[發明專利]電場寫入電阻讀出固態存儲元器件、存儲器及其讀寫方法

有效

• 申請號: 201210510232.2
• 申請日: 2012-12-03
• 公開（公告）號: CN103065679A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 高琛;楊遠俊
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G11C16/02
• 分類號: G11C16/02;G11C11/22;H01L45/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于信息存儲技術領域，具體涉及非易失性固態存儲元器件及存儲器，特別是非易失性的電場寫入、電阻讀出的的固態存儲元器件、存儲器及其信息寫入和讀出方法。

背景技術

信息存儲技術是現代電子工業發展中的重要環節。同時，實現高密度、低功耗、非易失性以及高速存儲是人們夢寐以求的目標。為此，人們發展了多種存儲器件，主要包括：利用光讀寫的光存儲介質，如CD和DVD等；利用磁場讀寫的磁性介質存儲器件，如硬盤；利用磁寫電讀的磁阻存儲器件，如磁阻隨機存儲器件(MRAM)；運用電寫電讀技術的電存儲器，如動態隨機存儲存取器(DRAM)、鐵電隨機存儲器(FeRAM)、自旋轉移力矩-磁阻存儲器(STT-MRAM)、閃存(FlashMemory)以及固態存儲器(Solid?State?Driver，SSD)等。

在上述存儲技術中，基于磁場寫入讀出技術的計算機硬盤是應用最廣泛和最成熟的存儲器件。盡管巨磁阻磁頭的大規模應用提高了硬盤的存儲密度，但是，磁頭的機械運動限制了存儲速度，另外，信息寫入需要較大的電流誘導強磁場來完成磁疇的翻轉，大大增加了信息寫入的功耗。基于電寫電讀技術的電存儲器的閃存也是目前應用較為廣泛的存儲器件，但是，一方面閃存的寫入和讀出速度慢，另一方面閃存的存儲密度較小，因此，閃存一般用作簡易的移動存儲設備。目前，基于閃存的SSD是最受人矚目的存儲器件。SSD的突出優點是讀出速度快，另外，SSD沒有讀寫頭，不需要轉動，所以固態存儲器擁有抗震性強的優點。但是，SSD成本較高、寫入功耗較大以及寫入速度較慢等缺點，大容量存儲中仍然使用硬盤進行數據存儲。

上述存儲技術要么采用電流產生的強磁場實現信息寫入(典型代表：硬盤)，要么利用電壓調控存儲單元電荷的多少來進行信息寫入和讀出(典型代表：固態存儲器)，因此這些存儲技術在寫入信息時的功耗很大，寫入較慢，這些缺點限制了他們的整體存儲性能。

因此，利用電場寫入信息來有效降低寫入功耗，同時采用無機械讀取頭的電阻讀出來提高讀出速度的存儲技術目前正成為高密度、低功耗、非易失性以及高速存儲器件研究的重點內容。而在提高存儲密度方面，除了進一步縮小記錄單元的尺寸，在同一記錄單元上利用多種狀態來存儲更多的信息量也是發展的方向。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明所要解決的技術問題是提出一種非易失性和高密度的存儲元器件和存儲器，以降低信息寫入和讀出的功耗，提高信息寫入速度。

(二)技術方案

為達到以上目的，本發明提出一種存儲元器件，包括相互緊鄰的鐵電性壓電層(4)和電阻層(2)，其中所述鐵電性壓電層(4)在外加電場作用下能產生應變，且具有多個剩余應變態，每個所述剩余應變態分別對應一個信息位；所述電阻層(2)的電阻態隨著所述鐵電性壓電層(4)的應變而變化，從而具有對應于所述鐵電性壓電層(4)多個所述剩余應變態的多個電阻態，通過測量所述多個電阻態可讀取所述信息位。

根據本發明的一種具體實施方式，所述鐵電性壓電層(4)由鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇以及鈦酸鉍鈉形成的鐵電陶瓷、固溶體、單晶中的任何一種構成。

根據本發明的一種具體實施方式，所述鐵電性壓電層(4)的厚度為500μm的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體。

根據本發明的一種具體實施方式，所述電阻層(2)由其電子結構對應變敏感的材料構成。

根據本發明的一種具體實施方式，所述電阻層(2)為氧化物、具有壓阻效應的Pt、Pt/Ir合金、Pt/W合金、Ni、Ni/Fe合金、Ni/Cu合金、Ni/Mn合金、Ni/Cr合金或具有壓阻效應的半導體薄膜。

根據本發明的一種具體實施方式，所述電阻層(2)為錳氧化物(R_1-xA_x)MnO₃，其中R是稀土元素，A堿土金屬，0＜x＜1。

根據本發明的一種具體實施方式，所述電阻層(2)為80nm厚的La_2/3Sr_1/3MnO₃薄膜。

根據本發明的一種具體實施方式，該存儲元器件還包括底電極層(3)和頂電極層(12)，并且所述底電極層(3)、鐵電性壓電層(4)、電阻層(2)和頂電極層(12)依次疊置，所述底電極層(3)和頂電極層(12)用于施加所述外加電場。

根據本發明的一種具體實施方式，所述底電極層(3)和頂電極層(12)由非磁性的導體材料構成。