專利名稱：電場寫入電阻讀出固態(tài)存儲元器件、存儲器及其讀寫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及非易失性固態(tài)存儲元器件及存儲器，特別是非易失性的電場寫入、電阻讀出的的固態(tài)存儲元器件、存儲器及其信息寫入和讀出方法。
背景技術(shù)：
信息存儲技術(shù)是現(xiàn)代電子工業(yè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。同時，實現(xiàn)高密度、低功耗、非易失性以及高速存儲是人們夢寐以求的目標。為此，人們發(fā)展了多種存儲器件，主要包括利用光讀寫的光存儲介質(zhì)，如CD和DVD等；利用磁場讀寫的磁性介質(zhì)存儲器件，如硬盤；利用磁寫電讀的磁阻存儲器件，如磁阻隨機存儲器件(MRAM);運用電寫電讀技術(shù)的電存儲器，如動態(tài)隨機存儲存取器(DRAM)、鐵電隨機存儲器(FeRAM)、自旋轉(zhuǎn)移力矩-磁阻存儲器(STT-MRAM)、閃存(FlashMemory)以及固態(tài)存儲器(Solid State Driver, SSD)等。在上述存儲技術(shù)中，基于磁場寫入讀出技術(shù)的計算機硬盤是應(yīng)用最廣泛和最成熟的存儲器件。盡管巨磁阻磁頭的大規(guī)模應(yīng)用提高了硬盤的存儲密度，但是，磁頭的機械運動限制了存儲速度，另外，信息寫入需要較大的電流誘導(dǎo)強磁場來完成磁疇的翻轉(zhuǎn)，大大增加了信息寫入的功耗?；陔妼戨娮x技術(shù)的電存儲器的閃存也是目前應(yīng)用較為廣泛的存儲器件，但是，一方面閃存的寫入和讀出速度慢，另一方面閃存的存儲密度較小，因此，閃存一般用作簡易的移動存儲設(shè)備。目前，基于閃存的SSD是最受人矚目的存儲器件。SSD的突出優(yōu)點是讀出速度快，另外，SSD沒有讀寫頭，不需要轉(zhuǎn)動，所以固態(tài)存儲器擁有抗震性強的優(yōu)點。但是，SSD成本較高、寫入功耗較大以及寫入速度較慢等缺點，大容量存儲中仍然使用硬盤進行數(shù)據(jù)存儲。上述存儲技術(shù)要么采用電流產(chǎn)生的強磁場實現(xiàn)信息寫入(典型代表硬盤)，要么利用電壓調(diào)控存儲單元電荷的多少來進行信息寫入和讀出(典型代表固態(tài)存儲器)，因此這些存儲技術(shù)在寫入信息時的功耗很大，寫入較慢，這些缺點限制了他們的整體存儲性能。因此，利用電場寫入信息來有效降低寫入功耗，同時采用無機械讀取頭的電阻讀出來提高讀出速度的存儲技術(shù)目前正成為高密度、低功耗、非易失性以及高速存儲器件研究的重點內(nèi)容。而在提高存儲密度方面，除了進一步縮小記錄單元的尺寸，在同一記錄單元上利用多種狀態(tài)來存儲更多的信息量也是發(fā)展的方向。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種非易失性和高密度的存儲元器件和存儲器，以降低信息寫入和讀出的功耗，提高信息寫入速度。( 二 )技術(shù)方案為達到以上目的，本發(fā)明提出一種存儲元器件，包括相互緊鄰的鐵電性壓電層(4)和電阻層(2)，其中所述鐵電性壓電層(4)在外加電場作用下能產(chǎn)生應(yīng)變，且具有多個剩余應(yīng)變態(tài)，每個所述剩余應(yīng)變態(tài)分別對應(yīng)一個信息位；所述電阻層(2)的電阻態(tài)隨著所述鐵電性壓電層⑷的應(yīng)變而變化，從而具有對應(yīng)于所述鐵電性壓電層⑷多個所述剩余應(yīng)變態(tài)的多個電阻態(tài)，通過測量所述多個電阻態(tài)可讀取所述信息位。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述鐵電性壓電層⑷由鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇以及鈦酸鉍鈉形成的鐵電陶瓷、固溶體、單晶中的任何一種構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述鐵電性壓電層(4)的厚度為500i!m的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述電阻層(2)由其電子結(jié)構(gòu)對應(yīng)變敏感的材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述電阻層(2)為氧化物、具有壓阻效應(yīng)的Pt、Pt/Ir合金、Pt/ff合金、N1、Ni/Fe合金、Ni/Cu合金、Ni/Mn合金、Ni/Cr合金或具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體薄膜。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述電阻層⑵為錳氧化物(RhAx)MnO3，其中R是稀土元素，A堿土金屬,0 < X < I。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述電阻層(2)為80nm厚的La2/3Sr1/3Mn03薄膜。

根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，該存儲元器件還包括底電極層(3)和頂電極層
(12)，并且所述底電極層(3)、鐵電性壓電層(4)、電阻層⑵和頂電極層(12)依次疊置，所述底電極層(3)和頂電極層(12)用于施加所述外加電場。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述底電極層(3)和頂電極層(12)由非磁性的導(dǎo)體材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述頂電極層(12)在平行所述疊層的平面上被圖案化，以使該頂電極層(12)分成多個電極區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述電阻層(2)的上方非電極區(qū)，即是未被頂電極層(12)遮蓋的部分，在該未遮蓋的部分設(shè)置保護層(6)，所述保護層(6)用于保護所述電阻層⑵。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，在所述底電極層(3)的一側(cè)還包括一個基片層(I I)，其用于對所述存儲元器件進行力學(xué)支撐。本發(fā)明還提出一種存儲器，包括所述的存儲元器件。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，存儲器還包括由所述的存儲元器件組成的矩形陣列、多組信息讀寫電路、和用于選擇性寫入和讀出某一固態(tài)存儲元器件功能的多個晶體管。本發(fā)明還提出一種信息寫入方法，用于將信息寫入所述的存儲元器件，包括如下步驟使大小為所述鐵電性壓電層⑷的材料的飽和極化電場的寫入電場施加在所述鐵電性壓電層⑷上，接著將寫入電場變化至0，將此時所述鐵電性壓電層⑷的剩余應(yīng)變態(tài)作為信息值“0” ;將所述寫入電場變化為所述鐵電性壓電層(4)的矯頑場的0. 9 0. 98倍，再將該寫入電場變化為0，將此時的剩余應(yīng)變態(tài)成作為信息值“ I ”，所述矯頑場與所述飽和極化電場的正負符號不同。本發(fā)明還提出一種信息寫入方法，用于將信息寫入所述的存儲元器件，該方法還包括如下步驟使大小為所述鐵電性壓電層(4)的材料的正飽和極化電場的寫入電場施加在所述鐵電性壓電層(4)上，接著將寫入電場變化至O，將此時所述鐵電性壓電層(4)的剩余應(yīng)變態(tài)作為信息值“0”;將所述寫入電場變化為所述鐵電性壓電層(4)的負矯頑場的
0.9 0. 98倍，再將該寫入電場變化為0，將此時所述鐵電性壓電層(4)的剩余應(yīng)變態(tài)稱作為信息值“I”；使大小為所述鐵電性壓電層(4)的材料的負飽和極化電場的寫入電場施加在所述鐵電性壓電層⑷上，接著將寫入電場變化至0，將此時所述鐵電性壓電層⑷的剩余應(yīng)變態(tài)也作為信息值“0”;將所述寫入電場變化為所述鐵電性壓電層(4)的正矯頑場的
0.9 0. 98倍，再將該寫入電場變化為0，將此時所述鐵電性壓電層(4)的剩余應(yīng)變態(tài)稱作為信息值“2”。(三)有益效果本發(fā)明提出的電寫電讀的存儲元器件和存儲器，不需要磁存儲器件的寫入電流磁場，因此降低了寫入功耗，也避免了寫入電流磁場對其它存儲單元的影響，可以縮小存儲單元的尺寸和間距，從而提高存儲密度；而且，本發(fā)明適用于三個信息位的存儲，因此在相同數(shù)量存儲單元的情況下增加了 50%的信息存儲量。再者，本發(fā)明相比于閃存具有寫入和讀出功耗小、寫入速度快的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的固態(tài)存儲元器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的 固態(tài)存儲元器件的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的固態(tài)存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是對于本發(fā)明的固態(tài)存儲器利用寫入電場寫入信息的示意圖；圖5是對于本發(fā)明的固態(tài)存儲器的信息讀出示意圖；圖6是本發(fā)明的實施例1的固態(tài)存儲元器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的實施例1的利用電場調(diào)控壓電層應(yīng)變態(tài)的圖表；圖8是本發(fā)明的實施例1的利用電場調(diào)控電阻層電阻態(tài)的圖表；圖9是本發(fā)明的實施例1的由寫入電場脈沖序列調(diào)控電阻層電阻態(tài)的圖表；圖10是本發(fā)明的實施例2的利用電場調(diào)控壓電層三個應(yīng)變態(tài)的圖表；圖11是本發(fā)明的實施例2的利用電場調(diào)控壓電層三個應(yīng)變態(tài)的圖表；圖12是本發(fā)明的實施例2的由寫入電場脈沖序列調(diào)控電阻層三個電阻態(tài)的圖表。附圖標記說明I存儲元器件2電阻層3底電極層4鐵電性壓電層5信息寫入裝置6保護層7、8 頂電極端子9底電極端子
10信息讀出裝置11基片層12頂電極層
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變或者應(yīng)力可以有效調(diào)控材料的晶格(聲子)與電子、自旋、軌道等的相互作用，從而達到調(diào)控材料的電、磁、光等物理特性的目的。例如，人們已經(jīng)利用應(yīng)變來調(diào)控半導(dǎo)體薄膜、超導(dǎo)體、龐磁電阻薄膜、金屬材料、鐵電體、鐵氧體材料以及多鐵性材料等的電磁學(xué)性能等。產(chǎn)生應(yīng)變或者應(yīng)力的方式主要有機械作用力、熱效應(yīng)、設(shè)計特殊形狀的材料誘導(dǎo)應(yīng)變以及薄膜材料的外延關(guān)系誘導(dǎo)應(yīng)變等。最近，德國萊布尼茲研究所的K. Dorr等人提出了另外一種誘導(dǎo)應(yīng)變的方法在晶格參數(shù)可實時調(diào)整的壓電材料襯底上生長外延、多晶和非晶薄膜等，通過壓電襯底的逆壓電效應(yīng)將應(yīng)變傳遞到近鄰的薄膜中，從而，薄膜應(yīng)變隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，達到電場調(diào)控材料電磁性能的目的。
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基于上述思想，我們提出一種電場寫入存儲信息、電阻讀出存儲信息的新型存儲元器件，具有降低寫入和讀出功耗低、提高存儲密度、加快存儲存取速度以及非易失性等優(yōu)點。圖1是本發(fā)明的固態(tài)存儲元器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，存儲元器件具有疊層結(jié)構(gòu)，自下而上分別疊置有底電極層3、鐵電性壓電層4、電阻層2、和頂電極層12，其中，底電極層3連接有一個底電極端子9，頂電極層連接有頂電極端子7、8。該存儲元器件具有場效應(yīng)管類似的電極結(jié)構(gòu)，我們用I代表這一元器件。底電極層3和頂電極層12由非磁性的導(dǎo)體材料構(gòu)成，優(yōu)選為非磁性的良導(dǎo)體材料，例如但不限于Ag、Al、Pt、Cr/Cu和Cr/Au等。而且，底電極層3和頂電極層可以由相同材料構(gòu)成，也可以用其他不同種類的導(dǎo)電材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，底電極層3厚度可以為幾十納米至微米量級，例如，根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，其可采用300nm厚的Au作為電極。根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，頂電極層12在平行所述疊層結(jié)構(gòu)的平面上被圖案化，從而使頂電極層12分成多個電極區(qū)，例如形成雙電極或四電極，即分別形成兩個或四個電極區(qū)。采用四電極需要占據(jù)較多的空間，不利于存儲密度的提高，且四電極制備比雙電極復(fù)雜，因此本發(fā)明優(yōu)選為形成兩個電極區(qū)。圖1中顯示了當頂電極層12具有雙電極的形態(tài)，即在電阻層2的兩端分別形成兩個頂電極，其分別與頂電極端子7、8相連接。頂電極層12的厚度可以為幾十納米至微米量級，例如本發(fā)明中的一實施方式為采用300nm厚的Au作為頂電極。鐵電性壓電層4可以是由鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇以及鈦酸鉍鈉等形成的鐵電陶瓷、固溶體、單晶中的任何一種構(gòu)成。鐵電性壓電層4的厚度可以為幾微米至幾百微米，例如本發(fā)明的的一種具體實施方式
采用500 厚的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體作為鐵電性壓電層。對于電阻層2的材料的選擇，原則上選用其電子結(jié)構(gòu)對應(yīng)變敏感的材料。根據(jù)本發(fā)明，電阻層2優(yōu)選但不局限于以下材料氧化物(如錳氧化物(RhAx)MnO3O) < x < I)，其中，R是La、Ce等稀土元素，A是Ca、Sr等堿土金屬)、具有壓阻效應(yīng)的Pt、Pt/Ir合金、Pt/W合金、N1、Ni/Fe合金、Ni/Cu合金、Ni/Mn合金、Ni/Cr合金、具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體薄膜(如Si以及Si/Ge合金等)，等等。電阻層2的厚度可以為幾納米到幾百納米，例如本發(fā)明中的一實施方式為采用80nm厚的La2/3Sr1/3Mn03薄膜。與頂電極層12相連的兩個頂電極端子7、8和與底電極層3相連的底電極端子9可由半導(dǎo)體工業(yè)所熟知的布線工藝來制備，可選擇Al作為電極之間互聯(lián)材料，通過熱蒸發(fā)等工藝形成的Al薄膜與電極形成良好的歐姆接觸，以便進行電阻測量。頂電極端子7和頂電極端子8在功能上沒有區(qū)別，其角色可互換。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，頂電極層12被圖案化而成為多個電極區(qū)，在電阻層2的上方非電極區(qū)，即是未被頂電極層12遮蓋的部分，在該部分設(shè)置保護層6，保護層6用于保護電阻層。保護層6可以由SiO2、Al2O3以及MgO等常見絕緣體材料形成，其厚度一般不小于幾十納米，例如50nm。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，在底電極層3的一側(cè)還具有一個基片層11，其用于對存儲元器件進行力學(xué)支撐。基片層11可以是半導(dǎo)體工業(yè)普遍采用的非晶SiO2薄膜/Si基片，基片層11與底電極層3直接相連，其厚度為幾百微米，例如270 u m。當具有基片層11時，圖2中的端子9與圖1中的位置不同，這只是為了顯示清楚而做的一種示意性的表示，不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。本發(fā)明中只要端子9與底電極3有物理連接即可。本發(fā)明的存儲元器件的工作原理在寫入電場作用下，鐵電性壓電層4能產(chǎn)生非易失性應(yīng)變，該應(yīng)變傳遞到電阻層2，非易失性地調(diào)控了所述電阻層2的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)制了所述電阻層2的電阻率，實現(xiàn)了可電場寫入和電阻讀出的存儲元器件。下面具體說明。如前所述，所述鐵電性壓電層4形成在所述底電極層3之上，在進行信息寫入操作時，寫入電場通過頂電極12和底電極3 (端子7、8和9作電極引線)施加在鐵電性壓電層4上，鐵電性壓電層4在所述寫入電場作用下產(chǎn)生逆壓電響應(yīng)一即產(chǎn)生應(yīng)變，這種應(yīng)變可以作為一種信息寫入的方式。由于這種應(yīng)變在電場撤除后不會完全消失，使得寫入信息具有非易失的特性。電阻層2形成在鐵電性壓電層4之上，由此，鐵電性壓電層4的應(yīng)變(或稱為原位應(yīng)變)能夠傳遞到與之緊鄰的電阻層2。本發(fā)明的所述電阻層2具有對應(yīng)變敏感的電子結(jié)構(gòu)，從而在施以寫入電場產(chǎn)生的應(yīng)變作用下，其電阻態(tài)將發(fā)生改變，由此，測量其電阻態(tài)，可以讀出所寫入到所述存儲元器件中的信息。在本發(fā)明中，根據(jù)所述電阻態(tài)數(shù)量的不同，存儲元器件中存儲的信息可以是二值信息，也可以是三值信息。也就是說，如果寫入信息后可測量的電阻態(tài)數(shù)為兩個，則為二值信息，可測量的電阻態(tài)為三個，則為三值信息，二值信息可以表示為“0”和“ I ”，三值信息可以表示為“O”、“I”和“2”。以上已描述了本發(fā)明的固態(tài)存儲元器件的結(jié)構(gòu)和信息寫入和讀出原理。基于如上所述的固態(tài)存儲元器件，本發(fā)明還提供一種固態(tài)存儲器，其包含多個上述固態(tài)存儲元器件組成的矩形陣列、多組信息讀寫電路、還包括實現(xiàn)選擇性寫入和讀出某一固態(tài)存儲元器件功能的多個晶體管(采用存儲行業(yè)熟知的結(jié)構(gòu)和布線方法形成晶體管)，從而具有獨立的信息讀寫功能。固態(tài)存儲器可以采用半導(dǎo)體工業(yè)所熟知的薄膜沉積、刻蝕、光刻以及布線方法來構(gòu)建存儲陣列。圖3示出了本發(fā)明的含單個存儲元器件的固態(tài)存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，除了上述固態(tài)存儲元器件之外，該固態(tài)存儲器還包括一個信息寫入裝置5。所述信息寫入裝置5通過底電極端子9和頂電極端子7、8分別與底電極3和頂電極層12電學(xué)相連。所述信息寫入裝置5用于把所需寫入的信息轉(zhuǎn)化為寫入電場或電場脈沖序列，經(jīng)底電極層3和頂電極12施加在鐵電性壓電層4上。具體地，我們利用附圖4和5詳細說明信息的寫入與讀出。首先，所需寫入的信息經(jīng)信息寫入裝置5轉(zhuǎn)化為寫入電場或電場脈沖序列，所述寫入電場由底電極層3和頂電極層12施加在鐵電性壓電層4上，如附圖4所示。定義Es為鐵電性壓電層材料的飽和極化電場，可以為正，也可以為負，在此以正電場為例說明。飽和極化電場Es的大小使得能夠飽和極化鐵電性壓電層4。首先，將大小為Es的寫入電場施加在鐵電性壓電層4上，此時，所述鐵電性壓電層4的應(yīng)變處于飽和狀態(tài)。緊接著，把寫入電場由+Es減小到0 (Es > 0)，此時鐵電性壓電層4的應(yīng)變態(tài)相應(yīng)的發(fā)生改變，成為剩余應(yīng)變態(tài)。本發(fā)明將此時的剩余應(yīng)變態(tài)定義為信息值“0”，且鐵電性壓電層4的所有應(yīng)變以此為參照點。此時的存儲器的狀態(tài)如附圖4左下插圖所示，圖中單向箭頭表示鐵電性壓電層4的鐵電疇的電極化方向。由圖中可見，此時所有鐵電疇的電極化全部向下，鐵電性壓電層4處于壓應(yīng)變狀態(tài)。到此，我們將信息“0”寫入鐵電性壓電層4。接下來，寫入電場(為負)減小到矯頑場-E。附近(該矯頑場-E。與飽和極化電場Es的正負符號不同，此時的寫入電場強度略大于-E。, 一般選擇-0. 9E。 -0. 98E。以保證可觀的剩余應(yīng)變量。E。> 0)，該寫入電場將退極化鐵電性壓電層4，部分鐵電疇將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即鐵電極化方向朝上，此時，寫入電場誘導(dǎo)一較大的相反方向的正應(yīng)變；然后，增大寫入電場至0，鐵電疇將維持在退極化狀態(tài)，與此同時，張應(yīng)變減小，但仍然維持一可觀的剩余應(yīng)變，本發(fā)明將此時的剩余應(yīng)變態(tài)定義為信息值“1”，如附圖4右上插圖所示。圖中的雙向箭頭表示張應(yīng)變。至此，將信息“I”寫入鐵電性壓電層4。重復(fù)上述步驟可實現(xiàn)所述二值剩余應(yīng)變狀態(tài)表示的信息值“0”和“I”之間的翻轉(zhuǎn)，從而編碼不同的存儲信息。下面介紹寫入信息的讀出。如圖3所示，本發(fā)明的固態(tài)存儲器還包括一個信息讀出裝置10。所述信息讀出裝置10通過頂電極端子7、8與電阻層2電學(xué)互連。附圖5是本發(fā)明的固態(tài)存儲器所存儲信息的讀出示意圖。如附圖5右上和左下插圖所示，電阻層2的電阻基本上跟隨應(yīng)變-寫入電場的變化而變化。因此，所述信息讀出裝置10通過檢測與鐵電性壓電層4的兩種剩余應(yīng)變態(tài)相對應(yīng)的兩種電阻態(tài)，即可讀出被寫入的信息。如圖所示，兩種電阻態(tài)一為高阻態(tài)Rh，對應(yīng)信息位“ I ” ;一為低阻態(tài)&，對應(yīng)信息位“O”。以上說明了飽和極化電場Es為正電場時的情形，稱之為正向掃描方式?；陬愃频脑恚部梢詫崿F(xiàn)利用負向掃描方式來實現(xiàn)二值信息的寫入和讀出。并且，根據(jù)本發(fā)明，還能夠結(jié)合正向掃描方式和負向掃描方式實現(xiàn)三個信息位的寫入和讀出。三個信息位可以分別表示為信息位“ 0 ”、“ I ”、“ 2 ”，與兩個信息位“0 ”和“ I ”類似的寫入和讀出原理，利用負的飽和極化電場-Es(Es > 0)也能實現(xiàn)信息的寫入和讀出，稱之為負向掃描方式。如圖10所示，負向掃描電場可獲得應(yīng)變態(tài)“2”，而且該應(yīng)變比正向掃描獲得的剩余應(yīng)變“I”要大。經(jīng)研究表明，寫入電場掃描歷史的不同，使得鐵電疇翻轉(zhuǎn)亦不同，從而獲得不同的剩余應(yīng)變態(tài)“I”和“2”。相應(yīng)地，電阻層2的電阻可被應(yīng)變所調(diào)控，因此，圖11獲得了兩個不同的電阻態(tài)“ I”和“ 2 ”;另外，無論電場掃描從+Es降低到O電場還是電場掃描從-Es增加到O電場，由于剩余應(yīng)變在這兩種掃描方式下變化不大，電阻層2的剩余電阻也變化不大，即所述的“0”態(tài)。下面通過具體實施例來進一步描述本發(fā)明，以使本發(fā)明的原理、技術(shù)方案和技術(shù)效果更加清楚。實施例1實施例1是一種二態(tài)固態(tài)存儲元器件，參見附圖6，在該實施例中，利用磁控濺射工藝在(011)取向的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(0. 7Pb (Mg273Nbl73) O3-O. 3PbTi0s,簡稱PMN-0.3PT,尺寸5mmX5. 5mmX0. 55mm)固溶體單晶襯底上生長80nm厚的猛氧化物薄膜La2/3Sr1/3Mn03 (簡稱LSM0)，PMN-0. 3PT作為鐵電性壓電層4，LSMO作為電阻層2 ;以Au作底電極層3和頂電極層12，寫入電場(V)經(jīng)電極互連極化PMN-0. 3PT襯底，誘導(dǎo)產(chǎn)生鐵電性壓電層4的原位剩余應(yīng)變；相應(yīng)地，LSMO在〈100〉方向的剩余電阻態(tài)被信息讀出裝置讀出。圖7是本發(fā)明的實施例1的利用電場調(diào)控壓電層應(yīng)變態(tài)的圖表。如圖7所示，在該實施例1中，當寫入時，先用正的飽和電場極化PMN-0. 3PT鐵電性壓電層4，然后進行電場掃描。當電場降低并經(jīng)過零點時，產(chǎn)生一剩余應(yīng)變態(tài)，將其作為信息位“0”，如附圖7的“0”標記所示；當電場掃描到一個負的矯頑場-E。附近時，增加電場至0，即可獲得剩余應(yīng)變態(tài)“I”。至此，該實施例的存儲元器件完成了兩非易失性應(yīng)變態(tài)“0”和“1”，即完成了 “O”、“I”信息的寫入。附圖8是電阻以及電阻變化率隨寫入電場的變化關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)電阻和電阻變化率定性地依賴于附圖7的應(yīng)變-寫入電場曲線；而且，我們獲得了兩種與剩余應(yīng)變相對應(yīng)的電阻態(tài)“0”、“1”。由此，我們可以通過測量電阻態(tài)讀出所寫入存儲元器件中的“0”或“I”信
肩、O最后，我們演示電阻態(tài)在寫入電場脈沖序列作用下的來回翻轉(zhuǎn)。如附圖9上半部分所示，寫入電場為一脈沖序列，下半部分是相應(yīng)的電阻態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)電阻態(tài)“O”、“I”隨著寫入電場脈沖相應(yīng)變換，表明信息可連續(xù)的寫入、擦除和讀出。實施例2進一步地，基于鐵電性壓電材料的應(yīng)變對所加電場歷史的依賴性，我們利用實施例I中提出的LSM0/PMN-0. 3PT異質(zhì)結(jié)實施了一種三態(tài)固態(tài)存儲器。在該實施例中，我們采用實施例1的樣品。附圖10所示是面內(nèi)整體應(yīng)變隨著寫入電場的變化關(guān)系。應(yīng)變分別從正(黑白圓形線條)和負(方塊形線條)寫入電場開始掃描，經(jīng)過兩不同的電場掃描方式，產(chǎn)生了三個剩余電阻態(tài)和“2”。具體地，與實施例1類似，首先進行寫入電場的正向掃描，我們可獲得“0”和“I”態(tài)；然后，減小寫入電場(達到-Es)使鐵電性壓電層飽和極化，負向掃描，增大寫入電場并經(jīng)過零點時，產(chǎn)生一剩余應(yīng)變態(tài)，將其作為信息位“0”，如附圖11的“0”標記所示；當電場掃描到一個矯頑場+E。附近(0. 9E。 0. 98E。)時，減小電場降低到0，即可獲得剩余應(yīng)變態(tài)“2”(如圖10所示)。至此，該實施例的存儲元器件完成了兩非易失性應(yīng)變態(tài)“0 ”和“ 2 ”，即完成了 “0 ”、“ 2 ”信息的寫入。
緊接著，我們在附圖10所示的掃描電場下，測量電阻-寫入電場之間的關(guān)系曲線，如附圖11所示，電阻變化行為定性地依賴于附圖10中的行為，從而獲得電阻態(tài)“2”，該電阻態(tài)對應(yīng)著寫入信息。經(jīng)過上述兩個完整的電場掃描后，我們完成了三態(tài)信息的和“2”寫入和讀出。同樣，實驗證明和“2”態(tài)之間可以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。附圖12上半部分是寫入電場脈沖序列，下半部分是相應(yīng)的電阻態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)電阻態(tài)和“2”可在寫入電場脈沖作用下相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)三態(tài)信息的寫入和讀出。實驗證明，和現(xiàn)有幾種典型非易失性存儲技術(shù)相比，本發(fā)明的電寫電讀存儲元器件和存儲器由于沒有磁存儲器件的寫入電流磁場，降低了寫入功耗，也避免了寫入電流磁場對其它存儲單元的影響，可以縮小存儲單元的尺寸和間距，從而提高存儲密度；而且，常用的存儲器件都是二態(tài)的，一個存儲單元只能存儲“0”、“ I ”兩種狀態(tài)，而本發(fā)明的電寫電讀存儲元器件可以是三態(tài)的，一個存儲單元可以存儲“0”、“1”、“2”三種狀態(tài)，相同數(shù)量存儲單元的情況下增加了 50%的信息存儲量。另外，與目前應(yīng)用較多的閃存相比，本發(fā)明的寫入和讀出功耗小，而且寫入速度快。因此，本發(fā)明具有寫入和讀出功耗低、存儲密度高、速度快以及非易失性等優(yōu)點。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種存儲元器件，其特征在于，包括相互緊鄰的鐵電性壓電層(4)和電阻層(2)，其中 所述鐵電性壓電層(4)在外加電場作用下能產(chǎn)生應(yīng)變，且具有多個剩余應(yīng)變態(tài)，每個所述剩余應(yīng)變態(tài)分別對應(yīng)一個信息位； 所述電阻層(2)的電阻態(tài)隨著所述鐵電性壓電層(4)的應(yīng)變而變化，從而具有對應(yīng)于所述鐵電性壓電層(4)多個所述剩余應(yīng)變態(tài)的多個電阻態(tài)，通過測量所述多個電阻態(tài)可讀取所述信息位。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲元器件，其特征在于，所述鐵電性壓電層(4)由鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇以及鈦酸鉍鈉形成的鐵電陶瓷、固溶體、單晶中的任何一種構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的存儲元器件，其特征在于，所述鐵電性壓電層(4)的厚度為幾微米至幾百微米的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體。
4.如權(quán)利要求1所述的存儲元器件，其特征在于，所述電阻層(2)由其電子結(jié)構(gòu)對應(yīng)變敏感的材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述的存儲元器件，其特征在于，所述電阻層(2)為氧化物、具有壓阻效應(yīng)的Pt、Pt/Ir合金、Pt/ff合金、N1、Ni/Fe合金、Ni/Cu合金、Ni/Mn合金、Ni/Cr合金或具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體薄膜。
6.如權(quán)利要求5所述的存儲元器件，其特征在于，所述電阻層(2)為錳氧化物(RhAx)MnO3，其中R是稀土元素，A堿土金屬，O < X < I。
7.如權(quán)利要求6所述的存儲元器件，其特征在于，所述電阻層(2)為幾納米到幾百納米厚的 La273Srl73MnO3 薄膜。
8.如權(quán)利要求1所述的存儲元器件，其特征在于，該存儲元器件還包括底電極層(3)和頂電極層(12)，并且 所述底電極層(3)、鐵電性壓電層(4)、電阻層⑵和頂電極層(12)依次疊置， 所述底電極層(3)和頂電極層(12)用于施加所述外加電場。
9.如權(quán)利要求8所述的存儲元器件，其特征在于，所述底電極層(3)和頂電極層(12)由非磁性的導(dǎo)體材料構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求9所述的存儲元器件，其特征在于，所述頂電極層(12)在平行所述疊層的平面上被圖案化，以使該頂電極層(12)分成多個電極區(qū)。
11.如權(quán)利要求10所述的存儲元器件，其特征在于，所述電阻層(2)的上方非電極區(qū)，即是未被頂電極層(12)遮蓋的部分，在該未遮蓋的部分設(shè)置保護層￠)，所述保護層(6)用于保護所述電阻層(2)。
12.如權(quán)利要求8所述的存儲元器件，其特征在于，在所述底電極層(3)的一側(cè)還包括一個基片層(11)，其用于對所述存儲元器件進行力學(xué)支撐。
13.一種存儲器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至13中任一項所述的存儲元器件。
14.如權(quán)利要求13所述的存儲器，其特征在于，包括由多個如權(quán)利要求1至13中任一項所述的存儲元器件組成的矩形陣列、多組信息讀寫電路、和用于選擇性寫入和讀出某一固態(tài)存儲元器件功能的多個晶體管。
15.一種信息寫入方法，用于將信息寫入如權(quán)利要求1至12所述的任一項所述的存儲元器件，其特征在于，包括如下步驟 使大小為所述鐵電性壓電層(4)的材料的飽和極化電場的寫入電場施加在所述鐵電性壓電層⑷上，接著將寫入電場變化至O，將此時所述鐵電性壓電層⑷的剩余應(yīng)變態(tài)作為信息值“0” ； 將所述寫入電場變化為所述鐵電性壓電層(4)的矯頑場的0.9 0.98倍，再將該寫入電場變化為0，將此時的剩余應(yīng)變態(tài)稱作為信息值“ I ”，所述矯頑場與所述飽和極化電場的正負符號不同。
16.一種信息寫入方法，用于將信息寫入如權(quán)利要求1至12所述的任一項所述的存儲元器件，其特征在于，還包括如下步驟 使大小為所述鐵電性壓電層(4)的材料的正飽和極化電場的寫入電場施加在所述鐵電性壓電層⑷上，接著將寫入電場變化至0，將此時所述鐵電性壓電層⑷的剩余應(yīng)變態(tài)作為信息值“0” ； 將所述寫入電場變化為所述鐵電性壓電層(4)的負矯頑場的0. 9 0. 98倍，再將該寫入電場變化為0，將此時所述鐵電性壓電層(4)的剩余應(yīng)變態(tài)成作為信息值“I”； 使大小為所述鐵電性壓電層(4)的材料的負飽和極化電場的寫入電場施加在所述鐵電性壓電層⑷上，接著將寫入電場變化至0，將此時所述鐵電性壓電層⑷的剩余應(yīng)變態(tài)也作為信息值“0”; 將所述寫入電場變化為所述鐵電性壓電層(4)的正矯頑場的0.9 0.98倍，再將該寫入電場變化為0，將此時所述鐵電性壓電層(4)的剩余應(yīng)變態(tài)成作為信息值“2”。
全文摘要
電場寫入電阻讀出固態(tài)存儲元器件、存儲器及其讀寫方法，本發(fā)明涉及一種新型非易失性固態(tài)存儲元器件和存儲器，以及相應(yīng)的寫入和讀出方法。本發(fā)明的固態(tài)存儲元器件包括底電極層、形成在底電極層之上的鐵電性壓電層、緊鄰鐵電性壓電層并位于其上的電阻層、位于電阻層上的頂電極層。鐵電性壓電層作為信息的存儲層，在電場作用下具有兩個或多個應(yīng)變態(tài)，并且其使電阻層具有兩個或者多個非易失性電阻態(tài)，使電阻層作為信息的讀出層。本發(fā)明的固態(tài)存儲元器件利用電場將信息寫入，而且能被非破壞性地讀出，具有功耗低、非易失性、存儲速度快以及存儲密度高等優(yōu)點。
文檔編號G11C16/02GK103065679SQ20121051023
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者高琛, 楊遠俊 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)