EP3903357A1 - Dispositif électronique, porte numérique, composant analogique et procédé de génération d'une tension - Google Patents

Dispositif électronique, porte numérique, composant analogique et procédé de génération d'une tension

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Publication number
EP3903357A1
EP3903357A1 EP19829654.3A EP19829654A EP3903357A1 EP 3903357 A1 EP3903357 A1 EP 3903357A1 EP 19829654 A EP19829654 A EP 19829654A EP 3903357 A1 EP3903357 A1 EP 3903357A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
ferroelectric
spin
current
conversion unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP19829654.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Manuel Bibes
Laurent Vila
Jean-Philippe ATTANÉ
Paul NOËL
Diogo CASTRO VAZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Thales SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/78391—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate the gate comprising a layer which is used for its ferroelectric properties

Definitions

  • TITLE Electronic device, digital door, analog component and method of generating a voltage
  • the present invention relates to an electronic device.
  • the invention also relates to a digital door or an analog component comprising such a device as well as to a method for generating a voltage.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor literally meaning complementary semiconductor-metal-oxide and indicates a technology for manufacturing electronic devices.
  • the current passing through the transistor is modulated as a function of the voltage applied to an electrode usually called a gate. More precisely, according to this voltage, charges are accumulated or depleted in a channel whose conductivity is thus modulated.
  • a gate an electrode usually called a gate.
  • charges are accumulated or depleted in a channel whose conductivity is thus modulated.
  • undesirable current in the channel in the non-conducting state loss by establishment of stray current between the channel and the grid or loss at the level of the grid.
  • the storage unit and the calculation units are spatially separated, and the energy cost linked to the movement of information between the two units is much higher than the cost linked to the calculation itself.
  • Microprocessors therefore consume a lot of electrical energy. This excessively high power consumption limits the performance of the microprocessors.
  • an electronic device comprising an input and an output, the device generating an output voltage when the device is supplied with input, the device comprising a conversion unit suitable for converting a current of spin into a charge current, the charge current having an amplitude and a sign.
  • the device also includes a spin current application unit capable of applying a spin current to the conversion unit, a layer made of a ferroelectric material, called a ferroelectric layer, having a ferroelectric polarization, the ferroelectric layer being arranged so that the ferroelectric polarization controls at least one of the amplitude and the sign of the charge current converted by the conversion unit.
  • the device also includes a unit for applying an electric field capable of applying an electric field to the ferroelectric layer to control the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer.
  • Such a device operates by controlling the polarization of a ferroelectric layer.
  • the control of such a polarization makes it possible to control the charge current induced by the conversion unit.
  • This operation is different from an operation present in the state of the art in which current control is implemented by controlling the magnetization of a ferromagnetic layer, and more specifically the magnetization.
  • current control is implemented by controlling the magnetization of a ferromagnetic layer, and more specifically the magnetization.
  • Such an operation does not use the polarization of the ferroelectric layer at all.
  • the electronic device comprises one or more of the following characteristics, taken alone or according to all technically possible combinations:
  • the conversion unit comprises the ferroelectric layer and a layer having a strong spin-orbit coupling, a spin-orbit coupling being strong when the spin-orbit coupling is greater than or equal to 1 meV, the ferroelectric layer and the layer having a strong spin-orbit coupling being in contact.
  • the layer having a strong spin-orbit coupling is a layer made of a heavy material, a heavy material being a material whose atomic number is greater than or equal to 15.
  • the layer having a strong spin-orbit coupling is a layer made of a heavy metal, a heavy metal being a metal whose atomic number is greater than or equal to 15.
  • the spin current application unit has first terminals and the electric field application unit has second terminals, the first terminals and the second terminals being combined.
  • the device comprises a dielectric layer, the dielectric layer resting on a part of the input, the conversion unit resting on a part of the output, the ferroelectric layer being arranged to establish contact between the dielectric layer and the unit conversion.
  • the conversion unit and the ferroelectric layer are surmounted by a ferromagnetic layer.
  • the conversion unit is suitable for converting a spin current into a charge current according to a physical phenomenon, the physical phenomenon being an inverse Rashba-Edelstein effect or an inverse Hall spin effect.
  • the device is a transistor.
  • the present description also relates to a digital door, in particular forming part of a storage unit, comprising at least one device as previously described.
  • the present description also proposes an analog component, in particular forming part of a neural network, comprising at least one device as previously described.
  • the present description also describes a method for generating an output voltage by an electronic device, in particular a transistor, the device comprising an input and an output, the device generating an output voltage when the device is supplied with input, the device comprising a conversion unit, a spin current application unit, a layer of ferroelectric material, called a ferroelectric layer, having a ferroelectric polarization, the ferroelectric layer being arranged so that the ferroelectric polarization controls at least one among the amplitude and the sign of the charging current, and a unit for applying an electric field.
  • the method includes a step of applying a spin current to the conversion unit, the step of applying a spin current being implemented by the spin current application unit.
  • the method also comprises a step of conversion by the unit of conversion of the spin current applied into a charge current, the charge current having an amplitude and a sign, and a step of applying an electric field to the ferroelectric layer, the step of applying an electric field being implemented by the application unit of an electric field.
  • FIG. 1 a schematic perspective view of an example of an electronic device
  • FIG. 2 a schematic perspective view of another example of an electronic device
  • FIG. 3 a schematic perspective view of yet another example of an electronic device
  • Figure 4 a schematic perspective view of an example of logic gate.
  • An electronic device 10 is shown diagrammatically in FIG. 1.
  • the device 10 has an inlet 12 and an outlet 14.
  • Input 12 and output 14 are shown in Figure 1 as portions of the conductive track.
  • the device 10 is capable of generating a voltage on the output 14 when the device 10 is electrically supplied at the input 12.
  • the device 10 is a transistor, that is to say a device capable of amplifying an electrical signal in a controlled manner.
  • the device 10 comprises a conversion unit 16, a spin current application unit 20, a layer made of a ferroelectric material 22, called a ferroelectric layer 22, a unit for applying an electric field 24 and a ferromagnetic layer 26 .
  • the conversion unit 16 is suitable for converting a spin current into a load current.
  • the load current thus converted has an amplitude and a sign.
  • the conversion unit 16 of FIG. 1 is suitable for converting a spin current into a charge current according to an inverse Rashba-Edelstein effect.
  • the conversion unit 16 comprises the ferroelectric layer 22 and a layer having a strong spin-orbit coupling 28.
  • the layer exhibiting a strong spin-orbit coupling is hereinafter called SOC 28, the acronym SOC referring to the English determination of “Spin-Orbit Coupling”.
  • SOC 28 the acronym SOC referring to the English determination of “Spin-Orbit Coupling”.
  • the spin-orbit coupling is strong when the spin-orbit coupling is greater than or equal to 1 meV.
  • the SOC layer 28 is a layer made of a heavy material.
  • Heavy material is a material with an atomic number greater than or equal to 15.
  • the SOC layer 28 is made of an alloy or a compound comprising a heavy metal.
  • a heavy metal is a metal with an atomic number greater than or equal to 15, such as, for example, Au, Pt, W or Ir.
  • the ferroelectric layer 22 and the SOC layer 28 are in contact so as to form a stack in a stacking direction Z.
  • a first transverse direction X and a second transverse direction Y are also defined, each perpendicular to the stacking direction Z and perpendicular to each other.
  • the spin current application unit 20 is suitable for applying a spin current to the conversion unit 16.
  • the spin current application unit 20 comprises a spin current generator 30 and two terminals 32 and 34.
  • the spin current generator 30 is capable of establishing a spin current between the two terminals 32 and 34.
  • the first terminal 32 is a contact made in the ferromagnetic layer 26.
  • the second terminal 34 is a contact made in a third portion of track 36.
  • a main extension direction is defined.
  • the main extension direction of the first portion of track 12 corresponding to the entrance is the same as that of the second portion of track 14 corresponding to the exit. In the case of FIG. 1, this main direction of extension is the first transverse direction X.
  • the third track portion 36 is oriented in a main extension direction which is perpendicular to the main extension direction of the inlet 12 and the outlet 14, that is to say in the second transverse direction Y.
  • the third portion of track 36 is in contact with the SOC layer 28.
  • the ferroelectric layer 22 has a ferroelectric polarization.
  • the ferroelectric layer 22 is made of BaTiC> 3, PbZrC> 3, PbTiC> 3, BiFeC> 3, HfC> 2, ZrÜ2 or poly (vinylidene fluoride) (also designated by the acronym PVDF referring to the English term "Polyvinylidene Fluoride").
  • Ferroelectric polarization is the order parameter of the ferroelectric material in which the ferroelectric layer 22 is produced.
  • the ferroelectric layer 22 is arranged so that the ferroelectric polarization controls at least one of the amplitude and the sign of the charge current converted by the conversion unit 16.
  • the ferroelectric layer 22 is superimposed with the SOC layer 28.
  • the electric field application unit 24 is able to apply an electric field to the ferroelectric layer 22.
  • the applied electric field makes it possible to control the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer 22.
  • the electric field application unit 24 includes an electric field generator 38 and terminals merged with the terminals 32 and 34 of the spin current application unit 20 .
  • the ferromagnetic layer 26 surmounts the conversion unit 16 and is, more precisely, positioned above the ferroelectric layer 22.
  • the material used for the ferromagnetic layer 26 is a metal such as Co, Fe or Ni.
  • the material of the ferromagnetic layer 26 is an alloy of Co, Fe or Ni.
  • the NiFe or Co Fe materials are used.
  • ferromagnetic layer 26 such as CoFeB or NiMnSb.
  • the operation of the device 10 is now described with reference to an example of the implementation of a method for generating an output voltage by the device 10.
  • the generation process comprises several stages which are briefly described in the following.
  • the magnetization of the ferromagnetic layer 26 is kept fixed in a direction called the direction of magnetization.
  • the spin current application unit 20 applies a spin-polarized current between the ferromagnetic layer 26 and the third portion of track 36.
  • the direction of spin is parallel to the direction of magnetization.
  • the spin current then propagates towards the SOC layer 28 in the stacking direction Z.
  • the spin current which has propagated towards the SOC layer 28 reaches the interface between the SOC layer 28 and the ferroelectric layer 22.
  • the reverse Rashba-Edelstein effect results from the combination of two simultaneous phenomena: the reverse Edelstein effect and the Rashba effect.
  • the reverse Edelstein effect allows the conversion of a spin current into a charge current on the surface of a topological insulator or at an interface with a Rashba effect.
  • the Rashba effect appears on the surface of a material or at the interface between two materials where the inversion symmetry is broken, which results in the appearance of an electric field perpendicular to the surface or to the interface .
  • the conversion unit 16 with the interface between the SOC layer 28 and the ferroelectric layer 22 constitutes the system exhibiting the Rashba effect.
  • the electron wave vector and the spin are coupled; spin degeneration is lifted and in the simplest case, the electronic structure of the surface or interface consists of two concentric Fermi contours with opposite spin chirality.
  • the spin / charge conversion can also be done using the Hall effect of reverse spin.
  • the electric field application unit 24 applies an electric field to the ferroelectric layer 22.
  • the applied electric field makes it possible to modify the ferroelectric polarization.
  • the Rashba state at the SOC layer 28 and ferroelectric layer 22 interface is modified and the charge current generated by the conversion unit 16 via the inverse Edelstein effect is modulated in amplitude and / or as a sign.
  • the state of the polarization of the ferroelectric layer 22 therefore makes it possible to control the output voltage of the device 10.
  • the device 10 allows the storage of information, the information being coded by the state of the ferroelectric polarization.
  • the device 10 is reconfigurable since the configuration is controlled by the application unit of an electric field 24.
  • ferroelectric materials harbor and can generate strong electric fields at the interface with a material.
  • spin currents can thus be generated, manipulated and converted by electrical voltages and in a non-volatile manner, without resorting to very energy-consuming magnetization reversal of ferromagnetic materials.
  • control of the ferroelectric polarization is more efficient than the control of the magnetization of a material, in particular in terms of reversibility, reproducibility or endurance (up to 10 15 cycles compared to a dozen).
  • the device 10 is thus a bipolar, non-volatile transistor with low electrical consumption.
  • FIG. 2 Another example of device 10 is illustrated in FIG. 2.
  • the device according to FIG. 2 is described by difference from the device of FIG. 1.
  • the SOC layer 28 is interposed between the ferromagnetic layer 26 and the ferroelectric layer 22.
  • FIG. 3 Another example of device 10 is illustrated in FIG. 3.
  • the device 10 according to FIG. 3 is described by difference from the device of FIG. 1. Also, the remarks valid for the devices of FIGS. 1 and 2 are not repeated in the following.
  • the device 10 further comprises a dielectric layer 40.
  • the dielectric layer 40 rests on a part of the inlet 12 and the SOC layer 28 rests on a part of the outlet 14.
  • the ferroelectric layer 22 is arranged to establish contact between the dielectric layer 40 and the conversion unit 16.
  • ferroelectric layer 22 is positioned above the dielectric layer 40 and the SOC layer 28, in contact with the two layers 28 and 40.
  • the device 10 thus comprises two arms 42 and 44 connected together, the first arm 42 being formed by the dielectric layer 40 and the ferroelectric layer 22 and the second arm 44 being formed by the conversion unit 16 (SOC layer 28 and layer ferroelectric 22).
  • the two arms 42 and 44 are aligned along the second transverse direction Y, so that the main extension directions of the inlet 12 and the outlet 14 are not aligned as is the case in the devices 10 Figures 1 and 2 but offset along the second transverse direction Y.
  • the ferromagnetic layer 26 is in contact with the ferroelectric layer 22.
  • the ferromagnetic layer 26 is grounded.
  • a spin current is thus generated in the stack in the second arm 44 using the reference sign element 36 in FIG. 3
  • the application of a current to the input 12 charges the first arm 42 which acts as a capacitive element.
  • the polarization reversal then moves in the ferroelectric layer 22 by displacement of domain walls.
  • the polarization reversal thus makes it possible to control the amplitude or the direction of the charge current that the conversion unit 16 converts from the spin current which is applied to the conversion unit 16.
  • the device 10 shown in FIG. 3 has the additional advantage of being concatenable, that is to say that the output voltage of a given device 10 can be used as the input voltage of a next device 10.
  • Such a device 10 can be used for many applications.
  • the device 10 is part of a digital door 42, a digital door which itself is part of a storage unit.
  • the input 12 has two insertion terminals 44 and 46 so that the digital gate 42 performs a logical operation from the values inserted on the two insertion terminals 44 and 46.
  • the logic operation obtained can be carried out according to the way in which the input currents injected on the two insertion terminals 44 and 46 act on the ferroelectric polarization and the correspondence between the direction of the polarization and the sign of the current generated. output.
  • the digital gate 42 is reconfigurable and allows logical operations of the "or" or “and” type to be performed with low consumption.
  • the analog component is an analog component which comprises the device 10.
  • the analog component is part of a neural network.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif électronique (10), comportant une entrée (12) et une sortie (14), le dispositif (10) générant une tension en sortie lorsque le dispositif (10) est alimenté en entrée, le dispositif (10) comprenant: - une unité de conversion (16) convertissant un courant de spin en un courant de charge présentant une amplitude et un signe, - une unité d'application de courant de spin (20) appliquant un courant de spin à l'unité de conversion (16), - une couche ferroélectrique (22) présentant une polarisation ferroélectrique et étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle l'amplitude et/ou le signe du courant de charge, et - une unité d'application d'un champ électrique (24) propre à appliquer un champ électrique sur la couche ferroélectrique (22) pour contrôler la polarisation ferroélectrique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif électronique, porte numérique, composant analogique et procédé de génération d’une tension
La présente invention concerne un dispositif électronique. L’invention se rapporte également à une porte numérique ou un composant analogique comportant un tel dispositif ainsi qu’à un procédé de génération d’une tension.
Les microprocesseurs, comme de nombreux dispositifs électroniques, sont composés de transistors utilisant la technologie CMOS. Le sigle CMOS vient du terme anglais Complementary Métal Oxide Semiconductor signifiant littéralement complémentaire semiconducteur-métal-oxyde et désigne une technologie de fabrication de dispositifs électroniques.
En fonctionnement, le courant traversant le transistor est modulé en fonction de la tension appliquée sur une électrode usuellement appelée grille. Plus précisément, selon cette tension, des charges sont accumulées ou déplétées dans un canal dont la conductivité est ainsi modulée. En pratique, un tel fonctionnement implique plusieurs sources de pertes énergétiques qui s’ajoutent : courant indésirable dans le canal dans l’état non passant, perte par établissement de courant parasite entre le canal et la grille ou perte au niveau de la grille.
Or, dans le domaine de la microélectronique, il est observé que conformément à la loi de Moore le nombre de transistors par unité de surface dans les circuits intégrés continue à croître exponentiellement.
Cela entraîne une augmentation de la puissance dissipée par unité de surface qui, à son tour, accroît la consommation électrique du circuit intégré.
En outre, dans les microprocesseurs, l’unité de mémorisation et les unités de calculs sont séparées spatialement, et le coût énergétique lié aux déplacements d’information entre les deux unités est très supérieur au coût lié au calcul lui-même.
Les microprocesseurs consomment donc beaucoup d’énergie électrique. Cette trop forte consommation électrique limite les performances des microprocesseurs.
Il existe un besoin pour un dispositif électronique, notamment un transistor, pouvant générer une tension en sortie qui présente une consommation réduite.
Pour cela, il est proposé un dispositif électronique comportant une entrée et une sortie, le dispositif générant une tension en sortie lorsque le dispositif est alimenté en entrée, le dispositif comprenant une unité de conversion propre à convertir un courant de spin en un courant de charge, le courant de charge présentant une amplitude et un signe. Le dispositif comporte aussi une unité d’application de courant de spin propre à appliquer un courant de spin à l’unité de conversion, une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, présentant une polarisation ferroélectrique, la couche ferroélectrique étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l’un parmi l’amplitude et le signe du courant de charge converti par l’unité de conversion. Le dispositif comporte aussi une unité d’application d’un champ électrique propre à appliquer un champ électrique sur la couche ferroélectrique pour contrôler la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique.
Un tel dispositif fonctionne par contrôle de la polarisation d’une couche ferroélectrique. Le contrôle d’une telle polarisation permet de contrôler le courant de charge induit par l’unité de conversion.
Ce fonctionnement est différent d’un fonctionnement présent dans l’état de la technique dans lequel le contrôle du courant est mis en oeuvre par contrôle de la magnétisation d’une couche ferromagnétique, et plus spécifiquement de l’aimantation. Dans un tel cas, il est possible d’utiliser une couche ferroélectrique pour ses effets piézoélectriques permettant d’agir sur la magnétisation de la couche ferromagnétique. Un tel fonctionnement n’utilise pas du tout la polarisation de la couche ferroélectrique.
En outre, le renversement de l’aimantation par l’application d’un champ magnétique ou d’un fort courant, est très énergivore. Ainsi, à volume égal l’énergie nécessaire pour renverser la polarisation d’une couche ferroélectrique est typiquement 1000 fois plus faible que celle nécessaire pour renverser une aimantation, le dispositif permet la réalisation d’opérations logiques avec une très faible dépense énergétique. Autrement formulé, ce fonctionnement différent de l’état de la technique permet de générer une tension en sortie tout en diminuant la consommation du dispositif.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif électronique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’unité de conversion comporte la couche ferroélectrique et une couche présentant un fort couplage spin-orbite, un couplage spin-orbite étant fort lorsque le couplage spin-orbite est supérieur ou égal à 1 meV, la couche ferroélectrique et la couche présentant un fort couplage spin-orbite étant en contact.
- la couche présentant un fort couplage spin-orbite est une couche réalisée en un matériau lourd, un matériau lourd étant un matériau dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15. - la couche présentant un fort couplage spin-orbite est une couche réalisée en un métal lourd, un métal lourd étant un métal dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15.
- l’unité d’application de courant de spin comporte des premières bornes et l’unité d’application d’un champ électrique comporte des deuxièmes bornes, les premières bornes et les deuxièmes bornes étant confondues.
- le dispositif comporte une couche diélectrique, la couche diélectrique reposant sur une partie de l’entrée, l’unité de conversion reposant sur une partie de la sortie, la couche ferroélectrique étant agencée pour établir un contact entre la couche diélectrique et l’unité de conversion.
- l’unité de conversion et la couche ferroélectrique sont surmontées par une couche ferromagnétique.
- l’unité de conversion est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge selon un phénomène physique, le phénomène physique étant un effet Rashba-Edelstein inverse ou un effet Hall de spin inverse.
- le dispositif est un transistor.
En outre, la présente description se rapporte également à une porte numérique, en particulier faisant partie d’une unité de mémorisation, comportant au moins un dispositif tel que précédemment décrit.
La présente description propose aussi à un composant analogique, en particulier faisant partie d’un réseau de neurones, comprenant au moins un dispositif tel que précédemment décrit.
La présente description décrit aussi à un procédé de génération d’une tension en sortie par un dispositif électronique, en particulier un transistor, le dispositif comportant une entrée et une sortie, le dispositif générant une tension en sortie lorsque le dispositif est alimenté en entrée, le dispositif comprenant une unité de conversion, une unité d’application de courant de spin, une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, présentant une polarisation ferroélectrique, la couche ferroélectrique étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l’un parmi l’amplitude et le signe du courant de charge, et une unité d’application d’un champ électrique. Le procédé comprend une étape d’application d’un courant de spin à l’unité de conversion, l’étape d’application d’un courant de spin étant mise en oeuvre par l’unité d’application de courant de spin. Le procédé comporte aussi une étape de conversion par l’unité de conversion du courant de spin appliqué en un courant de charge, le courant de charge présentant une amplitude et un signe, et une étape d’application d’un champ électrique à la couche ferroélectrique, l’étape d’application d’un champ électrique étant mise en oeuvre par l’unité d’application d’un champ électrique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
• figure 1 , une vue schématique en perspective d’un exemple de dispositif électronique,
• figure 2, une vue schématique en perspective d’un autre exemple de dispositif électronique,
• figure 3, une vue schématique en perspective d’encore un autre exemple de dispositif électronique, et
• figure 4, une vue schématique en perspective d’un exemple de porte logique.
Un dispositif électronique 10 est représenté schématiquement sur la figure 1.
Le dispositif 10 comporte une entrée 12 et une sortie 14.
L’entrée 12 et la sortie 14 sont représentées sur la figure 1 sous la forme de portions de piste conductrice.
Le dispositif 10 est propre à générer une tension sur la sortie 14 lorsque le dispositif 10 est alimenté électriquement en entrée 12.
Selon l’exemple proposé, le dispositif 10 est un transistor, c’est-à-dire un dispositif propre à amplifier un signal électrique de manière commandée.
Le dispositif 10 comporte une unité de conversion 16, une unité d’application de courant de spin 20, une couche en un matériau ferroélectrique 22, dite couche ferroélectrique 22, une unité d’application d’un champ électrique 24 et une couche ferromagnétique 26.
L’unité de conversion 16 est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge.
Le courant de charge ainsi converti présente une amplitude et un signe.
Comme cela sera expliqué ultérieurement, l’unité de conversion 16 de la figure 1 est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge selon un effet Rashba- Edelstein inverse.
L’unité de conversion 16 comporte la couche ferroélectrique 22 et une couche présentant un fort couplage spin-orbite 28.
La couche présentant un fort couplage spin-orbite est appelée couche SOC 28 dans la suite, le sigle SOC renvoyant à la détermination anglaise de « Spin-Orbit Coupling ». Le couplage spin-orbite est fort lorsque le couplage spin-orbite est supérieur ou égal à 1 meV.
Selon l’exemple illustré, la couche SOC 28 est une couche réalisée en un matériau lourd.
Un matériau lourd est un matériau dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15.
En variante, la couche SOC 28 est réalisée en un alliage ou un composé comprenant un métal lourd.
Un métal lourd est un métal dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15, comme, par exemple, l’Au, le Pt, le W ou l’Ir.
La couche ferroélectrique 22 et la couche SOC 28 sont en contact de manière à former un empilement selon une direction d’empilement Z.
Pour la suite, il est également défini une première direction transversale X et une deuxième direction transversale Y chacune perpendiculaire à la direction d’empilement Z et perpendiculaires entre elles.
L’unité d’application de courant de spin 20 est propre à appliquer un courant de spin à l’unité de conversion 16.
Dans l’exemple proposé, l’unité d’application de courant de spin 20 comporte un générateur de courant de spin 30 et deux bornes 32 et 34.
Le générateur de courant de spin 30 est propre à établir un courant de spin entre les deux bornes 32 et 34.
La première borne 32 est un contact réalisé dans la couche ferromagnétique 26.
La deuxième borne 34 est un contact réalisé dans une troisième portion de piste 36.
Pour chacune des portions de piste, il est défini une direction d’extension principale.
La direction d’extension principale de la première portion de piste 12 correspondant à l’entrée est la même que celle de la deuxième portion de piste 14 correspondant à la sortie. Dans le cas de la figure 1 , cette direction d’extension principale est la première direction transversale X.
La troisième portion de piste 36 est orientée selon une direction d’extension principale qui est perpendiculaire à la direction d’extension principale de l’entrée 12 et de la sortie 14, c’est-à-dire selon la deuxième direction transversale Y.
La troisième portion de piste 36 est en contact avec la couche SOC 28.
La couche ferroélectrique 22 présente une polarisation ferroélectrique. Par exemple, la couche ferroélectrique 22 est réalisée en BaTiC>3, en PbZrC>3, en PbTiC>3, en BiFeC>3, en HfC>2, en ZrÜ2 ou en poly(fluorure de vinylidène) (aussi désigné par le sigle PVDF renvoyant au terme anglais de « Polyvinylidene Fluoride »).
La polarisation ferroélectrique est le paramètre d’ordre du matériau ferroélectrique dans laquelle la couche ferroélectrique 22 est réalisée.
La couche ferroélectrique 22 est agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l’un parmi l’amplitude et le signe du courant de charge converti par l’unité de conversion 16.
En l’espèce, la couche ferroélectrique 22 est superposée avec la couche SOC 28.
L’unité d’application d’un champ électrique 24 est propre à appliquer un champ électrique sur la couche ferroélectrique 22.
Le champ électrique appliqué permet de contrôler la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 22.
Selon l’exemple de la figure 1 , l’unité d’application d’un champ électrique 24 comporte un générateur de champ électrique 38 et des bornes confondues avec les bornes 32 et 34 de l’unité d’application de courant de spin 20.
La couche ferromagnétique 26 surmonte l’unité de conversion 16 et est, plus précisément, positionnée au-dessus de la couche ferroélectrique 22.
Selon un premier exemple, le matériau utilisé pour la couche ferromagnétique 26 est un métal comme le Co, le Fe ou le Ni.
Dans un deuxième exemple, le matériau de la couche ferromagnétique 26 est un alliage de Co, Fe ou Ni. En particulier, les matériaux NiFe ou Co Fe sont utilisés.
En variante, d’autres alliages sont envisagés pour former la couche ferromagnétique 26 comme le CoFeB ou le NiMnSb.
Le fonctionnement du dispositif 10 est maintenant décrit en référence à un exemple de mise en oeuvre d’un procédé de génération d’une tension en sortie par le dispositif 10.
Le procédé de génération comporte plusieurs étapes qui sont décrites succinctement dans ce qui suit.
L’aimantation de la couche ferromagnétique 26 est maintenue fixe selon une direction dite direction d’aimantation.
Lors d’une étape d’application, l’unité d’application de courant de spin 20 applique un courant polarisé en spin entre la couche ferromagnétique 26 et la troisième portion de piste 36. La direction de spin est parallèle à la direction d’aimantation.
Le courant de spin se propage alors vers la couche SOC 28 selon la direction d’empilement Z. Lors d’une étape de conversion, le courant de spin qui s’est propagé vers la couche SOC 28 parvient à l’interface entre la couche SOC 28 et la couche ferroélectrique 22.
Comme indiqué précédemment, par effet Rashba-Edelstein inverse, le courant de spin est converti en courant électrique.
L’effet Rashba-Edelstein inverse résulte de la combinaison de deux phénomènes simultanés que sont l’effet Edelstein inverse et l’effet Rashba.
L’effet Edelstein inverse permet la conversion d’un courant de spin en un courant de charge à la surface d’un isolant topologique ou à une interface possédant un effet Rashba.
L’effet Rashba apparaît à la surface d’un matériau ou à l’interface entre deux matériaux où la symétrie d’inversion est brisée, ce qui résulte en l’apparition d’un champ électrique perpendiculaire à la surface ou à l’interface.
Dans le cas du dispositif 10 de la figure 1 , l’unité de conversion 16 avec l’interface entre la couche SOC 28 et la couche ferroélectrique 22 constitue le système présentant l’effet Rashba.
En présence d’un effet Rashba, le vecteur d’onde des électrons et le spin sont couplés ; la dégénérescence de spin est levée et dans le cas le plus simple, la structure électronique de la surface ou de l’interface consiste en deux contours de Fermi concentriques présentant des chiralités de spin opposées.
Lorsqu’un courant de spin est injecté dans l’unité de conversion 16, l’effet Edelstein inverse fait qu’un décalage opposé mais non-équivalent des contours de Fermi se produit, ce qui génère un courant de charge.
Selon une variante, la conversion spin/charge peut également être effectuée en utilisant l’effet Hall de spin inverse.
Simultanément à cette étape de conversion en un courant de charge, l’unité d’application d’un champ électrique 24 applique un champ électrique à la couche ferroélectrique 22. Le champ électrique appliqué permet de modifier la polarisation ferroélectrique.
Selon la direction de la polarisation, l’état Rashba à l’interface couche SOC 28 et couche ferroélectrique 22 est modifié et le courant de charge généré par l’unité de conversion 16 via l’effet Edelstein inverse est modulé en amplitude et/ou en signe.
L’état de la polarisation de la couche ferroélectrique 22 permet donc de contrôler la tension de sortie du dispositif 10.
En ce sens, le dispositif 10 permet la mémorisation d’information, l’information étant codée par l’état de la polarisation ferroélectrique. Le dispositif 10 est reconfigurable puisque la configuration est contrôlée par l’unité d’application d’un champ électrique 24.
Par rapport à d’autres dispositifs spintroniques, il est évité le renversement de l’aimantation par l’application d’un champ magnétique ou d’un fort courant qui est très énergivore au profit du contrôle de l’interconversion de courants de spin en courants de charge par contrôle du renversement de la polarisation ferroélectrique par application d’un champ électrique. De plus, les matériaux ferroélectriques abritent et peuvent générer de forts champs électriques à l’interface avec un matériau.
Ainsi, formulé autrement, des courants de spins peuvent ainsi être générés, manipulés et convertis par des tensions électriques et de façon non volatile, sans avoir recours au renversement d’aimantation très énergivore des matériaux ferromagnétiques.
De plus, le contrôle de la polarisation ferroélectrique est plus performant que le contrôle de l’aimantation d’un matériau, notamment en termes de réversibilité, de reproductibilité ou d’endurance (jusqu’à 1015 cycles comparé à une dizaine).
De manière synthétique, le dispositif 10 est ainsi un transistor bipolaire, non-volatil et de faible consommation électrique.
Un autre exemple de dispositif 10 est illustré sur la figure 2.
Le dispositif selon la figure 2 est décrit par différence avec le dispositif de la figure 1.
En particulier, les remarques portant sur le dispositif de la figure 1 qui sont valables pour le dispositif de la figure 2 ne sont pas répétées. De plus, pour simplifier la figure 2, les unités d’applications 20 et 24 ne sont pas représentées.
Dans le cas de la figure 2, les positions de la couche SOC 28 et de la couche ferroélectrique 22 sont inversées.
Ainsi, la couche SOC 28 est interposée entre la couche ferromagnétique 26 et la couche ferroélectrique 22.
Le fonctionnement et les avantages procurés par le dispositif 10 selon la figure 2 sont identiques au cas du dispositif 10 de la figure 1.
Un autre exemple de dispositif 10 est illustré sur la figure 3.
Le dispositif 10 selon la figure 3 est décrit par différence avec le dispositif de la figure 1. Aussi, les remarques valables pour les dispositifs des figures 1 et 2 ne sont pas reprises dans ce qui suit.
Selon l’exemple de la figure 3, le dispositif 10 comporte, en outre, une couche diélectrique 40.
La couche diélectrique 40 repose sur une partie de l’entrée 12 et la couche SOC 28 repose sur une partie de la sortie 14. La couche ferroélectrique 22 est agencée pour établir un contact entre la couche diélectrique 40 et l’unité de conversion 16.
Plus précisément, la couche ferroélectrique 22 est positionnée au-dessus de la couche diélectrique 40 et de la couche SOC 28, en contact avec les deux couches 28 et 40.
Le dispositif 10 comporte ainsi deux bras 42 et 44 reliés entre eux, le premier bras 42 étant formé par la couche diélectrique 40 et la couche ferroélectrique 22 et le deuxième bras 44 étant formé par l’unité de conversion 16 (couche SOC 28 et couche ferroélectrique 22).
Le deux bras 42 et 44 sont alignés le long de la deuxième direction transversale Y, de sorte que les directions d’extension principale de l’entrée 12 et de la sortie 14 ne sont pas alignées comme c’est le cas dans les dispositifs 10 des figures 1 et 2 mais décalées le long de la deuxième direction transversale Y.
La couche ferromagnétique 26 est en contact avec la couche ferroélectrique 22.
Comme visible sur la figure 3, la couche ferromagnétique 26 est à la masse.
Un courant de spin est ainsi généré dans l’empilement dans le deuxième bras 44 à l’aide de l’élément de signe de référence 36 sur la figure 3
En fonctionnement, l’application d’un courant sur l’entrée 12 charge le premier bras 42 qui agit comme un élément capacitif.
Aussi, lorsque la tension de seuil de l’élément capacitif est atteinte, la polarisation de la partie de la couche ferroélectrique se renverse.
Le renversement de la polarisation se déplace ensuite dans la couche ferroélectrique 22 par déplacement de parois de domaines.
Le renversement de polarisation permet ainsi de contrôler l’amplitude ou le sens du courant de charge que l’unité de conversion 16 convertit à partir du courant de spin qui est appliqué à l’unité de conversion 16.
Dans le cas de ce dispositif 10, le renversement de la polarisation ferroélectrique se fait à très faible coût énergétique du fait de la forte résistance du bras gauche (ensemble couche diélectrique et couche ferroélectrique).
Le dispositif 10 représenté à la figure 3 présente, en outre, l’avantage d’être concaténable, c’est-à-dire que la tension de sortie d’un dispositif 10 donné peut être utilisée comme tension d’entrée d’un dispositif 10 suivant.
Un tel dispositif 10 est utilisable pour de nombreuses applications.
Par exemple, comme illustré sur la figure 4, le dispositif 10 fait partie d’une porte numérique 42, porte numérique qui fait elle-même partie d’une unité de mémorisation. Dans ce cas, l’entrée 12 comporte deux bornes d’insertion 44 et 46 de sorte que le la porte numérique 42 réalise une opération logique à partir des valeurs insérées sur les deux bornes d’insertion 44 et 46.
L’opération logique obtenue peut être réalisée en fonction de la manière dont les courants d’entrée injectés sur les deux bornes d’insertion 44 et 46 agissent sur la polarisation ferroélectrique et la correspondance entre la direction de la polarisation et le signe du courant généré en sortie.
La porte numérique 42 est reconfigurable et permet de réaliser les opérations logiques de type « ou » ou « et » avec une faible consommation.
Selon un autre exemple, c’est un composant analogique qui comporte le dispositif 10. Le composant analogique fait partie d’un réseau de neurones.
Là encore, l’emploi du dispositif 10 permet de réduire la consommation électrique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif électronique (10) comportant une entrée (12) et une sortie (14), le dispositif (10) générant une tension en sortie lorsque le dispositif (10) est alimenté en entrée, le dispositif (10) comprenant :
- une unité de conversion (16) propre à convertir un courant de spin en un courant de charge, le courant de charge présentant une amplitude et un signe,
- une unité d’application de courant de spin (20) propre à appliquer un courant de spin à l’unité de conversion (16),
- une couche en un matériau ferroélectrique (22), dite couche ferroélectrique (22), présentant une polarisation ferroélectrique, la couche ferroélectrique (22) étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l’un parmi l’amplitude et le signe du courant de charge converti par l’unité de conversion (16), et
- une unité d’application d’un champ électrique (24) propre à appliquer un champ électrique sur la couche ferroélectrique (22) pour contrôler la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique (22).
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel l’unité de conversion (16) comporte la couche ferroélectrique (22) et une couche présentant un fort couplage spin-orbite (28), un couplage spin-orbite étant fort lorsque le couplage spin-orbite est supérieur ou égal à 1 meV, la couche ferroélectrique (22) et la couche présentant un fort couplage spin-orbite (28) étant en contact.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la couche présentant un fort couplage spin-orbite (28) est une couche réalisée en un matériau lourd, un matériau lourd étant un matériau dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’unité d’application de courant de spin (20) comporte des premières bornes (32, 34) et l’unité d’application d’un champ électrique (24) comporte des deuxièmes bornes (32, 34), les premières bornes (32, 34) et les deuxièmes bornes (32, 34) étant confondues.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif (10) comporte une couche diélectrique (40), la couche diélectrique (40) reposant sur une partie de l’entrée (12), l’unité de conversion (16) reposant sur une partie de la sortie (14), la couche ferroélectrique (22) étant agencée pour établir un contact entre la couche diélectrique (40) et l’unité de conversion (16).
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’unité de conversion (16) et la couche ferroélectrique (22) sont surmontées par une couche ferromagnétique (26).
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’unité de conversion (12) est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge selon un phénomène physique, le phénomène physique étant un effet Rashba-Edelstein inverse ou un effet Hall de spin inverse.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif (10) est un transistor.
9. Porte numérique (42) comportant au moins un dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Porte numérique selon la revendication 9, dans laquelle la porte numérique (42) fait partie d’une unité de mémorisation.
11. Composant analogique comprenant au moins un dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
12. Composant analogique selon la revendication 1 1 , dans lequel le composant fait partie d’un réseau de neurones.
13. Procédé de génération d’une tension en sortie par un dispositif électronique (10), le dispositif (10) comportant une entrée (12) et une sortie (14), le dispositif (10) générant une tension en sortie lorsque le dispositif (10) est alimenté en entrée, le dispositif comprenant :
- une unité de conversion (16),
- une unité d’application de courant de spin (20),
- une couche en un matériau ferroélectrique (22), dite couche ferroélectrique (22), présentant une polarisation ferroélectrique, la couche ferroélectrique (22) étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l’un parmi l’amplitude et le signe du courant de charge, et - une unité d’application d’un champ électrique (24),
le procédé comprenant au moins une étape de :
- application d’un courant de spin à l’unité de conversion, l’étape d’application d’un courant de spin étant mise en oeuvre par l’unité d’application de courant de spin (20),
- conversion par l’unité de conversion (16) du courant de spin appliqué en un courant de charge, le courant de charge présentant une amplitude et un signe, et
- application d’un champ électrique à la couche ferroélectrique (22), l’étape d’application d’un champ électrique étant mise en oeuvre par l’unité d’application d’un champ électrique (24).
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le dispositif (10) est un transistor.
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