1.4 Ứng dụng của vật liệu sắt điện
1.4.1 Bộ nhớ sắt điện
Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện mô tả mối quan hệ giữa độ phân cực (P) và điện trường tác dụng (E), được ứng dụng trong FRAM. Trên đường cong điện trễ, có một ngưỡng danh nghĩa (hoặc trường điện kháng - Ec), tại đó mô tả phân cực
(C) Cảm biến nhiệt điện Tính ch ất v ật lý Nhiệt độ (B) Bộ nhớ (A)Tụ điện Tc
(D) Đầu dò áp điện (E) Bộ chuyển đổi điện
(F) Thiết bị điện quang
Hằng số điện môi
Nghịch đảo hằng số điện môi 1/
` 21
thay đổi với hai giá trị phân cực dư “± Pr” đều ổn định như nhau, hình 1.11. Một trong hai trạng thái phân cực “± Pr” có thể được quy ước bít dữ liệu “0” hay “1” và do không phụ thuộc vào điện trường ngoài khi duy trì các trạng thái này, nên bộ nhớ không bị mất dữ liệu khi ngắt nguồn (bộ nhớ không thay đổi). Hai trạng thái phân cực tương ứng với hoạt động của các bộ nhớ, chẳng hạn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động đồng bộ (Synchronous Dynamic Random Access Memory - SDRAM) yêu cầu điện áp làm mới lại nhiều lần trong một giây (đọc/xóa/ghi lại) để duy trì thông tin lưu trữ [9]. Công nghệ bộ nhớ được chia thành hai loại bộ nhớ bộ nhớ điện tĩnh (Static Random Access Memory - SRAM) và bộ nhớ điện động (Dynamic Random Access Memory - DRAM) [9], [89], [90]. Trong đó, DRAM là một bộ nhớ được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị vi điện tử. Và bộ nhớ Flash một kiểu bộ nhớ điện tĩnh trong các thiết bị di động, như: điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và máy nghe nhạc MP3, đã đạt được rất nhiều thành công. Tuy nhiên, bộ nhớ Flash dung lượng bị hạn chế do thời gian ghi chậm, tiêu thụ điện năng cao và khả năng mở rộng kém [30]. Do đó, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không mất dữ liệu khi ngắt nguồn (Non-Volatile Ferroelectric Random Access Memories – NVFRAM hoặc FRAM) là sự thay thế lý tưởng cho các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tiêu chuẩn; bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và bộ nhớ Flash, do tốc độ truy cập nhanh, tiêu thụ điện năng thấp, độ bền đọc/ghi cao và khả năng lưu trữ dữ liệu mà không cần nguồn duy trì. Các so sánh ở bảng 1.2 cho thấy những thông số nổi trội của FRAM.
Bảng 1.2. Các thông số cơ bản của các loại bộ nhớ (nguồn: [30])
Loại
Mất dữ liệu khi ngắt
nguồn Khả năng ghi
Kích thước xoá Số lần xóa Tốc độ Giá thành (byte)
SRAM Có Có Byte Không
giới hạn Nhanh Đắt
DRAM Có Có Byte Không
giới hạn Vừa phải Vừa phải Masked
ROM Không Không sẵn sàng Không sẵn sàng Không Nhanh Vừa phải PROM Không Một lần (thiết bị chuyên dụng) sẵn sàng Không sẵn sàng Không Nhanh Vừa phải EPROM Không chuyên dụng) Có (thiết bị Toàn bộ Giới hạn Nhanh Vừa
phải
EEPROM Không Có Byte Giới hạn
Nhanh - đọc; Chậm - xoá,
ghi
Đắt
Flash Không Có Sector Giới hạn
Nhanh - đọc; Chậm - xoá,
ghi
Vừa phải
FRAM Không Có Byte Không
` 22
Vật liệu sắt điện đã được coi là vật liệu hàng đầu của thế hệ bộ nhớ mới FRAM đã được giới thiệu vào năm 1988 sử dụng PbZrxTi1-xO3 (PZT) [30]. Các ứng dụng hiện tại, như thẻ thông minh, thu thập và lưu trữ dữ liệu, lưu trữ cấu hình và bộ nhớ đệm. Sự phát triển tiếp theo và dự báo mật độ lưu trữ cao của FRAM được minh họa trên hình 1.15.
Hình 1.15. Lộ trình phát triển dung lượng bộ nhớ FRAM chuẩn (nguồn: [91], [92])
Xu hướng hiện tại nhằm cải thiện FRAM là giảm kích thước và tăng mật độ lưu trữ. Đối với hiệu suất và độ tin cậy của các thành phần bộ nhớ, một số thông số kỹ thuật được đưa ra trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật cho bộ nhớ FRAM (nguồn: [93])
Bộ nhớ (loại) 2T2C
Mật độ 4-256 kbit
Thời gian đọc/ghi 70-150 ns Độ bền đọc/ghi 1013 chu kỳ Thời gian lưu trữ dữ liệu 10 năm (- 40 ÷ 80oC)
Việc thương mại hóa vật liệu sắt điện liên quan đến một số công nghệ tạo bộ nhớ khác hoặc được ứng dụng cho một số thiết bị thích hợp [93]. Tuy nhiên, một FRAM lưu trữ dữ liệu khi thương mại đòi hỏi một sự hiểu biết thật rõ ràng về cấu trúc vật liệu.
Một hạn chế gây cản trở lớn đến việc thu nhỏ kích thước của FRAM là xuất hiện các xoáy phân cực khi màng sắt điện giảm xuống độ dày vài chục nano mét hoặc mỏng hơn. Các xoáy này không thể loại bỏ do xuất hiện cấu trúc miền phân cực bất thường hình thành nên các xoáy phân cực [94]–[97]. Ảnh hưởng về kích thước cũng như hiện tượng xoáy phân cực được thảo luận chi tiết trong chương 4. Bên cạnh đó, xoáy phân cực có thể là chìa khóa mở ra một hướng mới trong cách sử dụng đọc/ghi trên FRAM nhằm tăng mật độ lưu trữ và giảm kích thước.
` 23