[发明专利]非易失性存储器

说明书

一种非易失性存储器单元，包括：存储层，其包括铁磁或铁电材料，其中数据可记录为磁的或电的极化的方向；压磁层，其包括抗钙钛矿压磁材料，该抗钙钛矿压磁材料取决于压磁层中的磁性状态和应变而选择性地具有对存储层的第一类效应和对存储层的第二类效应；以及应变诱导层，其用于在压磁层中诱导应变，从而使压磁层从第一类效应切换到第二类效应。

技术领域

本发明涉及非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)单元以及向非易失性存储器单元写入数据和从非易失性存储器单元读取数据的方法。

背景技术

本发明旨在填补高性能、易失性、昂贵的计算机随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)与低性能、低成本、非易失性数据存储器件(例如硬盘驱动器(Hard DiskDrive，HDD))之间的差距。试图填补这一差距的新兴NVM技术被称为存储级存储器(StorageClass Memory，SCM)。

在提高数据存储性能方面，主要的候选技术是NAND闪存(NAND-Flash)(固态硬盘(Solid State Drive，SSD)中的主流技术)，目前这种技术太昂贵而无法取代HDD，而且其低耐用性、低性能和低能效阻碍了其作为RAM的应用。改进的HDD技术，例如热辅助磁性存储(Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR)也遭受性能低下的问题。在正在开发的非易失性存储器技术中，主要的竞争者是自旋转移矩RAM(Spin-Transfer Torque RAM，STT-RAM，其遭受可扩展性受限的问题，需要相对高的电流密度以实现状态之间的切换)、铁电RAM(Ferroelectric RAM，FRAM，其使用破坏性读出，并且遭受低耐用性的问题)、相变存储器(Phase-Change Memory，PCM，其遭受低耐用性、低能效的问题，并且依赖昂贵的有毒材料)、电阻式RAM(Resistive RAM，RRAM，其使用破坏性读出，并且被动存储器阵列遭受寄生通路问题)以及基于这些原理的多单元器件。

现有的NVM单元存在以下一个或多个缺点：它们需要晶体管以用于读取和/或写入数据；它们需要两个以上的电极以用于读取和写入数据；它们不可堆叠，因此不能形成在三维阵列中；它们在二维上具有低堆积密度。

发明内容

本发明提供了一种非易失性存储器单元，包括：存储层，其包括铁磁材料，其中数据可记录为磁化的方向；压磁层，其包括抗钙钛矿压磁材料，该抗钙钛矿压磁材料取决于压磁层中的应变而选择性地具有对存储层的第一类效应和对存储层的第二类效应；应变诱导层，其用于在压磁层中诱导应变，从而使压磁层从第一类效应切换到第二类效应。

因此，本发明利用具有变化应变的抗钙钛矿压磁材料的变化性质，选择性地改变存储层和压磁层之间相互作用的强度。这两类效应允许写入存储器单元。存储层中的磁化影响压磁层中的磁性状态。压磁层中的磁性状态由于压磁层的强磁-弹性耦合，影响压磁层的弹性性质。压磁层形成平面电容器的顶板，并测量平面电容器的容量用于仅使用两个电极来读取存储层的磁性状态(磁电容效应)。

在实施例中，第一类效应是其中压磁层的净磁化足够强以克服存储层中的矫顽场并使得通过偶极耦合将存储层的磁化与压磁层的磁化对准的效应；第二类效应是其中由于压磁层的任何磁化导致的存储层中的任何磁场低于存储层的矫顽场的效应。因此，在第二类效应中，存储层的磁化不会改变方向。

因此，为了写入信息，向压电层施加电压，该压电层诱导压磁层中的应变以改变压磁层的磁化。由于存储层和压磁层之间的偶极耦合，压磁层的磁化的改变有效地改变存储层的磁化的方向。在存储层的磁化的方向已被改变之后，由于压磁层和应变诱导层之间的小的晶格失配或由于应变诱导层的铁电极化，导致应变诱导(压电)层中的应变减小到小的值(例如，非零值)，使得压磁层中的磁化降低到使得存储层中的任何磁场低于存储层的矫顽场的水平。因此，一旦从压磁层移除应变(一旦从压电层移除电压)，存储层中的磁化的方向就不会改变。

这种布置的优点在于，可以使用与用于写入存储层的电极相同的电极来读取存储层。