[发明专利]一种基于垂直读写操作的多态非易失性固态存储单元

说明书

本发明公开了一种基于垂直读写操作的多态非易失性固态存储单元，固态存储单元包括底电极层、形成在底电极层之上的铁电性压电层、位于其上的中间电极层、紧邻中间电极层的pn结层以及位于其上的顶电极层。铁电性压电层作为信息的写入层，pn结层用做信息存储层；在垂直方向电场作用下铁电性压电层具有多个应变态，并使得其上pn结层具有多个非易失性电阻态，进而实现信息的写入和擦除；沿着垂直方向施加读出电流或电压于pn结层上，使得存储层的信息被垂直读出。信息的垂直写入和读出以及多态性特征有利于大幅提高存储密度；本发明利用电场实现信息写入和擦除亦有利于降低信息存取功耗。

技术领域

本发明属于信息存储技术领域，具体涉及多态、非易失性固态存储器件，特别是多态、非易失性固态存储元器件的电场垂直写入、电阻垂直读出的操作以及相应的信息写入和读出方法。

背景技术

IT技术突飞猛进的发展离不开信息存储技术的进步，信息存储技术成为现代电子工业发展中的重要环节。同时实现高密度、低功耗、非易失性以及高速存储是人们梦寐以求的目标。为此，人们发展了多种存储器件，主要包括：利用光读写的光存储介质，如CD和DVD等；利用磁场读写的磁性介质存储器件，如硬盘；利用磁写电读的磁阻存储器件，如磁阻随机存储器件(Magnetoresistive random access memmory，MRAM)；运用电写电读技术的电存储器，如动态随机存储存取器(DRAM)、铁电随机存储器(FeRAM)、自旋转移力矩-磁阻存储器(Spin transfer torque-MRAM，STT-MRAM)、闪存(Flash Memory)、固态存储器(SolidState Driver，SSD)；利用热效应实现信息存储的相变存储器(phase-change memory，P-RAM)等。

在上述存储技术中，基于电写电读技术的电存储器闪存是目前应用较为广泛的存储器件，但是，一方面闪存的写入和读出速度慢，另一方面闪存的存储密度较小，因此，闪存一般用作简易的移动存储设备。目前，基于闪存的固态存储器SSD是最受人瞩目的存储器件。SSD的突出优点是读出速度快，另外，SSD没有读写头，不需要转动，所以固态存储器拥有抗震性强的优点。但是，SSD成本较高、写入功耗较大以及写入速度较慢等缺点，大容量存储中仍然使用硬盘进行数据存储。基于磁场写入读出技术的计算机硬盘是应用最广泛和最成熟的存储器件。尽管巨磁阻磁头的大规模应用提高了硬盘的存储密度，但是，磁头的机械运动限制了存储速度，另外，信息写入需要较大的电流诱导强磁场来完成磁畴的翻转，大大增加了信息写入的功耗。基于磁隧道结的MRAM具有高密度、写入读取速度快以及非易失性等优势，而成为下一代磁存储的最佳候选方案之一，但是因为其功耗大、纳米尺度下的电子迁移导致导线断裂以及各相邻存储单元之间的磁干扰，低功耗高密度的MRAM存储器还需要进一步研究和完善。最近，人们针对磁场干扰限制存储密度的不足，设计了基于自旋扭矩的STT-MRAM，这一新型的STT-MRAM有望提高存储密度，但是仍然需要较大的电流来写入信息，功耗较大，而且，该类型的存储器有对温度依赖性，温度升高导致存储状态的不稳定性，这也严重限制了该存储器的应用。

分析上述几种典型的存储技术可以发现，它们要么采用电流产生的强磁场实现信息写入，比如：硬盘，MRAM，要么直接利用大电流通过铁磁性薄膜中出现的自旋扭矩效应来实现磁化强度翻转，比如：STT-MRAM，要么利用电压调控存储单元电荷的多少来进行信息写入和读出，比如：固态存储器SSD，因此这些存储技术在写入信息时的功耗很大，写入也较慢，这些缺点削弱了它们的整体存储性能。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术的不足，提供一种基于垂直读写操作的多态非易失性固态存储单元，以提高信息存储密度以及降低信息写入和读出的功耗。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于垂直读写操作的多态非易失性固态存储单元的特点是，所述固态存储单元包括铁电性压电层和pn结层；