[發明專利]一種自參考存儲結構和存算一體電路

有效

• 申請號: 202011077197.0
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112382319B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 邢國忠;林淮;劉宇;張凱平;張康瑋;呂杭炳;謝常青;劉琦;李泠;劉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 房德權

1.一種自參考存儲結構，其特征在于，包括：

三個晶體管，包括：第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管；

兩個磁隧道結，包括：第一磁隧道結、第二磁隧道結；

所述第一磁隧道結串聯于所述第一晶體管與所述第二晶體管之間；

所述第二磁隧道結串聯于所述第二晶體管與所述第三晶體管之間；

在控制所述第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管導通時，實現一位二進制信息的寫入；

還包括：字線、第一位線、第二位線、讀寫控制線、源極線；

所述第一晶體管的第一柵極和第三晶體管的第三柵極均連接所述字線，所述第二晶體管的第二柵極與所述讀寫控制線連接；

所述第一磁隧道結的第一頂電極與所述第二磁隧道結的第二頂電極均與所述源極線連接；

所述第一晶體管的第一漏極連接所述第一位線，所述第三晶體管的第三漏極連接所述第二位線；

在執行寫操作之前，進行初始化，包括：

開啟所述第一晶體管和所述第三晶體管，關閉所述第二晶體管以及所述源極線，通過對所述字線施加柵壓，使得所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結均產生自旋轉移矩效應，以使第一磁隧道結形成第一阻態，第二磁隧道結形成第二阻態，且所述第一阻態與所述第二阻態為相反阻態。

2.如權利要求1所述的自參考存儲結構，其特征在于，所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結均包括：

由下至上的自旋軌道耦合層、鐵磁自由層、隧穿層、鐵磁參考層、頂電極；

其中，所述鐵磁自由層與所述鐵磁參考層均為如下任意一種垂直各項異性的磁性材料：

CoFeB、Co₂FeAl、C_O、CoFe、Fe₃GeTe₂和Ni₃GeTe₂。

3.如權利要求2所述的自參考存儲結構，其特征在于，在通過所述字線對所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結的所述自旋軌道耦合層注入電流時，以控制所述鐵磁自由層的類場力矩和類阻尼力矩之比，滿足第一預設條件，實現無外輔助加磁場作用下的確定性磁化翻轉，使所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結的阻態發生確定性切換。

4.如權利要求2所述的自參考存儲結構，其特征在于，在通過對所述自旋軌道耦合層與所述鐵磁自由層之間的反對稱交換作用系數進行調整，以使得反對稱交換作用系數滿足0.2～0.3mJ/m²；且

通過所述字線對所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結的所述自旋軌道耦合層注入電流時，以控制所述鐵磁自由層的類場力矩和類阻尼力矩之比滿足第二預設條件時，實現無外加輔助磁場作用下的確定性磁化翻轉，使所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結的阻態發生確定性切換。

5.如權利要求1所述的自參考存儲結構，其特征在于，在執行寫操作時，包括：

開啟所述第一晶體管、所述第二晶體管、所述第三晶體管，控制所述讀寫控制線處于高電平，使得所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結，均產生自旋軌道力矩的作用，使得所述第一磁隧道結形成第二阻態，所述第二磁隧道結形成第一阻態；

在所述字線上施加高電平，注入寫電流脈沖，使得所述第一磁隧道結和所述第二磁隧道結實現快速翻轉，即數據的寫入。

6.一種存算一體電路，其特征在于，包括：

存儲單元、非對稱靈敏放大器以及電壓產生電路；

所述存儲單元包括多個并聯的如權利要求1-5中任一項所述的自參考存儲結構，所述存儲單元在電流的作用下，產生感應電壓與參考電壓的電壓差；

所述非對稱靈敏放大器包括兩個尺寸不同的晶體管；

所述電壓產生電路連接于所述存儲單元與所述非對稱靈敏放大器之間，用于將所述感應電壓與所述參考電壓的電壓差輸入所述非對稱靈敏放大器中，以實現高裕度的數據讀取以及邏輯運算功能。