FeRAM (Ferroelectric RAM)

FeRam (Ferroelectric RAM) adalah RAM (Random Access Memory) yang hampir sama dengan konstruksi DRAM, namun menggunakan lapisan ferroelectric sebagai pengganti lapisan dielektrik sehingga mencapai non-volatility (tidak menguap). FeRAM adalah salah satu alternatif teknologi memori non-volatile yang menawarkan fungsi yang serupa dengan Flash memori. FeRAM juga memiliki karakteristik antara ROM (Read Only Memory) dan RAM itu sendiri. Kelebihan FeRAM daripada Flash memori antara lain : hemat energi, pembacaan yang lebih cepat dan lebih banyak perputaran write-erase (melebihi 10¹⁶ untuk alat bertegangan 3,3 V) . Kelemahannya terdapat pada kepadatan bahan dibandingkan dengan Flash, terbatasnya daya simpan dan harga yang masih sangat mahal.

FeRAM in Memory Classification

Ferroelectric RAM diperkenalkan oleh mahasiswa MIT, Dudley Allen Buck dalam thesis masternya, Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switchin, yang dipublikasikan pada 1952. Pengembangan FeRAM dimulai pada tahun 1980an dan diselesaikan oleh NASA Jet Propulsion Laboratory pada 1991 untuk memperbaiki metode dalam pembacaan, termasuk metode baru daam pembacaan non-destructive menggunakan getaran radiasi UV. Kebanyakan dari teknologi Feram terbaru dikembangkan oleh Ramtron, sebuah pabrik semikonduktor. Pemegang lisensi utama yaitu Fujitsu, sebagai pengoperasi jalur produksi pengecoran semikonduktor terbesar dengan kemampuan FeRAM. Sejak 1999, mereka telah menggunakan jalur ini untuk memproduksi FeRAM sendiri, serta chip khusus (seperti chip untuk smartcard) dengan FeRAm tertanam di dalamnya. Fujitsu memproduksi peralatan untuk Ramtron. Sejak 2001 Texas Instruments bekerjasama dengan Ramtron dalam pengembangan tes untuk FeRAM. Pada musim gugur 2005, Ramtron melaporkan bahwa mereka telah mengevaluasi contoh prototype sebuah FeRAM 8 megabit yang diproduksi menggunakan proses FeRAM dari Texas Instruments. Proyek penelitian FeRAM juga telah dilaporkan oleh Samsung, Matsushita, Oki, Toshiba, Infineon, Hynix, Symetrix, Cambridge University, University of Toronto dan Interuniversity Microelectronics Centre.

Bahan feroelektrik memiliki hubungan nonlinear antara medan listrik yang diterapkan dan muatan yang tersimpan. Secara khusus, karakteristik feroelektrik memiliki bentuk loop histeresis, yang sangat mirip dalam bentuk ke loop histeresis dari bahan ferromagnetic. Konstanta dielektrik feroelektrik biasanya jauh lebih tinggi daripada yang dari dielektrik linier karena efek semi-permanen dipol listrik dibentuk dalam struktur kristal dari material feroelektrik. Ketika medan listrik eksternal diterapkan di dielektrik, dipol cenderung menyesuaikan diri dengan arah medan, terbentuk karena pergeseran kecil dalam posisi atom dan pergeseran dalam distribusi muatan listrik dalam struktur kristal. Setelah muatan itu dihilangkan, polarisasi dipol mempertahankan posisi mereka. Biasanya biner "0"  dan "1"  disimpan sebagai salah satu dari dua polarisasi listrik yang mungkin dalam setiap sel penyimpanan data. Sebagai contoh, pada angka "1" dikodekan sebagai sisa-sisa polarisasi negatif "-Pr", dan "0" dikodekan sebagai sisa-sisa polarisasi positif "+ Pr".

Comparison Table

Secara operasional, FeRAM mirip dengan DRAM. Writing dicapai dengan menggunakan seluruh bagian lapisan feroelektik dengan pengisian di kedua sisi lapisan memaksa atom di dalam memiliki orientasi “up” atau “down” (tergantung pada polaritas muatan) sehingga tersimpan "1 "atau "0". Sedangkan dalam Reading, terdapat perbedaan jika dibandingkan dengan DRAM. Transistor memaksa sel untuk masuk ke bagian tertentu, misalnya “0”. Jika sel berada di “0”, maka tidak akan terjadi apapun pada jalur output.  Jika sel berada di “1”, maka re-orientasi atom dalam keadaan ini kan menyebabkan arus singkat pada output yang mendorong elektron keluar dari logam bagian “down”. Adanya arus singkat ini berarti sel berada pada posisi “1”. Karena proses ini menulis ulang sel, Reading pada FeRAM merupakan proses yang merusak dan membutuhkan sel untuk ditulis ulang jika terjadi perubahan.

Umumnya operasi FeRAM mirip dengan ferrite core memory, salah satu bentuk utama dari memori komputer pada tahun 1960. Sebagai perbandingan, FeRAM membutuhkan daya jauh lebih sedikit untuk membalik keadaan polaritas, dan melakukannya lebih cepat.

FeRAM masih menjadi bagian yang relatif kecil dari pasar semikonduktor secara keseluruhan. Pada tahun 2005, penjualan semikonduktor di seluruh dunia adalah US $ 235 miliar (menurut Gartner Group), dengan akuntansi memori pasar Flash untuk US $ 18, 6 miliar (menurut IC Insights). Tahun 2005 menurut penjualan tahunan Ramton, FeRAM mungkin menjadi vendor terbesar dengan penghasilan US $32.7 juta. Penjualan terbesar dalam memori Flash dibandingkan dengan NVRAM alternatif mendukung penelitian dan pengembangan usaha yang jauh lebih besar. Flash memori diproduksi menggunakan linewidths semikonduktor 30 nm di Samsung (2007) sementara FeRAMs diproduksi di linewidths dari 350 nm pada 130 nm Fujitsu dan di Texas Instruments (2007). Sel-sel memori Flash dapat menyimpan beberapa bit per sel (saat ini 3 di kepadatan tertinggi NAND perangkat flash), dan jumlah bit per sel flash diproyeksikan meningkat menjadi 4 atau bahkan 8 sebagai hasil dari inovasi dalam desain sel flash. Namun, kepadatan bit areal memori Flash memiliki konsekuensi yang lebih besar daripada FeRAM. Dengan demikian biaya per bit memori Flash jauh lebih rendah daripada FeRAM.

Kepadatan dari array FeRAM mungkin meningkat dengan perbaikan dalam teknologi proses pengecoran FeRAM dan struktur sel, seperti pengembangan struktur kapasitor vertikal (dalam cara yang sama seperti DRAM) untuk mengurangi wilayah jejak sel. Namun, mengurangi ukuran sel dapat menyebabkan sinyal untuk data menjadi terlalu lemah untuk dapat dideteksi. Pada tahun 2005, Ramtron melaporkan penjualan yang signifikan dari produk FeRAM dalam berbagai sektor termasuk meteran listrik, otomotif (misalnya blackbox pesawat, kantung udara pintar), mesin bisnis, (printer misalnya, RAID controller disk) , instrumentasi, peralatan medis, mikrokontroler industri, dan tag identifikasi frekuensi radio. Para pengembang NVRAM lainnya, seperti MRAM, mungkin berusaha untuk memasuki pasar sama untuk menyaingi FeRAM.

Texas Instruments membuktikan bahwa memungkinkan untuk menanamkan sel FeRAM menggunakan dua langkah lapisan tambahan selama pembuatan semikonduktor CMOS konvensional. Memori Flash biasanya membutuhkan 9 lapisan. Hal ini memungkinkan misalnya, integrasi FeRAM pada mikrokontroler, di mana proses disederhanakan akan mengurangi biaya. Namun, bahan yang digunakan untuk membuat FeRAM tidak umum digunakan dalam CMOS manufaktur sirkuit terpadu. Kedua lapisan feroelektrik dipelajari dan logam mulia yang digunakan untuk elektroda meningkatkan kompatibilitas CMOS proses dan isu-isu kontaminasi. Kedua lapisan feroelektrik dan logam mulia yang digunakan untuk elektroda meningkatkan kompatibilitas proses CMOS dan isu –isu kontaminasi. Texas Instruments juga telah memasukkan sejumlah memori FeRAM ke mikrokontroler MSP430-nya dalam seri FeRAM baru.