ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
WX HOÀNG TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA Cu TRONG
SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI ĐIỆN TRỞ
CỦA MÀNG ZnO TRÊN ĐẾ THỦY TINHChuyên ngành: Vật lý điện tử ( hướng ứng dụng).
Mã ngành: 60 44 03.
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ TRẤN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012 LỜI CẢM ƠN

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
CHƢƠNG 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 lƣợng 15
1.2. Vật liệu Cu 16
1.3. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 18
1.4 Cấu trúc, đặc trƣng & cơ chế của RRAM 22
1.4.1 Cấu trúc màng mỏng: 22
1.4.2 Đặc trƣng 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
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TẠO MÀNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO 29
2.1. Phƣơng pháp phún xạ magnetron DC 29
2.1.1. Phún xạ và phún xạ phản ứng 29
Luận văn thạc sĩ Vật Lý

Học viên: Hoàng Tuấn Anh Trang 2
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 trƣng của hệ magnetron phẳng 33
2.1.6. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo màng 34

KẾT LUẬN 614
HƢỚNG PHÁT TRIỂN 65
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Luận văn thạc sĩ Vật Lý

Học viên: Hoàng Tuấn Anh Trang 4
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bng 1.1: Mt s thông s ca ZnO
Bng 1.2: Mt s thông s khác ca Cu
Bng 3.1: Các thông s k thut khi tp
Bng 3.2: Các thông s k thut khi tp
B i theo thi gian to màng.
Bng 4.2. Các thông s ci theo b dày.
Bng 4.3: Các thông s V
set
& V
reset

Hình 1.9: Màng mng theo cu trúc RRAM.22
 b -V
-V ca RRAM trên lý thuyt
 ng cc 
Hình 1.13: Các quá trình hình t gãy si dn
 Poole  Frenkel 
 V c trong RRAM
Hình 2.1  to màng b
Hình 2.2 : Cu to h phún x magetron DC.31
Hình 2.3: Phân loi h Magnetron DC 32
Hình 2.4: S phân b th trong h phún x magnetron phng DC. 
Hình 2.5: S ph thuc ca t lng màng vào dòng và th
Luận văn thạc sĩ Vật Lý

Học viên: Hoàng Tuấn Anh Trang 6
Hình 2.6:
nh lut Bragg36
Hình 2.8: H -V.37
Hình 2.9: H  dày màng bng tinh th thch anh 38
Hình 3.1: Cu to h phún x Magnetron DC ti phòng thí nghim VLCK40
Hình 3.2: Cu to h chân không41
Hình 3.3: H Magnetron và cách b trí bia Cu và ZnO
 quá trình lng màng
Hình 4.1: Ph truyn qua ca ZnO theo thi gian to màng48
Hình 4.2: B dày ca màng theo thi gian phún x
Hình 4.3: Ph XRD cp
Hình 4.4: Ph XRD cp
Hình 4.5: So sánh ph XRD gip
-V cp
-V cp

USB Universal Serial Bus
XRD X-Ray Diffraction
CVD Chemical Vapor Deposition
PLD Pulse Laser Deposition
MBE Molecule Beam Epitaxy
LCD Liquid Crystal Display
LED Light Emitting Diode
MESFET Metal  Semiconductor Field-Effect Transistor
MOM Metal/Metal Oxide/Metal
MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Luận văn thạc sĩ Vật Lý

Học viên: Hoàng Tuấn Anh Trang 8
MỞ ĐẦU
Trong vài năm trở lại đây, với sự phát triển vƣợt 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 lƣu trữ dữ liệu
ngày càng nhiều của con ngƣời. 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
đƣợc lƣu 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 nhƣợc điểm trên, nhƣ 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, đƣợc các nhà nghiên cứu
trên thế giới tập trung nghiên cứu nhiều nhất vì có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với

[43], Cr-doped 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
Luận văn thạc sĩ Vật Lý

Học viên: Hoàng Tuấn Anh Trang 9
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 đƣợc 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 đƣợc chế tạo bởi nhiều phƣơng pháp khác nhau,
bao gồm các phƣơng pháp phún xạ vật lý, phƣơng pháp lắng đọng hơi hóa học
(CVD), phƣơng pháp epitaxy chùm phân tử (MBE), phƣơng pháp xung laser (PLD),
phƣơng pháp sol – gel, …. Một trong những phƣơng pháp hiện nay phổ biến ở nƣớc
ta là phƣơng pháp phún xạ magnetron DC.
Trong đề tài này, vật liệu ZnO và Cu đƣợc 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 hƣớng đến để khảo sát trong đề tài này là khoảng vài trăm
nanomet. Lớp đệm Cu 2nm đƣợc sử dụng để làm gia tăng tính chất chuyển trạng
thái điện trở trong màng ZnO. Các điện cực trên và điện cực dƣới thƣờng đƣợc
nghiên cứu Au, Ag, Pt, Ti là những vật liệu có giá thành cao. Trong đề tài này, Cu
đƣợc sử dụng làm điện cực trên và điện cực dƣới với bề dày không đổi tƣơng ứng
60nm và 90nm.


trúc ph bin nht ca ZnO. Cu trúc Zinc blende kém bn, có th  bn vng
b  có cu trúc mng tinh th l hai

Hình 1.1: Cu trúc tinh th ca ZnO. a) Wurtzite b) Zinc Blende
Zn
O
Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 12
ng hp, nguyên t Zn và 4 nguyên t Ôxy lân cu hình thành mt t din,
a các hp chi Zn.
Ngoài hai dng trên, ZnO còn có th ki cu trúc Rocksalt vu
kin áp sut khong 10GPa [41].
ZnO có hng s mng a ~ 0.325nm, c ~0.52 nm, t s c/a ~ 1.6 xp x vi t
s chun ca cu trúc lc giác (c/a = 1.633).

i vt liu thuc nhóm
II-VI, liên kt ca ZnO ch yu là liên kt ion (Zn
2+
vi O
2-
),vi các bán kính ion
ng: 0.074nm (Zn
2+
) và 0.14nm (O
2-
). Các thông s này phù hp vi cu trúc

[39]
. Các thông s mng ca ZnO ph thuc ch yu vào

o
/a
o

0.32495 nm
0.52069 nm
1.602
Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 13
ng vùng cm
3.4 eV ( 300 K), ti 3.437 eV ( 4,2 K)
Khng riêng
5.606 g/cm
3
m nóng chy
1975
o
C
Nhi sôi
2360
o
C
Chit sut
2.0041
Ái ln t
4.35eV
ng liên kt exiton
60 meV
Khng hiu dn t

 Sai ht hoc va chm, mt nguyên t 
b mt có th b i tinh th  li mt v trí trng, các
nguyên t  bên trong có th nhy vào v trí tro ra mt nút
khuyng to ra mt nút khuyt là nh, c vài eV nên m
nút khuyt này khá ln.
 Sai h t, mt nguyên t có th bc ra
khi v trí cân bng và dn xen gia vào v trí các nguyên t khác.
ng thi mt nút khuyt và mt nguyên t xen k.
 hình thành sai hng này rt ln nên m sai hng này
ng rt nh.
 y, trong hình 1.2, tinh th ZnO tn ti các v trí khuyt oxi và các
nguyên t Zn xen k trong tinh th . Các khuyt t    
ngun gc chính n tính chn ca ZnO.
M thc vic to thành các khuyt tt là các phn ng hóa
hc, bi vì   cân bng xy ra. Các phn ng hóa hc khuyt ti vi vic
to thành các khuyt tt trong cht rn phi tuân theo s cân bng v khng, v
ng hp này, chúng không ging vi nhng phn ng hóa

a). Sai hng Schottky b). Sai hng Frenkel
Hình 1.2 : Sai hng Schottky và Sai hng Frenkel
Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 15
hc bng, chúng ch tuân theo s cân bng khn tích. Cân bng












  (1.3)
 










  (1.4)
1.1.3. Cấu trúc vùng năng lƣợng       c trên th gi   sn xut dây dn
(60%), khong 20% dùng làm ng dn và 15% phc v cho các ng
c s di dng kim loi, khi c ci ta pha
ng vi các nguyên t  to thành hp kim cng thau (pha
k (pha thic) [16].

a) Cu trúc lt ca Cu
Hình 1.4: Cu trúc tinh th ca Cu
b) Cu hình electron ca Cu

Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 17
Vi tính cht dn và nhit tng ng dng ch yn, ch
to mch in trong các linh kin t hay làm ng tn nhit. B mng chng
c và các loi vi khun nên dùng làm mái nhà hoc m lên thân tàu bi bo
vng Cu
2+
c, vi n nh, dung dch Cu
2+
dùng làm
cht chng m cho các sn phm bng g
Bng 1.2: Mt s thông s ca Cu
S khi/Nguyên t khi
29/63.546
Khng riêng
8.94 g/cm
3

6
S/m
 dn nhit
4.01 W/cm.K
Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 18
1.3. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn
Tip xúc kim loi  bán dn hay ni M-S (Metal-Semiconductor) là mt
trong các ti   n hình thành nên hu ht các linh kin bán d 
i M-S có th s dt tip xúc chnh
c ch ct chiu hop xúc Ohmic khi cho dòng
 hai chiu.
 Giản Đồ Năng Lƣợng:
Khi kim loi tip xúc vi bán dn, mt rào th hình thành ti b mt ca lp
tip xúc. Gi ng ca lp tip xúc kim loi  bán dc trình
bày trên hình 1.5.
E
0
: mng vng ca electron t do).
E
F
: mng Fermi.
E

là ái ln t.
 Nối M-S với bán dẫn loại n và Ф
M
>Ф
S
Ngay sau khi tin t s chy t bán dn sang kim loi
c li, do s n t t bán dn sang kim loi li tích
n âm. Kt qu, ti vùng lân cn ca tip xúc hình thành mt vùng hin
ng nng t bán dn sang kim long này có tác dng kìm hãm
n t t bán dn sang kim loi. Khi ni M-t trng thái cân bng nhit,
mc c nh và s n t t bán dn sang kim loi cân bng vi s n
t t kim loi sang bán dn.
.
Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 19
Hình 1.5: Gi ng ca tip xúc kim loi  bán dn
Theo gi hình 1.5b, mt rào th 
B
c hình thành ti b mt tip xúc:

B

M
  
B
th hi cao ca rào th này [17].


Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 20 Khi phân cc thun, các mng ca bán dn (E
C
, E
F
, E
V
) b nâng
 cao rào th i vn t phía bán dn h thn t d dàng
di chuyn  t t bán dn sang kim lon qua ni M-c
li, khi phân cc nghch, các mng b h th cao ca rào th 
n t không th di chuyn t bán dn sang kim lon qua ni M-S ch
còn dòng t kim loi sang bán dn nên có giá tr rt nh th I-V ca ni M-S
c th hin qua hình 1.7


ng s Richardson.
 Nối M-S với bán dẫn loại n và Ф
M
<Ф
S
:
Theo gi ng  hình 1.5d, không có rào th i vn t t bán
dn sang kim loi, nên ch cn áp thun mn th V rt nhn qua ni
M-S vn rt li vn t t kim loi sang bán dn, có mt rào th nh hình
thành, tuy nhiên, ch cn giá tr V
A
< 0 (áp nghch) áp vào ni M-S, rào th s bin
mt (do các m  ng ca bán dn b h th  n t vn có th di
chuyn sang phía bán d th I-V ca ni M-
Ni M-S trong hình 1.8 n di chuyn theo c hai chiu nên còn
gi là ti th I-V ca ti dc ~ 1 và giá tr ng
 n tính theo hin th.
  i vi ni M-S có bán dn loi p nên ta rút
ra kt lun:

Bán dn loi n

1.4 Cấu trúc, đặc trƣng & cơ chế của RRAM
1.4.1 Cấu trúc màng mỏng:
RRAM, b nh hong da trên s i các trn tr, có cu
in là kim loi/bán dn/kim loi.
 tài này nghiên cu s vai trò ca Cu trong s i trng thái
n tr cc ng dng trong RRAM, màng m tài
c chia làm hai loi:
p, có cu trúc là Cu/ZnO/Cu  hình 1.9a, ch có 1 lp ZnO.
p, có cu trúc Cu/ZnO/Cu/ZnO/Cu, có 2 lp ZnO. Xen gia lp
ZnO thì có mt lc minh ha  hình 1.9b.

(a)
(b)
Hình 1.9: Màng mng theo cu trúc RRAM
p Cu/ZnO/Cu b)p Cu/ZnO/Cu/ZnO/Cu

Lut Lý



-V ca RRAM trên lý thuyt

 b -V Lut Lý

Hc viên: Hoàng Tun Anh Trang 24
là V
set
, giá tr  ng khi màng chuyn t LRSHRS là V
reset
c
m ca cu trúc RRAM là trn tr n th áp 
chênh lch gia hai tr ln ca V
set
và V
reset
ph thuc vào rt
nhiu yu t i vt liu, nhi, c 
1.4.3 Các cơ chế thay đổi trạng thái điện trở trong RRAM:
S i trn tr thn tr cao và c li ph thuc
vào nhiu yu t khác nhau. 

 [40].
S i c c chng minh xy ra  các oxit kim loi
i trn tr ca cu trúc xy ra  cùng mt cc, hình 1.12a.
S   ng c  c chng minh ch xy ra  các oxit
perovskitePr

Trích đoạn Giải thích cơ chế chuyển trạng thái điện trở bên trong cấu trúc

---