铁电存储器是一种在断电时不会丢失信息的非易失存储器， 它具有高速度、高密度、低功耗和抗辐射等优点，在IC卡、 移动电话、嵌入式微处理器、航空航天和军事应用等领域显 示出极大的发展潜力和良好的应用前景，受到了各国科技界 和产业界的广泛关注。图为RAMTRON公司的两款铁电存储 器。
背景介绍：铁电存储技术最早在1921年提出，直到1993年美 国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器 FRAM产品，标志着铁电存储技术开始实际应用，目前所有 的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。最近几年， FRAM又有新的发展，采用了0.35μm工艺，推出了3V产品， 开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可在256Kb。
PZT 是研究最多、使用最广泛。优点是能够 在较低的温度下制备，可以用溅射和金属有 机气相沉积（MOCVD）的方法来制备，具 有剩余极化较大、原材料便宜、晶化温度较 低的优点；缺点是有疲劳退化问题，还有含 铅会对环境造成污染。 SBT 最大的优点是没有疲劳退化的问题，而且 不含铅；但是它的缺点是工艺温度较高，使之工艺集成难度增大，剩余极化程度 较小。
传统存储器现状：随着人们对于存储容量越来越高需求，科 研人员也在不断的提高存储密度，但存储密度的提高使得浮 动栅与导电沟道之间绝缘介质层厚度减到 2.5nm 左右，这已 经很接近它的极限厚度。再进一步减薄绝缘介质层的厚度将 无法保证数据的存储寿命。
为了满足市场需求,开发新一代具有存储密度高、功耗低、写 入/擦除速度快、抗疲劳能力强、数据保持能力强、与传统 CMOS工艺相兼容等特点的新型非易失性存储器则成为必然 趋势。 因此，科研人员对包括电荷俘获型存储器、铁电存储器 (FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)和阻变存 储器(ReRAM)在内的一些新型存储器进行了广泛的研究。
2.存储器在各种电子 设备、通信设备、智 能化家用电器和办公 自动化设备中扮演了 一个十分重要的角色。
存储器的分类
存储器有多种多样的分类方式 按照用途：分为主存储器和辅助存储器； 按照存储介质：分为半导体存储器和磁性材料存储器； 按照读写能力：只读存储器（Read Only Memory）和随机读 写存储器(Random Access Memory)
因此，我们日常生活中使用的十进制数必须转换成等值的二 进制数才能存入存储器中。
存储器在我们现代社会生活中发挥着巨大的作用。如果说 信息处理技术是信息时代的心脏的话，那么存储器就是信息 时代的细胞。 1.它是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。计 算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中 间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。有了存储器, 计算机才有记忆功能,从而才能保证机器正常工作。
FeRAM铁电存储器器件结构
FeRAM工作过程
图中所示为铁电电容读过程示意图，该单元结构用高于矫顽 电压的脉冲完成信号写入。 信息存储于图中的“①”点或“③”点，读操作时，在板线 上施加一电压脉冲，铁电电容的极化状态将根据所存储数据， 分别从图中“①”点或“③”点位臵沿电滞回线达到“④” 点。 由“③”到“④”时： 铁电电容的极化方向发生翻转， 产生较大的电流脉冲；在位线电 容 CBL上产生较多的感应电荷 Qmax+Qr，从而在位线上表现 出较大的VBL
铁电存储器简介
随着当前科技的飞速发展，国内外民用市场、航天工程和新 一代武器装备对电子产品提出了更高的要求，数据存储器作 为关键器件之一，也面临着新的挑战。 对存储器提出的新要求主要有：大容量、高速度、低功耗、 抗辐射能力强、使用寿命长、高可靠性等。 例如美国国家航空航天局（NASA）对所需存储器提出的具 体要求是：抗辐射能力强，使用寿命长（10 年）；同时为了 实时记录宇航飞船的运行状态以及相应的时间，需每秒刷新 数据两次，即需要存储器能忍受1010的擦写次数。传统的存 储器很难满足以上要求，所以对于新材料存储器的研究是迫 切需要的。
从用户的角度出发,非易失性半导体存储器家族主要分为以下 几个部分：
ROM (Read Only Memory):只读存储器,其特点是在制造过程 中内容资料已经被写入,是不能修改的。 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory):可擦除 可编程只读存储器,其特点是可以利用高压将资料写入,但是 要利用紫外线擦除资料。 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory):电可擦除可编程只读存储器,其特点是可以利用电压 对器件进行擦除/写入操作。 Flash Memory:闪存,可对每一存储单元进行编程操作,擦除是 按照块来进行的。
FeRAM原理
FeRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的 结构如图所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场 时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状 态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位臵。 这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得 外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位臵。
相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些 独一无二的特性。 铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一 样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储 类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁——一种非易失性的 RAM。
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铁电材料——发展
由于铁电材料具有优良的铁电、介电、热 释电及压电等特性，它们在铁电存储器、红外 探测器、声表面波和集成光电器件等固态器件 方面有着非常重要的应用，这也极大地推动了 铁电物理学及铁电材料的研究和发展。
通常，铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域 内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴 (ferroelectric domains)。 两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方 向互成90°，则其畴壁叫90°畴壁。此外，还有180°畴壁等。
电滞回线 铁电材料最基本的 特性为在某些温度范围会 具有自发极化，而且极化 强度可以随外电场反向而 反向，从而出现电滞回线。 电滞曲线是极化强度P滞 后于电场强度E的曲线。 PS 饱和极化强度 EH 矫顽电场强度
因此，位于晶胞中心的 Ti（或 Zr）原子在外电场作用下，向 上或向下产生物理偏移，撤掉外电场后，原子不回到晶胞中 心，从而使整个晶胞中正、负电荷中心不再重合，对外表现 出一定的极化特性，铁电存储器就是利用这两个稳定态来代 表数字逻辑中的“1”和“0”。
FeRAM存储单元结构
FeRAM存储单元由铁电电容和场效应管组成。 铁电存储器存储单元结构与 DRAM 结构相似，如图所示， 由铁电电容代替 DRAM 的存储电容，上电极接位线（BL）， 下电极接板线（PL）。利用铁电薄 膜的极化翻转来进行数据的写入 与读出。
铁电材料发展示意图
铁电材料——分类
（1）结晶化学分类 含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫 酸盐（TGS）、罗息盐（RS）等。这类晶体通常是从水溶 液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁电 体； 双氧化物晶体：如BaTiO3（BaO-TiO2）、KNbO3 （K2O-Nb2O5）、LiNbO3 （Li2O-Nb2O5）等，这类晶体 是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电体．它 们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位臵， 而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位臵。
FeRAM电路结构
铁电存储器的基本单元结 构主要包括2T-2C和1T-1C 结构。 与2T-2C结构相比1T-1C结 构面积缩小一半，是未来 高密度铁电存储器的发展 方向。但是2T-2C结构采 用两个极化方向总是相反 的电容进行信号比较,容 差范围较大，而且参考单 元的铁电电容与寻址单元 具有相同的疲劳速率，可 靠性更高。
铁电材料——主要性质
铁电材料由于自身结构的原因，具有很多性质， 同时具有了压电性，热释电性等，此外一些铁电晶体还 具有非线性光学效应，电光效应，声光效应，光折变效 应等。铁电材料这些功能使它们可以将声，光，电，热 联系起来，成为一类很具潜力的功能材料。 其中研究比较多主要有电滞回线，居里温度，介电常数 等与铁电存储器紧密联系的特性 。
铁电存储器分类
FeRAM 可以根据存储单元分为基于铁电电容的 FeRAM 和铁电场效应晶体管FeFET 的 ，如图所示
2015-1-29
铁电存储器原理
铁电材料的电滞回 线,它表示极化强度 和外加电场之间的 非线性关系。
具有双稳态特性,两 个剩余极化方 向,Pr/G可以表示二 进制中的“0”和 “1",用于非挥发数 据存储。
铁电材料——简介
自1921年法国人J.Valasek发现罗息盐 (NaKC4H4(V4H20)具有铁电性以来,铁电材料始终受 到广泛关注。 铁电材料：我们把具有自发极化，且自发极化能 够为外电场所转向的一类材料，称为铁电材料。 铁电体：指在温度范围内具有自发极化且极化强 度可以因外电场而反向的晶体。铁电体名字的由来 主要是其表现出与铁磁体磁化曲线相类似的非线性 回滞回介电特性,因此人们称之为"铁电体"。截止到 目前为止,已经发现一千多种材料具有铁电性。
铁电存储器
存储器简介及分类 铁电存储器简介 铁电材料 铁电存储器分类结构及原理 优点及应用 问题及前景
存储器简介
存储器是一种具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳 定状态的物理器件来存储信息，这些器件也称为记忆元件。 在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示 数据，记忆元件的两种稳常采用由金属/铁电薄膜/金属构成的 铁电电容来存储信息，铁电电容与常规电容最大的区 别就在于铁电电容具有非线性的 Q-V 曲线,即电滞回线。
几个重要的参数 矫顽电场：使已极化的 铁电材料极化值重新回到 零所需要的外加电场。
电畴：铁电薄膜中自发极化方向相同的小区域叫作电畴，所 以整个薄膜就是由多个电畴区个电畴区所组成，如图所示 自发极化电荷（Qs）： 在外电场作用下，铁电薄膜内 各电畴的极化方向趋于一致， 从而在宏观上表现出一定的极 化电荷。 剩余极化电荷（Qr）： 当撤销外加电场后，一部分电 畴极化方向发生改变，但仍有 大量电畴保持原有的极化 状态，此时的极化电荷称为 剩余极化电荷。