基于铁电场效应晶体管的非易失性静态随机存取存储器

本发明涉及新型存储与计算，具体涉及一种基于铁电场效应晶体管的非易失性静态随机存取存储器设计。

背景技术：

1、非易失性静态随机存取存储器(nvsram)是一种独特的存储技术，结合了静态随机存取存储器(sram)的高速读写特性与非易失性存储器(nvm)的数据保持能力，在许多领域中得到广泛应用。在正常供电条件下，nvsram可以工作为传统sram模式；当检测到断电情况，nvsram启动备份机制，将存储在sram单元中的数据转移到内部的非易失性存储单元中，从而保证数据不会丢失；当电源恢复时，存储在非易失性存储单元中的数据会写入sram单元中，使得nvsram恢复断电前的状态继续工作。基于上述特性，nvsram在很多关键应用中得到应用，例如在工业控制系统中存储程序代码、系统配置和过程数据，确保在发生断电或异常情况时，重要数据不会丢失，并且系统可以快速恢复到断电前的状态。此外，随着物联网技术的发展和智能边缘设备的普及，对于高速、可靠且具备数据保护功能的存储解决方案的需求日益增加，nvsram因其兼具sram的高速读写和nvm的数据保持等优势在这些新兴领域中具有巨大的潜力。

2、目前nvsram的实现方案是在sram单元的两个存储节点附近放置两个nvm单元，例如电阻式随机存取存储器(rram)、相变存储器(pcm)、磁隧道结(mtj)和铁电随机存储存储器(feram)等，在系统断电前，通过控制电路将sram的信息写入nvm单元，实现数据备份。在系统上电时，将存储在nvm的信息写回sram单元，实现数据恢复。但是其仍然面临以下问题，首先是每个nvsram单元需要一个sram单元和两个nvm单元，以及用于sram和nvm之间数据备份和恢复的额外控制电路，使得nvsram占用较大的硬件开销和面积；另外，目前nvsram在数据备份时需要对nvm单元进行写入操作，在数据恢复时需要对nvm单元进行读出操作，对nvm的额外读写操作会消耗额外的功耗和延时，尤其是需要在需要频繁地进行数据备份和数据恢复的应用场景中；并且当系统产生意外断电时，数据备份可能尚未完成，导致重要数据丢失，因此目前nvsram的可靠性也存在一定的问题。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于铁电场效应晶体管(fefet)的非易失性静态随机存取存储器(nvsram)，具有最低的硬件开销，并且可以实现自动数据备份和数据恢复，降低了功耗和延时，提高了可靠性。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于fefet的nvsram，其特征在于，nvsram阵列中的nvsram单元由两个交叉耦合反相器和两个n型mosfet传输管组成，其中反相器由互补的mosfet和fefet(即p型mosfet和n型fefet，n型mosfet和p型fefet)或互补的fefet组成。

4、所述反相器由p型mosfet和n型fefet组成，则nvsram单元包含两个n型fefet(nfefet1和nfefet2)，nvsram单元在写过程中，首先将字线(wl)置为高电平，之后在位线(bl/blb)施加相应的写电压，将两个存储节点(d/db)写为高/低电平或低/高电平代表数据“1”或“0”。假设写入数据为“1”，在nvsram单元完成数据写入后，栅极连接存储节点d且漏极连接存储节点db的nfefet1存在一个正的从栅极到源极和漏极的写入电压，使得nfefet1中的铁电极化发生正向翻转，使其阈值电压向左发生移动；而栅极连接存储节点db且漏极连接存储节点d的nfefet2存在一个负的从栅极到漏极的写入电压，使得nfefet2中的铁电极化发生负向翻转，使其阈值电压向右发生移动，完成数据备份。当系统由断电到重新上电，假设断电前备份的数据为“1”，此时nfefet1的阈值电压低于nfefet2的阈值电压，即nfefet1的导通能力强于nfefet2，在系统上电过程中，与nfefet1的漏极连接的存储节点db的电压会上升的更慢，而与nfefet2的漏极连接的存储节点d的电压会上升的更快，进一步在两个交叉耦合反相器的负反馈作用下，恢复到满摆幅电平，即存储节点d为高电平，存储节点db为低电平，自发地完成数据的恢复。对于数据“0”的备份和恢复机制与上述过程类似。

5、所述反相器由n型mosfet和p型fefet组成，则nvsram单元包含两个p型fefet(pfefet1和pfefet2)，其数据备份和恢复的通过pfefet完成，原理与上述过程类似：仍然假设写入数据为“1”，在nvsram单元完成数据写入后，栅极连接存储节点d/db且漏极连接存储节点db/d的pfefet1/pfefet2会存在一个正向/负向写入电压，使得pfefet1/pfefet2中的铁电极化发生正向/负向翻转，使其阈值电压向左/向右发生移动，完成数据“1”的备份；在系统重新上电时，由于pfefet1的阈值电压低于pfefet2的阈值电压，与pfefet1的漏极连接的存储节点db的电压会上升的更慢，而与pfefet2的漏极连接的存储节点d的电压会上升的更快，进一步在两个交叉耦合反相器的负反馈作用下，存储节点d和db分别被置为高电平和低电平，自发地完成数据“1”的恢复。

6、所述反相器由n型fefet和p型fefet组成，nvsram单元包含两个n型fefet(nfefet1和nfefet2)和两个p型fefet(pfefet1和pfefet2)。其数据备份和恢复的通过nfefet和pfefet共同完成，原理与上述过程类似：仍然假设写入数据为“1”，在nvsram单元完成数据写入后，栅极连接存储节d且漏极连接存储节点db的nfefet1和pfefet1会同时存在一个正向写入电压，使得的nfefet1和pfefet1的阈值电压均向左发生移动，而栅极连接存储节db且漏极连接存储节点d的nfefet2和pfefet2会同时存在一个负向写入电压，使得的nfefet2和pfefet2的阈值电压均向右发生移动，完成数据备份；在系统重新上电时，在nfefet和pfefet的共同作用下，存储节点d和db分别被置为高电平和低电平，自发地完成数据“1”的恢复。同时，在数据备份时，每一个反相器中的nfefet和pfefet具有相同方向的极化翻转，阈值电压也会向相同方向调制，这会进一步加大两个反相器之间的差异，等效于增大了备份数据的存储窗口，有助于增强数据备份的保持特性。并且由于交叉耦合反相器全部由fefet组成，在自发地完成数据恢复过程中，使得上拉强度和下拉强度更容易匹配，也会增强nvsram的稳定性。

7、本发明提出的基于fefet的nvsram设计，其中的铁电材料可以采用hfo2掺zr(hzo)、hfo2掺al(hfalo)等各类hfo2掺杂型铁电材料的，也可以采用钙钛矿型铁电(如pzt，bfo，sbt等)、铁电聚合物(如p(vdf-trfe)等)等传统铁电材料，器件栅叠层可以基于mfmis、mfis、mfs等多种结构。

8、本发明的技术效果如下：

9、本发明基于fefet的nvsram在向nvsram单元写入数据时，可以自发地完成数据的备份，不需要额外的控制电路，降低了数据备份的功耗和延时，并且具有更高的可靠性，无论系统是主动断电还是意外被动断电，数据都会存储在nvsram中的非易失性铁电极化中。nvsram单元在系统重新上电时，会根据fefet中的铁电极化信息自动恢复数据。本发明具有如下优点：

10、1、本发明提出的基于fefet的nvsram，原位实现数据备份，仅需要6个晶体管，将nvsram的硬件开销降低到理论最低，提升了nvsram的面积效率。

11、2、本发明提出的基于fefet的nvsram，可以在数据写入时自发地完成数据备份，将数据备份在nvsram单元中的非易失性铁电极化中，并且可以在断电重新上电后自发地完成数据恢复，降低了nvsram数据备份和恢复的功耗和延时，提高了nvsram工作的稳定性和可靠性。