CHƢƠNG 1 VẬT LIỆU TRONG BỘ NHỚ SẮT ĐIỆN
1.3. Vật liệu sắt điện điển hình có ứng dụng trong bộ nhớ sắt điện
1.3.2. Vật liệu sắt điện BLT
Các vật liệu PZT sở hữu nhiều tính sắt điện vƣợt trội về nhiệt độ kết tinh thấp, độ phân cực dƣ cao, trƣờng kháng điện thấp nhƣng độ già hóa nhanh của PZT đã hạn chế nhiều ứng dụng với các điện cực kim loại nhƣ Pt, Au, Al. Mặc dù có thể cải thiện độ già hóa của màng mỏng PZT bằng cách sử dụng điện cực kim loại ơ-xít nhƣ SrRuO, RuO2, IrO2, LSCO, YBCO, LaNiO3. Đặc điểm chung của các điện cực này là thƣờng yêu cầu quy trình chế tạo phức tạp và có xu hƣớng tăng dịng rị [85]. Nhƣ vậy ngồi việc tối ƣu hóa màng mỏng sắt điện cịn có một hƣớng nữa để nâng cao hiệu suất của các linh kiện nhƣ là thay thế màng mỏng PZT bằng các màng mỏng khác có độ già hóa chậm hơn.
Trong số vật liệu sắt điện tiêu biểu, SrBi2Ta2O9 (SBT) và Bi4Ti3O12 (BIT) có khả năng cải thiện độ già hóa của vật liệu, chúng đều có cấu trúc tinh thể perovskite
34
chồng lớp. Sử dụng vật liệu SBT có thể làm giảm đƣợc độ già hóa của linh kiện, cụ thể có thể đạt đƣợc 1012 chu trình lật của phân cực. Các báo cáo cho thấy nhiệt độ kết tinh của vật liệu SBT khoảng 750-825 oC và độ phân cực dƣ của nó cỡ 2-8 µC/cm2 [6, 12]. Tuy phân cực dƣ tƣơng đối nhỏ nhƣng có thể khắc phục đƣợc bằng cách tối ƣu hóa cơng nghệ chế tạo hoặc có thay đổi tỉ lệ Sr/Bi trong hợp chất.
Đối với vật liệu đơn tinh thể BIT, chúng cho thấy sự phân cực tự phát (Ps) theo truc a và trục c tƣơng ứng đạt 50 µC/cm2 và 4 µC/cm2. Tuy nhiên, màng mỏng đa tinh thể BIT cho thấy dòng rò tƣơng đối cao, kèm theo độ phân cực dƣ nhỏ (2Pr) khoảng 4-8 µC/cm2. Những nhƣợc điểm này khiến cho việc ứng dụng BIT vào các thiết bị thực tế trở nên khó khăn [13]. Để cải thiện tính chất sắt điện BIT, có thể thay thế một phần nguyên tố Bi trong cấu trúc Bi4Ti3O12 bởi các ion hóa trị nhóm ba nhƣ Lanthanum [3]. Hợp chất Bismuth Tiatanate pha tạp Lanthanum lần đầu tiên đƣợc cơng bố vào năm 1999 trên tạp chí Nature [84], có cấu trúc perovskite chồng lớp. Hình 1.4 (a) là cấu trúc mạng tinh thể của BLT, cứ ba lớp bát diện Ti-O lại đƣợc kẹp giữa bởi hai lớp (Bi2O2)2+. Các nghiên cứu gần đây cho thấy ion Bi3+
trong cấu trúc BIT có thể đƣợc thay thế bởi các ion hóa trị ba nhóm Lanthanum để cải thiện tính chất sắt điện của nó. Tomar [107] đã báo cáo màng mỏng Bi3,44La0,56Ti3O12 lắng đọng trên bề mặt Si/SiO2/TiO2/Pt bởi quy trình quay phủ sol- gel. Giá trị của độ phân cực dƣ (Pr) và lực kháng điện (EC) của màng mỏng BLT
tƣơng ứng là 41 µC/cm2 và 100 kV/cm ở điện trƣờng 270 kV/cm.
Ngồi lớp màng mỏng sắt điện làm cổng điện mơi, trong cấu trúc của bộ nhớ sắt điện cịn có lớp màng mỏng làm điện cực và lớp màng mỏng kênh dẫn. Các màng mỏng Pt và màng mỏng LNO đƣợc lựa chọn làm điện cực trong các bộ nhớ sắt điện vì: có tính dẫn điện tốt, trơ về mặt hóa học, độ bám dính với các loại đế (Silic, thủy tinh, STO) tốt. Kênh dẫn phải đƣợc lựa chọn sao cho tiếp xúc điện cực- kênh dẫn (kim loại-bán dẫn) là tiếp xúc ohmic. Các kênh dẫn thỏa mãn điều kiện này là các chất bán dẫn có cơng thốt cao nhƣ ITO (InSnO), IGZO (InGaZnO), IZO (InZnO). Trong các hợp chất trên, ITO là vật liệu có cơng thốt khoảng 4,8 5,4 eV gần với cơng thốt của vật liệu Pt (cỡ 5,2 eV). Ngồi ra, trong bộ nhớ sắt điện, kênh
35
dẫn đƣợc phủ lên trên lớp PZT (ủ nhiệt ở 450 đến 500 oC). Cho nên, để khơng ảnh hƣởng đến tính chất của lớp PZT thì lớp kênh dẫn chỉ đƣợc sử lý nhiệt ở dƣới 500
oC. Trong các kênh dẫn đã kể ở trên, bằng phƣơng pháp ủ nhiệt nhanh ITO có thể kết tinh ở nhiệt độ chỉ khoảng 450 oC.
Kết luận chƣơng 1
Trên đây, các vấn đề lý thuyết tổng quan về vật liệu sắt điện, các ứng dụng của vật liệu sắt điện trong các linh kiện nhớ sắt điện đã đƣợc trình bày chi tiết. Ngoài ra, ảnh hƣởng của các lớp màng làm kênh dẫn, làm điện cực và một số loại đế đến tính chất sắt điện của màng sắt điện cũng đã đƣợc tìm hiểu và đánh giá.
Bộ nhớ sắt điện có nhiều tính chất nổi trội so với các bộ nhớ khác nhƣ: tốc độ truy xuất nhanh, cấu trúc đơn giản (chỉ 1 transistor), tiêu hao ít năng lƣợng, mật độ lƣu trữ cao, không phá hủy dữ liệu khi đọc kể cả khi mất nguồn… Nếu đƣợc phát triển và đƣa vào sản xuất thƣơng mại nó có nhiều ứng dụng to lớn trong việc ứng dụng làm bộ nhớ cho các thiết bị điện tử đặc biệt là các thiết bị di động.
Tuy nhiên nhiều hạn chế đã cản trở sự phát triển của loại bộ nhớ này nhƣ: Về mặt cơng nghệ chế tạo: u cầu phải có chân khơng cao; phịng sạch và
các thiết bị chế tạo mẫu đắt tiền…
Về vật liệu sắt điện: các bộ nhớ sắt điện có cổng điện mơi là vật liệu sắt điện hữu cơ cần hoạt động ở điện áp cao, các vật liệu này không bền và kém ổn định trong quá trình chế tạo và xử lý nhiệt; các vật liệu sắt điện vơ cơ có nhiệt độ kết tinh cao (> 600 oC) đồng thời cũng đòi hỏi các loại đế có nhiệt độ nóng chảy trên cao.
Để khắc phục những rào cản của việc phát triển bộ nhớ sắt điện chúng tôi đã lựa chọn chế tạo bộ nhớ sắt điện dạng màng mỏng sắt điện vô cơ bằng phƣơng pháp dung dịch ở nhiệt độ thấp (≤ 500 oC) với kênh dẫn là vật liệu bán dẫn ITO có nhiệt độ kết tinh dƣới 500 oC trên một số loại đế khác nhau nhƣ đế thủy tinh, STO, Si/SiO2. Cùng với quá trình tối ƣu chất lƣợng các lớp màng mỏng, việc làm giảm
kích thƣớc của bộ nhớ xuống dƣới 100 nm sẽ tăng mật độ lƣu trữ của bộ nhớ.
36