿着磁隧道结排列的方向递减或递增。最终的结果是，存在一个分界点，在该分界点的一侧的强自旋轨道耦合材料层的电流密度大于磁隧道结阻态翻转所需要的阈值，该侧的所有磁隧道结的阻态被翻转，而在分界点的另一侧的所有磁隧道结的阻态保持不变。综上所述，通过改变所通入的稳恒电流的大小，发生阻态翻转的磁隧道结的数量也被改变，即，稳恒电流的大小被转换为高阻态磁隧道结或低阻态磁隧道结的数量。

第三步，所述磁性模数转换器的量化信号输出，通过读取各个磁隧道结的阻值而实现。

基于上述技术方案可知，本发明所述的一种磁性模数转换器和模数转换方法的优势是：

(1)得益于自旋轨道矩磁隧道结的特点，相较于传统模数转换器，本发明的磁性模数转换器具有占用面积小、静态功耗低的优势；

(2)相较于传统的模数转换器，本发明不需要外接参考信号作为电流的量化门限，本发明中电流的量化参考门限通过强自旋轨道耦合层的设计被内化到了磁性模数转换器的结构中；

(3)相较于传统的模数转换器，本发明的磁性模数转换器结构更为简单，在保持一定性能的基础上更易于实现。

附图说明

图1为本发明磁性模数转换器核心结构的一种具体实施例。

图2为本发明磁性模数转换方法的一种实施流程图。

图3A为以图1实施例为基础的磁性模数转换器实施方案，在该图1实施例基础上增加了部分控制模块和并行数据读取模块。

图3B描述了图3A的一种可能工作状态及输出结果。

图4为图3A实施例中8个状态所对应的电流与翻转分布情况。

图5A～C为本发明磁性模数转换器结构一些其他可能的实施例。

其中，图中参数定义为：

11：第一电极；

12：合成反铁磁；

13：第二铁磁金属；

14：氧化物；

15：第一铁磁金属；

16：强自旋轨道耦合材料层；

17：第二电极；

18：第三电极；

19：磁隧道结；

20：并行数据读取电路模块；

T11～T18：第一至第八磁隧道结；

T/H：跟踪/保持电路模块；

MUX：数据选择模块；

EN1：跟踪/保持电路模块的使能控制信号；

EN2：数据选择模块的控制信号；

EN3：并行数据读取电路模块的使能控制信号；

Input：外界输入模拟电流信号；

Reset：磁性模数转换器的状态重置信号；

O11～18：并行数据读取电路模块的输出信号；

I_reset：磁性模数转换器的状态重置电流幅度，绝对值应大于所有磁隧道结的翻转电流门限；

I_SHE：强自旋轨道耦合材料层电流；

R_H：磁隧道结处于高电阻状态时的电阻值；

R_L：磁隧道结处于低电阻状态时的电阻值；

I_w1～8：每个磁隧道结从高电阻状态转变为低电阻状态的临界翻转电流；

R_11～18：每个磁隧道结的电阻；

D_{H_L1～8}：每个磁隧道结从高电阻状态转变为低电阻状态的写入延迟

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。在此公开了详细的示例性实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，将不会详细描述或将省略本发明的众所周知的元件，器件与子电路，以免混淆本发明的实施例的相关细节。

图1为本发明的第一实施例的磁性模数转换器的结构示意图，此处以3比特模数转换器为例。

如图1所示，在同一强自旋轨道耦合材料层16上，依次排列了8个磁隧道结T11～T18，设计强自旋轨道耦合材料层16的厚度从左至右按梯度逐级递增。

其中，每个磁隧道结19由第一铁磁金属15、氧化物14、第二铁磁金属13、合成反铁磁12和第一电极11等五层物质构成。

所述强自旋轨道耦合材料16为重金属、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；其中，所述的重金属包括铂Pt、钽Ta或钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量为任意值。

其中，强自旋轨道耦合材料层16的厚度为0～20nm。

其中，强自旋轨道耦合材料层16的顶面积大于磁隧道结19的底面积。

其中，强自旋轨道耦合材料层的左右两端分别连接了第二电极17和第三电极18。

作为优选，所述第一铁磁金属15是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。

作为优选，所述氧化物14是指氧化镁MgO或氧化铝Al₂O₃中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。

作为优选，所述第二铁磁金属13是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。

作为优选，所述合成反铁磁层12，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]_n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]_m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]_n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]_m构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]_m，或Ta/[Co/Pd]_n/Ru/[Co/Pd]_m，或Ru/CoFe/PtMn，或Ru/CoFeB/PtMn，或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同。

作为优选，所述第一电极11、第二电极17和第三电极18均可为钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。

其中，所述磁隧道结19至少具有两种电阻状态，其电阻值取决于第一铁磁金属15和第二铁磁金属13的磁化方向。

其中，第二铁磁金属13的磁化方向固定不变，第一铁磁金属15的磁化方向能够通过写入操作被改变。

其中，所述磁隧道结19具有垂直磁各向异性，即，在稳定状态下，第一铁磁金属15和第二铁磁金属13的磁化方向均沿垂直方向。

其中，所述磁隧道结19的表面被制成长短轴不相等的形状，例如，椭圆形、矩形或菱形。

图2为本发明第一实施例的磁性模数转换器的模拟信号量化方法示意图。

如图2所示，磁性模数转换器的模拟信号量化方法分三步进行：

S1、从第三电极18到第二电极17向强自旋轨道耦合材料层16通入足够强的电流I₁，产生自旋轨道矩，将所有磁隧道结T11～T18翻转为高阻态，而后撤去电流I1；

S2、向强自旋轨道耦合材料层16通入一个稳恒电流I₂，电流I₂的方向与S1步操作所施加的电流I₁的方向相反。由于强自旋轨道耦合材料层16的横截面积沿着磁隧道结T11～T18排列的方向递增，因此，所通入的电流密度大小沿着磁隧道结T11～T18排列的方向递减，依次为J₁～J₈，J₁>J₂>J₃>J₄>J₅>J₆>J₇>J₈。假设为实现磁隧道结阻态翻转所需的电流密度为Jc，若Jc>J₅且Jc<J₄，则在强自旋轨道耦合材料层16上存在一个分界点Pc，在分界点Pc的左侧的所有磁隧道结T11～T14被翻转到低阻态，在分界点Pc的右侧的所有磁隧道结T15～T18仍旧保持高阻态。因此，稳恒电流I₂的大小被转换为高阻态磁隧道结或低阻态磁隧道结的数量。

S3、该磁性模数转换器的量化信号输出，通过读取磁隧道结T11～T18的阻值而实现。

图3A为以第一实施例为基础的一种磁性模数转换器的可能实现方案。在图1实施例基础上增加了部分控制模块和并行数据读取模块20，以实现完整功能。

所述方案包含EN1、EN2、EN3三个控制信号，其中EN1用以T/H获取输入信号Input的短时脉冲，EN2用以在每次转换前将所有磁隧道结T11～T18翻转至高阻态，EN3是并行数据读取电路模块20的使能控制信号，用以控制读取磁隧道结T11～T18的阻态。所述模数转换器的转换流程如下：

S1、在转换之前，EN2信号控制数据选择器模块MUX选择重置信号Reset，提供一个足够强的电流I₁，通过强自旋轨道耦合材料层16，将所有磁隧道结T11～T18翻转至高阻状态；

S2、通过EN1控制跟踪/保持模块T/H工作，将外界输入模拟电流信号I₂转换成短时电流脉冲，EN2控制数据选择器模块MUX选择这一输入信号，在该电流脉冲的作用下，达到了翻转阈值的磁隧道结由高阻态翻转至低阻态，未达到翻转阈值的磁隧道结保持高阻态；

S3、EN3控制并行数据读取模块20工作，读取每个磁隧道结的状态，转换为逻辑电平值，由O11～O18输出读取信息，完成模数转换。

图3B展示了图3A一种可能的工作情况下的信号示意图。按上述S1～S3流程进行，最终O11～O15输出了高电平，表示磁隧道结T11～T15被翻转为低阻态，O16～O18输出低电平，表示磁隧道结T16～T18未被翻转，仍为高阻态。

如图4所示，进一步描述了图1所述第一实施例中的所有电流与翻转情况，图中，磁隧道结T11～T18的电阻值R₁₁～R₁₈在初始时刻被设为高电阻值R_H，然后，在强自旋轨道耦合材料层16中通入电流I_SHE，其中I_w1～I_w8为磁隧道结T11～T18的临界翻转电流，自t₁时刻开始，输入电流满足I_w1＜I_SHE＜I_w2，对应的只有磁隧道结T11的阻值R₁₁发生变化，从高电阻值翻转为低电阻值，其余的磁隧道结T12～T18的阻值R₁₂～R₁₈没有发生变化；自t₂时刻开始，输入电流满足I_w2＜I_SHE＜I_w3，对应的磁隧道结T11～T12的阻值R₁₁与R₁₂发生翻转，从高电阻值翻转为低电阻值，其余的磁隧道结T13～T18的阻值R₁₃～R₁₈没有变化……依此类推，输入电流满足I_wn＜I_SHE＜I_wn+1时，磁隧道结T11～T1n的阻值R₁₁～R_1n发生变化，而磁隧道结T1n+1～T18的阻值R_1n+1～R₁₈保持原状态，其中1≤n≤7。

图5A为本发明的第二实施例的磁性模数转换器的结构示意图，此处以3比特模数转换器为例。

图5A所示的是器件的俯视图，强自旋轨道耦合材料层16的顶面积宽度从左至右按梯度逐级递增，其余部分的设计方案以及操作方法与图3一致，达到了相同的效果。

图5B为本发明的第三实施例的磁性模数转换器的结构示意图，此处以3比特模数转换器为例。

图5B所示的是器件的俯视图，强自旋轨道耦合材料层16的顶面积宽度从左至右连续增大，其余部分的设计方案以及操作方法与图3一致，达到了相同的效果。

图5C为本发明的第四实施例的磁性模数转换器的结构示意图，此处以3比特模数转换器为例。

图5C所示的是器件的侧视图，强自旋轨道耦合材料层16的厚度从左至右连续增大，其余部分的设计方案以及操作方法与图3一致，达到了相同的效果。

以上实施例仅以3比特模数转换器为例，应当理解，本发明所述结构，可以通过沿着前述强自旋轨道耦合层的设计简单增加长度以及将其上的磁隧道结数量扩展为2^N个，推广为N比特模数转换器。

应当理解，以上所述和图1、图5给出的强自旋轨道耦合材料层16尺寸形状以及图3给出的具体电路仅为本发明的几种具体实施例，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁性模数转换器，其特征在于：其具体结构为：

在同一强自旋轨道耦合材料层上按一定间隔排列多个磁隧道结，其中，所述强自旋轨道耦合材料层的横截面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减，以实现模数转换器的信号量化。

2.根据权利要求1所述的一种磁性模数转换器，其特征在于：所述的横截面积的变化包括：该层顶面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减；或该层厚度沿着磁隧道结排列的方向递增或递减；或该层底面积沿着磁隧道结排列的方向递增或递减。

3.根据权利要求1所述的一种磁性模数转换器，其特征在于：所述的递增或递减趋势或是连续的，或是按梯度逐级进行。

4.根据权利要求1所述的一种磁性模数转换器，其特征在于：所述磁隧道结的数量是2^N个，其中N为正整数，则该模数转换器实现N比特模数转换。

5.根据权利要求1所述的一种磁性模数转换器，其特征在于：所述强自旋轨道耦合材料层具体为重金属、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；其中，所述的重金属包括铂Pt、钽Ta或钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb。

6.根据权利要求1所述的一种磁性模数转换器，其特征在于：所述磁隧道结由第一铁磁金属、氧化物、第二铁磁金属、合成反铁磁和第一电极五层物质构成。

7.一种如权利要求1所述的磁性模数转换器的模数转换方法，即模拟信号量化方法为：

第一步，沿所述强自旋轨道耦合材料层通入一个足够强的电流，将所有磁隧道结统一置为高阻态或低阻态后，撤去电流；

第二步，在所述强自旋轨道耦合材料层通入一个稳恒电流，电流的方向与第一步操作所施加的电流的方向相反；通过改变所通入的稳恒电流的大小，发生阻态翻转的磁隧道结的数量也被改变，即，稳恒电流的大小被转换为高阻态磁隧道结或低阻态磁隧道结的数量；

第三步，所述磁性模数转换器的量化信号输出，通过读取各个磁隧道结的阻值而实现。

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