I materiali ferroelettrici occupano una posizione unica nella fisica della materia condensata e sono diventati indispensabili nella progettazione di moderni dispositivi di memoria non volatili. Per definizione, questi materiali possiedono una polarizzazione elettrica spontanea che può essere commutata tra due o più stati stabili da un campo applicato esterno. Questa capacità di commutazione binaria mappa direttamente sugli stati logici "0" e "1" necessari per la maggior parte della memoria digitale dei dati, e a differenza della memoria volatile (ad esempio, DRAMRAM,

Fondamenti della Ferroelettricità

Struttura cristallina e polarizzazione spontanea

La struttura del cristallo non-centrosimmetrico[5] è un perovskite o un perovskite a strati con una transizione di fase strutturale che crea un dipolo elettrico permanente.

Altri materiali ferro-elettrici molto noti includono titanato di bario (BaTiO]3]), il denso dentario di biossido (SBT), e più recentemente

Le implicazioni di Hysteresis Loop e Memoria

La firma elettrica di un materiale ferroelettrico è il suo campo di polarizzazione-versus-elettrico-campo (P‐E) di isteresi. Quando viene applicato un campo elettrico sinuoso o triangolare, la polarizzazione non segue un percorso lineare; invece, traccia un loop la cui area rappresenta l'energia dissipata durante il reversal di polarizzazione.

I parametri chiave estratti dal loop di isteresi includono:

  • La polarizzazione continua (P[]]r[]]][]] – determina la differenza di carica disponibile tra gli stati "0" e "1", che definisce il margine di rilevamento.
  • ]Il campo di Coercive (E[]c]][] – relativo alla tensione necessaria per scrivere un po'; basso E[c[]]] consente un funzionamento a bassa tensione ma può compromettere la ritenzione se troppo piccolo.
  • polarizzazione della saturazione (P[]sat[[]])[ – la polarizzazione massima raggiungibile in un determinato campo, spesso utilizzata per dedurre la piena capacità di commutazione.
  • Squareness del loop[[] – una misura di come bruscamente la polarizzazione passa; un loop quadrato minimizza il commutazione parziale e migliora la discriminazione tra gli stati.

Proprietà elettriche chiave per la prestazione del dispositivo di memoria

Velocità di commutazione di polarizzazione

In memoria ferro-LT, la velocità a cui la polarizzazione può essere invertita determina direttamente il tempo di scrittura. I modelli di commutazione limitata della nucleazione classica mostrano che l'inversione di polarizzazione avviene mediante la formazione e la crescita di domini orientati al contrario.

Permittività e Capacità Dielettrica

I materiali ferroelettrici presentano una grande autorizzazione dielettrica (ε]r]) vicino alla temperatura Curie, ma anche a temperatura ambiente la loro autorizzazione è spesso centinaia a migliaia.

Proprietà correnti e isolanti

[LT] Per un dispositivo di memoria per mantenere i dati, il condensatore ferroelettrico deve anche essere un eccellente isolatore elettrico. Corrente di perdita di peso, non desiderato attraverso il sottile film, può gradualmente ridurre la polarizzazione, che porta alla perdita di ritenzione di ritenzione di ritenzione di ritenzione di fileri[LT][LT]

Effetti piroelettrici e piezoelettrici

Mentre non vengono utilizzati direttamente per la memorizzazione dei dati nel FeRAM convenzionale, le proprietà piroelettriche e piezoelettriche] sono importanti per considerazioni di livello del sistema. Ad esempio, i cambiamenti di temperatura possono indurre correnti piroelettriche che disturbano la polarizzazione memorizzata (una preoccupazione nei pacchetti di sviluppo industriale).

FeRAM Architettura e Operazione

Strutture cellulari 1T‐1C e 1T

La cella di riferimento più diffusa è costituita da un transistor e da un condensatore ferroelettrico (1T‐1C), analogo a una cella DRAM, tranne che il condensatore è ferroelettrico. La lettura è distruttiva: la linea bit-line è precaricata, quindi la riga di parola di riga si accende il transistor, costringendo la linea di piastra a commutare.

Scrivi Endurance e Ciclismo

[LT] I dispositivi di resistenza [LT] possono resistere [[5] [7] [7]] [[LT]] a un livello di resistenza inferiore a quello del segnale.

Sfide elettriche e meccanismi di degradazione

Fatidico

La progressione della polarizzazione (in inglese) è una riduzione della polarizzazione e della corrente di commutazione. Il commutatore di polarizzazione ripetuto di microscopio genera difetti strutturali, soprattutto di vacanzie di ossigeno, che si accumulano a pareti di dominio e li bloccano dal movimento. Le pareti a pinna riducono il volume di materiale commutabile.

Perdita di conservazione

La perdita di conservazione è il graduale decadimento della polarizzazione nel tempo a zero bias. Si verifica perché la polarizzazione memorizzata non è uno stato termodinamico completamente stabile; c'è una probabilità finita che un dominio si capovolga, soprattutto se esistono campi depolarizzati interni. Il test di ritenzione standard prevede la programmazione del condensatore a uno stato, la cottura a una temperatura (ad esempio, 85 °C o 125 °C) per un periodo di perdita di qualità, quindi misura il restante.

Imprint

Imprint è un fenomeno in cui uno stato di polarizzazione diventa più energicamente favorevole nel tempo, causando il ciclo di isteresi a passare lungo l'asse del campo. Dopo la scrittura, il materiale tende a preferire quello stato, in modo che il campo coercitivo per passare via da quello stato aumenta, mentre il campo di coercizione dell'altro stato diminuisce periodicamente.

Spessore Scalare e Dimensioni Effetti

Le tecnologie di memoria moderne richiedono film di sempre-thinner per ridurre la tensione di funzionamento e la dimensione delle cellule. Tuttavia, quando i film ferroelettrici sono scalati sotto circa 50 nm (per PZT) o 5 nm (per HfO[]2]]), diverse questioni elettriche si presentano: il campo di coercizione aumenta (a causa della depolarizzazione indotta dalla superficie), la corrente di dispersione aumenta notevolmente, e l'e

Emergenti materiali ferroelettrici e percorsi di integrazione

Ferroelettrici a base di ossigeno di Hafnium

Come accennato, la scoperta di ferroelettrico in HfO doped2] film sottili (ad esempio, Hf0.5Zr0.5]]]O2

Ferroelettrico bidimensionale

I ferroelettrici a basso spessore, come CuInP2]]]6 e alcuni dichalcogenides di transizione-metal, sono stati esplorati per le celle di memoria a ultra scala. Le loro proprietà elettriche, la polarizzazione finale al limite monostrato, la bassa tensione di commutazione e il potenziale di integrazione con 2D semiconduttore

Integrazione con CMOS Logic

CMF-F-C, un processo di elaborazione di condensatori o cancelli di tipo ferroelettrico, per FeRAM, il condensatore è tipicamente costruito nel back-end-of-line (BEOL) dopo che i transistor sono completati.

Prospettive future

L'evoluzione della memoria non volatile basata su ferroelettriche dipenderà dal superamento delle sfide di resistenza e di ritenzione senza sacrificare velocità o densità.

Da un punto di vista delle applicazioni, il più grande mercato potenziale per i ricordi ferroelettrici è come una memoria incorporata per i microcontroller e dispositivi IoT, dove può sostituire la memoria flash con più veloci scrive e potenza inferiore. Inoltre, FeRAM è utilizzato in smart card, tag RFID e impianti medici dove l'integrità dei dati durante i lunghi periodi è fondamentale.

I ricercatori e gli ingegneri devono continuare a monitorare le proprietà elettriche fondamentali: dinamiche di polarizzazione, perdite, meccanismi di fatica e fisica della ritenzione. Tecniche di caratterizzazione avanzate[ come la microscopia della forza piezoresponsabile (PFM), la diffrazione dei raggi X in-situ e le misurazioni rapide del polso stanno facendo luce sui processi di nanoscala che controllano l'affidabilità dei dispositivi elettronici dieci anni.