DE102016004816A1 - Magnetoelectric memory for storing digital data - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine magnetoelektrische Speichervorrichtung zur Speicherung digitaler Daten, umfassend mehrere Speicherzellen (1), wobei jede Zelle (1) einen in Bezug auf eine magnetische Permeabilität anisotropen ferroelektrischen Werkstoff (2) umfasst, der ferroelektrische Werkstoff (2) sich in einem Stromkreis befindet bzw. elektrisch belastet werden kann, z. B. zwischen zwei Elektroden (3a, 3b) angeordnet ist, sowie zwischen Dauermagneten bzw. Elektromagneten angeordnet ist, der ferroelektrische Werkstoff (2) derart angeordnet ist, dass dieser zumindest zeitweise einem Magnetfeld ausgesetzt wird, die Speichervorrichtung mindestens eine Messvorrichtung zur Messung magnetischer Größen, z. B. eine Permeabilitätsmessvorrichtung zur Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes (2) umfasst, eine elektrische Belastungsschaltung für den ferroelektrischen Werkstoff (2) vorhanden ist, wobei die elektrische Belastungsschaltung derart beschaffen ist, dass bei elektrischer Belastung des ferroelektrischen Werkstoffes (2) ein infolge der elektrischen Belastung bewirkter Umklappvorgang der magnetischen Permeabilität stattfindet, sodass ein Schreibvorgang des Speichers durch Änderung der magnetischen Permeabilität stattfinden kann, und wobei ein Lesevorgang des Speichers durch Messung der magnetischen Größen des ferroelektrischen Werkstoffes (2), z. B. durch Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes (2) durch die Permeabilitätsmessvorrichtung, erfolgen kann.The invention relates to a magnetoelectric storage device for storing digital data, comprising a plurality of memory cells (1), wherein each cell (1) comprises a with respect to a magnetic permeability anisotropic ferroelectric material (2), the ferroelectric material (2) in a circuit located or can be electrically loaded, z. B. between two electrodes (3a, 3b) is arranged, and between permanent magnets or electromagnets, the ferroelectric material (2) is arranged such that it is at least temporarily exposed to a magnetic field, the storage device at least one measuring device for measuring magnetic quantities , z. B. a permeability measuring device for measuring the magnetic permeability of the ferroelectric material (2), an electrical load circuit for the ferroelectric material (2) is present, wherein the electrical load circuit is such that upon electrical loading of the ferroelectric material (2) as a result the magnetic load effected Umklappvorgang the magnetic permeability takes place, so that a writing operation of the memory can take place by changing the magnetic permeability, and wherein a reading operation of the memory by measuring the magnetic magnitudes of the ferroelectric material (2), z. B. by measuring the magnetic permeability of the ferroelectric material (2) by the permeability measuring device, can be done.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetoelektrische Speichervorrichtung zur Speicherung digitaler Daten.The invention relates to a magnetoelectric storage device for storing digital data.

Bekannt sind sogenannte FeRAMs (Ferroelectric Random Access Memory).So-called FeRAMs (Ferroelectric Random Access Memory) are known.

Diese nutzen ein nichtflüchtiges elektronisches Speichermedium auf der Basis von Werkstoffen bzw. Kristallen mit ferroelektrischen Eigenschaften, das heißt, dem Ferromagnetismus analoge Eigenschaften. Hierbei wird ein Umklappen einer spontanen Polarisation der ferroelektrischen Einheitszelle genutzt, um so die binären Daten zu speichern und zu lesen.These use a nonvolatile electronic storage medium based on materials or crystals with ferroelectric properties, that is analogous properties to ferromagnetism. In this case, a folding over of a spontaneous polarization of the ferroelectric unit cell is used in order to store and read the binary data.

Häufig verwendet man als Ferroelektrikum Bariumtitanat (BaTiO3). Die positiv geladenen Titanionen richten sich zu einer Seite des Kristalls aus, während die negativ geladenen Sauerstoffionen sich zu einer anderen Seite ausrichten, wodurch eine permanente Polarisation des Kristalls entsteht.Frequently used as ferroelectric barium titanate (BaTiO 3 ). The positively charged titanium ions align to one side of the crystal, while the negatively charged oxygen ions align to another side, creating a permanent polarization of the crystal.

Diese haben den Vorteil, dass sie keinen Verbundwerkstoff benötigen und eine hohe Speicherdichte aufweisen. Gegenüber EEPROMs bleiben Daten länger erhalten, in der Regel über zehn Jahre. Die Schreibzeit ist höher als bei EEPROMs, z. B. 100 ns. Während EEPROMs ca. 106 Schreib- und Lesezyklen schaffen, können mit FeRAMs z. B. 1010 bis 1015 Zyklen realisiert werden.These have the advantage that they do not require a composite material and have a high storage density. Compared to EEPROMs, data are retained longer, usually over ten years. The write time is higher than with EEPROMs, eg. 100 ns. While EEPROMs create about 10 6 write and read cycles, with FeRAMs z. B. 10 10 to 10 15 cycles can be realized.

Zum Speichern wie zum Lesen werden Spannungsimpulse eingesetzt. Je nachdem, ob sich dabei die Polarisationsrichtung umkehrt oder nicht umkehrt, entsteht ein unterschiedlicher Verschiebestrom. Da dieser Lesevorgang die bestehende Polarisation zerstört, ist es erforderlich, dass die Speicherzelle mit dem ursprünglichen Inhalt erneut beschrieben wird.For storing and reading voltage pulses are used. Depending on whether the direction of polarization reverses or does not reverse, a different displacement current occurs. Since this read destroys the existing polarization, it is necessary to rewrite the memory cell with the original content.

Dieser Aspekt ist jedoch nachteilig. Der Lesevorgang bzw. die erneute Überschreibung der Speicherzelle ruft Schädigungen hervor, was zu erheblicher Verkürzung der Lebensdauer des Speichermediums führt. Zudem kann eine unerwünschte Depolarisierung der Einheitszelle eintreten, sodass keine korrekte Erkennung des aktuellen Zustands der Speicherzelle nach einer gewissen Betriebszeit möglich ist.However, this aspect is disadvantageous. The read operation or renewed overwriting of the memory cell causes damage, which leads to a significant reduction in the life of the storage medium. In addition, an unwanted depolarization of the unit cell occur, so that no correct detection of the current state of the memory cell after a certain period of operation is possible.

Weitere Speicher sind sogenannte MeRAMs (Magnetoelectric Random Access Memory). Hierbei wird ein nichtflüchtiges elektronisches Speichermedium auf der Basis von Verbundwerkstoffen mit ferroelektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften eingesetzt. Bei dieser Technologie werden ein Umklappen einer spontanen Polarisation der ferroelektrischen Einheitszelle und ein Umklappen der spontanen Magnetisierung der ferromagnetischen Phase genutzt, um so die binären Daten zu speichern und zu lesen. Dabei wird elektrisch geschrieben und magnetisch gelesen.Further memories are so-called MeRAMs (Magnetoelectric Random Access Memory). Here, a nonvolatile electronic storage medium based on composites with ferroelectric and ferromagnetic properties is used. In this technology, a flip of a spontaneous polarization of the ferroelectric unit cell and a flip-over of the spontaneous magnetization of the ferromagnetic phase are used to store and read the binary data. It is written electrically and read magnetically.

Die MeRAM-Technologie befindet sich noch in der Entwicklung.MeRAM technology is still under development.

Gegenüber EEPROMs und teilweise auch gegenüber FeRAMs, SRAMs, DRAMs sowie STT-RAMs haben diese Speicher (MeRAMs) die Vorteile eines niedrigen Energieverbrauchs, einer hohen Schreib- und Lesegeschwindigkeit von teilweise unter 1 ns, einer nichtflüchtigen Datensicherung, einer hohen Anzahl an Schreib- und Lesezyklen und einer hohen Datensicherheit. Zudem ist kein Standby-Strom erforderlich. Auch ein Refresh (Auffrischung) ist nicht erforderlich.Compared to EEPROMs and partly also to FeRAMs, SRAMs, DRAMs and STT-RAMs, these memories (MeRAMs) have the advantages of low power consumption, a high write and read speed of sometimes less than 1 ns, non-volatile data protection, a high number of write and read accesses Read cycles and high data security. In addition, no standby power is required. Also, a refresh (refresher) is not required.

Die größte Schwierigkeit bei MeRAMs besteht darin, dass hierfür Verbundwerkstoffe eingesetzt werden müssen. Ein Chipdesign und eine Chipherstellung in sehr kleinen Dimensionen sind daher schwierig. Damit ist die erreichbare Speicherdichte niedriger als bei FeRAMs. Zudem können in den Verbundwerkstoffen zusätzliche mechanisch schädigende Probleme (z. B. Delamination) auftreten, die die Lebensdauer des Speichermediums verkürzen.The biggest difficulty with MeRAMs is that composite materials have to be used. Chip design and chip production in very small dimensions are therefore difficult. Thus, the achievable storage density is lower than with FeRAMs. In addition, additional mechanical damage problems (eg delamination) can occur in the composites, shortening the life of the storage medium.

Die US 3 909 809 A beschreibt eine Kombination aus magnetostriktivem und piezoelektrischem Effekt. Hierbei wird eine Schicht aus Bariumtitanat (BaTiO3) eingesetzt.The US 3 909 809 A describes a combination of magnetostrictive and piezoelectric effect. Here, a layer of barium titanate (BaTiO 3 ) is used.

Aus der EP 1318523 A1 ist ein Hybrid-MeRAM mit ferromagnetischen Schichten bekannt, der eine piezoelektrische Schicht umfasst und eine Magnetwiderstandsschicht (Magnetoresistance) bzw. den Elektronentunneleffekt (Tunneling Electrons) sowie einen GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance) nutzt.From the EP 1318523 A1 a hybrid MeRAM with ferromagnetic layers is known, which comprises a piezoelectric layer and a magnetoresistance layer (or the tunneling electron effect (Tunneling Electrons) and a GMR effect (Giant Magnetoresistance) uses.

Die EP 1901317 A1 beschreibt eine magnetische Vorrichtung und eine Anordnung mit einem piezoelektrischen Element, einem magnetischen Element und zwei Elektroden.The EP 1901317 A1 describes a magnetic device and an assembly with a piezoelectric element, a magnetic element and two electrodes.

Die WO 2009/090605 A beschreibt außerdem eine Speicherzelle für einen RAM mit zwei ferromagnetischen Schichten. Hierbei wird der elektrische Widerstand entlang eines magnetischen Elementes gemessen.The WO 2009/090605 A also describes a memory cell for a RAM having two ferromagnetic layers. Here, the electrical resistance along a magnetic element is measured.

Die WO 2010/039422 A beschreibt einen Spin-Torque-Transfer-MeRAM (STT-RAM).The WO 2010/039422 A describes a spin-torque-transfer MeRAM (STT-RAM).

Die US 2010 003 273 8 A1 beschreibt eine Anordnung mit einem magnetischen Tunnel und mit zwei ferromagnetischen Schichten.The US 2010 003 273 8 A1 describes an arrangement with a magnetic tunnel and with two ferromagnetic layers.

Die WO 2010/039422 A beschreibt einen weiteren nichtflüchtigen magnetoelektrischen Speicher (STT-RAM) unter Nutzung eines anisotropen Magneteffekts in einem Ferromagnetischen Werkstoff, wobei der magnetische Tunnelwiderstand bzw. TMR-Effekt ausgenutzt wird. The WO 2010/039422 A describes another non-volatile magnetoelectric memory (STT-RAM) using an anisotropic magnetic effect in a ferromagnetic material, taking advantage of the TMR magnetic effect.

Die US 2012/0267735 A1 beschreibt einen magnetostriktiven-piezoelektrischen Nanomagneten.The US 2012/0267735 A1 describes a magnetostrictive piezoelectric nanomagnet.

Die WO 2013/020569 A1 beschreibt einen weiteren magnetorestriktiven Speicher, insbesondere einen weiteren Spin-Transfer-Torque-MeRAM (STT-MRAM).The WO 2013/020569 A1 describes another magnetorestrictive memory, in particular a further spin-transfer torque MeRAM (STT-MRAM).

Aus der Veröffentlichung von Artjom Avakiam et al. „Nonlinear modeling and finite element simulation of magnetoelectric coupling and residual stress in multiferroic composites”, veröffentlicht am 14.04.2015 , vom Springer Verlag Wien, ist bekannt, Daten in multiferroischen Vorrichtungen durch Steuerung mittels eines elektrischen Feldes zu speichern. Hierbei wird der Einsatz von Bariumtitanat (BaTiO3) und Kobaltferrit (CoFe2O4) erörtert.From the publication of Artjom Avakiam et al. "Nonlinear modeling and finite element simulation of magnetoelectric coupling and residual stress in multiferroic composites", published on 14.04.2015 , by Springer Verlag Wien, is known to store data in multiferroic devices by controlling by means of an electric field. Here, the use of barium titanate (BaTiO 3 ) and cobalt ferrite (CoFe 2 O 4 ) is discussed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Speicher zu schaffen, der die Vorteile von FeRAMs mit den Vorteilen von MeRAMs verbindet.The invention has for its object to provide a memory that combines the advantages of FeRAMs with the advantages of MeRAMs.

Diese Aufgabe wird durch einen Speicher mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a memory having the features specified in claim 1.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Vorteile von MeRAM und FeRAM in nur einem einzigen Werkstoff, und zwar einem Ferroelektrikum, zu kombinieren. Auf diese Weise ermöglicht dieses Speichermedium einen elektrischen Schreib- und magnetischen Leseprozess, ohne dass auf einen Verbundwerkstoff zurückgegriffen werden muss. Damit wird das gut erforschte ferroelektrische Verhalten in den Speichermedien, das bereits industriell in FeRAMs zum Einsatz kommt, um die Vorteile der MeRAMs ergänzt. So werden die Vorteile von MeRAM gegenüber anderen Speichermedien gewahrt, ohne dass dabei zusätzliche Nachteile dieses Speichermediums entstehen.The invention is based on the idea of combining the advantages of MeRAM and FeRAM in a single material, namely a ferroelectric. In this way, this storage medium enables an electrical writing and magnetic reading process, without having to resort to a composite material. Thus, the well-researched ferroelectric behavior in the storage media, which is already being used industrially in FeRAMs, is supplemented by the advantages of the MeRAMs. Thus, the advantages of MeRAM compared to other storage media are maintained, without causing additional disadvantages of this storage medium.

Die Erfindung beruht außerdem auf der Erkenntnis des physikalischen Prinzips, dass die magnetische Permeabilität, also die magnetische Leitfähigkeit, in einem ferroelektrischen Werkstoff anisotrop ist. Je nach Raumrichtung ist die magnetische Permeabilität unterschiedlich groß. So unterscheidet sich die magnetische Permeabilität der Polungsrichtung von der der anderen beiden Raumrichtungen. Der geschaffene Speicher ist ein Fe-M-RAM. Dieser Effekt ermöglicht in Fe-M-RAMs den Leseprozess. Elektrisch gesteuerte Umklappprozesse der elektrischen Polarisation (ferroelektrischer Effekt) ändern die lokale magnetische Durchlässigkeit in einer definierten Richtung. Diese Änderung folgt, wie oben beschrieben, aus der Änderung der lokalen magnetischen Permeabilität. Folglich sind die lokalen magnetischen Größen in ferroelektrischen Werkstoffen Funktionen der elektrischen aber auch mechanischen (ferroelastischer Effekt) Belastung, denn auch durch die mechanische Belastung eines Ferroelektrikums lässt sich die Polarisation ändern.The invention is also based on the knowledge of the physical principle that the magnetic permeability, ie the magnetic conductivity, is anisotropic in a ferroelectric material. Depending on the spatial direction, the magnetic permeability is different. Thus, the magnetic permeability of the polarity direction differs from that of the other two spatial directions. The created memory is a Fe-M-RAM. This effect allows the reading process in Fe-M RAMs. Electrically controlled folding processes of electrical polarization (ferroelectric effect) change the local magnetic permeability in a defined direction. This change, as described above, follows from the change in local magnetic permeability. Consequently, the local magnetic quantities in ferroelectric materials are functions of the electrical but also mechanical (ferroelastic effect) load, because the mechanical stress of a ferroelectric can also change the polarization.

In einfacher Weise kann ein gepoltes Ferroelektrikum einem konstanten von außen angelegten Magnetfeld ausgesetzt werden. Es sind z. B. zwei magnetische Pole (N, S) im Ferroelektrikum vorhanden, die durch einen Permanentmagneten realisiert werden können. Alternativ kann das Feld durch einen Elektromagneten aufgebracht werden. Bei bekanntem H-Feld wird nun das B-Feld oder umgekehrt gemessen. Die magnetische Permeabilität ergibt sich aus μ = B/H. Damit ist die magnetische Permeabilität bzw. deren Änderung infolge des Umklappens bekannt. Nun wird durch die elektrische Belastung des Ferroelektrikums ein Umklappen der Polarisation hervorgerufen. Dies findet in einem Schreibprozess statt.In a simple way, a polarized ferroelectric can be exposed to a constant externally applied magnetic field. There are z. B. two magnetic poles (N, S) in the ferroelectric, which can be realized by a permanent magnet. Alternatively, the field may be applied by an electromagnet. If the H-field is known, the B-field or vice versa is measured. The magnetic permeability results from μ = B / H. Thus, the magnetic permeability or its change due to the folding is known. Now, the polarization is caused by the electrical load of the ferroelectric. This takes place in a writing process.

Durch den Schreibvorgang wird auch lokal die magnetische Permeabilität geändert. Diese durch das Umklappen hervorgerufene Änderung der magnetischen Größen lässt sich messen. Dieser Messvorgang entspricht einem Lesevorgang.The write operation also locally changes the magnetic permeability. This change in the magnetic magnitudes caused by the folding over can be measured. This measurement corresponds to a read operation.

Eingesetzt werden können alle Ferroelektrika, die das gewünschte Verhalten bezüglich der spontanen Polarisation und der magnetischen Anisotropie aufweisen. Darunter zählen z. B. BaTiO3, Pb(ZrxTi1 – x)O3 (PZT) und weitere Werkstoffe. Relevant ist, dass jede Zelle einen in Bezug auf die magnetische Permeabilität anisotropen ferroelektrischen Werkstoff umfasst.All ferroelectrics which have the desired behavior with respect to spontaneous polarization and magnetic anisotropy can be used. Including z. B. BaTiO 3 , Pb (ZrxTi1 - x) O3 (PZT) and other materials. It is relevant that each cell comprises an anisotropic ferroelectric material with respect to magnetic permeability.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber herkömmlichen Speichermedien, wie FeRAMs, EEPROMs, SRAMs, DRAMs, STT-RAMs usw., alle Vorteile der MeRAMs. Zudem hat sie alle Vorteile der FeRAMs.The device according to the invention has all the advantages of the MeRAMs over conventional storage media, such as FeRAMs, EEPROMs, SRAMs, DRAMs, STT-RAMs, etc. It also has all the benefits of FeRAMs.

In vorteilhafter Weise, gegenüber MeRAMs, ist kein Verbundwerkstoff für die erfindungsgemäße Zelle nötig. Somit besteht keine Notwendigkeit, Verbundwerkstoffe in sehr kleinen Dimensionen zu designen und herzustellen. Damit entspricht die Speicherdichte der erfindungsgemäßen Zelle der der FeRAMs. Zudem werden die zusätzlichen mechanisch schädigenden Probleme (z. B. Delamination) eines Verbundwerkstoffs (MeRAM), die die Lebensdauer des Speichermediums verkürzen, vermieden. Dies führt schließlich zur längeren Lebensdauer als die von MeRAMs.Advantageously, compared to MeRAMs, no composite material for the cell according to the invention is necessary. Thus, there is no need to design and manufacture composites in very small dimensions. Thus, the storage density of the cell according to the invention corresponds to that of the FeRAMs. In addition, the additional mechanically damaging problems (eg delamination) of a composite material (MeRAM), which shorten the life of the storage medium, are avoided. This ultimately leads to a longer lifetime than that of MeRAMs.

Weil das ferroelektrische Verhalten in den Speichermedien mit ferroelektrischem Material (FeRAM) bereits gut erforscht ist und FeRAMs bereits industriell eingesetzt werden, können die erfindungsgemäßen Speicher schnell industriell eingesetzt werden. MeRAMs befinden sich dagegen praktisch noch in der Entwicklungsphase. Die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Speicher sind niedriger als die von Me-RAMs. Since the ferroelectric behavior in the storage media with ferroelectric material (FeRAM) is already well researched and FeRAMs are already used industrially, the invented memories can be used industrially very quickly. By contrast, MeRAMs are still in the development phase. The manufacturing costs of the memories according to the invention are lower than those of Me-RAMs.

Auch im Vergleich zu FeRAMs wird eine deutliche Steigerung der Lebensdauer realisiert. Aufgrund des magnetischen Lesevorgangs, der nämlich im Vergleich zum elektrischen Leseprozess zu einer deutlich geringeren Belastung des Materials führt, wird die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Speichenmediums deutlich verlängert. Auch sind Vorteile in Bezug auf eine Depolarisierung der Einheitszelle des FeRAMs vorhanden. Aufgrund des magnetischen Lesevorgangs wird der aktuelle Polarisationslevel zum Lesen nämlich nicht mehr benötigt. Wenn Umklappprozesse stattfinden, auch wenn diese elektrisch nicht eindeutig messbar sind, wird der magnetische Zustand der Zelle dennoch verändert. Dieser kann dann gemessen werden. Zum Lesen braucht das erfindungsgemäße Fe-M-RAM keinen elektrischen Strom.Also compared to FeRAMs a significant increase in the lifetime is realized. Due to the magnetic reading process, which leads to a significantly lower load on the material compared to the electrical reading process, the life of the spoke medium according to the invention is significantly increased. There are also advantages in depolarizing the unit cell of the FeRAM. Because of the magnetic reading process, the current polarization level for reading is no longer needed. If folding processes take place, even if they are not clearly measurable electrically, the magnetic state of the cell is nevertheless changed. This can then be measured. For reading, the Fe-M-RAM according to the invention does not require any electric current.

Zum Anlegen des magnetischen Feldes, zum Belasten und zum Messen ist es vorteilhaft, wenn der ferroelektrische Werkstoff zwischen zwei Elektroden sowie Dauermagneten bzw. Elektromagneten angeordnet ist und mit einer Vorrichtung versehen ist, die die Permeabilität bzw. ihre Änderung oder den magnetischen Widerstand oder das B- bzw. H-Feld misst. Der ferroelektrische Werkstoff wird erfindungsgemäß zumindest zeitweise einem Magnetfeld ausgesetzt. Es kann ein B- bzw. H-Wert oder ein magnetischer Widerstand (Rm) gemessen werden, sodass, wenn eine dieser Größen bekannt ist, eine Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes in einfacher Weise realisiert werden kann. Mit einer Vorrichtung zur Messung der magnetischen Permeabilität kann dann diese direkt gemessen werden. Die elektrische Belastung findet über die angeordneten Elektroden statt.For applying the magnetic field, for loading and for measuring, it is advantageous if the ferroelectric material is arranged between two electrodes and permanent magnets or electromagnets and is provided with a device having the permeability or the change or the magnetic resistance or the B or H field. The ferroelectric material according to the invention is at least temporarily exposed to a magnetic field. A B or H value or a magnetic resistance (Rm) can be measured, so that when one of these quantities is known, a measurement of the magnetic permeability of the ferroelectric material can be easily realized. With a device for measuring the magnetic permeability can then be measured directly. The electrical load takes place via the arranged electrodes.

Die elektrische Belastung des ferroelektrischen Werkstoffes ist erfindungsgemäß derart beschaffen, dass, wenn der ferroelektrische Werkstoff vorher einem von außen angelegten Magnetfeld (Elektromagnet oder Permanentmagnet) ausgesetzt wird, ein infolge der elektrischen Belastung bewirkter Umklappvorgang (Anisotropie) der magnetischen Permeabilität stattfindet, sodass ein Schreibvorgang des Speichers durch Änderung der magnetischen Permeabilität stattfindet. Der Lesevorgang des Speichers findet durch Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes (entweder durch direkte Messung oder über B- bzw. H- oder Rm-Messung) statt.The electrical load of the ferroelectric material according to the invention is such that, when the ferroelectric material is previously exposed to an externally applied magnetic field (electromagnet or permanent magnet) takes place as a result of the electrical load effected Umklappvorgang (anisotropy) of the magnetic permeability, so that a write operation of Memory takes place by changing the magnetic permeability. The reading of the memory takes place by measuring the magnetic permeability of the ferroelectric material (either by direct measurement or via B or H or Rm measurement).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Dauermagnete bzw. die Elektromagneten über den Elektroden angebracht werden. Zudem soll die Messvorrichtung in der Ebene der Elektroden angebracht werden. Dadurch können eine einfache Zellenstruktur und sehr kleine Zellengrößen realisiert werden. Dies wird noch weiter verbessert, wenn die Elektroden einerseits zum elektrischen Belasten und andererseits zur Messung des magnetischen Widerstandes bzw. der Permeabilität vorgesehen sind. Zudem können die Elektroden dazu genutzt werden, um den H- bzw. B-Wert zu messen und so die magnetische Permeabilität zu ermitteln. Als Messsensor kann z. B. ein Hallelement verwendet werden.In an advantageous embodiment of the device according to the invention it is provided that the permanent magnets or the electromagnets are mounted over the electrodes. In addition, the measuring device should be mounted in the plane of the electrodes. As a result, a simple cell structure and very small cell sizes can be realized. This is further improved if the electrodes are provided on the one hand for electrical loading and on the other hand for measuring the magnetic resistance or the permeability. In addition, the electrodes can be used to measure the H or B value and thus determine the magnetic permeability. As a measuring sensor z. B. a Hall element can be used.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Elektroden kondensatorartig angeordnet sind, sodass der ferroelektrische Werkstoff als Dielektrikum wirkt.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention it is provided that the electrodes are arranged in a capacitor, so that the ferroelectric material acts as a dielectric.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der ferroelektrische Werkstoff aus Bariumtitanat (BaTiO3), also einer Perowskitstruktur. Möglich ist auch ein anderes Kristall in Perowskitstruktur aber auch andere ferroelektrische Materialien.In another preferred embodiment, the ferroelectric material consists of barium titanate (BaTiO 3 ), ie a perovskite structure. Also possible is another crystal in perovskite structure but also other ferroelectric materials.

Der erfindungsgemäße Speicher wird bevorzugt in einem nichtflüchtigen Speicher, der als RAM-Speicher vorgesehen ist, eingesetzt. Dieser kann als Datenspeicher oder Arbeitsspeicher eines Computers eingesetzt werden.The memory according to the invention is preferably used in a non-volatile memory, which is provided as a RAM memory. This can be used as data storage or memory of a computer.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind. Es zeigen:An embodiment will be explained in more detail with reference to the drawings, wherein further advantageous developments of the invention and advantages thereof are described. Show it:

1a eine erste perspektivische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Speicherzelle; 1a a first perspective schematic diagram of a memory cell according to the invention;

1b eine weitere perspektivische Prinzipdarstellung einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 1b a further perspective schematic representation of a second variant of the memory cell according to the invention;

1c eine weitere perspektivische Prinzipdarstellung einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 1c a further perspective schematic representation of a third variant of the memory cell according to the invention;

1d eine weitere perspektivische Prinzipdarstellung einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 1d a further perspective schematic representation of a third variant of the memory cell according to the invention;

2 eine zweite perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 2 a second perspective schematic diagram of the memory cell according to the invention;

3 eine dritte perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 3 a third perspective schematic representation of the memory cell according to the invention;

4 eine vierte perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 4 a fourth perspective schematic representation of the memory cell according to the invention;

5 eine fünfte perspektivische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Speicherzelle; 5 a fifth perspective schematic representation of the memory cell according to the invention;

6 eine perspektivische Darstellung einer Kristallstruktur; 6 a perspective view of a crystal structure;

7a eine erste Hysteresekurve; 7a a first hysteresis curve;

7b eine zweite Hysteresekurve; 7b a second hysteresis curve;

8 eine bekannte Chipstruktur eines FeRAMs, und 8th a known chip structure of a FeRAM, and

9 eine erfindungsgemäße Chipstruktur. 9 a chip structure according to the invention.

1a) zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Speicherzelle 1 einer magnetoelektrischen Speichervorrichtung zur Speicherung digitaler Daten. Bauweisen nach 1b, 1c und 1d sind ebenfalls denkbar. 1a) shows a schematic diagram of a memory cell 1 a magnetoelectric storage device for storing digital data. Construction methods 1b . 1c and 1d are also possible.

Die Zelle 1 besteht aus einem in Bezug auf eine magnetische Permeabilität anisotropen, ferroelektrischen Werkstoff 2, insbesondere einem Kristall, aus z. B. Bariumtitanat.The cell 1 consists of a magnetic permeability anisotropic ferroelectric material 2 , in particular a crystal, of z. B. barium titanate.

Der ferroelektrische Werkstoff 2 ist zwischen zwei Elektroden 3a, 3b angeordnet.The ferroelectric material 2 is between two electrodes 3a . 3b arranged.

Der ferroelektrische Werkstoff 2 ist derart angeordnet, dass dieser zumindest zeitweise einem Magnetfeld ausgesetzt wird, was durch die Pole N und S in 1 veranschaulicht ist. Da Magnetfeld entsteht durch ein Magnetfelderzeugungselement.The ferroelectric material 2 is arranged so that it is at least temporarily exposed to a magnetic field, which by the poles N and S in 1 is illustrated. The magnetic field is created by a magnetic field generating element.

Die magnetische Permeabilität wird über eine von einigen möglichen Vorrichtungen, die an der Zelle 1 angebracht werden können, gemessen. Z. B. kann die Messung des magnetischen Widerstandes Rm über die in den 1a und 1c gezeigten Anschlüsse 6 und 7 bzw. 8 und 9 bzw. den Kontakten 5a, 5b erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann z. B. die Messung des B-Feldes über einen Hall-Sensor 10 oder 11 durchgeführt werden, wie die 1b und 1d veranschaulichen. Zudem wird die Zelle 1 über die Elektroden 3a, 3b elektrisch belastet.The magnetic permeability is over one of some possible devices attached to the cell 1 can be attached, measured. For example, the measurement of the magnetic resistance Rm over in the 1a and 1c shown connections 6 and 7 respectively. 8th and 9 or the contacts 5a . 5b respectively. Alternatively or additionally, for. B. the measurement of the B field via a Hall sensor 10 or 11 be performed, like the 1b and 1d illustrate. In addition, the cell 1 over the electrodes 3a . 3b electrically loaded.

Die elektrische Belastung bewirkt einen Umklappvorgang der magnetischen Permeabilität des Werkstoffs 2, sodass ein Schreibvorgang des Speichers durch Änderung der magnetischen Permeabilität stattfindet.The electrical load causes a Umklappvorgang the magnetic permeability of the material 2 such that a write operation of the memory takes place by changing the magnetic permeability.

Es erfolgt ein Lesevorgang des Speichers durch Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes 2 durch den entsprechenden Messmechanismus.There is a read operation of the memory by measuring the magnetic permeability of the ferroelectric material 2 through the appropriate measuring mechanism.

Die 2 bis 4 veranschaulichen die einzelnen Verfahrensschritte: Im ersten Schritt, der in 2 dargestellt ist, wird das gepolte Ferroelektrikum bzw. der Werkstoff 2 einem von außen angelegten Magnetfeld ausgesetzt, so dass magnetische Pole (N, S) entstehen. Im zweiten Schritt, der in 3 dargestellt ist, wird ein H-Feld und/oder ein B-Feld gemessen.The 2 to 4 illustrate the individual process steps: In the first step, the in 2 is shown, the poled ferroelectric material or the material 2 exposed to an externally applied magnetic field, so that magnetic poles (N, S) arise. In the second step, the in 3 is shown, an H-field and / or a B-field is measured.

Im dritten Schritt, der in 4 dargestellt ist, wird der ferroelektrische Werkstoff 2 elektrisch belastet oder nicht belastet, je nachdem welche Dateninformation bzw. Low-Pegel oder High-Pegel bzw. Logisch 0 oder Logisch 1 erreicht werden soll, wodurch eine Änderung oder keine Änderung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes erfolgt, was einem Schreibvorgang durch eine Spannungsquelle V einer elektrischen Belastung entspricht.In the third step, the in 4 is shown, the ferroelectric material 2 electrically loaded or not loaded, depending on which data information or low level or high level or logic 0 or logic 1 is to be achieved, whereby a change or no change in the magnetic permeability of the ferroelectric material takes place, resulting in a write operation by a voltage source V corresponds to an electrical load.

Im vierten Schritt, der in 5 dargestellt ist, wird eine Änderung der magnetischen Permeabilität gemessen, was einem Lesevorgang entspricht.In the fourth step, the in 5 is shown, a change in the magnetic permeability is measured, which corresponds to a read operation.

Wie 4 zeigt, ist die elektrische Belastung für den ferroelektrischen Werkstoff 2 an den Elektroden des ferroelektrischen Werkstoffes angeschlossen.As 4 shows is the electrical load for the ferroelectric material 2 connected to the electrodes of the ferroelectric material.

Wie 2 zeigt, sind die Pole N und S zum Anlegen des Magnetfeldes vorgesehen. Bei dieser Darstellung wurde ein Permanentmagnet angedeutet, wobei so ein H-Feld angelegt und ein B-Feld hervorgerufen wird. Mithilfe eines Elektromagneten wird ein B-Feld angelegt, wodurch sich anstatt des in 2 angedeuteten B-Feldes ein H-Feld messen lässt.As 2 shows, the poles N and S are provided for applying the magnetic field. In this illustration, a permanent magnet has been indicated, thus creating an H-field and causing a B-field. Using a solenoid, a B-field is created, which instead of the in 2 indicated B-field can measure an H-field.

Wie 3 oder 5 zeigen, sind die Anschlüsse von Rm bzw. 6,7 zum Messen der magnetischen Permeabilität vorgesehen. Die magnetische Permeabilität kann auch mithilfe des Hall-Sensors 10 bzw. 11 ermittelt werden, wie die 1b und 1d zeigen.As 3 or 5 show, the terminals of R m and 6.7 are provided for measuring the magnetic permeability. The magnetic permeability can also be measured using the Hall sensor 10 respectively. 11 be determined how the 1b and 1d demonstrate.

Wie die 1 bis 5 zeigen, sind die Elektroden kondensatorartig angeordnet, sodass der ferroelektrische Werkstoff als Dielektrikum wirkt. Andere Elektrodenanordnungen sind ebenso umsetzbar.As the 1 to 5 show, the electrodes are arranged in a capacitor, so that the ferroelectric material acts as a dielectric. Other electrode arrangements are equally feasible.

6 zeigt die Struktur eines der möglichen, einzusetzenden Werkstoffe, z. B. ein Bariumtitanat Kristall. Aufgrund der ferroelektrischen, dielektrischen und magnetischen Eigenschaften sind Bariumtitanat sowie verwandte Perowskite wie Pb(ZrxTi1 – x)O3 als Werkstoff für den erfindungsgemäßen Speicher gut geeignet. Besonders geeignet sind Ferroelektrika mit tetragonalen Kristallstrukturen, aber prinzipiell auch alle anderen ferroelektrischen Kristalltypen. Mit p wird die spontane Polarisation in den 1a bis 1d gekennzeichnet. 6 shows the structure of one of the possible materials to be used, for. As a barium titanate crystal. Because of the ferroelectric, dielectric and magnetic properties, barium titanate and related perovskites such as Pb (ZrxTi1-x) O3 are well suited as material for the memory according to the invention. Particularly suitable are ferroelectrics with tetragonal crystal structures, but in principle also all other ferroelectric crystal types. With p, the spontaneous polarization in the 1a to 1d characterized.

In 7 sind zwei typische Hysteresekurven des ferroelektrischen Werkstoffes gezeigt. Aufgrund der ausgeprägten Hystereseschleife und der hohen Koerzitivfeldstärke ist bei diesem Werkstoff eine hohe Datensicherheit gewährleistet.In 7 Two typical hysteresis curves of the ferroelectric material are shown. Due to the pronounced hysteresis loop and the high coercive field strength, this material ensures a high degree of data security.

In 2 und 4 ist die Folge der magnetischen Anisotropie veranschaulicht. Dabei ist zu erkennen, dass durch die elektrische Belastung des ferroelektrischen Werkstoffs auch die magnetischen Größen, insbesondere das B-Feld, sich ändern. Dabei wird das Ferroelektrikum im ersten Schritt, 2, konstant magnetisch belastet. Im zweiten Schritt, 4, wird das Ferroelektrikum bei der Beibehaltung der konstanten magnetischen Belastung elektrisch belastet. Die elektrische Belastung ruft das Umklappen der Polarisation innerhalb der Einheitszelle hervor, wodurch sich auch die magnetischen Größen ändern. So ist zu erkennen, dass sich die magnetische Induktion, B-Feldvektoren, vor und nach dem zweiten Schritt unterscheiden.In 2 and 4 is the sequence of magnetic anisotropy illustrated. It can be seen that as a result of the electrical load on the ferroelectric material, the magnetic variables, in particular the B field, also change. In this case, the ferroelectric in the first step, 2 , constantly magnetically loaded. At the second step, 4 , the ferroelectric is electrically stressed while maintaining the constant magnetic load. The electrical stress causes the folding of the polarization within the unit cell, which also change the magnetic sizes. Thus, it can be seen that the magnetic induction, B-field vectors, differ before and after the second step.

In 8 ist eine bekannte, typische Chipstruktur eines FeRAMs gezeigt. Eine Zelle besteht aus N- und P-Schichten, einem ferroelektrischen Werkstoff 2, Bit-Lines 11 und Word-Lines 12.In 8th A known, typical chip structure of a FeRAM is shown. A cell consists of N- and P-layers, a ferroelectric material 2 , Bit lines 11 and word lines 12 ,

9 zeigt eine Ausführungsform der Zelle 1 eines erfindungsgemäßen RAM-Chips. 9 shows an embodiment of the cell 1 a RAM chip according to the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Zelle, SpeicherzelleCell, memory cell
22
Werkstoffmaterial
3a3a
Elektrodeelectrode
3b3b
Elektrodeelectrode
4a4a
Magnetmagnet
4b4b
Magnetmagnet
5a5a
KontaktContact
5b5b
KontaktContact
66
Anschlussconnection
77
Anschlussconnection
88th
Anschlussconnection
99
Anschlussconnection
1010
Hall-SensorHall sensor
1111
Hall-SensorHall sensor
1212
Bit-Reihe (Bit-Line)Bit series (bit line)
1313
Word-Reihe (Word-Line)Word Series (Word Line)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • Artjom Avakiam et al. „Nonlinear modeling and finite element simulation of magnetoelectric coupling and residual stress in multiferroic composites”, veröffentlicht am 14.04.2015 [0021] Artjom Avakiam et al. "Nonlinear modeling and finite element simulation of magnetoelectric coupling and residual stress in multiferroic composites", published on 14.04.2015 [0021]

Claims (11)

Magnetoelektrische Speichervorrichtung zur Speicherung digitaler Daten, umfassend mehrere Speicherzellen (1), wobei jede Zelle (1) einen in Bezug auf eine magnetische Permeabilität anisotropen ferroelektrischen Werkstoff (2) umfasst, der ferroelektrische Werkstoff (2) sich in einem Stromkreis befindet bzw. elektrisch belastet werden kann, z. B. zwischen zwei Elektroden (3a, 3b) angeordnet ist, der ferroelektrische Werkstoff (2) derart angeordnet ist, dass dieser zumindest zeitweise einem Magnetfeld ausgesetzt wird, die Speichervorrichtung mindestens eine Messvorrichtung zur Messung magnetischer Größen, z. B. eine Permeabilitätsmessvorrichtung zur Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes (2) umfasst, eine elektrische Belastungsschaltung für den ferroelektrischen Werkstoff (2) vorhanden ist, wobei die elektrische Belastungsschaltung derart beschaffen ist, dass bei elektrischer Belastung des ferroelektrischen Werkstoffes (2) ein infolge der elektrischen Belastung bewirkter Umklappvorgang der magnetischen Permeabilität stattfindet, sodass ein Schreibvorgang des Speichers durch Änderung der magnetischen Permeabilität stattfinden kann, und wobei ein Lesevorgang des Speichers durch Messung der magnetischen Größen des ferroelektrischen Werkstoffes (2), z. B. durch Messung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes (2) durch die Permeabilitätsmessvorrichtung, erfolgen kann.Magnetoelectric memory device for storing digital data, comprising a plurality of memory cells ( 1 ), each cell ( 1 ) a with respect to a magnetic permeability anisotropic ferroelectric material ( 2 ), the ferroelectric material ( 2 ) is in a circuit or can be electrically loaded, z. B. between two electrodes ( 3a . 3b ), the ferroelectric material ( 2 ) is arranged such that it is at least temporarily exposed to a magnetic field, the storage device at least one measuring device for measuring magnetic quantities, for. B. a permeability measuring device for measuring the magnetic permeability of the ferroelectric material ( 2 ), an electrical loading circuit for the ferroelectric material ( 2 ), wherein the electrical load circuit is such that when electrical loading of the ferroelectric material ( 2 ) takes place as a result of the electrical load effected Umklappvorgang the magnetic permeability, so that a writing operation of the memory can take place by changing the magnetic permeability, and wherein a reading operation of the memory by measuring the magnetic magnitudes of the ferroelectric material ( 2 ), z. B. by measuring the magnetic permeability of the ferroelectric material ( 2 ) by the permeability measuring device. Magnetoelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Belastungsschaltung für den ferroelektrischen Werkstoff (2) z. B. an den Elektroden (3a, 3b) des ferroelektrischen Werkstoffes (2) angeschlossen ist.Magnetoelectric storage device according to claim 1, characterized in that the electrical loading circuit for the ferroelectric material ( 2 ) z. B. on the electrodes ( 3a . 3b ) of the ferroelectric material ( 2 ) connected. Magnetoelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3a, 3b) zum elektrischen Belasten mittels eines elektrischen Feldes vorgesehen sind.Magnetoelectric memory device according to claim 2, characterized in that the electrodes ( 3a . 3b ) are provided for electrical loading by means of an electric field. Magnetoelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten bzw. Elektromagneten (4a, 4b) zum Anlegen des Magnetfeldes vorgesehen sind.Magnetoelectric memory device according to claim 3, characterized in that the permanent magnets or electromagnets ( 4a . 4b ) are provided for applying the magnetic field. Magnetoelektrische Speichervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kontakte (5a, 5b) oder Anschlüsse (6, 7, 8, 9) zum Messen der magnetischen Permeabilität vorgesehen sind.Magnetoelectric memory device according to claim 4, characterized in that contacts ( 5a . 5b ) or connections ( 6 . 7 . 8th . 9 ) are provided for measuring the magnetic permeability. Magnetoelektrische Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3a, 3b) kondensatorartig angeordnet sind, sodass der ferroelektrische Werkstoff (2) als Dielektrikum wirkt.Magnetoelectric memory device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 3a . 3b ) are arranged in a capacitor, so that the ferroelectric material ( 2 ) acts as a dielectric. Magnetoelektrische Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferroelektrische Werkstoff (2) aus Bariumtitanat (BaTiO3) oder einem anderen ferroelektrischen Werkstoff besteht.Magnetoelectric memory device according to one of the preceding claims, characterized in that the ferroelectric material ( 2 ) consists of barium titanate (BaTiO 3 ) or another ferroelectric material. Verwendung einer magnetoelektrischen Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als nichtflüchtiger Speicher und/oder als nichtflüchtiger Schreib-Lese-Speicher oder als Fe-M-RAM.Use of a magnetoelectric memory device according to one of the preceding claims as a nonvolatile memory and / or as a non-volatile random access memory or as an Fe-M RAM. Verwendung einer magnetoelektrischen Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Datenspeicher eines Computers.Use of a magnetoelectric memory device according to one of the preceding claims as a data memory of a computer. Verwendung einer magnetoelektrischen Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Arbeitsspeicher eines Computers.Use of a magnetoelectric memory device according to any one of claims 1 to 8 as a working memory of a computer. Verfahren zum Betreiben einer magnetoelektrischen Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – das Ferroelektrikum wird einem von außen angelegten Magnetfeld ausgesetzt, sodass z. B. magnetische Pole (N, S) entstehen, – ein H-Feld und/oder ein B-Feld, magnetischer Widerstand oder magnetische Permeabilität direkt wird gemessen, – der ferroelektrische Werkstoff (2) wird elektrisch belastet oder nicht belastet, je nachdem welche Dateninformation bzw. Low-Pegel oder High-Pegel bzw. Logisch 0 oder Logisch 1 erreicht werden soll, wodurch eine Änderung oder keine Änderung der magnetischen Permeabilität des ferroelektrischen Werkstoffes (2) erfolgt, was einem Schreibvorgang entspricht, und – eine Änderung der magnetischen Permeabilität wird gemessen, was einem Lesevorgang entspricht.Method for operating a magnetoelectric storage device according to one of the preceding claims, characterized by the following method steps: - the ferroelectric is exposed to an externally applied magnetic field, so that z. B. magnetic poles (N, S) arise, - an H-field and / or a B-field, magnetic resistance or magnetic permeability is measured directly, - the ferroelectric material ( 2 ) is electrically loaded or not loaded, depending on which data information or low level or high level or logical 0 or logical 1 is to be achieved, whereby a change or no change in the magnetic permeability of the ferroelectric material ( 2 ), which corresponds to a write operation, and a change in magnetic permeability is measured, which corresponds to a read operation.
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