一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列及其控制方法

本发明属于半导体，具体涉及一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列及其控制方法。

背景技术：

1、人工智能物联网(aiot)技术的发展为半导体存储器提出了更高的要求，aiot边缘端和节点端的设备均需要低功耗、低成本、相对大规模的存储器。

2、然而，传统的易失型存储器中，静态随机存取存储器的硬件代价和静态功耗较高，动态随机存取存储器的保持时间较短、刷新功耗较高。为此，发明一种低硬件代价的、低功耗的易失型存储器具有重要意义。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列及其控制方法，在动态随机存取存储方面，可以延长动态随机存取存储的保持时间，降低刷新频率和刷新功耗；以降低动态随机存取存储中读出位线漏电，缓解读串扰问题，增大存储窗口和阵列规模。

2、本发明技术方案如下：

3、一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，由存储单元沿横向、纵向重复排列而成，同一行存储单元共用一条写入字线wwl和一条读出字线rwl，同一列存储单元共用一条写入位线wbl和一条读出位线rbl。

4、所述存储单元包括一个p型隧穿场效应晶体管作为写入管、一个n型隧穿场效应晶体管作为读出管、一个电容作为放大单元，所述写入管、读出管和电容相互连接共同构成存储节点sn，其中，写入管的栅电极连接写入字线wwl，写入管的漏电极连接写入位线wbl，写入管的源电极连接存储节点sn，读出管的栅电极连接存储节点sn，读出管的漏电极连接读出位线rbl，读出管的源电极连接0v，所述作为放大单元的电容器件，一端连接存储节点sn，一端连接读出字线rwl。

5、所述p/n型隧穿场效应晶体管，其源端包括源金属层和包裹源金属层的源半导体层，该隧穿场效应晶体管的源端在物理上等效为栅控肖特基结与栅控pn结的串联结构，具有双向导通特性；其漏端距离栅边界有一定的距离，能抑制晶体管的双极电流，降低关态电流。

6、进一步，所述作为放大单元的电容器件选源漏相连的mosfet器件组成的栅控二极管的栅电容时，该mosfet器件的栅极连接存储节点sn，该mosfet器件的源漏电极连接读出字线rwl，该mosfet器件的衬底电极单独引出作为调控电容大小的电极con。

7、进一步，所述作为放大单元的电容器件选高介电常数的电容，或者选成熟硅基cmos工艺中提供的电容：mom电容、mim电容或pip电容。

8、进一步，所述p/n型隧穿场效应晶体管的源半导体层的峰值掺杂浓度为1e20cm-3及以上，源半导体层的宽度在横向上比源金属层的宽度宽5nm及以上，源半导体层的厚度在纵向上比源金属层的厚度厚5nm及以上。

9、进一步，所述p/n型隧穿场效应晶体管的漏端距离栅10nm到100nm之间。

10、本发明还提供了一种控制所述基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列的方法，其特征在于，包括保持、写1、写0和读取四个步骤，具体如下：

11、在保持状态下，即没有写1、写0和读取操作时，所述动态随机存取存储器阵列中，所有的写入字线wwl电压、写入位线wbl电压、读出字线rwl电压和读出位线rbl电压均为0v；如果有调控电容大小的电极con，则con被施加恒定电压vb，且con的电压在读写过程中均不变；该动态随机存取存储器阵列中，若某一存储单元中存储的信息是“0”，那么对应存储节点sn的电压为0v，若某一存储单元中存储的信息是“1”，那么对应存储节点sn的电压为v0。

12、对所述动态随机存取存储器阵列中选择某一个存储单元写0的步骤为：将被选择存储单元的写入字线wwl施加电压v1，将被选择存储单元的写入位线wbl施加电压0v，其余写入字线wwl、其余写入位线wbl、读出字线rwl和读出位线rbl的电压不变；此时，被选择存储单元中的写入管开启，将电压0v从写入位线wbl传输到存储节点sn；写入完毕后，被选择存储单元的写入字线wwl和写入位线wbl电压均恢复到0v。

13、对所述动态随机存取存储器阵列中选择某一个存储单元写1的步骤为：将被选择存储单元的写入字线wwl施加电压v1，将被选择存储单元的写入位线wbl施加电压v0，其余写入字线wwl、其余写入位线wbl、读出字线rwl和读出位线rbl的电压不变；此时，被选择存储单元中的写入管开启，将电压v0从写入位线wbl传输到存储节点sn；写入完毕后，被选择存储单元的写入字线wwl和写入位线wbl电压均恢复到0v。

14、对所述动态随机存取存储器阵列中选择某一个存储单元读取的步骤为：将被选择存储单元的读出位线rbl的电压预充到电压v2，然后将该rbl处于浮置状态，将被选择存储单元的写入字线wwl施加电压v2，将被选择存储单元的读出字线rwl施加电压v2，其余写入字线wwl、其余读出位线rbl、其余读出字线rwl和写入位线wbl电压保持不变；此时，如果该存储单元中存储的信息是“0”，那么读出管电流较小，读出位线rbl电压为v3，经灵敏放大器放大以后变为v2，如果该存储单元中存储的信息是“1”，那么读出管电流较大，读出位线rbl电压下降为v4，经灵敏放大器放大以后变为0v；读取完毕后，将所有读出位线rbl电压变为v2，然后将所有写入字线wwl、所有读出字线rwl电压恢复到0v，最后将所有读出位线rbl电压恢复到0v；读取操作前后，存储节点sn的电压保持不变。

15、进一步，所述电压v0为0v到2v之间，约等于读出管的开启电压，所述电压v1为0v到-5v之间，所述电压v2为0v到5v之间，所述电压v3为0v到v2之间，所述电压v4为0v到v3之间，所述电压v4比所述电压v3低200mv及以上。

16、本发明一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列及其控制方法，其在动态随机存取存储方面可以延长动态随机存取存储的保持时间，降低刷新频率和刷新功耗；并且可以降低动态随机存取存储中读出位线漏电，缓解读串扰问题，增大存储窗口和阵列规模。

技术特征：

1.一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，由存储单元沿横向、纵向重复排列而成，同一行存储单元共用一条写入字线wwl和一条读出字线rwl，同一列存储单元共用一条写入位线wbl和一条读出位线rbl；

2.如权利要求1所述的一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述作为放大单元的电容器件选源漏相连的mosfet器件组成的栅控二极管的栅电容时，该mosfet器件的栅极连接存储节点sn，该mosfet器件的源漏电极连接读出字线rwl，该mosfet器件的衬底电极单独引出作为调控电容大小的电极con。

3.如权利要求1所述的一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述作为放大单元的电容器件选高介电常数的电容，或者选成熟硅基cmos工艺中提供的电容：mom电容、mim电容或pip电容。

4.如权利要求1所述的一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述p/n型隧穿场效应晶体管的源半导体层的峰值掺杂浓度为1e20cm-3及以上，源半导体层的宽度在横向上比源金属层的宽度宽5nm及以上，源半导体层的厚度在纵向上比源金属层的厚度厚5nm及以上。

5.如权利要求1所述的一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述p/n型隧穿场效应晶体管的漏端距离栅边界10nm到100nm之间。

6.一种控制如权利要求1所述的基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列的方法，其特征在于，包括保持、写1、写0和读取四个步骤，具体如下：

技术总结本发明提供了一种基于隧穿场效应晶体管的动态随机存取存储器阵列及其控制方法。该存储器阵列由存储单元沿横向、纵向重复排列而成，同一行存储单元共用一条写入字线和一条读出字线，同一列存储单元共用一条写入位线和一条读出位线；存储单元包括一个P型隧穿场效应晶体管作为写入管、一个N型隧穿场效应晶体管作为读出管、一个电容作为放大单元，写入管、读出管和电容相互连接共同构成存储节点SN，写入管栅极接写入字线、漏极接写入位线、源极接存储节点，读出管栅极接存储节点、漏极接读出位线、源极接地，电容一端接存储节点、一端接读出字线。本发明能延长动态随机存取存储的保持时间、降低功耗、缓解读串扰问题，增大存储窗口和阵列规模。技术研发人员：黄芊芊,王凯枫,黄如受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/4/8