Chế tạo và khảo sát tính chất của linh kiện trở nhớ trên đế dẻo (PET)

Nội dung text: Chế tạo và khảo sát tính chất của linh kiện trở nhớ trên đế dẻo (PET)

1. Science & Technology Development, Vol 19, No.T2-2016 Chế tạo và khảo sát tính chất của linh kiện trở nhớ trên đế dẻo (PET) Phạm Kim Ngọc Lê Văn Hiếu Trần Cao Vinh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Đào Thanh Toản Trường Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội (Bài nhận ngày 18 tháng 08 năm 2015, nhận đăng ngày 14 tháng 04 năm 2016) TÓM TẮT Trong công trình này, chúng tôi đã chế tạo thuận nghịch theo dạng lưỡng cực dưới sự phân thành công linh kiện trở nhớ dựa trên nền vật cực của điện trường trong khoảng từ -2 V đến +2 liệu oxide kim loại chuyển tiếp TiO2 trên đế V ở trạng thái ban đầu (phẳng) và sau khi bị tác thương phẩm ITO/PET. Với độ dày lớp màng động ngoại lực (uốn cong) đến 500 lần. Các kết mỏng TiO2 là 100 nm, kết quả khảo sát độ truyền quả từ nghiên cứu này đã mở ra một tiềm năng qua cho thấy linh kiện có độ truyền qua trung ứng dụng mới cho bộ nhớ đảo điện trở có tính bình lớn hơn 80 % trong vùng ánh sáng khả kiến, chất đàn hồi và trong suốt (TFRRAM) trên các đạt 85 % ở bước sóng 550 nm. Đặc biệt, cấu trúc loại đế chịu nhiệt kém. Ag/TiO2/ITO thể hiện tính chất đảo điện trở Từ khóa: bộ nhớ, đảo điện trở, đế PET, đàn hồi, màng mỏng TiO2, trong suốt MỞ ĐẦU Bộ nhớ thay đổi điện trở truy cập ngẫu nhiên hơn bộ nhớ trên đế silicon truyền thống và đặc (RRAM), dựa trên hiệu ứng thay đổi điện trở của biệt vẫn hoạt động tốt khi chịu tác dụng của vật liệu oxide, có những ưu điểm vượt trội so với ngoại lực [7]. các bộ nhớ khác vì có tốc độ truy cập nhanh, thế Tuy nhiên, việc chế tạo bộ nhớ đảo điện trở hoạt động thấp, mật độ tích hợp cao và cấu trúc vừa trong suốt vừa đàn hồi (TFRRAM) vẫn còn đơn giản [1]. Trong những năm gần đây bộ nhớ gặp nhiều khó khăn. Thách thức lớn nhất là hoạt RRAM được chế tạo trên các loại đế có tính động của các linh kiện này kém ổn định vì quá trong suốt (Transparent) và đàn hồi (Flexible) trình chế tạo được thực hiện ở nhiệt độ thấp do đang là một lĩnh vực hấp dẫn, thu hút sự chú ý các đế đàn hồi (như PET, PEN, PES ) chịu của cộng đồng các nhà khoa học cũng như doanh nhiệt kém. Hơn nữa, yêu cầu cần thiết là phải duy nghiệp sản xuất [2-5]. Một bộ nhớ RRAM trong trì được tính chất đảo điện trở thuận nghịch dưới suốt không nhạy với ánh sáng mặt trời (ổn định tác dụng cơ học của ngoại lực và điện trường áp nhiệt tốt hơn) đã giúp mở rộng cho các ứng dụng vào cấu trúc [8-9]. Gần đây, một số bộ nhớ điện tử hoạt động trong điều kiện môi trường TFRRAM đã được công bố như màng mỏng khắc nghiệt [6]. Hơn nữa, các RRAM trên đế đàn oxide graphene (GO) [10], HfO2 [11], NiO [12], hồi lại thể hiện các ưu điểm như giá thành rẻ, polymer đơn thành phần [13] Tuy nhiên, thông nhẹ, linh động cao, gần gũi với người sử dụng số hoạt động của các bộ nhớ này vẫn còn phân Trang 12
2. TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T2- 2016 tán lớn, thiếu ổn định và cơ chế hoạt động vẫn KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN chưa được giải thích rõ ràng. Kết quả độ truyền qua Để mở rộng hướng nghiên cứu về bộ nhớ Hình 1 trình bày hình ảnh của cấu trúc TFRRAM, trong phạm vi nghiên cứu này, chúng Ag/TiO2/ITO/PET sau khi chế tạo. Các vị trí tôi chế tạo các linh kiện trở nhớ với lớp màng chấm tròn trên mẫu màu bạc, có đường kính 1 mỏng TiO được lắng đọng bằng phương pháp 2 mm là vị trí điện cực đỉnh (Ag). Có thể thấy phún xạ magnetron DC trên đế ITO/PET thương màng mỏng TiO2 trên đế ITO/PET có độ truyền phẩm. Cấu trúc Ag/TiO /ITO lần lượt được khảo 2 qua khá cao (hình chèn góc bên trái). Cấu trúc sát độ truyền qua, hình thái bề mặt và tính chất các lớp vật liệu trên đế PET của cấu trúc RRAM đảo điện trở tương ứng bằng phổ UV – Vis, ảnh được mô tả như ở hình góc bên phải. FESEM và đặc trưng I – V. Các kết quả cho thấy linh kiện trở nhớ có độ truyền qua cao và duy trì hoạt động ổn định ngay cả khi bị tác động của ngoại lực. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Màng mỏng TiOx được lắng đọng trên đế ITO/PET bằng phương pháp phún xạ phản ứng magnetron DC từ bia kim loại Ti trong hỗn hợp khí 6 % O2 và 94 % Ar. Dòng phún xạ là 0.4 A với áp suất làm việc là 7 mTorr. Để giảm ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình phún xạ lên Hình 1. Linh kiện trở nhớ cấu trúc Ag/TiO2/ITO/PET. đế PET, chúng tôi sử dụng khoảng cách bia đế là Để khảo sát độ truyền qua của lớp màng 10 cm. Độ dày lớp TiO2 đạt được là 100 nm, được kiểm tra bằng máy đo Profler Dektak 6M. mỏng TiO2, chúng tôi đo độ truyền qua của cấu Lớp màng mỏng điện cực kim loại Ag được tạo trúc trong vùng ánh sáng khả kiến, kết quả được thông qua một mặt nạ bằng Al có đường kính lỗ thể hiện trong Hình 2. Hình 2 cho thấy đế tròn là 1 mm. Phổ truyền qua được đo trong vùng ITO/PET có độ truyền qua trung bình đạt khoảng ánh sáng khả kiến với hệ Jasco V530. Hình thái 82 % trong vùng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại gần, giá trị cao nhất đạt 85 % ở bước sóng bề mặt của đế ITO và của màng mỏng TiO2 được khảo sát bằng ảnh FESEM với hệ S4800 Hitachi. 550 nm. Bờ hấp thụ của đế ở khoảng bước sóng Các quá trình đảo điện trở được khảo sát thông 380 nm. Khi phủ màng mỏng 100 nm TiO2 lên đế qua đặc trưng dòng – thế (I – V) và bằng máy đo ITO/PET, giá trị độ truyền qua cũng như bờ hấp Keithley 4200 SCS trong vùng điện trường từ -2 thụ hoàn toàn tương tự như đế. Kết quả này cho V đến 2 V. Điện áp điều khiển được áp vào điện thấy với độ dày 100 nm, lớp màng mỏng oxide cực đáy ITO, điện cực đỉnh Ag được nối đất TiO2 có độ truyền qua cao và không làm thay đổi trong suốt quá trình đo. Cấu trúc được uốn cong độ truyền qua của đế. Vì vậy, màng mỏng TiO2 bằng hệ tác dụng ngoại lực với các bán kính cong có thể được lựa chọn để chế tạo trong các linh khác nhau theo chu kỳ uốn cong 4 lần/ phút. kiện trở nhớ trong suốt TFRRAM (T>80 %). Trang 13
3. Science & Technology Development, Vol 19, No.T2-2016 mỏng ITO. Điều đó chứng tỏ màng mỏng ITO có cấu trúc vô định hình. Theo các công trình của các nhóm tác giả khác đã công bố cho thấy: nhiệt độ kết tinh của màng mỏng ITO phải lớn hơn 200 0C, trong khi khả năng chịu nhiệt của PET khá 0 thấp (Tg ~ 85 C). Do đó, màng mỏng ITO chế tạo trên đế PET rất khó đạt được cấu trúc tinh thể mà thường là có cấu trúc vô định hình [15]. Hình 3 thể hiện hình thái học trên bề mặt của đế ITO/PET (Hình 3A) và của màng mỏng TiO2 Hình 2. Độ truyền qua của màng mỏng TiO2 trên đế ITO/PET. (Hình chèn vào là giản đồ nhiễu xạ tia X của trên đế ITO/PET (Hình 3B). Ở Hình 3A, có thể đế ITO/PET) quan sát rõ các hạt trên bề mặt có kích thước khoảng 100 – 200 nm. Đây có thể là các hạt tinh Hình thái học trên bề mặt thể của PET (vì màng mỏng ITO vô định hình). Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) được trình bày Ở Hình 3B, khi màng mỏng TiO2 được lắng ở Hình 2 của đế ITO/PET cho thấy có xuất hiện đọng trên đế ITO/PET, hình thái bề mặt tương tự một số đỉnh nhiễu xạ ở khoảng 2 = 20  30. như của đế, vẫn còn quan sát được các hạt tinh Tiến hành so sánh với các mặt tinh thể của màng thể của đế PET. Tuy nhiên, lúc này, các vị trí mỏng ITO và của PET thì các đỉnh nhiễu xạ này biên hạt không còn rõ ràng như ở Hình 3A, do bề hoàn toàn phù hợp với các mặt mạng của PET và mặt đã có thêm một lớp vật liệu mới là TiO2. không có đỉnh nhiễu xạ nào liên quan đến màng A B Hình 3. Ảnh FESEM của đế ITO/PET (A) và màng mỏng TiO2/ITO/PET (B) Đặc trưng đảo điện trở từ trạng thái điện trở cao (HRS) sang trạng thái Để xác định tính chất đảo điện trở thuận điện trở thấp (LRS) Vs ~ -1 V và chuyển ngược lại từ LRS HRS ở Vrs ~ 1,5 V. Cửa sổ điện trở nghịch của màng mỏng TiO2, chúng tôi tiến hành khảo sát đặc trưng I – V trong khoảng điện của cấu trúc lớn hơn 10 lần. Trong các nghiên trường từ - 2 V đến 2 V. Kết quả từ Hình 4 cho cứu trước đây về vật liệu đảo điện trở như TiO2, WO3, CrOx, chúng tôi đã chế tạo và khảo sát các thấy cấu trúc Ag/TiO2/ITO trên đế PET thể hiện tính đảo điện trở thuận nghịch với thế chuyển đổi linh kiện trở nhớ trên đế rắn như Pt, FTO, thủy Trang 14
4. TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T2- 2016 tinh và đều thu được quá trình đảo điện trở với quy trình áp thế giống như ban đầu. Kết quả ở thuận nghịch [16-18]. Trong công trình này, mặc Hình 5B và 5C cho thấy sau khi bị uốn cong ở dù linh kiện trở nhớ cấu trúc của TiO2 được chế bán kính cong R1 và R2, cấu trúc vẫn thể hiện tốt tạo bằng phương pháp phún xạ trên đế PET, quá trình đảo điện trở thuận nghịch. Với 100 lần chúng tôi vẫn thu được kết quả đảo điện trở quét thế liên tục, quá trình đảo điện trở có độ lặp tương tự như các cấu trúc trên đế rắn. Kết quả lại rất tốt, ổn định hơn so với trạng thái ban đầu. này cho thấy các cấu trúc RRAM có thể được mở Các giá trị dòng ở HRS, LRS và các giá trị thế rộng chế tạo ứng dụng trên nhiều loại đế khác Vs, Vrs gần như không đổi, biến thiên trong một nhau, đặc biệt là đế polymer. khoảng rất nhỏ. Đây là một đặc điểm khá lý thú mà chúng tôi cần phải tìm hiểu và nghiên cứu thêm. Qua kết quả khảo sát ở Hình 5 cho thấy cấu trúc Ag/TiO2/ITO trên đế PET không chỉ thể hiện tính chất đảo điện trở ở trạng thái phẳng mà còn duy trì được tính chất này ổn định khi cấu trúc bị biến dạng nhiều lần ở các bán kính cong R1 và R2. Hình 6 trình bày sự phân bố của giá trị điện trở ở HRS và LRS ở trạng thái phẳng và các trạng thái uốn cong tương ứng với bán kính cong R1 và R2. Giá trị điện trở LRS khá ổn định ở tất cả các trạng thái. Giá trị điện trở HRS biến thiên Hình 4. Đặc trưng I – V của cấu trúc Ag/TiO2/ITO lớn ở trạng thái ban đầu (Hình 6A), ổn định sau khi uốn cong ở R1 (Hình 6B) và biến thiên ít sau Để khảo sát tính ổn định của cấu trúc khi uốn cong R2 (Hình 6C). Ngoài ra, giá trị điện Ag/TiO2/ITO trên đế PET, chúng tôi tiến hành trở LRS và HRS ở trạng thái uốn cong R2 cao quét thế 100 lần liên tục với kết quả thu được hơn so với trạng thái phẳng và uốn cong R1. Điều trình bày ở Hình 5A. Ở trạng thái ban đầu này có thể được giải thích như sau: khi cấu trúc (phẳng), giá trị dòng cao (trạng thái LRS) khá ổn bị uốn cong ở một bán kính cong lớn và lặp lại định, trong khi giá trị dòng thấp (trạng thái HRS) nhiều lần thì độ bám dính và vi cấu trúc của các bị phân tán khá lớn. Đặc biệt, các giá trị thế thiết lớp màng mỏng bị biến đổi theo xu hướng làm lập/ tái thiết lập đều biến đổi trong một khoảng tăng sai hỏng, tăng ứng suất, gây đứt gãy/gián giá trị khá rộng, V = -0.5 -1 V và V = 1.5 s rs đoạn trong cấu trúc. Chính sự biến đổi này sẽ làm 2 V. tăng giá trị điện trở ở cả hai trạng thái HRS và Đối với các bộ nhớ RRAM trên đế dẻo, thách LRS. thức lớn nhất là cấu trúc dễ bị biến đổi tính chất Từ các giá trị điện trở HRS, LRS ở Hình 6, khi bị tác động của ngoại lực (kéo căng, uốn chúng tôi xác định độ lớn và sự biến thiên của tỷ cong, nén, xoắn ). Chính vì thế, để kiểm tra tính số đảo điện trở (RR) của cấu trúc Ag/TiO2/ITO ổn định của cấu trúc, sau khi được khảo sát I – V trên đế PET và kết quả được thể hiện trong Hình ở trạng thái phẳng, tiếp theo chúng tôi lần lượt 7. Tỷ số đảo điện trở của cấu trúc đạt ~ 15 lần ở uốn cong cấu trúc với các mức độ uốn cong khác trạng thái phẳng, ~ 10 lần ở trạng thái uốn cong nhau: bán kính cong R1 = 2,7 cm và R2 = 2,1 cm R1 và R2. Với giá trị RR này thì cấu trúc (tương ứng với cấu trúc bị biến dạng 5 % và 10 Ag/TiO2/ITO đạt được yêu cầu về RR ≥ 10 lần có % so với trạng thái phẳng). Sau 100 lần uốn thể được ứng dụng trong bộ nhớ RRAM. cong, cấu trúc được khảo sát lại đặc trưng I – V Trang 15
5. Science & Technology Development, Vol 19, No.T2-2016 A B C A Hình 6. Giá trị điện trở ở HRS và LRS của cấu trúc Ag/TiO2/ITO ở trạng thái ban đầu (A) và các trạng thái uốn cong khác nhau (B-C) B A B C C Hình 7. Tỷ số đảo điện trở của cấu trúc Ag/TiO2/ITO ở trạng thái ban đầu (A) và các trạng thái uốn cong R1 và R2 (B-C) Chúng tôi cũng khảo sát tính ổn định của linh kiện trở nhớ cấu trúc trên đế PET với bán kính cong R1 sau nhiều lần uốn cong liên tục. Kết quả giá trị điện trở HRS, LRS thể hiện trong Hình 8 được ghi nhận sau 100, 300 và 500 lần uốn cong. Mặc dù với số lần uốn cong khá lớn (500 lần) nhưng cấu trúc vẫn giữ được tính chất ổn định, chưa có dấn hiệu suy giảm hay biến đổi các giá Hình 5. Đặc trưng I – V của cấu trúc Ag/TiO2/ITO ở trị điện trở. Kết quả này một lần nữa khẳng định trạng thái ban đầu (A), sau khi uốn cong R1 = 2.7 cm rằng với một lực tác dụng vừa phải (bán kính (B) và sau khi uốn cong R2 = 2.1 cm (C) cong tương đối nhỏ) thì không ảnh hưởng đến hoạt động hay tính chất nhớ của linh kiện trên đế dẻo. Trang 16
6. TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T2- 2016 kiện trở nhớ cấu trúc Ag/TiO2/ITO có độ truyền A B C qua cao (>80 %) trong vùng ánh sáng khả kiến, có thể được ứng dụng trong các linh kiện có tính trong suốt. Chúng tôi cũng đã khảo sát tính đảo điện trở của cấu trúc ở trạng thái ban đầu và sau khi uốn cong mẫu nhiều lần với độ biến dạng lên đến 10 % so với trạng thái phẳng, kết quả cho thấy các giá trị về điện trở ở HRS và LRS, tỷ số đảo điện trở vẫn duy trì ổn định. Kết quả này đã mở ra một tiềm năng ứng dụng mới cho bộ nhớ Hình 8. Giá trị điện trở ở HRS và LRS của cấu trúc RRAM không chỉ trên đế rắn, mà còn có thể Ag/TiO2/ITO sau khi uốn cong 100 lần. (A), 300 lần (B) và 500 lần (C) ở bán kính cong R1 = 2.7 cm được chế tạo trên các loại đế polymer chịu nhiệt kém, hướng tới các ứng dụng trong suốt và đàn KẾT LUẬN hồi trong thiết bị điện tử. Trong công trình này, màng mỏng TiO2 được Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được sự hỗ trợ chế tạo bằng phương pháp phún xạ phản ứng của Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ Đề tài Mã số magnetron trên đế đàn hồi trong suốt (PET). Linh C2015 – 18 – 17. Fabricating and investigating properties of memristors on flexible substrate (PET) Pham Kim Ngoc Le Van Hieu Tran Cao Vinh University of Science, VNU-HCM Dao Thanh Toan University of Communications and Transport, Hanoi ABSTRACT In this study, we have fabricated resistive stable bipolar resistive switching characteristics switching memory device based on TiO2 thin under electrical field bias of -2 V 2 V range films on ITO/PET commercial substrate. The on the flat state and even after reproductive study on the transmittance spectra showed that physical stresses of 500 cycles. Our study on with the 100 nm-TiO2/ITO/PET device, the TiO2 based memristors suggests that resistive transmission is more than 80 % in the visible switching memories are suitable for flexible region and approximately of 85 % at wavelength transparent application in the future. of 550 nm. Ag/TiO2/ITO devices exhibit excellent Key words: flexible, memory, PET, substrate, resistive switching, TiO2 thin film, transparent TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. G. Bersuker, D.C. Gilmer, D. Veksler, P. Iglesias, M. Porti, M. Nafria, Metal oxide Kirsch, L. Vandelli, A. Padovani, L. resistive memory switching mechanism Larcher, K. McKenna, A. Shluger, V. Trang 17
7. Science & Technology Development, Vol 19, No.T2-2016 based on conductive filament properties, J. [11]. R.C. Fang, L.H. Wang, W. Yang, Q.Q. Sun, Appl. Phys., 110, 124518 (2011). P. Zhou, P.F. Wang, S.J. Ding, D.W. Zhang, [2]. K.C. Liu, W.H. Tzeng, K.M. Chang, Y.C. Resistive switching of HfO2 based flexible Chan, C.C. Kuo, Bipolar resistive switching memories fabricated by low temperature effect in Gd2O3 films for transparent atomic layer deposition, J. Vac. Sci. memory application, Microelectron. Eng., Technol. B, 30, 020602 (2012). 88, 1586–1589 (2011). [12]. Q. Yu, Y. Liu, T.P. Chen, Z. Liu, Y.F. Yu, [3]. Y. Meng, P.J. Zhang, Z.Y. Liu, Z.L. Liao, H.W. Lei, J. Zhu, S. Fung, Flexible write- X.Y. Pan, X.J. Liang, H.W. Zhao, D.M. once–read-many-times memory device Chen, Enhanced resistance switching based on a nickel oxide thin film, IEEE stability of transparent ITO/TiO2/ITO Trans. Electron Devices, 59, 858–862 sandwiches, Chin. Phys. B., 19, 037304 (2012). (2010). [13]. Y. Kuang, R. Huang, Y. Tang, W. Ding, L. [4]. Y.S. Wang, Resistive-switching mechanism Zhang, Y. Wang, Flexible single of transparent nonvolatile memory device component-polymer resistive memory for based on gallium zinc oxide, Phys. Status ultrafast and highly compatible nonvolatile Solidi A., 209, 364 – 368 (2012) memory applications, IEEE Electron Device [5]. K. Zheng, X.W. Sun, J.L. Zhao, Y. Wang, Lett., 31, 758–760 (2010). H.Y. Yu, H.V. Demir, K.L. Teo, Highly [14]. S. Elmas, S. Korkmaz, S. Pat, Optical transparent nonvolatile resistive memory characterization of deposited ITO thin films devices from silicon oxide and graphene, on glass and PET substrates, Appl. Phys. IEEE Elec. Dev. Lett., 32, 797–799, (2011). Science, 276, 641-645 (2013). [6]. A. Facchetti, T.J. Marks, Transparent [15]. P.K. Ngoc, N.T. Do, T.H.T. Kieu, D.T.K. Electronics: From Synthesis to Applications, Linh, L.V. Hieu, P.D. Phong, T.C. Vinh, D. John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, UK Mott, S. Maenosono, S.S. Kim, J. Lee, P.D. (2010). Thang, P.B. Thang, A comparison study on [7]. S. Kim, H.Y. Jeong, S.K. Kim, S.Y. Choi, influence of bottom electrode material on K.J. Lee, Flexible memristive memory array electrical conduction and resistance on plastic substrates, Nano Lett., 11, 5438– switching of TiO2 thin films, Eur. Phys. J. 5442 (2011). Appl. Phys., 64, 30102 (2013). [8]. S Kim, Y.K. Choi, Resistive switching of [16]. D.T.B. Tam, P.K. Ngoc, Y. Cheng, S.S. aluminum oxide for flexible memory. Appl. Kim, P.B. Thang, Correlation between Phys. Lett., 92, 223508 (2008). crystallinity and resistive switching [9]. S. Kim, H. Moon, D. Gupta, S. Choi, Y.K. behaviour of sputtered WO3 thin films, Choi, Resistive switching characteristics of Current Applied Physics, 14, 1707 – 1712 sol–gel zinc oxide films for flexible memory (2014). applications, IEEE Trans. Electron Devices, [17]. P.K. Ngoc, N.T. Do, D.T.B. Tam, T.T.K. 56, 696–699 (2009). Hanh, P.B. Thang, Different directions of [10]. S.K. Hong, J.E. Kim, S.O. Kim, S.Y. Choi, switching of chromium oxide thin films, B.J. Cho, Flexible resistive switching Journal of Electronic Materials, 43, 7, 2747 memory device based on graphene oxide, – 2753 (2014). IEEE Electron Device Lett., 31, 1005–1007 (2010). Trang 18