Thạc Sĩ Nghiên cứu vai trò của Cu trong sự thay đổi trạng thái điện trở của màng ZnO trên đế thủy tinh

MỞ ĐẦU

Trong vài năm trở lại đây, với sự phát triển vượt bật của các thiết bị thông tin cá nhân đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tập trung vào các vật liệu bán dẫn. Cụ thể hơn đó là nghiên cứu chế tạo các loại bộ nhớ để phục vụ cho việc lưu trữ dữ liệu ngày càng nhiều của con người. Có hai loại bộ nhớ, bộ nhớ thay đổi (Volatile Memory – VM) là bộ nhớ với dữ liệu sẽ bị mất khi ngừng cung cấp điện cho thiết bị và bộ nhớ không thay đổi (NonVolatile Memory - NVM) là bộ nhớ với dữ liệu được lưu trữ khi nguồn điện ngừng cung cấp. Tuy nhiên, bộ nhớ không thay đổi có những khuyết điểm quan trọng: điện thế vận hành cao, tốc độ đọc và ghi thấp, tuổi thọ thấp, độ bền thấp, .
Do đó, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra các loại bộ nhớ không thay đổi khác để khắc phục những nhược điểm trên, như là FeRAM, MRAM, PRAM, RRAM, CBRAM. Trong đó, RRAM, resistive random access memory, bộ nhớ hoạt động dựa trên hiệu ứng thay đổi các trạng thái điện trở, được các nhà nghiên cứu trên thế giới tập trung nghiên cứu nhiều nhất vì có nhiều ưu điểm vượt trội so với các bộ nhớ khác. Những ưu điểm đó là cấu trúc đơn giản (kim loại/ oxit kim loại/kim loại) nên dễ chế tạo, tiêu thụ điện năng thấp, điện áp ngưỡng thấp, tốc độ vận hành nhanh (có thể đạt đến vài ns), mật độ lưu trữ cao, tuổi thọ và độ bền cao.
Các tác giả trên thế giới tập trung nghiên cứu RRAM dựa trên nhiều loại vật liệu khác nhau và ghi nhận hiệu ứng thay đổi trạng thái điện trở cũng khác nhau. Đối với các điện cực kim loại, được tập trung nghiên cứu là Au[21,33], Stainless Steel - SS [27], Pt[11,13,16,24,30,32,33,34,37,38,40], Cu[12,13,16], Al[11,29], W[22,32], Ti[31], Ag[33,39,40], . Còn với các oxit kim loại là: ZrO2[33], NiO[30, 32, 34,44], TiO2[14,24,34,36], SiO2[11], SnO2[18], ZnO[10,13,15,18,20,21,26,27,35,37,39,40], WOx[22], MoOx: Cu[12], ZnO: Mn[20], HFOx[38], Pr0.7Ca0.3MnO3 [43], Cr -doped SrTiO doped SrTiO doped SrTiOdoped SrTiO 3[44] . Hiệu ứng thay đổi trạng thái điện trở, có cơ chế khác nhau trong các vật liệu khác nhau, có thể chia làm 3 loại: hiệu ứng điện tử, hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng ion. Ngoài ra còn có một số tác
giả khác ghi nhận thêm là do cơ chế bẫy/ giải bẫy và cơ chế “filamentary” với sự hình thành và phá hủy sợi dẫn.
Theo các công bố trên các tạp chí khoa học, vật liệu ZnO được chọn để nghiên cứu RRAM, do có thành phần cấu tạo đơn giản, không độc hại, giá thành thấp, vật liệu dễ tìm. Màng ZnO được chế tạo bởi nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm các phương pháp phún xạ vật lý, phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD), phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE), phương pháp xung laser (PLD), phương pháp sol – gel, . Một trong những phương pháp hiện nay phổ biến ở nước ta là phương pháp phún xạ magnetron DC.
Trong đề tài này, vật liệu ZnO và Cu được lựa chọn để nghiên cứu hiệu ứng thay đổi trạng thái điện trở dựa trên cơ chế sợi dẫn filamentary dựa trên cấu trúc Cu/ZnO/Cu và Cu/ZnO/Cu (2nm) /ZnO/Cu.
Màng ZnO hướng đến để khảo sát trong đề tài này là khoảng vài trăm nanomet. Lớp đệm Cu 2nm được sử dụng để làm gia tăng tính chất chuyển trạng thái điện trở trong màng ZnO. Các điện cực trên và điện cực dưới thường được nghiên cứu Au, Ag, Pt, Ti là những vật liệu có giá thành cao. Trong đề tài này, Cu được sử dụng làm điện cực trên và điện cực dưới với bề dày không đổi tương ứng 60nm và 90nm.

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . 5
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT . 7
MỞ ĐẦU 8
PHẦN 1: TỔNG QUAN 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU 11
1.1.Vật liệu ZnO . 11
1.1.1. Cấu trúc tinh thể 11
1.1.2. Khuyết tật trong cấu trúc . 13
1.1.3. Cấu trúc vùng năng lượng . 15
1.2. Vật liệu Cu . 16
1.3. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 18 1.4 Cấu trúc, đặc trưng & cơ chế của RRAM 22 1.4.1 Cấu trúc màng mỏng: . 22 1.4.2 Đặc trưng I-V trên lý thuyết . 23 1.4.3 Các cơ chế thay đổi trạng thái điện trở trong RRAM 24
1.4.3.1 Cơ chế sợi dẫn . 25 1.4.3.2 Cơ Chế Bẫy – Giải Bẫy . 26
1.4.3.3 Cơ chế Poole _ Frenkel 27
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TẠO MÀNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO 29
2.1. Phương pháp phún xạ magnetron DC . 29
2.1.1. Phún xạ và phún xạ phản ứng . 29
2.1.2. Cấu tạo hệ phún xạ 30
2.1.3. Phân loại hệ magnetron DC 31
2.1.4. Nguyên lý hoạt động . 32
2.1.5. Đặc trưng của hệ magnetron phẳng 33
2.1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo màng 34
2.1.7. Ưu và nhược điểm của phương pháp phún xạ 35
2.2. Các phương pháp đo. . 35
2.2.1. Hệ đo nhiễu xạ tia X 35
2.2.2. Hệ đo I-V . 37
2.2.3. Hệ đo độ dày màng . 38
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM . 39
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH TẠO MÀNG. 40
3.1. Cấu tạo hệ phún xạ phún xạ magnetron DC được dùng để chế tạo màng 40
3.2. Quy trình tạo màng. . 43
3.2.1. Các bước chuẩn bị. 43
3.2.2. Cấu trúc của màng. 44
3.2.2 .Các thông số tạo màng. . 45
CHƯƠNG 4: Kết quả và bàn luận. 47
4.1 Khảo sát bề dày của màng ZnO 47
4.2. Khảo sát độ tinh thể của màng theo bề dày . 49
4.2.1. Màng đơn lớp 50
4.2.2. Màng đa lớp 51
4.2.3. So sánh màng đơn lớp và màng đa lớp. 52
4.3. Khảo sát đặc trưng I – V theo bề dày màng 53
4.3.1. Màng đơn lớp 54
4.3.2. Màng đa lớp 55
4.3.3. So sánh màng đơn lớp và màng đa lớp. 57
4.4 Giải thích cơ chế chuyển trạng thái điện trở bên trong cấu trúc .59 4.5 Khảo sát cửa sổ bộ nhớ theo bề dày màng .60 4.6 Khảo sát độ lập lại 61
4.6.1 Độ lập lại của đặc trưng I-V .61
4.6.2 Độ lập lại của điện trở .63
KẾT LUẬN . 614
HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 65
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH . 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67