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Advanced Electronic Materials:新型非易失逻辑存储器—基于导电丝环绕的磁性隧道结异质结忆阻器件


    功耗、读写速度和擦写次数是目前主流存储器(SRAM、DRAM)所面对的三大挑战。近年来,随着摩尔定律不断逼近CMOS器件的物理极限,以磁随机存储器(MRAM)和阻变式存储器(RRAM)为代表的非易失存储器受到了科研工作者和半导体厂商的广泛关注。MRAM可实现高速读写操作,低功耗和无限次擦写,但其较低的隧穿磁阻比率(TMR)对应用的可靠性有不利影响。RRAM具有高的阻变比率(ON/OFFratio)和多个电阻状态,但其读写速率较慢且擦写次数有限。如何寻找一种集合MRAM和RRAM双方优点的新型存储器,是目前非易失存储器领域的研究热点。


MRAM

RRAM

优势

高速读写,无限次擦写

高阻变比率,多态存储

不足

低隧穿磁阻比率

读写速度较低,擦写次数有限

   

    近日,针对这一问题,北京航空航天大学赵巍胜教授课题组和法国科学院Dafine Ravelosona教授课题组合作设计并成功实现了一种纳米尺寸的逻辑存储器件,可在单一器件中同时实现MRAM和RRAM的结构及功能。该逻辑存储器件基于一种具有阻变增强特性的磁性隧道结(Re-MTJ),在结构上由磁性隧道结和四周环绕的硅离子导电丝构成。该Re-MTJ器件可分别在磁性隧道结和导电丝结构中实现基于自旋转移力矩(Spin Transfer Torque, STT)效应的磁性翻转(magnetic switching)和基于氧离子移动的电阻翻转(resistiveswitching)。

Advanced Electronic Materials:新型非易失逻辑存储器—基于导电丝环绕的磁性隧道结异质结忆阻器件

    在Re-MTJ器件的制备过程中通过使用特殊的工艺和材料,可在基于CoFeB-MgO的磁性隧道结和基于氧化硅的填充介质的交界面处形成具有阻变特性的导电丝通道。HRTEM和EDS的测试结果显示,导电丝由硅离子构成,其物理尺寸约为5纳米。电输运测试显示,通过外加电场控制导电丝的形态,可实现具有忆阻特性的电阻翻转;而磁性隧道结在极化电流和/或外加磁场的控制下,可在平行态(Parallel)和反平行态(antiparallel)之间进行磁性翻转。磁性翻转和电阻翻转可以相互叠加并通过外部输入独立进行控制;同时,随机特性在两种翻转过程中均被观测到。与传统非易失存储器相比,Re-MTJ器件可实现多个独立可控的电阻状态,阻变比率高于1000%,可在同一器件结构中实现高速、无限次擦写的逻辑计算以及高可靠性的数据存储。

    本工作可用于实现具有低功耗、高读写速度、无限擦写次数、高密度且与CMOS工艺兼容的非易失存储器。通过在新型存储架构中嵌入Re-MTJ器件,有望实现即关/即开计算(normally-off/instant-oncomputing)、神经网络计算和逻辑存储器(logic-in-memory)架构等功能。该成果为在后摩尔时代实现非冯诺依曼体系结构提供了新的思路。

    相关文章已在线发表在 Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/adma.201700461)上。本工作获得了北京市高精尖中心“大数据与脑机智能”,北京市科委及国家自然基金委的支持。



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