A memória flash ferroelétrica (NAND ferroelétrica, FeNAND ou NAND baseada em FeFET) é uma tecnologia emergente de memória não volátil que incorpora materiais ferroelétricos (tipicamente óxido de háfnio dopado, ) em arquiteturas semelhantes à memória flash NAND . Ela aborda as limitações da memória flash NAND convencional de captura de carga, como alto consumo de energia, resistência limitada e escalonamento, aproveitando a polarização ferroelétrica para armazenamento de dados. Ao contrário da RAM ferroelétrica (FeRAM) tradicional, que usa uma estrutura de um transistor e um capacitor (1T-1C) para memória de acesso aleatório, a memória flash ferroelétrica emprega transistores de efeito de campo ferroelétricos (FeFETs) em arquiteturas de string semelhantes à NAND 3D. Isso permite maior densidade, tensões de operação mais baixas e potencial para operação de células multiníveis (MLC) ou células de três níveis (TLC).

Cerca de 20 arquiteturas diferentes estavam em desenvolvimento em 2025.

História As pesquisas sobre transistores ferroelétricos tiveram início nas décadas de 1950 e 1960. O desenvolvimento prático permaneceu estagnado devido à incompatibilidade dos materiais com os processos CMOS. Os primeiros protótipos baseados em apresentavam uma janela de memória estreita (a tensão de gravação era apenas ligeiramente superior à tensão de leitura). Isso inviabilizava os esforços para ler e gravar múltiplos bits em uma única célula de silício.

A descoberta da ferroeletricidade em filmes finos de dopado, em 2011, renovou o interesse por essa tecnologia, uma vez que o é compatível com processos CMOS e escalável para dimensões inferiores a 10 nm. As primeiras propostas de FeNAND surgiram entre as décadas de 2000 e 2010, com protótipos utilizando materiais perovskitas, como o PZT e o SBT. A transição para o possibilitou a integração tridimensional (3D). Entre os principais marcos desse desenvolvimento estão:

Em 2012, foram demonstrados FeFETs baseados em com tecnologia de 28 nm. Em 2021, foram apresentados os primeiros arranjos FeNAND compatíveis com CMOS. Entre 2023 e 2025, protótipos alcançaram operação em baixa tensão, alta resistência (>1012 ciclos) e armazenamento de múltiplos bits por célula. Em 2023, a SK Hynix adicionou uma camada isolante capaz de aprisionar cargas sobre o durante a gravação, criando um dispositivo híbrido, convencional e ferroelétrico, que ampliou a janela de memória para um valor considerado adequado de 10,5 volts.

Física do dispositivo e funcionamento Os materiais ferroelétricos possuem uma orientação elétrica polar estável que pode ser invertida por um campo elétrico externo. A polaridade ferroelétrica determina se uma tensão aplicada é capaz de conduzir o fluxo de elétrons através do canal adjacente. Como os materiais ferroelétricos permitem a leitura e a gravação de dados com tensões mais baixas, as camadas isolantes que separam as células podem ser mais finas, possibilitando a fabricação de dispositivos com até 1.000 camadas de células.

A memória flash ferroelétrica baseia-se em FeFETs, nos quais o dielétrico da porta inclui uma camada ferroelétrica (por exemplo, HfZrO ou HZO). O armazenamento de dados ocorre por meio de estados reversíveis de polarização:

A polarização desloca a tensão de limiar do transistor (Vth), criando estados distintos de condução ("ligado") e bloqueio ("desligado"). A leitura é não destrutiva (baseada na detecção de corrente). A gravação utiliza baixas tensões (3–6 V, em comparação com 15–20 V na NAND de armadilha de carga), reduzindo o consumo de energia.

Na FeNAND 3D, as células são empilhadas verticalmente de forma semelhante à NAND convencional, porém as portas ferroelétricas substituem as camadas de armadilha de carga.

Para armazenar ou recuperar informações de uma célula (até 5 bits), a FeNAND utiliza uma tensão vertical de passagem (pass voltage) que conecta as células de uma coluna, fazendo com que se comportem como um único condutor. Para reduzir a demanda de energia, a Samsung substituiu o silício dos canais de condução por óxido de índio-gálio-zinco (IGZO), um semicondutor que permite reduzir em 96% a corrente de passagem necessária para realizar a comutação.

Vantagens

Menor consumo de energia: redução das tensões de programação/apagamento e ausência de distúrbios causados por altas tensões de passagem. Maior resistência: 109–1012 ciclos, em comparação com 103–105 ciclos da memória NAND convencional. Maior velocidade: comutação inferior a 10 ns em protótipos. Escalabilidade: potencial para mais de 512 camadas e operação nos modos TLC e QLC. Capacidade de armazenar múltiplos bits por célula: amplas janelas de memória (até 12–17 V nas demonstrações de 2025).

Desafios

Retenção e fadiga: degradação da polarização ao longo dos ciclos de operação, mitigada por meio da engenharia da pilha de porta (gate stack), como a utilização de camadas intermediárias de . Interferência nas cadeias (strings): interferência entre operações de programação e apagamento, reduzida por técnicas de engenharia de bandas ou estruturas de super-redes (superlattices). Fabricação: controle preciso da fase ortorrômbica do e integração com canais de óxidos semicondutores (por exemplo, IGZO) para garantir a confiabilidade do dispositivo.

Comparação +Comparação com a FeRAMAspectoMemória flash ferroelétrica (FeNAND/NAND baseada em FeFET)FeRAMEstruturaCadeias de FeFETs (semelhantes à NAND 3D vertical)Arranjos de capacitores 1T-1CDensidadeAlta (potencial de Tb/mm2)Baixa (faixa de Mb, limitada por arquiteturas planares)LeituraNão destrutivaDestrutiva (requer regravação após a leitura)Resistência109–1012 ciclos>1015 ciclosVelocidadeProgramação/apagamento na escala de nanossegundosEscala de nanossegundos, porém limitada pelo arranjo de memóriaConsumo de energiaMuito baixo (sem necessidade de alta tensão de passagem)BaixoEstado de desenvolvimentoPesquisa/protótiposComercial (mercado de nicho)

Aplicações A tecnologia apresenta potencial para aplicação em dispositivos de inteligência artificial de borda (edge AI), sistemas de armazenamento em hiperescala e memórias não voláteis (NVM) de baixa latência. Os principais desafios para sua adoção em larga escala incluem confiabilidade, escalabilidade e custo. As pesquisas mais recentes, apresentadas no IEDM entre 2024 e 2025, concentram-se no desenvolvimento de arquiteturas híbridas de FeNAND e em aplicações de computação em memória (in-memory computing).

Referências

Ligações externas

Categoria:Materiais ferroelétricos Categoria:Memória de acesso aleatório Categoria:Memória não volátil