EP4381916A1 - Système électronique à écriture non-volatile par contrôle électrique et à lecture par effet hall - Google Patents

Système électronique à écriture non-volatile par contrôle électrique et à lecture par effet hall

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Publication number
EP4381916A1
EP4381916A1 EP22761144.9A EP22761144A EP4381916A1 EP 4381916 A1 EP4381916 A1 EP 4381916A1 EP 22761144 A EP22761144 A EP 22761144A EP 4381916 A1 EP4381916 A1 EP 4381916A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrode
electronic system
contact
magnetic
subassembly
Prior art date
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Pending
Application number
EP22761144.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cécile Grezes
Laurent Vila
Jean-Philippe ATTANE
Manuel Bibes
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
Universite Grenoble Alpes
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
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Thales SA, Universite Grenoble Alpes, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Definitions

  • the present invention relates to an electronic system with non-volatile writing by electrical control and reading by Hall effect.
  • the present invention relates to the field of microelectronics and in particular to the field of memory devices, logic devices, neuromorphic devices based on dielectrics with non-volatile electrical control, in particular for information and communication technologies.
  • Dielectric materials with non-volatile electrical control are characterized by a non-linear relationship between the applied voltage and the apparent stored charge following a hysteresis cycle. These remanent states of the hysteresis cycle can be used to store information in a non-volatile way.
  • Ferroelectric materials are examples of such materials with remanent states. In fact, ferroelectric materials have a spontaneous macroscopic polarization, which can be written by applying a voltage. It is possible to encode information in this ferroelectric state, which has led to the appearance of ferroelectric memory/logic devices.
  • Fe-RAM ferroelectric random access memory referring to the English name of “Ferroelectric Random Access Memory” which literally means “Ferroelectric Random Access Memory”.
  • the Fe-RAM memory is a memory device similar to a dynamic random access memory DRAM (referring to the English name of "Dynamic Random Access Memory” which literally means “dynamic random access memory”) to which a ferroelectric layer is added to obtain a property of non-volatility.
  • DRAM dynamic random access memory
  • the advantage of Fe-RAM memory is to combine the speed of random access memory and the non-volatile characteristics of flash memory.
  • the writing of information to be stored is carried out by applying a voltage between the two faces of the ferroelectric layer.
  • the information is thus encoded in the state of polarization of the ferroelectric layer.
  • the reading is performed by applying a voltage and measuring the current produced. More specifically, a voltage pulse is applied between the two faces of the ferroelectric layer so as to attempt to switch the polarization from a first state to to a second state, for example from state “0” to state “1 ". If the Fe-RAM memory was already in state "1", the only current produced read is linked to the voltage pulse applied. If the Fe-RAM memory was initially in the “0” state, the current produced will be the sum of the current linked to the voltage pulse and the depolarization current linked to the reversal of the polarization.
  • the read mechanism is thus destructive: reading erases the stored memory state, which involves rewriting the Fe-RAM memory using a particular architecture.
  • Fe-FET ferroelectric field effect transistor referring to the English name “Ferroelectric Field Effect Transistor” which literally means “Ferroelectric Field Effect Transistor”.
  • Field effect transistors are unipolar devices with 3 terminals, based on the action of an electric field on the conductivity of a channel connecting the source to the drain.
  • the Fe-FET uses a ferroelectric element inserted between the gate electrode and the channel to achieve non-volatility
  • the information is encoded in the bias of the ferroelectric material which acts as a non-volatile gate, controlling the conductivity of the transistor channel. Reading the polarization state is done by measuring the longitudinal resistance of the channel (parallel to the read current) with a voltage lower than the coercive voltage of the ferroelectric material. The memory is not erased.
  • the reading mechanism is certainly non-destructive but suffers from reading errors due to the partial depolarization induced by the application of the reading voltage on the ferroelectric material, and the constraints imposed on the choice of materials limit the endurance of these devices.
  • Re-RAM resistive random access memories (referring to the English name of "Resistive Random Access Memory” which literally means “Resistive Random Access Memory”) are another example of a device using non-volatile electrical control of resistance in a dielectric material.
  • Reading is done by measuring the resistance of the dielectric with a voltage lower than the write voltage across the terminals of the dielectric.
  • the reading mechanism Since reading does not eliminate the coding of the information, the reading mechanism is in principle non-destructive but suffers from reading errors due to the effect of the reading voltage on the dielectric material, and involves the application of high voltages.
  • a known alternative to the Re-RAM memory is to use a PC-RAM memory (referring to the English denomination of “Phase Changing Random Access Memory” which literally means “Phase Changing Random Access Memory”). The material used is then a phase change material, which under the application of an electric current will switch between a poorly conductive amorphous phase and a conductive crystalline phase.
  • PC-RAM memories also involve high working voltages.
  • an electronic system with non-volatile writing by electrical control and reading by Hall effect comprising an electronic device comprising a stack of layers stacked along a stacking direction, the stack of layers.
  • the stack of layers comprises a first electrode, a remanent state subassembly comprising at least one dielectric layer such that said remanent state subassembly has at least two electrically controllable remanent states, a two-dimensional electron gas, a sub -magnetic assembly comprising at least one magnetic layer, and a second electrode comprising two first contacts each extending along a first direction and a second contact extending along a second direction, the second direction being distinct from the first direction, the first and the second direction being in a plane perpendicular to the direction of the stack.
  • the electronic system comprises a writing device capable of writing remanent states of the remanent-state subassembly by applying an electric field between the first electrode and the second electrode by modulating the electric resistance of the two-dimensional electron gas, and a Hall effect reading device capable of reading the remanent state of the subassembly with remanent states by applying a current between the two first contacts and by measuring the voltage between the second contact and a reference potential.
  • the writing mechanism of the electronic system does not reverse the magnetization of the subassembly with remanent states during the application of an electric field between the first electrode and the second electrode.
  • the writing device of the electronic system allows a remanent change of state corresponding to a modulation of the electrical resistance of the two-dimensional electron gas. This allows for improved writing.
  • the electronic system has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the first electrode comprises at least one contact
  • the writing device applying the electric field between the at least one contact of the first electrode and at least one contact of the second electrode.
  • the first electrode is in contact with the remanent state subassembly.
  • the first electrode is merged with the remanent state subassembly.
  • the second electrode is in contact with the two-dimensional electron gas.
  • the second electrode is confused with the two-dimensional gas of electrons.
  • the second electrode is in contact with the magnetic sub-assembly.
  • the second electrode is merged with the magnetic sub-assembly.
  • the second electrode comprises at least one additional contact, the reference potential being the potential of the additional contact.
  • the electrically controllable remanent states of the remanent state subassembly are controllable by a ferroelectric effect, a trapped charge effect, an ion migration effect or a combination of said effects.
  • the two-dimensional electron gas has a carrier density greater than 1 O 10 cm 2 .
  • the magnetic subassembly comprises at least one ferromagnetic element chosen from a ferromagnetic metal alloy, a ferromagnetic oxide, a magnetic semiconductor, a composite ferromagnetic element with several ferromagnetic and metallic layers, a Heusler alloy, an earth-based alloy rare or a combination of these materials.
  • the magnetic subassembly comprises at least one ferrimagnetic element chosen from a ferrimagnetic metal alloy, a ferrimagnetic oxide, a composite ferrimagnetic element with several ferromagnetic or ferrimagnetic and metallic layers, or a ferrimagnetic alloy based on rare earths, or a combination of these materials.
  • the magnetic subassembly comprises at least one antiferromagnetic element chosen from an antiferromagnetic metal alloy, an antiferromagnetic oxide, a composite antiferromagnetic element with several magnetic and metal layers coupled together in an antiferromagnetic manner, or a combination of these materials.
  • the magnetic sub-assembly comprises at least one magnetic element chosen from a material having an extraordinary Hall effect greater than 0.5% and a material having a magnetoresistance greater than 0.5%.
  • the stack of layers also comprises at least one interfacing layer, the interfacing layer comprising at least one layer chosen from among a non-magnetic metal layer and a layer exhibiting a spin-orbit effect.
  • the interfacing layer comprises at least one element among a metal, a Weyl semi-metal, a two-dimensional material, a dichalcogenide of transition metals and a topological insulator.
  • the electronic system comprises at least one other electronic device (12), all of the electronic devices being arranged in cascade or in the form of a network, each other electronic device comprising a stack of layers stacked along the stacking direction.
  • the first electrode of an electronic device is connected to a second electrode of an adjacent electrical device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an example of an electronic system with non-volatile writing by electrical control and reading by Hall effect comprising in particular a remanent state subassembly having at least two electrically controllable remanent states, a two-dimensional gas d electrons and a magnetic subset,
  • FIG. 2 is a schematic representation of a charge-voltage hysteresis cycle of a subassembly with remanent states
  • FIG. 3 is a schematic representation of the dependence as a function of the voltage of the extraordinary and planar Hall effects in a ferromagnetic subassembly
  • FIG. 4 is a schematic representation of another example of an electronic system with non-volatile writing by electrical control and reading by Hall effect
  • FIG. 5 is a schematic representation of an example of a system formed by cascading nesting of non-volatile electronic devices
  • FIG. 6 is a schematic representation of an example of a system formed by nesting in a network of non-volatile electronic devices.
  • An electronic system with non-volatile writing by electrical control and with reading by Hall effect 10 is illustrated in FIG. 1. In the following, such a system is simply referred to as an electronic system.
  • the electronic system 10 comprises an electronic device 12, a writing device 14 and a Hall effect reading device 16.
  • the electronic system 10 is, for example, a memory, a logic device or a neuromorphic device.
  • the electronic system 10 has the specificity of being a system with electrical control and reading by Hall effect.
  • a Hall effect corresponds to the fact that an electric current passing through a material generates an electric field and therefore a voltage perpendicular to this current.
  • the so-called classic Hall effect which appears when a magnetic field is applied, generates a voltage perpendicular to this magnetic field and to this current.
  • the so-called abnormal or extraordinary Hall effect which appears when the material carries a magnetization, generates a voltage perpendicular to this magnetization and to this current.
  • the planar Hall effect which appears when the material carries a magnetization in the plane of the layer, generates a voltage in the plane of the layer and perpendicular to this current.
  • the electronic device 12 comprises a stack of layers 18.
  • the layers of stack 18 are layers stacked in a stacking direction Z.
  • Two longitudinal directions are then defined which are perpendicular to the stacking direction Z, a first longitudinal direction X and a second longitudinal direction Y.
  • the two longitudinal directions X and Y are orthogonal to each other and chosen so that the reference X, Y and Z is direct.
  • first longitudinal direction X and the second longitudinal direction Y are simply distinct and are not mutually orthogonal.
  • the thickness of a layer is defined as the dimension along the Z stacking direction of the layer, i.e. the distance between its two faces.
  • the stack 18 is a stack of superposed layers in the shape of a cross.
  • Other shapes are possible as will be described later with reference to Figure 4.
  • the cross is formed by the joining of two branches 20 and 22, a first branch 20 being in the first longitudinal direction X and the second branch 22 being in the second longitudinal direction Y.
  • the electronic device 12 comprises a first electrode 24, a remanent state subassembly 26, a first interfacing layer 28, a two-dimensional electron gas 30, a second interfacing layer 32, a magnetic subassembly 34 and a second electrode 36.
  • the first electrode 24 has one contact and the second electrode 36 has four contacts, so that the electronic device 12 has five contacts.
  • the contacts of the second electrode 36 are respectively called first contact C1, second contact C2, third contact C3, fourth contact C4 and the contact of the first electrode 24 is called fifth contact C5.
  • Each contact C1, C2, C3, C4 and C5 is an electrical contact.
  • each contact C1, C2, C3, C4 is represented in the form of a parallelepiped extending in a main direction.
  • each contact C1, C2, C3, C4 has a respective main direction.
  • the write contact at the second electrode 36 may be anywhere thereon. It can be made by one of the aforementioned contacts C1, C2, C3, C4, or by a specific contact which can be, for example, at the center of the cross formed by the second electrode 36.
  • each electrode 24 or 36 can be produced by conductive layers arranged on either side of the stack but when one of the outer layers of the stack is conductive, the electrode 24 or 36 associated with this layer may be the outer layer itself.
  • the subassembly with remanent states 26 is positioned on the first electrode 24.
  • subassembly with remanent states 26 forms a non-volatile dielectric element with electrical control.
  • the dielectric element presents a non-linear relationship between the voltage V applied between its faces and the apparent stored charge Q following a hysteresis cycle, resulting in at least two remanent states.
  • Figure 2 graphically presents an example of such a relationship by showing the Q - V hysteresis cycle characteristic of an electrically controlled non-volatile dielectric. As visible in Figure 2, the hysteresis cycle has two remanent states noted A and B.
  • Such a non-linear relationship can, for example, result from an electrical control using a ferroelectric effect, a trapped charge effect, an ion migration effect or a combination of several of these effects.
  • the use of the remanent state subassembly 26 makes it possible to electrically control in a non-volatile manner the conductivity of the two-dimensional electron gas 30.
  • the sub-assembly with remanent states 26 has said remanent states which can be controlled electrically, and comprises at least one dielectric material.
  • the dielectric material is an ABO3 type perovskite structure (where A and B are cations).
  • a and B are cations.
  • One such structure is an oxide perovskite structure.
  • the dielectric material is, for example, in BaTiOs, in PZT (that is to say in PbZri-xTixOs with x varying between 0 and 1), in PMN-PT (that is to say in [ 1 -x]Pb(Mgi/ 3 Nb2/3)O3 - xPbTiOs with x varying between 0 and 1), in BiFeOs (possibly doped, for example in rare earths on the Bi site, or in Mn on the Fe site ), SrTiO 3 (optionally doped), KTiO 3 (optionally doped) , Pr 0.7 Cao.3Mn03 (optionally doped) or YMnOs (optionally doped).
  • PZT that is to say in PbZri-xTixOs with x varying between 0 and 1
  • PMN-PT that is to say in [ 1 -x]Pb(Mgi/ 3 Nb2/3)O3 - x
  • the dielectric material is (Hfi- x Zr x )02 or (Hfi. x Ga x )O2 (x varying between 0 and 1), or their alloys.
  • the dielectric material can also be poly(vinylidene fluoride).
  • the dielectric material does not have the perovskite structure, unlike the first example.
  • the dielectric material is a ferroelectric semiconductor.
  • GeTe, BiTel, BiAIOs, and Bi 2 WO3, optionally doped, are examples of such ferroelectric semiconductor materials.
  • the dielectric material is chosen from the following compounds: SiO x N x , (Ta2O 5 ) x (TiO2)ix or (Nb2O 5 )x(TiNb2O 7 )i- x (x varying between 0 and 1 ).
  • the dielectric material is chosen from halide perovskite structures such as CsPbBr 3 , MAPb1 3 , or MAPbBr 3 .
  • the existence of the remanent states comes from a ferroelectric effect, a trapped charge effect, an ion migration effect or a combination of several of these effects.
  • the predominant effect depends on the deposition conditions of the dielectric layer.
  • the coercive electric field of the dielectric element and its thickness are sufficiently low for the writing device 14 to be able to write the remanent states at voltages compatible with microelectronic technologies, that is to say voltages below 10 Volts ( ⁇ 10 V).
  • a thickness of less than 100 nm and advantageously less than 50 nm in the aforementioned materials makes it possible to obtain such properties.
  • the subassembly with remanent states 26 is also enduring to cycling, typically capable of withstanding at least 10 4 cycles.
  • Two-dimensional electron gas 30 is a confined electron gas that forms at an interface between two layers.
  • the confinement is such that it can be considered that this gas is strictly two-dimensional.
  • the two-dimensional electron gas 30 can form at the interface between two layers of the stack 18.
  • the resistance of the two-dimensional electron gas 30 is electrically adjustable in a non-volatile manner under the effect of the remanent state subassembly 26, more precisely by choosing the remanent state of the remanent state subassembly 26.
  • the two-dimensional electron gas has a high density of carriers (typically greater than 10 10 cm -2 ) to improve the electrical modulation of the Hall effect.
  • the magnetic sub-assembly 34 is capable of generating a contribution to the Hall effect of the electronic device 12.
  • Magnetic subassembly 34 includes at least one magnetic layer.
  • the magnetic subassembly 34 is made of one or more materials, and includes at least one ferromagnetic, ferrimagnetic or antiferromagnetic element.
  • the magnetic sub-assembly 34 also comprises layers for anchoring the magnetization, that is to say intended to fix the direction of the magnetization.
  • the magnetic sub-assembly comprises a ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material is a ferromagnetic metal alloy composed of elements such as Co, Fe, B, Ni or Al.
  • the ferromagnetic material is a ferromagnetic oxide.
  • the ferromagnetic material is a magnetic semiconductor.
  • the ferromagnetic material is a composite ferromagnetic element of [FM/M] n /FM type, that is to say a stack of several ferromagnetic FM and metallic M layers coupled together.
  • n varies between 1 and 10.
  • the ferromagnetic materials FM are, for example, those of the first three examples.
  • the metallic materials M are chosen from Al, Ta, Ru, Pt, W, Ir, Mo, Ti, Y and Au.
  • the ferromagnetic material is a Heusler alloy.
  • the ferromagnetic material can be made with alloys based on rare earths, such as, for example, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, or Dy.
  • the magnetic subassembly 34 comprises at least one ferrimagnetic element, for example chosen from a ferrimagnetic metal alloy, a ferrimagnetic oxide, a composite ferrimagnetic element with several ferromagnetic or ferrimagnetic and metallic layers, a Heusler alloy or a ferrimagnetic alloy based on rare earths, or a combination of these materials.
  • a ferrimagnetic metal alloy for example chosen from a ferrimagnetic metal alloy, a ferrimagnetic oxide, a composite ferrimagnetic element with several ferromagnetic or ferrimagnetic and metallic layers, a Heusler alloy or a ferrimagnetic alloy based on rare earths, or a combination of these materials.
  • the magnetic subassembly 34 comprises at least one antiferromagnetic element, for example chosen from an antiferromagnetic metal alloy, an antiferromagnetic oxide, a composite antiferromagnetic element with several magnetic and metal layers coupled together in an antiferromagnetic way, or a combination of these materials.
  • the thickness of the magnetic subassembly 34 is small (typically less than 100 nm), so as to optimize reading by the Hall effect of the Hall effect reading device 16.
  • planar Hall effect it is preferable to choose materials with planar magnetization with an anisotropic magnetoresistance greater than 0.5%.
  • the electronic device 12 comprises two additional layers which are the interfacing layers 28 and 32.
  • each interfacing layer 28 and 32 performs one or more of the following functions: protecting the two-dimensional electron gas 30, participating in the formation of the two-dimensional electron gas 30, improving its transport, improve the electronic transport properties of the electronic device 12, and/or improve the electrical modulation of the Hall effect to facilitate reading by the Hall effect reading device 16.
  • Each interfacing layer 28 and 32 has a relatively small thickness, for example less than or equal to 10 nm.
  • the interfacing layer 28 or 32 is a layer consisting of an element from columns 3d, 4d, 5d, 4f, 5f of the periodic table such as Al, Ta, Ru, Pt, W, Ir, Mo, Ti, Y, Au, or a combination of these elements such as PtW.
  • the interfacing layer 28 or 32 is a layer made of a material with strong spin-orbit coupling.
  • a material with strong spin-orbit coupling is a material which makes it possible to convert a charge current into a spin current.
  • material with strong spin-orbit coupling is Tantalum (P-Ta), BiSb, Ta, p-Tungsten (P-W), W or Pt.
  • the material with strong spin-orbit coupling is Cu or Au doped with elements from columns 3d, 4d, 5d, 4f, 5f of the classification periodic like W, Ta, Bi so as to obtain strong spin-orbit effects, or a combination of 5d elements, such as PtW.
  • the material with strong spin-orbit coupling is a two-dimensional spin-orbit material.
  • two-dimensional spin-orbit material the following materials may be cited: graphene, BiSes, S2, BiSe x Te2- x (x varying between 0 and 2), BiS, TiS, WS2, M0S2, TiSe2, VSe2, MoSe2, B2S3, Sb2S, T 0 , 75 S, Re2S 7 , LaCPS2, LaOAsS2, ScOBiS2, GaOBiS2, AIOBiS2, LaOSbS2, BiOBiS2, YOBiS2, lnOBiS2, LaOBiSe2, TiOBiS2, CeOBiS2, PrOBiS2, NdOBiS2, LaOBiS2, or SrFBiS2.
  • the aforementioned materials can optionally be doped.
  • the material with strong spin-orbit coupling is a topological insulator.
  • a topological insulator is a material having an insulator-like band structure but which has metallic surface states.
  • material with strong spin-orbit coupling is Bi 2 Se3, BiSbTe, SbTes, HgTe or a-Sn.
  • the material with strong spin-orbit coupling is a Weyl semimetal.
  • the material with strong spin-orbit coupling is, for example, TaAs, TaP, NbAs, NbP, NasBi, Cd3As2, WTe20u or MoTe2.
  • irradiation of the material can be implemented with ions, such as He ions or Ar ions.
  • the material of the spin-orbit layer is a transition metal dichalcogenide, and preferably a ROCh 2 type dichalcogenide. Such a material actually exhibits a good Rashba effect.
  • 'R' is for example chosen from La, Ce, Pr, Nd, Sr, Sc, Ga, Al, or I n while 'Ch' is selected from S, Se or Te.
  • the second electrode 36 comprises the two branches 20 and 22 and four contacts, namely the first contact C1, the second contact C2, the third contact C3 and the fourth contact C4.
  • the branches 20 and 22 are in contact or merged either with the two-dimensional gas of electrons 30, or with the magnetic sub-assembly 34.
  • the second contact C2 and the fourth contact C4 form a pair of opposite contacts and each extend mainly along the same direction, namely the first longitudinal direction X.
  • the first contact C1 and the third contact C3 form the other pair of opposite contacts and each extend mainly along the same direction, namely the second longitudinal direction Y.
  • the remanent state subassembly 26 comprises two remanent states denoted A and B.
  • the writing device 14 modifies these states by applying a voltage between the first electrode 24 and the second electrode 36.
  • the writing device 14 writes by applying a voltage between the first contact C1 and the fifth contact C5. Any contact of the second electrode 36 can be used here.
  • the writing device 14 is, for example, a transistor making it possible to positively or negatively charge the second electrode 36.
  • the mechanism for reading the remanent states A or B by the Hall effect reading device 16 involves the Hall effect.
  • the Hall effect reading device 16 measures the potential difference, that is to say the voltage, produced by Hall effect between the second contact C2 and the fourth contact C4 when a current is applied between the first contact C1 and the third contact C3.
  • the reference potential can be the potential of the third contact C3 or of any other contact, even external to the system, for example the earth potential.
  • Reading by Hall effect is therefore done by measuring the Hall resistance of the magnetic sub-stack 34, perpendicular to the reading current applied.
  • the Hall effect reading device 16 thus comprises a current injection unit and a Hall voltage measurement unit.
  • the current injection unit is a separate transistor from that of the writing device 14.
  • the graph in Figure 3 clearly shows that it is possible to determine the two states by this measurement.
  • the graph of FIG. 3 presents the dependence as a function of the applied voltage of the extraordinary Hall effect (AHE) and of the planar Hall effect (PHE) in the magnetic sub-stack 34, measured between the second contact C2 and the fourth contact C4 during the application of a current of 10 microamperes (pA) between the first contact C1 and the third contact C3.
  • AHE extraordinary Hall effect
  • PHE planar Hall effect
  • reading by Hall effect is non-destructive, in the sense that it does not modify the state of the remanent-state subassembly 26. Therefore, the electronic system 10 combines in an original way a two-dimensional electron gas 30 and a magnetic sub-assembly 34 for reading by Hall effect, non-destructive and compatible with any type of non-volatile dielectric element with control. electric. Indeed, it is irrelevant whether the dielectric element is based on a ferroelectric effect, a trapped charge effect, an ion migration effect, a filamentary formation effect or a combination of these effects.
  • the association of the two-dimensional gas of electrons 30 and the magnetic subassembly 34 allows an increase in the Hall effect allowing its detection in a reliable and repeatable manner.
  • the manufacture of the electronic device 12 is relatively easy insofar as the assembly 18 can here be lithographed and etched over the entire thickness.
  • the electronic device 12 has no interfacing layers or comprises only one.
  • the device comprises a stack 18 with layers arranged in a different order when the stack 18 is traversed from the bottom upwards.
  • the stack 18 of FIG. the two-dimensional gas layer 30 and the magnetic subassembly 34.
  • the order is as follows: subassembly with remanent states 26, then magnetic subassembly 34 then layer of two-dimensional gas 30.
  • the first electrode 24 can be positioned either at the top (as upper electrode) or at the bottom (as lower electrode).
  • the contacts C1 to C4 of the first electrode 24 are deposited last with respect to the other layers of the stack 18 whereas they are deposited first in the second case.
  • the fourth contact C4 is deleted.
  • the device then presents a stack of superimposed layers in the shape of a “T” instead of the cross shape.
  • the Hall voltage is then read between the second contact C2 and an electric reference potential.
  • the reference potential is, for example, the potential of the first contact C1 or of the third contact C3.
  • the order of the main layers can vary similarly and the interfacing layers 28 and 32 can be present or not.
  • FIG. 5 corresponds to the case of electronic devices 12 connected together so as to form a network.
  • the network comprises n electronic devices 12 in a row and m electronic devices 12 in a column, m and n being integers of which at least one is greater than or equal to 2.
  • the third contact C3 of an electronic device 12 of a line is connected to the first contact C1 of the neighboring electronic device 12 on the same line via a connection 38.
  • the fourth contact C4 of an electronic device 12 is connected to the second contact C2 of the neighboring electronic device 12 on the same line via a link 40.
  • Such an arrangement makes it possible to pass the read current through several electronic devices and/or to sum the read voltages. Reading is improved.
  • FIG. 6 corresponds to the case of electronic devices 12 arranged in cascade.
  • n electronic devices 12 are connected together one after the other.
  • the fourth contact C4 of an electronic device 12 is connected to the fifth contact of a following electronic device 12 via a link 42.
  • the connections between the electronic devices 12 are made in such a way that the Hall voltage produced by an electronic device 12 makes it possible to modify the state of the sub-stack with remanent states 26.

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Abstract

Il est divulgué un système électronique (10) comprenant : • - un dispositif électronique (12) comportant un empilement de couches (18) comprenant : • - une première électrode (24), • - un sous-ensemble à états rémanents (26) contrôlables électriquement, • - un gaz bidimensionnel d'électrons (30), • - un sous-ensemble magnétique (34) comprenant au moins une couche magnétique, et • - une deuxième électrode (36) comportant deux premiers contacts (C1, C3) et un deuxième contact (C2, C4), • - un dispositif d'écriture (14) écrivant des états rémanents par application d'un champ électrique entre les deux électrodes (24, 36), et • - un dispositif de lecture à effet Hall (16) lisant l'état rémanent en appliquant un courant entre les deux premiers contacts (C1, C3) et en mesurant la tension entre le deuxième contact (C2, C4) et un potentiel de référence.

Description

Système électronique à écriture non-volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall
La présente invention concerne un système électronique à écriture non volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall.
La présente invention se rapporte au domaine de la microélectronique et notamment au domaine des dispositifs mémoires, aux dispositifs logiques, aux dispositifs neuromorphiques à base de diélectriques à contrôle électrique non-volatil, en particulier pour les technologies de l’information et de la communication. Les matériaux diélectriques à contrôle électrique non-volatile sont caractérisés par une relation non-linéaire entre la tension appliquée et la charge stockée apparente suivant un cycle d’hystérésis. Ces états rémanents du cycle d’hystérésis peuvent être utilisés pour stocker une information de manière non volatile.
Les matériaux ferroélectriques sont des exemples de tels matériaux à états rémanents. De fait, les matériaux ferroélectriques possèdent une polarisation macroscopique spontanée, qui peut être écrite en appliquant une tension. Il est possible de coder une information dans cet état ferroélectrique, ce qui a entraîné l’apparition de dispositifs mémoires/logiques ferroélectriques.
Un premier exemple de dispositif connu utilisant cet effet est la mémoire vive ferroélectrique Fe-RAM (renvoyant à la dénomination anglaise de « Ferroelectric Random Access Memory » qui signifie littéralement « Mémoire à accès aléatoire ferroélectrique »). La mémoire Fe-RAM est un dispositif de mémoire similaire à une mémoire vive dynamique DRAM (renvoyant à la dénomination anglaise de « Dynamic Random Access Memory » qui signifie littéralement « Mémoire à accès aléatoire dynamique ») à laquelle une couche ferroélectrique est ajoutée pour obtenir une propriété de non-volatilité. L'intérêt de la mémoire Fe-RAM est de combiner la rapidité de la mémoire vive et les caractéristiques non volatiles de la mémoire flash.
Dans le cas d’une mémoire Fe-RAM, l’écriture d’une information à mémoriser est réalisée par application d’une tension entre les deux faces de la couche ferroélectrique. L’information est ainsi codée dans l’état de polarisation de la couche ferroélectrique.
La lecture est réalisée en appliquant une tension et en mesurant le courant produit. Plus précisément, une impulsion de tension est appliquée entre les deux faces de la couche ferroélectrique de manière à tenter de commuter la polarisation depuis un premier état à vers un deuxième état, par exemple depuis l’état « 0 » vers l’état « 1 ». Si la mémoire Fe- RAM était déjà dans l’état « 1 », le seul courant produit lu est lié à l’impulsion de tension appliquée. Si la mémoire Fe-RAM était initialement dans l’état « 0 », le courant produit sera la somme du courant lié à l’impulsion de tension et du courant de dépolarisation, lié au renversement de la polarisation.
Le mécanisme de lecture est ainsi destructif : la lecture efface l’état mémoire stocké, ce qui implique de réécrire la mémoire Fe-RAM au moyen d’une architecture particulière.
Un deuxième exemple de dispositif connu utilisant les propriétés des matériaux ferroélectriques est le transistor ferroélectrique à effet de champ Fe-FET (renvoyant à la dénomination anglaise de « Ferroelectric Field Effect Transistor » qui signifie littéralement « Transistor à effet de champ ferroélectrique »). Les transistors à effets de champ sont des dispositifs unipolaires à 3 terminaux, basés sur l'action d'un champ électrique sur la conductivité d’un canal reliant la source au drain. Le Fe-FET utilise un élément ferroélectrique inséré entre l’électrode de grille et le canal afin d’obtenir la non-volatilité
Dans le cas d’un transistor Fe-FET, l’information est codée dans la polarisation de du matériau ferroélectrique qui agit comme une grille non-volatile, contrôlant la conductivité du canal du transistor. La lecture de l’état de polarisation se fait en mesurant la résistance longitudinale du canal (parallèle au courant de lecture) avec une tension inférieure à la tension coercitive du matériau ferroélectrique. La mémoire n’est pas effacée.
Le mécanisme de lecture est certes non-destructif mais souffre d’erreurs de lecture dues à la dépolarisation partielle induite par l’application de la tension de lecture sur le matériau ferroélectrique, et les contraintes imposées sur le choix de matériaux limitent l’endurance de ces dispositifs.
Les mémoires à accès aléatoires résistives Re-RAM (renvoyant à la dénomination anglaise de « Resistive Random Access Memory » qui signifie littéralement « Mémoire résistive à accès aléatoire ») sont un autre exemple de dispositif utilisant le contrôle électrique non-volatile de la résistance dans un matériau diélectrique.
Dans le cas des mémoires Re-RAM, un champ électrique est appliqué pour forcer le matériau diélectrique, qui est normalement isolant, à être conducteur à travers un canal de conduction. Cette conduction est obtenue par différents mécanismes dont le piégeage de charge, la migration d’ions ou encore la formation de filaments conducteurs. L’information est alors codée dans les états rémanents de résistance du canal de conduction de l’élément diélectrique.
La lecture se fait en mesurant la résistance du diélectrique avec une tension inférieure à la tension d’écriture aux bornes du diélectrique.
La lecture ne supprimant pas le codage de l’information, le mécanisme de lecture est en principe non-destructif mais souffre d’erreurs de lecture dues à l’effet de la tension de lecture sur le matériau diélectrique, et implique l’applications de tensions élevées. Une alternative connue à la mémoire Re-RAM est d’utiliser une mémoire PC-RAM (renvoyant à la dénomination anglaise de « Phase Changing Random Access Memory » qui signifie littéralement « Mémoire à accès aléatoire à changement de phase »). Le matériau utilisé est alors un matériau à changement de phase, qui sous l’application d’un courant électrique va commuter entre une phase amorphe peu conductrice et une phase cristalline conductrice.
Néanmoins, un tel matériau suppose un déplacement de matière en fonctionnement, de sorte que ce type de composant souffre d’un problème d’endurance. Les mémoires PC-RAM impliquent également des tensions de travail élevées.
Il existe donc un besoin pour un système électronique non-volatil permettant de remédier aux inconvénients précités.
A cet effet, la description décrit un système électronique à écriture non volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall comprenant un dispositif électronique comportant un empilement de couches empilées selon une direction d’empilement, l’empilement de couches. L’empilement de couches comprend une première électrode, un sous-ensemble à états rémanents comprenant au moins une couche diélectrique telle que ledit sous-ensemble à états rémanents présente au minimum deux états rémanents contrôlables électriquement, un gaz bidimensionnel d’électrons, un sous-ensemble magnétique comprenant au moins une couche magnétique, et une deuxième électrode comportant deux premiers contacts s’étendant chacun selon une première direction et un deuxième contact s’étendant selon une deuxième direction, la deuxième direction étant distincte de la première direction, la première et la deuxième directions étant dans un plan perpendiculaire à la direction de l’empilement. Le système électronique comporte un dispositif d’écriture propre à écrire des états rémanents du sous-ensemble à états rémanents par application d’un champ électrique entre la première électrode et la deuxième électrode par modulation de la résistance électrique du gaz bidimensionnel d’électrons, et un dispositif de lecture à effet Hall propre à lire l’état rémanent du sous-ensemble à états rémanents en appliquant un courant entre les deux premiers contacts et en mesurant la tension entre le deuxième contact et un potentiel de référence.
Contrairement à l’état de la technique correspondant aux dispositifs mémoires magnétiques, le mécanisme d’écriture du système électronique ne renverse pas l’aimantation du sous-ensemble à états rémanents lors de l’application d’un champ électrique entre la première électrode et la deuxième électrode. Le dispositif d’écriture du système électronique permet un changement d’état rémanent correspondant à une modulation de la résistance électrique du gaz bidimensionnel d’électrons. Cela permet une écriture améliorée. Selon des modes de réalisation particuliers, le système électronique présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la première électrode comporte au moins un contact, le dispositif d’écriture appliquant le champ électrique entre l’au moins un contact de la première électrode et au moins un contact de la deuxième électrode.
- la première électrode est en contact avec le sous-ensemble à états rémanents.
- la première électrode est confondue avec le sous-ensemble à états rémanents.
- la deuxième électrode est en contact avec le gaz bidimensionnel d’électrons.
- la deuxième électrode est confondue avec le gaz bidimensionnel d’électrons.
- la deuxième électrode est en contact avec le sous-ensemble magnétique.
- la deuxième électrode est confondue avec le sous-ensemble magnétique.
- la deuxième électrode comporte au moins un contact additionnel, le potentiel de référence étant le potentiel du contact additionnel.
- les états rémanents contrôlables électriquement du sous-ensemble à états rémanents sont contrôlables par un effet ferroélectrique, un effet de charge piégée, un effet de migration d’ions ou une combinaison desdits effets.
- le gaz bidimensionnel d’électrons présente une densité de porteurs supérieure à 1 O10 cm 2.
- le sous-ensemble magnétique comprend au moins un élément ferromagnétique choisi parmi un alliage métallique ferromagnétique, un oxyde ferromagnétique, un semiconducteur magnétique, un élément ferromagnétique composite à plusieurs couches ferromagnétiques et métalliques, un alliage d’Heusler, un alliage à base de terres rares ou une combinaison de ces matériaux.
- le sous-ensemble magnétique comprend au moins un élément ferrimagnétique choisi parmi un alliage métallique ferrimagnétique, un oxyde ferrimagnétique, un élément ferrimagnétique composite à plusieurs couches ferromagnétiques ou ferrimagnétiques et métalliques, ou un alliage ferrimagnétique à base de terres rares, ou une combinaison de ces matériaux. le sous-ensemble magnétique comprend au moins un élément antiferromagnétique choisi parmi un alliage métallique antiferromagnétique, un oxyde antiferromagnétique, un élément antiferromagnétique composite à plusieurs couches magnétiques et métalliques couplées entre elles de manière antiferromagnétique, ou une combinaison de ces matériaux.
- l’empilement de couches s’étend entre deux extrémités, une extrémité étant la première électrode et l’autre extrémité étant la deuxième électrode. - le sous-ensemble magnétique comprend au moins un élément magnétique choisi parmi un matériau présentant un effet Hall extraordinaire supérieur à 0,5% et un matériau présentant une magnétorésistance supérieure à 0,5%.
- l’empilement de couches comporte également au moins une couche d’interfaçage, la couche d’interfaçage comportant au moins une couche choisie parmi une couche métallique non-magnétique et une couche présentant un effet spin-orbite.
- la couche d’interfaçage comporte au moins un élément parmi un métal, un semi- métal de Weyl, un matériau bidimensionnel, un dichalcogénure de métaux de transition et un isolant topologique.
- le système électronique comporte au moins un autre dispositif électronique (12), l’ensemble des dispositifs électroniques étant agencés en cascade ou sous forme de réseau, chaque autre dispositif électronique comportant un empilement de couches empilées selon la direction d’empilement.
- la première électrode d’un dispositif électronique est reliée à une deuxième électrode d’un dispositif électrique adjacent.
- l’un des contacts de la deuxième électrode d’un dispositif électronique est relié à l’un des contacts de la deuxième électrode d’un dispositif électronique adjacent.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de système électronique à écriture non volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall comprenant notamment un sous-ensemble à états rémanents présentant au minimum deux états rémanents contrôlables électriquement, un gaz bidimensionnel d’électrons et un sous-ensemble magnétique,
- la figure 2 est une représentation schématique d’un cycle d’hystérésis charge- tension d’un sous-ensemble à états rémanents,
- la figure 3 est une représentation schématique de la dépendance en fonction de la tension des effets Hall extraordinaire et planaire dans un sous-ensemble ferromagnétique,
- la figure 4 est une représentation schématique d’un autre exemple de système électronique à écriture non volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall,
- la figure 5 est une représentation schématique d’un exemple de système constitué par imbrication en cascade de dispositifs électroniques non-volatils, et
- la figure 6 est une représentation schématique d’un exemple de système constitué par imbrication en réseau de dispositifs électroniques non-volatils. Un système électronique à écriture non volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall 10 est illustré sur la figure 1. Dans la suite, un tel système est simplement dénommé système électronique.
Le système électronique 10 comporte un dispositif électronique 12, un dispositif d’écriture 14 et un dispositif de lecture à effet Hall 16.
Le système électronique 10 est, par exemple, une mémoire, un dispositif logique ou un dispositif neuromorphique.
Dans le présent cas, il peut déjà être noté que le système électronique 10 présente la spécificité d’être un système à contrôle électrique et lecture par effet Hall.
Pour rappel, un effet Hall correspond au fait qu’un courant électrique traversant un matériau engendre un champ électrique et donc une tension perpendiculaire à ce courant.
Par exemple, l’effet Hall dit classique, qui apparaît lorsqu’un champ magnétique est appliqué, engendre une tension perpendiculaire à ce champ magnétique et à ce courant.
Selon un autre exemple, l’effet Hall dit anormal ou extraordinaire, qui apparaît lorsque le matériau porte une aimantation, engendre une tension perpendiculaire à cette aimantation et à ce courant.
Selon encore un autre exemple, l’effet Hall planaire, qui apparaît lorsque le matériau porte une aimantation dans le plan de la couche, engendre une tension dans le plan de la couche et perpendiculaire à ce courant.
Selon l’exemple de la figure 1 , le dispositif électronique 12 comporte un empilement de couches 18.
Les couches de l’empilement 18 sont des couches empilées selon une direction d’empilement Z.
Il est alors défini deux directions longitudinales qui sont perpendiculaires à la direction d’empilement Z, une première direction longitudinale X et une deuxième direction longitudinale Y. Les deux directions longitudinales X et Y sont orthogonales entre elles et choisies de sorte que le repère X, Y et Z soit direct.
En variante, la première direction longitudinale X et la deuxième direction longitudinale Y sont simplement distinctes et ne sont pas orthogonales entre elles.
En référence à la figure 1 , il est également défini des notions relatives de bas et de haut par rapport à la direction d’empilement Z. Une couche est située plus bas qu’une autre couche si elle est plus basse dans la représentation sur la feuille de la figure 1 .
Enfin, l’épaisseur d’une couche est définie comme la dimension le long de la direction d’empilement Z de la couche, c’est-à-dire la distance entre ses deux faces.
Selon l’exemple de la figure 1 , l’empilement 18 est un empilement de couches superposées en forme de croix. D’autres formes sont possibles comme cela sera décrit ultérieurement en référence à la figure 4.
Dans l’exemple décrit, la croix est formée par la réunion de deux branches 20 et 22, une première branche 20 étant selon la première direction longitudinale X et la deuxième branche 22 étant selon la deuxième direction longitudinale Y.
Pour le cas de la figure 1 , depuis le bas vers le haut, le dispositif électronique 12 comporte une première électrode 24, un sous-ensemble à états rémanents 26, une première couche d’interfaçage 28, un gaz bidimensionnel d’électrons 30, une deuxième couche d’interfaçage 32, un sous-ensemble magnétique 34 et une deuxième électrode 36.
Cet ordre des couches n’est pas limitatif et d’autres ordres possibles seront décrits ultérieurement.
Dans l’exemple décrit, la première électrode 24 comporte un contact et la deuxième électrode 36 comporte quatre contacts, de sorte que le dispositif électronique 12 comporte cinq contacts.
Aussi, dans la suite, les contacts de la deuxième électrode 36 sont dénommés respectivement premier contact C1 , deuxième contact C2, troisième contact C3, quatrième contact C4 et le contact de la première électrode 24 est dénommé cinquième contact C5.
Chaque contact C1 , C2, C3, C4 et C5 est un contact électrique.
Dans la représentation de la figure 1 , chaque contact C1 , C2, C3, C4 est représenté sous la forme d’un parallélépipède s’étendant selon une direction principale.
Bien que cette forme soit non limitative, chaque contact C1 , C2, C3, C4 présente une direction principale respective.
En outre, il peut être noté que le contact pour l’écriture au niveau de la deuxième électrode 36 peut être n’importe où sur celle-ci. Il peut être réalisé par un des contacts C1 , C2, C3, C4 précités, ou par un contact spécifique pouvant être par exemple au centre de la croix formée par la deuxième électrode 36.
Selon l’exemple de la figure 1 , la première électrode 24 est connectée électriquement via le contact C5. Il est à noter que chaque électrode 24 ou 36 peut être réalisée par des couches conductrices disposées de part et d’autre de l’empilement mais lorsqu’une des couches externes de l’empilement est conductrice, l’électrode 24 ou 36 associée à cette couche peut-être la couche externe elle-même.
Selon l’exemple décrit, le sous-ensemble à états rémanents 26 est positionné sur la première électrode 24.
L’expression « sous-ensemble » désigne ici aussi bien une couche unique qu’un ensemble de couches. Dans tous les cas, que ce soit une couche ou plusieurs couches, le sous-ensemble à états rémanents 26 forme un élément diélectrique non-volatil à contrôle électrique.
L’élément diélectrique présente une relation non-linéaire entre la tension V appliquée entre ses faces et la charge Q stockée apparente suivant un cycle d’hystérésis, résultant en au minimum deux états rémanents.
La figure 2 présente graphiquement un exemple de telle relation en montrant le cycle d’hystérésis Q - V caractéristique d’un diélectrique non-volatil à contrôle électrique. Comme visible sur la figure 2, le cycle d’hystérésis comporte deux état rémanents notés A et B.
Une telle relation non-linéaire peut, par exemple, résulter d’un contrôle électrique utilisant un effet ferroélectrique, un effet de charge piégée, un effet de migration d’ions ou une combinaison de plusieurs de ces effets.
L’utilisation du sous-ensemble à états rémanents 26 permet de contrôler électriquement de manière non-volatile la conductivité du gaz bidimensionnel d’électrons 30.
Dans tous les cas, le sous-ensemble à états rémanents 26 présente lesdits états rémanents contrôlable électriquement, et comprend au moins un matériau diélectrique.
Selon un premier exemple, le matériau diélectrique est une structure pérovskite de type ABO3 (où A et B sont des cations). Une telle structure est une structure pérovskite oxyde.
Ainsi, le matériau diélectrique est, par exemple, en BaTiOs, en PZT (c’est-à-dire en PbZri-xTixOs avec x variant entre 0 et 1 ), en PMN-PT (c’est-à-dire en [1 -x]Pb(Mgi/3Nb2/3)O3 - xPbTiOs avec x variant entre 0 et 1 ), en BiFeOs (éventuellement dopé, par exemple en terres rares sur le site du Bi, ou en Mn sur le site du Fe), en SrTiO3 (éventuellement dopé), en KTiO3 (éventuellement dopé), en Pr0,7Cao,3Mn03 (éventuellement dopé) ou en YMnOs (éventuellement dopé).
Selon un deuxième exemple, le matériau diélectrique est (Hfi-xZrx)02 ou (Hfi.xGax)O2 (x variant entre 0 et 1 ), ou leurs alliages.
Le matériau diélectrique peut également être du poly(fluorure de vinylidène).
Dans un tel deuxième exemple, le matériau diélectrique n’a pas la structure pérovskite, au contraire du premier exemple.
Selon un troisième exemple, le matériau diélectrique est un semiconducteur ferroélectrique.
GeTe, BiTel, BiAIOs, et Bi2WO3, éventuellement dopé, sont des exemples de tels matériaux semiconducteurs ferroélectriques.
Selon un quatrième exemple, le matériau diélectrique est choisi parmi les composés suivant : le SiOxNx, le (Ta2O5)x (TiÛ2)i-x ou le (Nb2O5)x(TiNb2O7)i-x (x variant entre 0 et 1 ). Selon un cinquième exemple, le matériau diélectrique est choisi parmi des structures perovskites halides telles que CsPbBr3, MAPbl3, ou MAPbBr3.
Dans chacun des exemples précédents, l’existence des états rémanents provient d’un effet ferroélectrique, d’un effet de charge piégée, d’un effet de migration d’ions ou d’une combinaison de plusieurs de ces effets. En pratique, l’effet prédominant dépend des conditions de dépôt de la couche diélectrique. Selon l’exemple décrit, le champ électrique coercitif de l’élément diélectrique et son épaisseur sont suffisamment faibles pour que le dispositif d’écriture 14 puisse écrire les états rémanents à des tensions compatibles avec les technologies microélectronique, c’est-à-dire des tensions inférieures à 10 Volts (<10 V). Une épaisseur inférieure à 100 nm et avantageusement inférieure à 50 nm dans les matériaux précités permet d’obtenir de telles propriétés. Le sous-ensemble à états rémanents 26 est également endurant au cyclage, typiquement capable de supporter au moins 104 cycles.
Dans certains cas, il est favorable d’utiliser un substrat spécifique de manière à moduler ses propriétés de contrôle électrique non-volatil.
Le gaz bidimensionnel d’électrons 30 est un gaz confiné d’électrons qui se forme à une interface entre deux couches. Le confinement est tel qu’il peut être considéré que ce gaz est strictement bidimensionnel.
Le gaz bidimensionnel d’électrons 30 peut se former à l’interface entre deux couches de l’empilement 18.
La résistance du gaz bidimensionnel d’électrons 30 est modulable électriquement de manière non-volatile sous l’effet du sous-ensemble à états rémanents 26, plus précisément en choisissant l’état rémanent du sous-ensemble à états rémanents 26.
De préférence, le gaz bidimensionnel d’électrons présente une forte densité de porteurs (typiquement supérieure à 1010 cm-2) pour améliorer la modulation électrique de l’effet Hall.
Le sous-ensemble magnétique 34 est propre à générer une contribution à l’effet Hall du dispositif électronique 12.
Selon les cas, il s’agit d’un effet Hall extraordinaire, d’un effet Hall planaire ou d’une génération d’un champ dipolaire. Dans ce dernier cas, c’est l’action du champ dipolaire sur le gaz bidimensionnel d’électrons qui contribue à l’effet Hall.
Le sous-ensemble magnétique 34 comprend au moins une couche magnétique.
Par exemple, le sous-ensemble magnétique 34 est réalisé en un ou plusieurs matériaux, et comprend au moins un élément ferromagnétique, ferrimagnétique ou antiferromagnétique. En variante ou en complément, le sous-ensemble magnétique 34 comporte également des couches d’ancrage de l’aimantation, c’est-à-dire destinées à fixer la direction de l’aimantation.
Selon un premier cas, le sous-ensemble magnétique comprend un matériau ferromagnétique.
Selon un premier exemple, le matériau ferromagnétique est une alliage métallique ferromagnétique composé par des éléments tels que Co, Fe, B, Ni ou Al.
Selon un deuxième exemple, le matériau ferromagnétique est un oxyde ferromagnétique.
Selon un troisième exemple, le matériau ferromagnétique est un semiconducteur magnétique.
Selon un quatrième exemple, le matériau ferromagnétique est un élément ferromagnétique composite de type [FM/M]n/FM, c’est-à-dire un empilement de plusieurs couches ferromagnétiques FM et métalliques M couplées entre elles.
Le nombre n varie entre 1 et 10.
Les matériaux ferromagnétiques FM sont, par exemple, ceux des trois premiers exemples.
Les matériaux métalliques M sont choisis parmi Al, Ta, Ru, Pt, W, Ir, Mo, Ti, Y et Au.
Selon un cinquième exemple, le matériau ferromagnétique est un alliage de Heusler. CusMnAI, CusMnln, CusMnSn, NfiMnAI, NfiMnln, NfiMnSn, NfiMnSb, NipMnGa CosMnAI, CosMnSi, CosMnGa, CosMnGe, PdsMnAI, PdsMnln, PdsMnSn, PdsMnSb, CosFeSi, CosFeAI, FesVAI, MnpVGa, CosFeGe, MnGa, ou MnGaRu sont des exemples d’alliages de Heusler.
Selon un sixième exemple, le matériau ferromagnétique peut être fait avec des alliages à base de terres rares, comme, par exemple Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, ou Dy.
Selon un deuxième cas, le sous-ensemble magnétique 34 comprend au moins un élément ferrimagnétique, par exemple choisi parmi un alliage métallique ferrimagnétique, un oxyde ferrimagnétique, un élément ferrimagnétique composite à plusieurs couches ferromagnétiques ou ferrimagnétiques et métalliques, un alliage d’Heusler ou un alliage ferrimagnétique à base de terres rares, ou une combinaison de ces matériaux.
Selon un troisième cas, le sous-ensemble magnétique 34 comprend au moins un élément antiferromagnétique, par exemple choisi parmi un alliage métallique antiferromagnétique, un oxyde antiferromagnétique, un élément antiferromagnétique composite à plusieurs couches magnétiques et métalliques couplées entre elles de manière antiferromagnétique, ou une combinaison de ces matériaux. L’épaisseur du sous-ensemble magnétique 34 est faible (typiquement inférieur à 100 nm), de manière à optimiser la lecture par l’effet Hall du dispositif de lecture à effet Hall 16.
Par ailleurs, le choix des matériaux pourra varier selon la nature de l’effet Hall utilisé par le dispositif de lecture à effet Hall 16.
Dans le cas d’un dispositif de lecture à effet Hall 16 exploitant l’effet Hall extraordinaire, il est préférable de choisir des matériaux à aimantation perpendiculaire et avantageusement avec des angles d’effet Hall extraordinaire supérieurs à 0,5%.
Pour un effet Hall planaire, il est préférable de choisir des matériaux à aimantation planaire avec une magnétorésistance anisotrope supérieure à 0,5%.
Enfin, dans le cas d’une mesure par effet Hall normal, via le champ démagnétisant créé dans le gaz bidimensionnel d’électrons par le sous-ensemble ferromagnétique, il est préférable d’utiliser un matériau à forte aimantation, c’est-à-dire un matériau tel que HoMs > 0,2 Tesla (T).
Selon l’exemple de la figure 1 , le dispositif électronique 12 comporte deux couches additionnelles qui sont les couches d’interfaçage 28 et 32.
Selon leur position et/ou leur composition, chaque couche d’interfaçage 28 et 32 exerce une ou plusieurs des fonctions suivantes : protéger le gaz bidimensionnel d’électrons 30, participer à la formation du gaz bidimensionnel d’électrons 30, améliorer ses propriétés de transport, améliorer les propriétés de transport électronique du dispositif électronique 12, et/ou améliorer la modulation électrique de l’effet Hall pour faciliter la lecture par le dispositif de lecture à effet Hall 16.
Chaque couche d’interfaçage 28 et 32 présente une épaisseur relativement faible, par exemple inférieure ou égale à 10 nm.
A titre d’exemple, la couche d’interfaçage 28 ou 32 est une couche constituée d’un élément des colonnes 3d, 4d, 5d, 4f, 5f de la classification périodique comme Al, Ta, Ru, Pt, W, Ir, Mo, Ti, Y, Au, ou une combinaison de ces éléments tel que PtW.
Selon un autre exemple, la couche d’interfaçage 28 ou 32 est une couche réalisée dans un matériau à fort couplage spin-orbite.
Un matériau à fort couplage spin-orbite est un matériau permettant de convertir un courant de charge en courant de spin.
Par exemple, le matériau à fort couplage spin-orbite est du Tantalum (P-Ta), du BiSb, du Ta, du p-Tungstène (P -W), du W ou du Pt.
Selon un deuxième exemple, le matériau à fort couplage spin-orbite est du Cu ou de l’Au dopé avec des éléments des colonnes 3d, 4d, 5d, 4f, 5f de la classification périodique comme W, Ta, Bi de manière à obtenir des effets spin-orbite importants, ou une combinaison d’éléments 5d, tel que PtW.
Selon un troisième exemple, le matériau à fort couplage spin-orbite est un matériau spin-orbite bidimensionnel.
A titre d’exemple de matériau spin-orbite bidimensionnel, il peut être cité les matériaux suivants : le graphène, le BiSes, le S2, BiSexTe2-x (x variant entre 0 et 2), le BiS, le TiS, le WS2, le M0S2, le TiSe2, le VSe2, le MoSe2, le B2S3, le Sb2S, le T0,75S, le Re2S7, le LaCPS2, le LaOAsS2, le ScOBiS2, le GaOBiS2, le AIOBiS2, le LaOSbS2, le BiOBiS2, le YOBiS2, le lnOBiS2, le LaOBiSe2, le TiOBiS2, le CeOBiS2, le PrOBiS2, le NdOBiS2, le LaOBiS2, ou le SrFBiS2.
Les matériaux précités peuvent éventuellement être dopés.
Selon un quatrième exemple, le matériau à fort couplage spin-orbite est un isolant topologique. Un isolant topologique est un matériau ayant une structure de bande de type isolant mais qui possède des états de surface métalliques.
Par exemple, le matériau à fort couplage spin-orbite est du Bi2Se3, du BiSbTe, du SbTes, du HgTe ou du a-Sn.
Selon un cinquième exemple, le matériau à fort couplage spin-orbite est un semimétal de Weyl.
Dans un tel cas, le matériau à fort couplage spin-orbite est, par exemple, du TaAs, du TaP, du NbAs, du NbP, du NasBi, du Cd3As2, du WTe20u du MoTe2.
En outre, une irradiation du matériau peut être mise en œuvre avec des ions, comme les ions He ou les ions Ar.
Selon un sixième exemple, le matériau de la couche spin-orbite est un dichalcogénure de métaux de transition, et de préférence un dichalcogénure de type ROCh2. Un tel matériau présente effectivement un bon effet Rashba.
Dans une telle formule, ‘R’ est par exemple choisi parmi du La, du Ce, du Pr, du Nd, du Sr, du Sc, du Ga, de l’AI, ou de l’I n tandis que ‘Ch’ est choisi parmi du S, du Se ou du Te.
La deuxième électrode 36 comporte les deux branches 20 et 22 et quatre contacts, à savoir le premier contact C1 , le deuxième contact C2, le troisième contact C3 et le quatrième contact C4.
Les branches 20 et 22 sont en contact ou confondues soit avec le gaz bidimensionnel d’électrons 30, soit avec le sous-ensemble magnétique 34.
Les contacts C1 , C2, C3 et C4 sont opposés deux à deux.
Ainsi, dans l’exemple décrit, le deuxième contact C2 et le quatrième contact C4 forment une paire de contacts opposés et s’étendent chacun principalement le long de la même direction, à savoir la première direction longitudinale X. Le premier contact C1 et le troisième contact C3 forment l’autre paire de contacts opposés et s’étendent chacun principalement le long de la même direction, à savoir la deuxième direction longitudinale Y.
Le fonctionnement du système est maintenant décrit en référence à la figure 3.
Comme expliqué en référence à la figure 2, le sous-ensemble à états rémanents 26 comporte deux états rémanents notés A et B.
En écriture, le dispositif d’écriture 14 vient modifier ces états par application d’une tension entre la première électrode 24 et la deuxième électrode 36.
Selon l’exemple décrit, comme le montre les traits pointillés sur la figure 1 , le dispositif d’écriture 14 écrit en appliquant une tension entre le premier contact C1 et le cinquième contact C5. N’importe quel contact de la deuxième électrode 36 peut être utilisé ici.
De ce fait, le dispositif d’écriture 14 est, par exemple, un transistor permettant de charger positivement ou négativement la deuxième électrode 36.
Le mécanisme de lecture des états rémanents A ou B par le dispositif de lecture à effet Hall 16 implique l’effet Hall.
Pour cela, le dispositif de lecture à effet Hall 16 vient mesurer la différence de potentiel, c’est-à-dire la tension, produite par effet Hall entre le deuxième contact C2 et le quatrième contact C4 lorsqu’un courant est appliqué entre le premier contact C1 et le troisième contact C3.
En l’absence de quatrième contact C4 (qui peut être vu dans le mode de réalisation décrit comme un contact additionnel), le potentiel de référence peut être le potentiel du troisième contact C3 ou de tout autre contact même extérieur au système, par exemple le potentiel de la terre.
La lecture par effet Hall se fait donc en mesurant la résistance de Hall du sous- empilement magnétique 34, perpendiculairement au courant de lecture appliqué.
Le dispositif de lecture à effet Hall 16 comporte ainsi une unité d’injection de courant et une unité de mesure de la tension de Hall. A titre d’exemple, l’unité d’injection de courant est un transistor distinct de celui du dispositif d’écriture 14.
Le graphe de la figure 3 montre bien qu’il est possible de déterminer les deux états par cette mesure. De fait, le graphe de la figure 3 présente la dépendance en fonction de la tension appliquée de l’effet Hall extraordinaire (AHE) et de l’effet Hall planaire (PHE) dans le sous-empilement magnétique 34, mesurée entre le deuxième contact C2 et le quatrième contact C4 pendant l’application d’un courant de 10 microampères (pA) entre le premier contact C1 et le troisième contact C3.
Ainsi, la lecture par effet Hall est non-destructrice, au sens où elle ne modifie pas l’état du sous-ensemble à états rémanents 26. De ce fait, le système électronique 10 associe de manière originale un gaz bidimensionnel d’électrons 30 et un sous-ensemble magnétique 34 pour une lecture par effet Hall, non-destructrice et compatible avec tout type d’élément diélectrique non-volatil à contrôle électrique. En effet, il est indifférent que l’élément diélectrique soit basé sur un effet ferroélectrique, un effet de charge piégée, un effet de migration d’ions, un effet de formation filamentaires ou une combinaison de ces effets.
L’association du gaz bidimensionnel d’électrons 30 et du sous-ensemble magnétique 34 permet une augmentation de l’effet Hall permettant sa détection de manière fiable et répétable.
Cela permet de bénéficier de meilleures performance d’écriture et de lecture pour le système électronique 10.
En outre, la fabrication du dispositif électronique 12 est relativement aisée dans la mesure où l’ensemble 18 peut ici être lithographié et gravé sur toute l’épaisseur.
D’autres modes de réalisation du système électronique 10 sont également envisageables.
Selon un premier exemple, le dispositif électronique 12 est dépourvu de couches d’interfaçage ou en comporte une seule.
Selon une autre variante, le dispositif comporte un empilement 18 avec des couches agencées selon un ordre différent lorsque l’empilement 18 est parcouru depuis le bas vers le haut.
En ne considérant pas les couches d’interfaçages qui peuvent être présentes ou non dans chacun des modes de réalisation qui vont maintenant être décrits, l’empilement 18 de la figure 1 présente depuis le bas vers le haut le sous-ensemble à états rémanents 26, la couche de gaz bidimensionnel 30 et le sous-ensemble magnétique 34.
Selon encore un autre exemple, l’ordre est le suivant : sous-ensemble à états rémanents 26, puis sous-ensemble magnétique 34 puis couche de gaz bidimensionnel 30.
En outre, selon les cas, la première électrode 24 peut être positionnée soit en haut (en tant qu’électrode supérieure) soit en bas (en tant qu’électrode inférieure). Dans le premier cas, les contacts C1 à C4 de la première électrode 24 sont déposées en dernier par rapport aux autres couches de l’empilement 18 alors qu’ils sont déposés en premier dans le deuxième cas.
Le fonctionnement et les avantages décrits pour le cas de la figure 1 restent inchangés pour ces modes de réalisation avec un ordre différent des couches principales. Autrement formulé, l’ordre des couches entre les deux électrodes 24 et 26 peut être varié selon les besoin, les deux électrodes 24 et 26 étant à chaque fois disposées aux extrémités de l’empilement 18. Un autre mode de réalisation du dispositif est illustré sur la figure 4.
Dans cet exemple, le quatrième contact C4 est supprimé.
Le dispositif présente alors un empilement de couches superposées en forme d’un « T » au lieu de la forme en croix.
La lecture de la tension de Hall se fait alors entre le deuxième contact C2 et un potentiel électrique de référence.
Le potentiel de référence est, par exemple, le potentiel du premier contact C1 ou du troisième contact C3.
Cela peut permettre par exemple l’optimisation de la densité de dispositifs 12.
Il est à noter que, comme le cas de la figure 1 , l’ordre des couches principales peut varier similairement et les couches d’interfaçages 28 et 32 peuvent être présentes ou non.
En référence aux figures 5 et 6, il est également possible d’envisager un système électronique 10 comportant plusieurs dispositifs électroniques 12.
Le cas de la figure 5 correspond au cas de dispositifs électroniques 12 reliés ensemble de manière à former un réseau.
Le réseau comprend n dispositifs électroniques 12 sur une ligne et m dispositifs électroniques 12 sur une colonne, m et n étant des entiers dont l’un au moins est supérieur ou égal à 2.
Dans l’exemple représenté, le troisième contact C3 d’un dispositif électronique 12 d’une ligne est relié au premier contact C1 du dispositif électronique 12 voisin sur la même ligne via un liaison 38.
Pour ce qui concerne une colonne, le quatrième contact C4 d’un dispositif électronique 12 est relié au deuxième contact C2 du dispositif électronique 12 voisin sur la même ligne via un liaison 40.
Un tel agencement permet de faire passer le courant de lecture au travers de plusieurs dispositifs électroniques et/ou de sommer les tensions de lecture. La lecture s’en trouve améliorée.
Il est à noter que, comme le cas de la figure 1 , l’ordre des couches principales peut varier similairement.
Il est à noter qu’il est possible de supprimer, comme dans le cas de la figure 4, le quatrième contact C4 sur une partie ou sur l’ensemble des dispositifs électroniques 12.
La figure 6 correspond au cas de dispositifs électroniques 12 agencés en cascade.
Dans cet exemple, n dispositifs électroniques 12 sont reliés ensemble l’un à la suite de l’autre.
Plus précisément, le quatrième contact C4 d’un dispositif électronique 12 est relié au cinquième contact d’un dispositif électronique 12 suivant via une liaison 42. Ainsi, les connexions entre les dispositifs électronique 12 sont réalisées de manière à ce que la tension de Hall produite par un dispositif électronique 12 permette de modifier l’état du sous-empilement à états rémanents 26.
Ceci permet de réaliser de manière pratique un effet de cascade sur le système électronique 10, ce qui est intéressant pour des applications logiques ou neuromorphiques.
Là encore, comme le cas de la figure 1 , l’ordre des couches principales peut varier similairement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système électronique à écriture non volatile par contrôle électrique et à lecture par effet Hall (10) comprenant :
- un dispositif électronique (12) comportant un empilement de couches (18) empilées selon une direction d’empilement (Z), l’empilement de couches (18) comprenant :
- une première électrode (24),
- un sous-ensemble à états rémanents (26) comprenant au moins une couche diélectrique telle que ledit sous-ensemble à états rémanents (26) présente au minimum deux états rémanents contrôlables électriquement,
- un gaz bidimensionnel d’électrons (30) présentant une résistance,
- un sous-ensemble magnétique (34) comprenant au moins une couche magnétique, et
- une deuxième électrode (36) comportant deux premiers contacts (C1 , C3) s’étendant chacun selon une première direction et un deuxième contact (C2, C4) s’étendant selon une deuxième direction, la deuxième direction étant distincte de la première direction, la première et la deuxième directions étant dans un plan perpendiculaire à la direction de l’empilement (Z),
- un dispositif d’écriture (14) propre à écrire des états rémanents du sous-ensemble à états rémanents (26) par application d’un champ électrique entre la première électrode (24) et la deuxième électrode (36) modulant la résistance du gaz bidimensionnel d’électrons (30), et
- un dispositif de lecture à effet Hall (16) propre à lire l’état rémanent du sous- ensemble à états rémanents (26) en appliquant un courant entre les deux premiers contacts (C1 , C3) et en mesurant la tension entre le deuxième contact (C2, C4) et un potentiel de référence.
2. Système électronique selon la revendication 1 , dans lequel la première électrode (24) comporte au moins un contact (C5), le dispositif d’écriture (14) appliquant le champ électrique entre l’au moins un contact (C5) de la première électrode (24) et au moins un contact (C1 , C2, C3, C4) de la deuxième électrode (36).
3. Système électronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins l’une des propriétés suivantes est vérifiée : - la première électrode (24) est en contact avec le sous-ensemble à états rémanents (26),
- la première électrode (24) est confondue avec le sous-ensemble à états rémanents (26),
- la deuxième électrode (36) est en contact avec le gaz bidimensionnel d’électrons (30),
- la deuxième électrode (36) est confondue avec le gaz bidimensionnel d’électrons (30),
- la deuxième électrode (36) est en contact avec le sous-ensemble magnétique (34), et
- la deuxième électrode (36) est confondue avec le sous-ensemble magnétique (34).
4. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la deuxième électrode (36) comporte au moins un contact additionnel (C2, C4), le potentiel de référence étant le potentiel du contact additionnel (C4).
5. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les états rémanents contrôlables électriquement du sous-ensemble à états rémanents (26) sont contrôlables par un effet ferroélectrique, un effet de charge piégée, un effet de migration d’ions ou une combinaison desdits effets.
6. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le gaz bidimensionnel d’électrons (30) présente une densité de porteurs supérieure à 1010 cm 2.
7. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le sous-ensemble magnétique (34) comprend au moins un élément ferromagnétique choisi parmi un alliage métallique ferromagnétique, un oxyde ferromagnétique, un semiconducteur magnétique, un élément ferromagnétique composite à plusieurs couches ferromagnétiques et métalliques, un alliage d’Heusler, un alliage à base de terres rares ou une combinaison de ces matériaux.
8. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le sous-ensemble magnétique (34) comprend au moins un élément ferrimagnétique choisi parmi un alliage métallique ferrimagnétique, un oxyde ferrimagnétique, un élément 19 ferrimagnétique composite à plusieurs couches ferromagnétiques ou ferrimagnétiques et métalliques, ou un alliage ferrimagnétique à base de terres rares, ou une combinaison de ces matériaux.
9. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le sous-ensemble magnétique (34) comprend au moins un élément antiferromagnétique choisi parmi un alliage métallique antiferromagnétique, un oxyde antiferromagnétique, un élément antiferromagnétique composite à plusieurs couches magnétiques et métalliques couplées entre elles de manière antiferromagnétique, ou une combinaison de ces matériaux.
10. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le sous-ensemble à états rémanents (26) est non ferromagnétique et non ferrimagnétique.
11. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l’empilement de couches (18) s’étend entre deux extrémités, une extrémité étant la première électrode (24) et l’autre extrémité étant la deuxième électrode (36).
12. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 1 1 , dans lequel le sous-ensemble magnétique (34) comprend au moins un élément magnétique choisi parmi un matériau présentant un effet Hall extraordinaire supérieur à 0,5% et un matériau présentant une magnétorésistance supérieure à 0,5%.
13. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l’empilement de couches (18) comporte également au moins une couche d’interfaçage (28, 32), la couche d’interfaçage (28, 32) comportant au moins une couche choisie parmi une couche métallique non-magnétique et une couche présentant un effet spin-orbite.
14. Système électronique selon la revendication 13, dans lequel la couche d’interfaçage (28, 32) comporte au moins un élément parmi un métal, un semi-métal de Weyl, un matériau bidimensionnel, un dichalcogénure de métaux de transition et un isolant topologique.
15. Système électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le système électronique (10) comporte au moins un autre dispositif électronique 20
(12), l’ensemble des dispositifs électroniques (12) étant agencés en cascade ou sous forme de réseau, chaque autre dispositif électronique (12) comportant un empilement de couches (18) empilées selon la direction d’empilement (Z).
16. Système électronique selon la revendication 15, dans lequel, la première électrode (24) d’un dispositif électronique (12) est reliée à une deuxième électrode (36) d’un dispositif électrique (12) adjacent.
17. Système électronique selon la revendication 16, dans lequel l’un des contacts (C1 , C2, C3, C4) de la deuxième électrode (36) d’un dispositif électronique (12) est relié à l’un des contacts (C1 , C2, C3, C4) de la deuxième électrode (36) d’un dispositif électronique (12) adjacent.
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