CN114267388A

CN114267388A - 一种基于反常自旋量子霍尔效应的mram芯片电路

Info

Publication number: CN114267388A
Application number: CN202111362286.4A
Authority: CN
Inventors: 张怀武; 吴雪蕊; 金立川; 宋祥林; 张岱南; 徐鑫锴; 唐晓莉
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-11-17
Also published as: CN114267388B

Abstract

本发明属于新型自旋量子磁存储器术领域，具体为一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路。该MRAM芯片电路的存储单元是PtBi/BiTmIG自旋异质结构建的四端口霍尔棒器件，利用反常霍尔检测电流发生模块提供的0.1mA检测电流和反常霍尔脉冲发生模块提供的10mA脉冲电流，来实现数据的读写。在读取过程中，利用反常霍尔效应，无需外加磁场且误码率低、响应速度快；在写入过程中，利用自旋轨道矩效应，实现极小电流密度驱动自旋磁矩翻转再带动薄膜磁矩翻转的数据写入新方法，极大地降低了数据写入电流密度和功耗。本发明的MRAM芯片电路具有单元器件制备工艺简单、读写电流密度低、功耗低、工作频率范围宽的特点。

Description

一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路

技术领域

本发明属于新型自旋量子磁存储器技术领域，具体为一种基于反常自旋量子霍尔效应(AHE)的MRAM芯片电路。

背景技术

近年来，随着半导体工艺技术的不断发展以及计算机系统性能的不断进步，无论是传统的存储技术还是新型的存储技术，都得到了极大地关注。对于现有的静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)来说，静态功耗是制约其发展的主要因素。同时，随着电子器件尺寸的不断缩小，电子的量子效应也越来越突出，这使得电子的另一特性——自旋变得越来越重要。磁随机存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)是一种以自旋电子为基础的新型存储器。MRAM兼具SRAM的高速读写能力和DRAM的高集成度，同时还具有非易失性，这意味着即使切断电源，其中保存的数据也不会丢失。除此之外，电子自旋的特性使得MRAM读写数据所需的能耗很低，这一点是基于传统半导体电子器件所无法比拟的。

传统的MRAM采用的基本存储器件是磁隧道结(MTJ)，它可以简化为一个三层结构的器件，即自由层、绝缘层以及钉扎层。MTJ在其自由层与钉扎层磁矩平行时呈低阻，磁矩反平行时呈高阻，利用这一特点可以实现数据的存储。为MTJ通入大于其临界翻转电流密度的电流将使其内部的磁矩发生翻转，从而实现数据的写入。数据的读取则是利用其在高、低两种阻态下流过的电流大小差异来实现的。然而，实际的MTJ至少包括十几层薄膜结构，需要多次光刻、刻蚀，工艺极为繁琐复杂。同时，MTJ内部磁矩的翻转仅依靠流过的电流，因此其临界翻转电流密度大，写入数据所需的功耗也大。除此之外，读写电流均流过MTJ，这可能导致其内部磁矩误翻转，从而使制成的MRAM误码率较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，以解决现有芯片电路存在的写电流密度大、功耗大、读写可靠性较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，包括：反常霍尔控制电路、反常霍尔检测电流发生电路、反常霍尔脉冲电流发生电路、反常霍尔译码电路、反常霍尔存储阵列以及放大输出电路；

所述反常霍尔控制电路分别连接反常霍尔检测电流发生电路、反常霍尔脉冲电流发生电路以及反常霍尔译码电路；用于根据外部电路提供的读使能信号控制反常霍尔检测电流发生电路产生0.1mA检测电流，根据外部电路提供的写使能信号控制反常霍尔脉冲电流发生电路产生10mA的脉冲电流，根据外部电路提供的字线地址控制反常霍尔译码电路进行存储单元的选择；

所述反常霍尔检测电流发生电路连接反常霍尔存储阵列，用于读取数据时，为反常霍尔存储阵列提供检测电流；

所述反常霍尔脉冲电流发生电路连接反常霍尔存储阵列，用于写入数据时，为反常霍尔存储阵列提供脉冲电流；

所述反常霍尔译码电路包括行译码器和列译码器，行译码器和列译码器均连接反常霍尔存储阵列；用于在反常霍尔控制电路的控制下，根据外部电路提供的字线地址选择出对应的存储单元；

所述反常霍尔存储阵列包括m×n个存储单元，对应m行、n列的存储阵列，m和n为正整数；存储单元为采用PtBi/BiTmIG自旋异质结制作的十字形自旋量子霍尔棒；该十字形自旋量子霍尔棒内部具有+M或-M的磁矩状态，在反常霍尔效应的作用下可呈现出正或负的反常霍尔电压，该正的反常霍尔电压代表数据“1”、该负的反常霍尔电压代表数据“0”；

写入数据时，被选中的十字形自旋量子霍尔棒通过反常霍尔脉冲电流发生电路提供的大于其临界翻转电流密度的脉冲电流，利用自旋轨道矩效应使其内部自旋矩翻转进而带动磁矩翻转，完成数据的写入；读取数据时，被选中的十字形自旋量子霍尔棒接收反常霍尔检测电流发生电路提供的检测电流，基于反常霍尔效应，通过放大输出电路检测十字形霍尔棒的电压输入端和电压输出端之间的反常霍尔电压，并根据检测结果完成数据的读取。

进一步的，所述反常霍尔检测电流发生电路为反常霍尔存储阵列提供0.1mA检测电流，反常霍尔脉冲电流发生电路为反常霍尔存储阵列提供10mA脉冲电流。

进一步的，所述反常霍尔控制电路包括第一控制传输门、第二控制传输门、第三控制传输门、第四控制传输门和第五控制传输门；

第一控制传输门和第二控制传输门的第一端口均连接反常霍尔存储阵列，第二端口均接地；第三控制传输门和第四控制传输的第一端口均连接反常霍尔脉冲电流发生电路，第二端口均连接反常霍尔存储阵列存储；第五控制传输门第一端口连接反常霍尔检测电流发生电路，第二端口接反常霍尔存储阵列；五个传输门的第三端口均为控制端，接收外部电路提供的使能信号；使能信号通过控制五个传输门的导通和断开来实现读写的独立控制，当接收的使能信号为高电平时传输门导通，为低电平时传输门断开。

进一步的，每个十字形自旋量子霍尔棒中电流输入端和输出端位于十字形的其中一条边上，电压输入端和输出端分别位于十字形的另一条边上；其电流输入端通过字线连接电流行传输门第二端口，输出端通过写源线连接电流列传输门第一端口；电压输入端通过位线连接电压行传输门第一端口，输出端通过读源线连接电压列传输门第二端口。

进一步的，所述电流行传输门和电压行传输门的第二端口均连接行译码器，电流列传输门和电压列传输门第三端口均连接列译码器；电流行传输门第一端口通过第四控制传输门连接反常霍尔脉冲电流发生电路，通过第五控制传输门连接反常霍尔检测电流发生电路；电压行传输门第二端口连接放大输出电路；电流列传输门第二端口通过第三控制传输门连接反常霍尔脉冲电流发生电路，通过第一控制传输门连接地；电压列传输门第二端口与地相连，作为读出反常霍尔电压的参考地。

进一步地，所述自旋量子霍尔棒线宽为100nm。

进一步地，所述放大输出电路包括两个反相器N1、N2，两个反馈电阻R1、R2和一个同相放大器U1；

反相器N1是由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管组成；PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极互连后作为放大输出电路的输入端，PMOS晶体管的源极接电源VDD，PMOS晶体管漏极与NMOS晶体管漏极相连后作为反相器N1的输出端；反相器N2的输入端与反相器N1的输出端相连，输出端与同相放大器U1的正向输入端相连；电阻R1的一端连接同相放大器U1的输出端，另一端与电阻R2的一端相连后连接到同相放大器U1的负向输入端；电阻R2的另一端接地；同相放大器U1的输出端作为放大输出电路的输出端。

PtBi是一种合金材料，BiTmIG是一种合成的磁绝缘体材料，现有的实验数据表明，通过这两种材料制备的异质结具有反常霍尔效应。本发明正是利用这一特点，将PtBi/BiTmIG自旋异质结光刻、刻蚀处理为十字形自旋量子霍尔棒，然后将其作为反常霍尔存储阵列的基本量子存储单元。读取数据时，通过反常霍尔检测电流发生电路提供的固定电流，利用十字形自旋量子霍尔棒内部+M或-M的磁矩状态，使其呈现出正或负的反常霍尔电压，该正或负的反常霍尔电压即分别代表数据“1”和数据“0”；也就是说，通过利用十字形自旋量子霍尔棒的反常霍尔效应实现数据读取，无需外加磁场且误码率低、响应速度快。在写入数据时，利用了自旋轨道矩效应，通过反常霍尔脉冲电流发生电路提供的大于其临界翻转电流密度的低脉冲电流(10mA)，使其内部自旋矩翻转带动磁矩状态发生翻转，实现单元写入电流密度和功耗的降低。

与现有技术相比，本发明的MRAM芯片电路具有以下优点：

1、本发明的MRAM芯片电路，其存储单元为采用PtBi/BiTmIG自旋异质结制备的十字形自旋量子霍尔棒，该十字形自旋量子霍尔棒无需多次镀膜，制备工艺简单，有效降低了成本。

2、本发明的MRAM芯片电路在进行数据写入时，采用自旋矩+电流翻转的模式，而非纯电流翻转模式，其存储单元写入电流仅10mA、读取检测电流仅0.1mA，电流幅值小，功耗小，误码率更低；在读写过程中无需外加磁场，工作频率范围宽。

附图说明

图1是基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路的整体框图；

图2是十字形自旋量子霍尔棒器件的结构示意图；

图3是实施例提取出的2×2阵列MRAM芯片电路图；

图4是产生检测电流的反常霍尔检测电流发生电路图；

图5是实施例读取数据过程的示意图；

图6是实施例写入数据过程的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加地清楚明白，下面将结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解此处所描述的具体实施例仅仅是为了辅助阐述本发明的技术路线，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其电路整体框图如图1所示，主要由反常霍尔控制电路、反常霍尔检测电流发生电路、反常霍尔脉冲电流发生电路、反常霍尔译码电路、反常霍尔存储阵列以及放大输出电路组成。

为更好的展示本发明的优点，本实施例提供了一个2×2阵列MRAM芯片电路图，如图3所示，所述反常霍尔控制电路分别连接反常霍尔检测电流发生电路、反常霍尔脉冲电流发生电路以及反常霍尔译码电路；用于根据外部电路提供的读使能信号控制反常霍尔检测电流发生电路产生0.1mA检测电流，根据外部电路提供的写使能信号控制反常霍尔脉冲电流发生电路产生10mA的脉冲电流，根据外部电路提供的字线地址控制反常霍尔译码电路进行存储单元的选择。

反常霍尔控制电路包括第一控制传输门318、第二控制传输门326、第三控制传输门320、第四控制传输门322和第五控制传输门324；每个传输门都具有三个端口，其中第一端口为输入端，第二端口为输出端，第三端口为控制端。在本实施例中，第一控制传输门318、第二控制传输门326的第一端口均连接反常霍尔存储阵列，第二端口均接地；第三控制传输门320和第四控制传输门322的第一端口均连接反常霍尔脉冲电流发生电路，第二端口均连接反常霍尔存储阵列；第五控制传输门324第一端口连接反常霍尔检测电流发生电路，第二端口接反常霍尔存储阵列；五个传输门的第三端口均为控制端，控制端接收外部电路提供的使能信号，使能信号通过控制五个传输门的导通和关断来实现读写的独立控制；当接收的使能信号为高电平时传输门导通；接收的使能信号为低电平时传输门断开。具体的，写使能信号用于实现数据写入，写入数据分为“1”和“0”两种，当写入数据“0”时，第四控制传输门322和第一控制传输门318导通，第二、第三、第五控制传输门关断，反常霍尔脉冲电流发生电路为十字形自旋量子霍尔棒提供负的低脉冲电流；当写入数据为“1”时，第二控制传输门326和第三控制传输门320导通；第一、第四、第五控制传输门关断，反常霍尔脉冲电流发生电路为十字形自旋量子霍尔棒提供正的低脉冲电流；当读取数据时，第五控制传输门324和第一传输控制门318导通，第二、第三、第四控制传输门关断，反常霍尔检测电流发生电路供为十字形自旋量子霍尔棒提供0.1mA检测电流。

所述反常霍尔检测电流发生电路连接反常霍尔存储阵列，用于读取数据时提供0.1mA检测电流给反常霍尔存储阵列。图4是本实施例产生检测电流的反常霍尔检测电流发生电路图。如图4所示，该检测电流幅值为0.1mA、方向均由十字形自旋量子霍尔棒的电流输入端口流入，电流输出端口流出。本实施例提供的检测电流发生电路采用带隙基准原理，其产生的检测电流很稳定，几乎与电路电源电压和工艺参数无关。此检测电流发生电路依次通过第五控制传输门324、电流行传输门与十字形自旋量子霍尔棒相连，在读取数据时，第五控制传输门324导通，在写入数据时则关断，以断开读取通路，防止其对写入过程产生干扰。

所述反常霍尔脉冲电流发生电路可以产生幅值为10mA、频率为1MHz、脉宽为0.5ns的脉冲电流，该脉冲电流作为写入电流使相应的十字形自旋量子霍尔棒器件内部磁矩在自旋矩翻转的带动下发生瞬时翻转，实现数据的写入。由于脉冲电流幅值仅为10mA，且持续时间很短，在ns数量级，因此所需的功耗很小，并且写入数据的速度很快。反常霍尔脉冲电流发生电路通过第四控制传输门322或第三控制传输门320为十字形自旋量子霍尔棒提供正向或负向的脉冲电流，分别用于写入数据“1”或写入数据“0”。

反常霍尔译码电路分为反常霍尔行译码器和反常霍尔列译码器，其中反常霍尔行译码器控制电流行传输门和电压行传输门的通断，反常霍尔列译码器控制电流列传输门和电压列传输门的通断。选中某一十字形自旋量子霍尔棒，即通过反常霍尔行译码器导通其对应的电流行传输门和电压行传输门，同时通过反常霍尔列译码器导通其对应的电流列传输门和电压列传输门，从而形成读取通路或写入通路。

本实施例的反常霍尔存储阵列共有4个存储单元，按照2行×2列阵列；存储单元为采用PtBi/BiTmIG自旋异质结制备的十字形自旋量子霍尔棒。十字形自旋量子霍尔棒器件结构如图2所示，具有电流输入端、电流输出端、电压输入端和电压输出端。每个十字形自旋量子霍尔棒中电流输入端和电流输出端位于十字形的其中一条边上，电压输入端和电压输出端分别位于十字形的另一条边上；该十字形自旋量子霍尔棒内部具有+M或-M的磁矩状态，在反常霍尔效应的作用下可呈现出正或负的反常霍尔电压，该正的反常霍尔电压代表数据“1”、该负的反常霍尔电压代表数据“0”。不同于传统霍尔棒器件的是，本实施例的霍尔棒器件采用了PtBi/BiTmIG自旋异质结制备而成，其线宽为100nm，尺寸极小，因此对应的临界翻转电流也很小，仅为10mA。

在本实施例中，反常霍尔存储阵列的每一行共用同一条自旋量子霍尔字线SQWL和自旋量子霍尔位线SQBL，每一列共用同一条自旋量子霍尔读源线SQSLR和自旋量子霍尔写源线SQSLW。十字形自旋量子霍尔棒电流输入端通过自旋量子霍尔字线SQWL连接电流行传输门310第二端口，电流输出端通过自旋量子霍尔写源线SQSLW连接电流列传输门316第一端口，电压输入端通过自旋量子霍尔位线SQBL连接电压行传输门312第一端口，电压输出端通过自旋量子霍尔读源线SQSLR连接电压列传输门314第一端口。电流行传输门310和电压行传输门312的第三端口均连接行译码器，电流列传输门316和电压列传输门314第三端口均连接列译码器；电流行传输门310第一端口通过第四控制传输门322连接反常霍尔脉冲电流发生电路，通过第五控制传输门324连接反常霍尔检测电流发生电路；电压行传输门312第二端口连接放大输出电路；电流列传输门316第二端口通过第三控制传输门320连接反常霍尔脉冲电流发生电路，通过第一控制传输门318连接地；电压列传输门314第二端口与地相连，作为读出反常霍尔电压的参考地。

放大输出电路，用于检测读取过程中所述反常霍尔量子存储单元上下两端口之间的反常霍尔电压，并进行放大输出。本实施例的放大输出电路电路包括两个反相器N1、N2，两个反馈电阻R1、R2和一个同相放大器U1；反相器N1是由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管组成；PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极互连后作为放大输出电路电路的输入端，PMOS晶体管的源极接电源VDD，NMOS晶体管的源极接地GND，PMOS晶体管漏极与NMOS晶体管漏极相连后作为反相器N1的输出端；反相器N2的输入端与反相器N1的输出端相连，输出端与同相放大器U1的正向输入端相连；电阻R1的一端连接同相放大器U1的输出端，另一端与电阻R2的一端相连后连接到同相放大器U1的负向输入端；电阻R2的另一端接地；同相放大器U1的输出端作为放大输出电路的输出端，用于实现放大后的读取数据输出。实施过程中，考虑到晶体管的栅极几乎没有电流流过，将十字形自旋量子霍尔棒的反常霍尔电压输入端与放大输出电路中前一个反相器N1内晶体管的栅极相连以读取反常霍尔电压，在读取过程中没有电流影响读出电压的大小，确保所读出的电压就是反常霍尔电压本身。

图5为本实施例读取数据过程的示意图。如5所示，反常霍尔控制电路根据外部电路提供的字线地址控制反常霍尔译码电路选中十字形自旋量子霍尔棒328，导通其对应的电流行传输门310、电压行传输门312、电流列传输门316和电压列传输门314；同时，反常霍尔控制电路根据外部电路提供的读使能信号导通第五控制传输门324、第一控制传输门318；反常霍尔检测电流发生电路产生0.1mA检测电流，该0.1mA检测电流依次经第五控制传输门324、电流行传输门310流向十字形自旋量子霍尔棒328的电流输入端后，再从十字形自旋量子霍尔棒328的电流输出端流出，然后再由电流列传输门316、第一控制传输门318流向地；放大输出电路通过电压行传输门312、电压列传输门314检测自旋量子霍尔棒328电压输入端、电压输出端两端口之间的反常霍尔电压，经由放大器U1放大输出，完成读取数据过程。

图6为实施例写入数据过程的示意图。如图6所示，写入数据为“0”时，反常霍尔控制电路根据外部电路提供的字线地址控制反常霍尔译码电路选中十字形自旋量子霍尔棒328，并导通其对应的电流行传输门310、电流列传输门316；同时，反常霍尔控制电路根据电路提供的写“0”使能信号导通第四控制传输门322和第一控制传输门318；反常霍尔脉冲电流发生电路产生10mA的写入脉冲电流，该写入脉冲电流依次经第四控制传输门322、电流行传输门310流向十字形自旋量子霍尔棒328的电流输入端后，再从十字形自旋量子霍尔棒328的电流输出端流出，然后再依次经电流列传输门316、第一控制传输门318流向地，完成写入数据“0”的过程。

写入数据为“1”时，反常霍尔控制电路根据外部电路提供的字线地址控制反常霍尔译码电路选中十字形自旋量子霍尔棒328，并导通其对应的电流行传输门310、电流列传输门316、；同时，反常霍尔控制电路根据电流提供的写“1”使能信号导通第二控制传输门326、第三控制传输门320；反常霍尔脉冲电流发生电路产生10mA的写入脉冲电流，该写入脉冲电流依次经第三控制传输门320、电流列传输门316流向十字形自旋量子霍尔棒328的电流输出端后，再从十字形自旋量子霍尔棒328的电流输入端流出，然后再依次经电流行传输门310、第二控制传输门326流向地，完成写入数据“1”的过程。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，包括：反常霍尔控制电路、反常霍尔检测电流发生电路、反常霍尔脉冲电流发生电路、反常霍尔译码电路、反常霍尔存储阵列以及放大输出电路，其特征在于：

所述反常霍尔控制电路分别连接反常霍尔检测电流发生电路、反常霍尔脉冲电流发生电路以及反常霍尔译码电路；用于根据外部电路提供的读使能信号控制反常霍尔检测电流发生电路产生检测电流，根据外部电路提供的写使能信号控制反常霍尔脉冲电流发生电路产生的脉冲电流，根据外部电路提供的字线地址控制反常霍尔译码电路进行存储单元的选择；

2.根据权利要求1所述的一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其特征在于：所述反常霍尔控制电路包括第一控制传输门、第二控制传输门、第三控制传输门、第四控制传输门和第五控制传输门；

第一控制传输门和第二控制传输门的第一端口均连接反常霍尔存储阵列，第二端口均接地；第三控制传输门和第四控制传输的第一端口均连接反常霍尔脉冲电流发生电路，第二端口均连接反常霍尔存储阵列；第五控制传输门第一端口连接反常霍尔检测电流发生电路，第二端口接反常霍尔存储阵列；五个传输门的第三端口均为控制端，控制端根据外部电路提供的使能信号实现读写的独立控制；当接收的使能信号为高电平时传输门导通；接收的使能信号为低电平时传输门断开。

3.根据权利要求1所述的一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其特征在于：每个十字形自旋量子霍尔棒中电流输入端和输出端位于十字形的其中一条边上，电压输入端和输出端分别位于十字形的另一条边上；其电流输入端通过字线连接电流行传输门第二端口，输出端通过写源线连接电流列传输门第一端口；电压输入端通过位线连接电压行传输门第一端口，输出端通过读源线连接电压列传输门第二端口。

4.根据权利要求3所述的一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其特征在于：所述电流行传输门和电压行传输门的第三端口均连接行译码器，电流列传输门和电压列传输门第三端口均连接列译码器；电流行传输门第一端口通过第四控制传输门连接反常霍尔脉冲电流发生电路，通过第五控制传输门连接反常霍尔检测电流发生电路；电压行传输门第二端口连接放大输出电路；电流列传输门第二端口通过第三控制传输门连接反常霍尔脉冲电流发生电路，通过第一控制传输门连接地；电压列传输门第二端口与地相连，作为读出反常霍尔电压的参考地。

5.根据权利要求1所述的一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其特征在于：所述自旋量子霍尔棒线宽为100nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其特征在于：所述放大输出电路包括两个反相器N1、N2，两个反馈电阻R1、R2和一个同相放大器U1；

7.根据权利要求1所述的一种基于反常自旋量子霍尔效应的MRAM芯片电路，其特征在于：所述反常霍尔检测电流发生电路为反常霍尔存储阵列提供0.1mA检测电流，反常霍尔脉冲电流发生电路为反常霍尔存储阵列提供10mA脉冲电流。