1.3. Một số ứng dụng của mảng mỏng PZT
1.3.2. Ứng dụng trong bộ nhớ FeRAM
FeRAM là bộ nhớ khơng tự xóa, trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn ni. Bộ nhớ FeRAM có thể sử dụng được với các ứng dụng địi hỏi độ đóng mở cao và trong môi trường khắc nghiệt như ngồi khơng gian [28, 36]. Cấu trúc của một đơn vị nhớ FeRAM (Hình 1.16). Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện (dạng 1 transistor) có thể được giải thích thơng qua đường cong điện trễ.
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
Trạng thái “ON” hình thành khi ta đặt thế cực cửa VG > 0, lớp sắt điện sẽ được phân cực dương +Pr (trạng thái 1). Một vùng điện tích cảm ứng (đóng vai trị như một kênh dẫn) sẽ xuất hiện ở phần tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Do vậy khi ta cấp điện thế ở hai cực nguồn (S) và máng (D) sẽ có dịng điện chạy qua kênh dẫn (Hình 1.16).
Trạng thái “OFF” là khi VG < 0, lớp sắt điện phân cực âm –Pr (trạng thái 0). Do hiện tượng cảm ứng điện, một vùng nghèo (tích điện dương) được hình thành tại lớp tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Vùng nghèo này sẽ ngăn cản dòng điện chạy từ cực nguồn sang cực máng.
Vật liệu sắt điện ứng dụng trong chế tạo FeRAM chủ yếu tập trung vào 2 hướng:
Hướng thứ nhất, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (DRAM): vật liệu sắt điện thường được sử dụng ở màng mỏng và đóng vai trị là tụ điện. Vật liệu sắt điện có hằng số điện môi ε lớn (100 - 1000), lớn hơn rất nhiều so với vật liệu Si (ε = 12) hoặc 25 so với Ta2O5. Để tăng mật độ lưu trữ thơng tin hay nói cách khác là số đơn vị nhớ trên một đơn vị diện tích. Các DRAM sử dụng tụ điện hoặc transistor thường tốn ít diện tích hơn các DRAM sử dụng tụ điện.
Hướng thứ hai, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không bay hơi (NVRAM): vật liệu sắt điện khơng những đóng vai trị là tụ điện như nêu ở trên mà còn được sử dụng như đơn vị nhớ. Ưu điểm của ứng dụng của bộ nhớ sắt điện là: điện thế hoạt động thấp (1.0 kV), kích thước nhỏ (bằng khoảng 20% kích thước ơ nhớ EEPROM truyền thống), độ bền bức xạ cao (không chỉ trong các ứng dụng quân sự mà còn cho các hệ thống liên lạc vệ tinh), tốc độ cao (60 ns trong các thiết bị thương mại và vài ns trong các bộ nhớ ở phịng thí nghiệm [31].
Để có bộ nhớ sắt điện hoạt động n định thì chất lượng của lớp c ng sắt điện đóng vai trị rất quan trọng. Thơng qua thay đ i thành phần cấu tạo và phương pháp chế tạo mà màng mỏng PZT thường được sử dụng để chế tạo FeRAM vì nó có độ điện dư cao cũng như nhiệt độ kết tinh thấp hơn so với các loại vật liệu sắt điện khác. Để bộ nhớ có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp thì độ dày màng mỏng phải đủ nhỏ năng lượng tiêu hao là cực tiểu trong quá trình chuyển mạch. Màng mỏng PZT
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
với chiều dày ~ 200 - 300 nm có thể chuyển mạch chỉ xấp xỉ 5 V. Phần tiếp giáp giữa đế và màng mỏng PZT rất nhỏ nên giảm sự hình thành vùng không sắt điện ở phần giáp ranh. Mặt khác vật liệu dùng để chế tạo điện cực dưới không được phản ứng với màng PZT ở nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo. Thực tế, mặc dù vật liệu sắt điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị thương mại, nó vẫn cịn một số tính chất được tối ưu, điển hình là tính áp điện và hỏa điện. Để thiết bị đạt được hiệu suất cao, màng mỏng sắt điện cần đáp ứng được các yêu cầu nhất định. Vật liệu chế tạo FeRAM phải có độ phân cực lớn và lực kháng điện nhỏ. Để đạt được điều này, vật liệu sắt điện có cấu trúc vi mơ của màng mỏng phải được tối ưu hóa cấu trúc đế và điện cực cũng như lựa chọn phương pháp chế tạo màng thích hợp.