本发明专利技术涉及一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，是在传统锁存单元的基础上，集成非易失性自旋霍尔效应磁隧道结器件，使锁存单元具有非易失性，具体包括两种方案。方案一是基于面内磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元；整个非易失性锁存单元由2个PMOS晶体管8个NMOS晶体管以及2个面内磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结组成。方案二是基于垂直磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元；整个非易失性锁存单元由2个PMOS晶体管，9个NMOS晶体管以及2个垂直磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结组成。本发明专利技术解决了传统易失性锁存单元掉电数据丢失的问题，从而减小锁存单元的静态功耗，同时提高数据可靠性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，用于减小锁存单元的静态功耗，同时提高数据可靠性，属于非易失性存储器
技术介绍
基于半导体晶体管的传统存储器，如静态随机存储器(SRAM)，属于易失性存储器。其基本单元结构如图1所示，通过六个晶体管形成锁存结构，从而能够存储一比特数据信息。这种锁存单元的基本原理是通过调控电子的数量来存储数据信息，但是当电路掉电时，电子会流失，因此存储的数据信息会丢失。这类锁存单元的缺点主要有两个，首先，当电路意外掉电时，存储的数据信息会丢失，因此影响数据的可靠性；然后，为了保持数据信息不丢失，即使当电路处于空闲状态时，也必须对电路一直供电，因此带来巨大的静态功耗。此外，随着工艺节点的微缩，单位面积上集成的晶体管数目越来越多，由于量子隧穿效应导致的漏电流不断增大。一方面，静态功耗越来越大；另一方面，散热问题会进一步影响电路的可靠性。因此基于半导体晶体管的传统锁存单元面临功耗与可靠性的双重挑战，难以满足现代大规模集成电路的需求。近年来，一些新型非易失性电子器件不断涌现。其中，自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)，简称为SHE-MTJ，被认为是最有潜力的非易失性电子器件之一。一个SHE-MTJ器件主要由四层组成：即固定层、隧穿层、自由层与重金属层，如图2(a)与图3(b)所示。根据SHE-MTJ磁各向异性与膜面相对方向的不同，SHE-MTJ可分为两种：面内(In-plane)磁各向异性SHE-MTJ(简称I-SHE-MTJ)与垂直(Out-of-plane)磁各向异性SHE-MTJ(简称O-SHE-MTJ)，分别如图2(a)与图3(b)所示。SHE-MTJ的自由层磁场极化方向是可变的，而固定层磁场极化方向是不可变的。通过调控SHE-MTJ自由层与固定层的相对磁场极化方向，每个SHE-MTJ可具有两种不同的电阻状态，因此可以存储一比特数据。与传统晶体管不同的是，SHE-MTJ通过调控电子的自旋属性来存储数据信息，因此具有非易失性。除了非易失性特点，SHE-MTJ还具有高密度、低功耗、高速度、抗辐射 以及耐擦写等优点。利用SHE-MTJ来设计新型非易失性电子电路，目前受到学术界与产业界的广泛关注。
技术实现思路
(一)专利技术目的：针对上述背景中提到的传统锁存单元面临的功耗与可靠性挑战，本专利技术提供一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，它克服了现有技术的不足，能够解决传统易失性锁存单元掉电数据丢失的问题，从而减小锁存单元的静态功耗，同时提高数据可靠性。(二)技术方案：本专利技术的技术方案是：一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，其特征是在传统锁存单元的基础上，集成非易失性自旋霍尔效应磁隧道结(SHE-MTJ)器件，从而使锁存单元具有非易失性。根据SHE-MTJ器件的种类不同，本专利技术提出两种实施方案。方案一：基于I-SHE-MTJ的非易失性锁存单元；如图4所示。整个非易失性锁存单元由2个PMOS晶体管8个NMOS晶体管以及2个面内磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结(I-SHE-MTJ)组成。方案二：基于O-SHE-MTJ的非易失性锁存单元；如图5所示。整个非易失性锁存单元由2个PMOS晶体管，9个NMOS晶体管以及2个垂直磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结组成。(三)优点及功效:本专利技术提供一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，解决传统易失性锁存单元掉电数据丢失的问题，从而减小锁存单元的静态功耗，同时提高数据可靠性。附图说明图1为传统易失性锁存单元示意图。图2(a)为I-SHE-MTJ器件的结构示意图。图2(b)为I-SHE-MTJ电路符号图。图3(a)为O-SHE-MTJ器件的结构示意图。图3(b)为O-SHE-MTJ电路符号图。图4为本专利技术提出的基于I-SHE-MTJ的非易失性锁存单元示意图。图5为本专利技术提出的基于O-SHE-MTJ的非易失性锁存单元示意图。其中，图1到图5以及全文中的符号和参数定义为：BL：表示位线，为Bit-Line的简称；BLB：表示BL的互补位线；WL：表示字线，为Word-Line的简称；Gnd：表示地电位；Q：表示节点Q；QB：表示节点QB；NMOS：表示N型金属氧化物半导体，为N-Mental-Oxide-Semiconductor的简称；PMOS：表示P型金属氧化物半导体，为P-Mental-Oxide-Semiconductor的简称；P1-P2：表示第1号到第2号PMOS晶体管；N1-N9：表示第1号到第9号NMOS晶体管；T1-T3：表示I-SHE-MTJ与O-SHE-MTJ的端口；I1-I2：表示第1号到第2号I-SHE-MTJ器件；O1-O2：表示第1号到第2号O-SHE-MTJ器件；Ctrl：访问控制信号；W_EN：写入控制信号；R_EN：读取控制信号；SRAM：静态随机存储器，为Static Random Access Memory的简称；SHE：自旋霍尔效应，为Spin Hall Effect的简称；MTJ：磁隧道结，为Magnetic Tunnel Junction的简称；STT：自旋转移矩，为Spin Transfer Torque的简称。具体实施方式参照附图，进一步说明本专利技术的实质性特点。在此公开了详细的示例性实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本专利技术，且本专利技术不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本专利技术范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，将不会详细描述或将省略本专利技术的众所周知的元件，器件与子电路，以免混淆本专利技术的实施例的相关细节。图1为传统易失性锁存单元示意图；其由2个PMOS晶体管(P1-P2)，4个NMOS晶体管(N1-N4)组成。它们之间的连接关系是：P1-P2的源极连接供电电压Vdd，漏极分别连接N3-N4的漏极，栅极分别连接N3-N4的栅极；N3-N4的源极连接地电压Gnd；N1-N2的栅极同时连接字线WL，源极分别连接位线BL与互补位线BLB；N1的漏极，P1的漏极，N3的漏极，P2的栅极，以及N4的栅极同时连接在一起，称为节点Q；N2的漏极，P2的漏极，N4的漏极，P1的栅极，以及N3的栅极同时连接在一起，称为节点QB。当处于数据保持模式时，WL为低电平，N1与N2断开，由于P1，P2，N3与N4形成一个交叉耦合的锁存结构，因此节点Q与QB始终处于互补状态。执行写入操作时，WL信号为高电平，此时N1与N2导通；BL与BLB提供的数据分别写入到节点Q与QB中。执行读取操作时，首先对BL与BLB同时充电到高电平，然后WL信号变为高电平，此时N1与N2导通；如果Q为高电平，即数据1，QB为低电平，即数据0，则N4与P1导通，N3与P2断开，这样BLB通过N4进行放电，变为低电平，而BL维持高电平，从而能够读取存储在锁存单元中的数据；反之，如果Q为低电平，即数据0，QB为高电平，即数据1，则N4与P1断开，N3与P2导通，这样BL通过N3进行放电，变为低电平，而BL维持高电平，从而能够读取存储在锁存单本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，其特征是在传统锁存单元的基础上，集成非易失性自旋霍尔效应磁隧道结器件，使锁存单元具有非易失性。
【技术特征摘要】
1.一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，其特征是在传统锁存单元的基础上，集成非易失性自旋霍尔效应磁隧道结器件，使锁存单元具有非易失性。2.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元，其特征是该非易失性锁存单元是基于面内磁各向异性自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性锁存单元；整个非易失性锁存单元由2个PMOS...
【专利技术属性】
技术研发人员：康旺，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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