更加了解FeRAM
非易失性存储器的工作原理 – 按非易失性存储器类型进行介绍
非易失性存储器是一种即使断电数据也不会丢失的存储器。非易失性存储器有多种类型，不同类型的存储器在断电时保存数据的原理各不相同。这里将对各类非易失性存储器的工作原理进行说明。
本页将介绍FeRAM以外的其他非易失性存储器的工作原理。
FeRAM的工作原理请参阅以下内容。。
1. ReRAM的工作原理
通过放置于两个电极之间的金属氧化物等绝缘体（钽、铪等金属氧化物）的电阻变化来存储信息（图1）【2】。
当在两个电极之间逐渐施加电压时，处于高阻态（HR）的绝缘体将在某个特定的电压下形成被称为“细丝”的电流通路，从而转变为低阻态（LR）。
如继续提高电压，已形成的细丝将会消失，从而处于低阻态（LR）的绝缘体将恢复到原本的高阻态（HR）。（类似于过大电流导致细丝因高温熔断，从而失去导电性的现象。）
为恢复到初始的高阻态（HR），目前主流的方法是反转电极的极性，利用细丝的氧化还原反应来实现数据的重写。
当想要读取信息时，会在两个电极上施加比写入信息时更低的电压并测量通过的电流。
因为需要施加高电压并通过大电流才能重写存储信息，所以此类存储器属于非易失性存储器。
除了此种工作原理，还有一部分ReRAM是利用电极与绝缘体之间的肖特基势垒高度变化以及氧化还原反应来产生高阻态（HR）和低阻态（LR）。
2. PCRAM的工作原理
利用放置于两个电极之间的被称为硫族化合物的绝缘体（如Ge₂Sb₂Te₅）的电阻变化来存储信息（图2）[3]。
这种绝缘体在非晶态（类似玻璃，元素无序排列状态）时处于高阻态（HR），而在晶态时处于低阻态（LR）。
通过在夹有硫族化合物的两个电极之间施加电压形成电流通路，硫族化合物将会被加热。当缓慢切断电流时，硫族化合物将结晶化；当快速切断电流并快速冷却时，硫族化合物将形成非晶态。通过这种方法来实现信息的写入。
当读取信息时,在两个电极上施加低于写入信息时的电压后测量通过的电流。只要不通足以升高温度的电流，存储的信息则不会丢失，即存储的数据具有非易失性。
除了硫族化合物，PRAM（相变随机存取存储器）也会使用将薄GeTe层和Sb2Te3层堆叠而成的超晶格结构材料。
由于PRAM利用热效应来工作，因此存在功耗较高，以及当高密度集成时相邻存储单元之间会因热影响而产生错误等问题。
3. MRAM的工作原理
将薄绝缘体（通常使用MgO）夹在两个磁体层之间，穿过绝缘体的磁体间电流（隧道电流）会随着两个磁体的相对磁化方向的变化而发生变化（隧道磁阻效应）。
MRAM是一种利用这种性质的非易失性存储器（图3）[4]。
当两个磁体的磁化方向相同时（平行状态），可以通过较大电流（低阻态：LR）；而当它们方向相反（反平行状态）时，只能通过较小电流（高阻态：HR）。
信息的写入通过改变其中一个磁体的磁化方向来实现。
主要有两种方式，一种是通过在相邻线路中通入电流产生磁场的切换式式（Toggle MRAM或简称MRAM），另一种是利用两个磁体之间电流的自旋转移矩磁方式（STT-MRAM）。
后者则是利用了电子携带的磁性（自旋）的磁化方向与通过的磁体层方向相同时更容易通过的特性。
当从下方注入电子时（如左图所示），只有自旋方向与磁铁磁化方向相同的电子才能穿过绝缘层，并使对侧磁铁的磁化方向反转为与电子自旋方向相同。这种现象被称为自旋传递转矩。
当从上方注入电子时（如右图所示），无法穿过下方磁铁的电子会将自己的自旋传递给上方磁铁，从而使上方磁铁的磁化方向发生反转，实现信息的写入。
读取信息时，通过在两个电极上施加比写入信息时更低的电压，并测量通过的电流。只要不进行重写操作，存储的信息将会保持非易失性。
一般来说MRAM在信息写入方面面临一些挑战。例如受到外部磁场的影响，导致所保存的信息被意外改写。在扭矩型MRAM中，磁化反转需要较大电流从而导致功耗过高。而在STT-MRAM中，电子自旋反转磁体磁化方向时，由于热效应的影响，磁化方向有一定概率无法成功反转。因此在信息写入时需要采取一些改进措施。
4. 闪存和EEPROM的工作原理
闪存和EEPROM是一种利用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅极部分来存储电荷，从而实现非易失性存储的存储器。
目前主流的半导体晶体管是MOSFET（图7(a)），其通过在栅极部分施加电压来控制被称为沟道的部分的电阻，从而通过控制源极和漏极之间的电流来实现晶体管的功能。
此种类型的 MOSFET 中，当在栅极上施加正电压，源极和漏极之间会产生电流流动。当源极和漏极之间开始产生电流流动时的栅极电压称为“阈值电压”。
图4 (b) 和 (c) 分别为闪存以及EEPROM存储元件的示例。
在栅极电极（控制栅极）下方，通过绝缘膜设置了一个储存电荷的层（电荷储存层）。当电荷储存层中积累了电子（如图4(b)所示）时，MOSFET的阈值电压会升高，如不施加较高的栅极电压，源极和漏极之间不会通过电流。
当电荷储存层中没有电子（如图4(c)所示）时，阈值电压降低，即使在低栅极电压下，源极和漏极之间也会有电流通过。
闪存和EEPROM通过阈值电压的差异来存储信息。
通过在控制栅极与源极或漏极之间施加高电压，电子可以通过绝缘膜被积累或提取，从而实现信息的写入和修改。
只要不施加高电压积累或提取电子，存储的信息就会保持非易失性。
信息读取时在控制栅极上施加电压，并测量源极和漏极之间的电流。以此测量阈值电压是处于高状态还是低状态来读取存储的信息。
EEPROM通过将此类元件与普通的MOSFET连接，构成一个存储单元。
在闪存中，仅将存储部分的元件串联连接，采用对每组连接的存储元件进行写入或擦除的方法来实现高集成化。
以往主要记录高电阻和低电阻两种类型值，如今可以通过调整电荷存储层中电子的积累量分成多个级别，令一个存储元件可保存多种信息状态。
此外，将以往在硅晶圆平面上制造的存储元件以立体方式布置可实现更高的存储容量。
在平面结构的存储单元中电荷存储层主要采用导电材料（浮动栅极方式），而立体结构的存储单元则更多地使用绝缘膜。[1,5]
无论是闪存还是EEPROM，在进行信息重写的过程中，电子均会穿过绝缘层。如此绝缘层的绝缘性能将会下降，重写次数上限通常在10万次左右。此外，为了实现重写操作，需在电路中配备升压电路以施加较高电压，从而增加了电路的复杂性并导致功耗增加。
参考文献
[1] C. Zhao, et al., Materials 7, pp. 5117-5145 (2014).
[2] Y. Chen, IEEE T. Electron Dev. 67, pp. 420 – 433 (2020).
[3] M. L. Gallo and A. Sebastian J. Phys. D53, p. 213002 (2020).
[4] S. Ikegawa et al., IEEE T. Electron Dev. 67, pp.1407-1419 (2020)
[5] A. Goda, Electronics 10, p.3156 (2021).