CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CÁC HỆ MÀNG MỎNG
3.4. Tối ƣu hóa tính chất màng mỏng làm kênh dẫn (ITO)
3.4.3. Ảnh hƣởng nhiệt độ ủ đến tính chất điện của màng mỏng ITO
Để nghiên cứu tính chất điện của các màng mỏng ITO phụ thuộc vào nhiệt độ ủ, chúng tôi đã tiến hành đo các phép đo điện trở vuông, chuẩn hoá sang điện trở suất và sử dụng phép đo Hall để xác định nồng độ hạt tải cũng nhƣ độ linh động hạt tải của các mẫu I5, I6 và I7.
Bảng 3.10. Điện trở vuông, điện trở suất và nồng độ hạt tải, độ linh động hạt
tải của các màng mỏng bán dẫn ITO làm kênh dẫn.
Mẫu Điện trở vuông (Ω/□) Điện trở suất (×10-3 Ω.cm) Nồng độ hạt tải (x1019 cm-3) Độ linh động hạt tải (cm2/Vs) I5 32500 1,370 3,22 141,820 I6 1700 2,295 30,97 8,793 I7 280 2,158 32,73 8,849
Các kết quả về điện trở suất, nồng độ hạt tải và độ linh động hạt tải đƣợc thống kê trong bảng 3.11. Kết quả cho thấy, điện trở suất giảm khi nhiệt độ ủ của các mẫu tăng lên. Sự giảm của điện trở suất khi tăng nhiệt độ ủ của các mẫu có thể lí giải bằng phép đo Hall, cả nồng độ hạt tải và độ linh động hạt tải đều có xu hƣớng tăng khi nhiệt độ ủ của các mẫu tăng lên. Cũng bằng phép đo Hall, các màng mỏng ITO đƣợc xác định là bán dẫn loại n.
95
Hình 3.37. Điện trở suất, nồng độ hạt tải phụ thuộc vào nhiệt độ ủ của các mẫu.
Hình 3.37 là đồ thị điện trở suất và nồng độ hạt tải của các mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ ủ. Có thể thấy, khi tăng nhiệt độ ủ từ 450 oC đến 500 oC, nồng độ hạt tải của mẫu tăng mạnh khi từ 3,22 × 1019
cm-3 đến 32,73 × 1019 cm-3 cùng với nó là sự giảm mạnh của điện trở suất từ 1,137 × 10-2 Ω.cm xuống 2,295 × 10-3 Ω.cm. Khi tăng nhiệt độ ủ lên 550 oC, nồng độ hạt tải tăng nhẹ (32,73 × 1019 cm-3) cùng với sự giảm nhẹ của điện trở suất (2,158 × 10-3
Ω.cm).
Nhƣ vậy, tính dẫn điện của các màng mỏng ITO tốt hơn khi nhiệt độ ủ tăng lên. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả đo nhiễu xạ tia X. Khi ủ ở nhiệt độ cao, năng lƣợng cấp cho màng để hình thành cấu trúc nhiều hơn, dẫn tới cấu trúc tinh thể đƣợc hình thành với kích cỡ hạt tinh thể lớn hơn, ít biên hạt hơn. Khi những yếu tố về cấu trúc tinh thể và hạt tinh thể tối ƣu hơn ở nhiệt độ ủ cao hơn, những thông số liên quan đến tính chất điện nhƣ nồng độ hạt tải, độ linh động Hall cũng tăng lên. Do đó, nhiệt độ ủ cao dẫn tới giảm điện trở suất (tăng độ dẫn) của màng ITO. Tuy nhiên, với mục đính ứng dụng làm điện cực trên (nhiệt độ ủ của lớp màng sắt điện PZT chỉ khoảng 450500 oC), chúng tôi lựa chọn màng ITO ủ ở 450 oC để tiếp tục nghiên cứu ở các phần sau.
Kết luận chƣơng 3
Trong chƣơng 3, từng lớp màng có định hƣớng ứng dụng cho bộ nhớ sắt điện đã đƣợc khảo sát các tính chất một cách hệ thống. Các kết quả chính đạt đƣợc là:
96
Thứ nhất, khảo sát sự phụ thuộc tính chất sắt điện vào nhiệt độ ủ của các hệ màng mỏng BLT, PZT chế tạo trên đế silic. Các khảo sát cho thấy, hệ màng mỏng PZT có tính chất sắt điện mạnh hơn, có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các linh kiện nhớ sắt điện. Sau đó, chúng tơi tiếp tục khảo sát tính chất sắt điện của hệ màng mỏng PZT ủ tăng nhiệt nhanh. Các kết quả cho thấy, bằng phƣơng pháp ủ tăng nhiệt nhanh đã hạ đƣợc nhiệt độ kết tinh của càng màng mỏng PZT từ 550 oC xuống 450
oC. Với mẫu PZT600, là mẫu thể hiện tính sắt điện tốt nhất của hệ màng mỏng PZT ủ nhiệt chậm, có Pr = 22,79 μC/cm2, EC = 80,34 kV/cm. Với mẫu PZTN500, là mẫu thể hiện tính sắt điện tốt nhất của hệ màng mỏng PZT ủ nhiệt nhanh có Pr ≈ 20,46 μC/cm2, EC ≈ 62,00 kV/cm.
Thứ hai, nhằm thay thế cho điện cực dƣới Pt, màng mỏng LNO đƣợc chế tạo và khảo sát tính chất điện trên đế silic và đế Al. Hệ màng mỏng LNO trên cả hai loại đế đều kết tinh ở nhiệt độ 550 oC và là đa tinh thể, có độ dày cỡ 158,8 nm. Đối với hệ mẫu Si/SiO2/LNO/PZTN500, đặc trƣng sắt điện mạnh nhất thể hiện tại mẫu ủ ở 600 oC, có Pr ≈ 26,52 μC/cm2, EC ≈ 100 kV/cm tƣơng ứng với điện trƣờng tác dụng 500 kV/cm. Đối với hệ mẫu Al/LNO/PZTN500, tính sắt điện mạnh nhất của màng mỏng PZT đƣợc ghi nhận khi chế tạo trên đế điện cực Al/LNO ủ ở 600 oC, Pr ≈ 30 μC/cm2 khi điện trƣờng cỡ 700 kV/cm.
Thứ ba, màng mỏng PZTN500 đƣợc chế tạo trên các đế sc-STO, pc-STO, thuỷ tinh và đã khảo sát tính chất sắt điện nó. Khi điện trƣờng áp là 250 kV/cm, Pr, EC của mẫu sc-STO/PZT, pc-STO/PZT, thuỷ tinh/PZT lần lƣợt là 37,32 μC/cm2, 26,51 μC/cm2, 20,62 μC/cm2
và 50 kV/cm, 45 kV/cm, 150 kV/cm.
Cuối cùng, quy trình chế tạo màng mỏng ITO làm kênh dẫn đã đƣợc tối ƣu hóa. Kết quả cho thấy màng ITO kết tinh từ nhiệt độ 450 oC, mức độ kết tinh tăng khi tăng nhiệt độ ủ. Hình thái bề mặt của mẫu chỉ ổn định khi bề dày của màng ITO nhỏ hơn 40 nm. Phép đo điện và phép đo Hall cho thấy màng mỏng ITO là chất bán dẫn loại n và có điện trở suất thích hợp để làm kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện.
97