FeRAMとは何か?原子の位置変化を読み取る方法は？

この記事で分かること

FeRAM

　半導体チップは、「産業のコメ」と呼ばれるほど現代社会の基盤となっています。AIの普及やデジタル化の加速などのもあり、AIそのますます重要性が増しています。

　ただ、一口に半導体チップといっても、その中には様々な種類が存在します。今回はFeRAMに関する記事となります。

FeRAMとは何か

　FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory：強誘電体メモリ）とは、「強誘電体」という特殊な結晶を用いた不揮発性メモリです。

　MRAMと同様に「DRAMの高速さ」と「フラッシュメモリの消えない性質」を兼ね備えていますが、MRAMが「磁気」を使うのに対し、FeRAMは「電気の偏り（分極）」を利用します。

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FeRAMの主な特徴

1. 書き込みが極めて高速
   • フラッシュメモリのような高電圧や消去工程が不要で、DRAMとほぼ同等のスピードで書き込みが可能です。
2. 書き換え耐性が非常に高い
   • 物理的な破壊（トンネル効果による酸化膜の劣化）を伴わないため、10兆回以上という、フラッシュメモリとは比較にならない寿命を持っています。
3. 超低消費電力
   • データの書き換えに必要なエネルギーが非常に小さく、バッテリー駆動のデバイスに最適です。
4. 不揮発性（電源を切っても消えない）
   • 電源を落としても、結晶内部の電気的な「向き」が保持されるため、データは消えません。

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仕組み：強誘電体の「分極」

FeRAMの心臓部は、コンデンサの中に挟まれた「強誘電体」の膜です。

• 結晶の歪み: この結晶に電圧をかけると、中の原子の位置が移動して「電気の偏り（分極）」が生じます。
• 状態の保持: 電圧を取り除いても、原子はその位置に留まり続けます。
  • 上がプラスなら「1」
  • 下がプラスなら「0」と判定します。

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他のメモリとの比較

特徴	FeRAM	MRAM	EEPROM/Flash
原理	電気（分極）	磁気	電気（電子の閉じ込め）
書き込み速度	非常に速い	非常に速い	遅い
書き換え寿命	非常に長い	ほぼ無限	短い
書き込み電圧	低い	やや高い	高い

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主な用途

その「速くて、丈夫で、省電力」という特性を活かし、特定の分野で非常に強く支持されています。

• ICカード・RFID（交通系ICカードなど）: タッチした瞬間のわずかな電力と時間で確実にデータを書き換える必要があるため、FeRAMが活躍しています。
• 産業機器のデータロガー: 常に変動するセンサーデータを頻繁に記録し続ける（書き換え回数が多い）用途に最適です。
• 車載電子機器: 事故直前の走行データを記録するレコーダーなど、一瞬の書き込み速度と信頼性が求められる場所に使われます。

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なぜ電圧を取り除いても、原子はその位置に留まり続けるのか

　強誘電体メモリ（FeRAM）において、電圧を切っても原子が元の位置に戻らずに留まる理由は、結晶構造の中に「原子が安定して収まる場所」が2ヶ所あり、その間を越えるのにエネルギー（電圧）が必要だからです。これを「自発分極」と呼びます。

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1. 結晶の形：ペロブスカイト構造

　FeRAMでよく使われる材料（PZTなど）は、「ペロブスカイト構造」というサイコロのような形をした結晶をしています。

• サイコロの枠: 角には金属イオン、面の中央には酸素イオンが配置されています。
• 中心の原子: サイコロの真ん中に、チタン（Ti）などの小さな原子が浮いているような状態です。

2. 「真ん中」が一番居心地が悪い

　普通の材料であれば、中心の原子はサイコロのど真ん中にいようとします。しかし、強誘電体の結晶では、「真ん中」よりも「少し上下（あるいは左右）にズレた位置」の方が、エネルギー的に安定するという不思議な性質を持っています。

• 電圧をかける: 中心の原子が電気の力で強制的に「上」または「下」へ移動します。
• 電圧を切る: 原子は移動した先の「ズレた位置」にスポッとはまり込みます。

3. 「エネルギーの壁」が戻るのを防ぐ

　原子が「上」から「下」へ移動するためには、中心部にある「エネルギーの壁」を乗り越えなければなりません。

• スイッチの感覚: 部屋の電気のスイッチをイメージしてください。指で押すと「カチッ」と切り替わり、手を離してもそのままの向きを保ちますよね？ それは、中間の位置で止まらないようにバネ（エネルギー障壁）が効いているからです。
• 熱や振動に勝つ: 常温の熱エネルギー程度では、この原子は「エネルギーの壁」を自力で乗り越えることができません。そのため、電源を切っても何年も同じ位置に留まり続け、データを保持できるのです。

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原子の位置の変化をどのように電気的に読み出すのか

　原子の位置（分極の状態）を読み出すには、「あえて電圧をかけて、原子が動くかどうかを試す」という方法をとります。

　直接原子を覗き見ることはできないため、電圧をかけたときに流れる「電気の量（電荷量）」の差で判定します。

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読み出しのステップ

1. テスト電圧をかけるメモリセルに対して、例えば「0」に相当する方向の電圧をパルスとしてかけます。
2. 原子が動くか反応を見るこのとき、内部の原子の状態によって2パターンの反応が起こります。
   • パターンA：原子が反対側にいた場合（データが「1」だった）電圧によって原子が反対側へ「ガチャン」と移動します。この移動に伴って、回路には大きな電流（電荷）が流れます。
   • パターンB：原子が最初から同じ側にいた場合（データが「0」だった）原子はほとんど動かないため、流れる電流はごくわずかです。
3. 電流の大きさを判定するこの電流の「大きい」「小さい」をセンスアンプという装置で比較し、元々入っていたデータが「1」だったのか「0」だったのかを判別します。

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「破壊読み出し」という宿命

　ただし、読み出すと、データが変わってしまう可能性があるため、再書き込みが必要です。

• もし元々「1」だった場合、読み出しのテスト電圧によって原子が移動し、中身が「0」に書き換わってしまいます。
• これを破壊読み出しと呼びます。そのため、FeRAMは読み出した直後に、元のデータをもう一度書き戻す（再書き込み）という処理をセットで行っています。

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高速で読み取りできる理由は

　FeRAM（強誘電体メモリ）が高速に読み取れる理由は、「原子が移動するスピードが極めて速いため」、そして「読み取りの仕組みが非常にシンプルだから」です。

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1. 原子の移動速度が「ナノ秒」単位

　FeRAMのデータは、結晶内の原子が「上」か「下」のどちらにいるかで決まります。

　電圧をかけたとき、この原子が移動するのにかかる時間は1ナノ秒（10億分の1秒）以下という極短時間です。物理的に大きな物体を動かすのではなく、結晶という極小空間で原子がわずかに位置を変えるだけなので、実質的に「瞬間的」に反応が起こります。

2. 電流の「出方」の差がはっきりしている

　読み取りの際、テスト電圧をかけると「原子が反転したとき」と「反転しなかったとき」で、流れる電流（変位電流）の量に大きな差が出ます。

• 反転あり（データ1）： ドバッと電流が流れる。
• 反転なし（データ0）： わずかに電流が流れる。

　この差が非常にシャープであるため、センスアンプという読み取り回路が「これは0だ」「これは1だ」と瞬時に判定を下すことができます。迷う時間が少ないため、読み取りサイクルを短縮できるのです。

3. 低電圧で動作する

　フラッシュメモリのように高い電圧（10V〜20V）を生成して回路にチャージする待ち時間が必要ありません。

　FeRAMは通常のICが動くような低い電圧（1.8Vや3.3Vなど）でそのまま動作するため、「電圧が上がるのを待つ」というロスタイムがないことも高速読み取りの大きな理由です。

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読み取り速度のイメージ比較

メモリ	読み取りの仕組み	速度のイメージ
FeRAM	原子が動く際の電流を測る	非常に速い（数ナノ秒）
DRAM	コンデンサの電気を吸い出す	非常に速い（数ナノ秒）
Nand Flash	トランジスタに電気が通るか見る	低速（数〜数十マイクロ秒）

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