EP4500696A1 - Dispositif logique et architecture de calcul logique - Google Patents

Dispositif logique et architecture de calcul logique

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Publication number
EP4500696A1
EP4500696A1 EP23715139.4A EP23715139A EP4500696A1 EP 4500696 A1 EP4500696 A1 EP 4500696A1 EP 23715139 A EP23715139 A EP 23715139A EP 4500696 A1 EP4500696 A1 EP 4500696A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arm
logic
conversion
channel
contact
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23715139.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Manuel Bibes
Julien BRÉHIN
Laurent Vila
Jean-Philippe ATTANE
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
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
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
Publication of EP4500696A1 publication Critical patent/EP4500696A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/701—IGFETs having ferroelectric gate insulators, e.g. ferroelectric FETs
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/385—Devices using spin-polarised carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/124—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of semiconductor bodies or of junctions between the regions
    • H10D62/126—Top-view geometrical layouts of the regions or the junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/82—Heterojunctions
    • H10D62/824—Heterojunctions comprising only Group III-V materials heterojunctions, e.g. GaN/AlGaN heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00—Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/20—Electrodes characterised by their shapes, relative sizes or dispositions 
    • H10D64/27—Electrodes not carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. gates
    • 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
    • H10N50/20—Spin-polarised current-controlled devices
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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials

Definitions

  • the present invention relates to a logic device and a logic computing architecture.
  • the present invention lies in the field of calculation and Boolean logic architectures.
  • logic devices To carry out the processing of binary information, it is favorable for logic devices to be able to present an output which is either positive or negative. Since the output is generally a current, we can call this property "bidirectionality", so that such a logic device can be called a bidirectional logic device.
  • CMOS complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CMOS complementary Metal Oxide Semiconductor
  • these components can be described as "unidirectional" because, since these components only operate with positive voltages, the current always flows in the same direction.
  • a logic device comprising:
  • the first arm extending in a first direction, the first arm being capable of carrying a charging current
  • the second arm extending in the first direction, the second arm also being capable of carrying a charging current
  • the channel connecting the first arm to the second arm, the channel being in a second direction, the second direction being perpendicular to the first direction, the channel comprising three zones, a first contact zone with the first arm, a second contact zone with the second arm and a central zone connecting the two contact zones, the first arm, the second arm and the channel being capable of carrying out a first conversion in the first contact zone and a second conversion in the second contact zone, the first conversion being the conversion of a charge current flowing in the first arm into a spin current flowing in the channel, and the second conversion being the converting a spin current circulating in the channel into a charge current circulating in the second arm, and
  • control unit for controlling the direction of the charging current circulating in the second arm, the control unit comprising at least one electrical control sub-unit of one of the two conversions.
  • a channel has a dimension in the first direction which is less than the dimension of the arms in the first direction.
  • the channel has a substantially elongated shape in the second direction, so that the dimension of the channel in the second direction is generally greater than the dimension of the arms in the second direction.
  • such a device makes it possible to reduce the electrical consumption of calculation architectures compared to those based on CMOS components, by introducing new calculation paradigms and ferroic elements conferring a non-volatile character.
  • the logic device has one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
  • control subunit is a control subunit of the first conversion and is capable of controlling the direction of the charge current circulating in the second arm by controlling the direction of the spins of the spin current by electrical control of the first conversion.
  • the first conversion control subunit comprises a voltage source and an electrical contact, the electrical contact being in contact with the first contact zone, the voltage source controlling the potential of the electrical contact.
  • control subunit is a second conversion control subunit and is capable of controlling the direction of the charging current by electrical control of the second conversion.
  • the second conversion control subunit comprises a voltage source and an electrical contact, the electrical contact being in contact with the second contact zone, the voltage source controlling the potential of the electrical contact.
  • the electrical contact is a multilayer formed at least of an insulating layer and a metallic layer, the insulating layer resting on the arm and the channel and being, preferably, made of a ferroelectric material, the ferroelectric material being advantageously chosen in the list consisting of BaTiOs, Pb(Zr,Ti)C>3, BiFeOs, (Hf,Zr)C>2, and poly(vinylidene fluoride).
  • the electrical contact rests on the channel part and the arm part.
  • the arms and the channel are made of the same material.
  • the arms are made of a first material, the contact zones being made of a second material and the channel being made of a third material distinct from the first material and the second material.
  • each material is chosen from:
  • III-V semiconductor material preferably InAs or InSb
  • a II-VI semiconductor material preferably HgTe or CdTe
  • transition metal dichalcogenides preferably WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 or MoSe2, and
  • topological insulators preferably (Bi,Sb)2(Se,Te)s.
  • the logic device is capable of carrying out a logic operation on two logic inputs to obtain a logic output, the state of the logic output being the direction of the current circulating in the second arm, the logic state of a first input being the value of a potential applied to a control subunit and the logic state of a second input being the direction of the current flowing in the first arm or the logic state of a first input being the value of a current applied to a control sub-unit and the logic state of a second input being the value of another current applied to a control sub-unit, or the logic state of a first input being the value of the potential applied to the control subunit of the first conversion and the logic state of a second input being the value of the potential applied to the control subunit of the second conversion.
  • the description also relates to a logical calculation architecture comprising at least two logic devices as previously described, the logical calculation architecture verifying at least one of the following properties:
  • FIG. 1 is a schematic representation of an example of a logic device with the current directions indicated for two distinct cases (respectively on the left and on the right),
  • FIG. 2 is a graph showing the evolution of the resistance variation as a function of the angle formed by the field with respect to the current in the case of two-dimensional gases of SrTiO3,
  • FIG. 3 is a schematic representation of the different cases corresponding to the different possible values when the logic device of Figure 1 performs an XNOR function
  • FIG. 4 is a schematic representation of the different cases corresponding to the different possible values when another logic device performs an XNOR function
  • FIG. 5 is a schematic representation of the different cases corresponding to the different possible values when another logic device performs a NOR function
  • FIG. 6 is a representation of an example of logic architecture comprising several concatenated logic devices.
  • a logic device 10 is illustrated in Figure 1 for two distinct cases.
  • the logic device 10 is capable of carrying out a logic operation on two logic inputs to obtain a logic output, the logic output then being the result of the logic operation applied to the two logic inputs.
  • the logic device 10 comprises a first arm 12, a second arm 14 and a channel 16 connecting the first arm 12 to the second arm 14.
  • the first arm 12 extends in a first direction
  • This charging current J B1 is indicated in the two cases represented in FIG. 1, each case corresponding to an identical direction of travel of the charging current.
  • the second arm 14 extends in the first direction X and is therefore parallel to the first arm 12.
  • the second arm 14 is also suitable for carrying a charging current denoted J B2 .
  • This charging current is indicated in the two cases represented in Figure 1, each case corresponding to a direction of travel of the charging current (according to -X or +X).
  • Channel 16 is in a second direction Y, the second direction Y being perpendicular to the first direction X.
  • Channel 16 has three zones, a first contact zone with the first arm 12, a second contact zone with the second arm 14 and a central zone connecting the two contact zones.
  • the arms do not have the same extent in the second direction Y as notably visible in Figure 6.
  • the first arm 12 and the channel 16 are suitable for carrying out a first conversion.
  • the first conversion is the conversion of a charge current J B1 circulating in the first arm 12 into a spin current denoted J s circulating in the channel 16.
  • the first conversion is therefore a charge-spin conversion at the level of the intersection between the first arm 12 and the channel 16, that is to say in the first contact zone.
  • the spin current generated is represented for each case and has the same direction. However, as will be detailed later, the direction of the spins is opposite in the two cases.
  • the second arm 14 and the channel 16 are suitable for carrying out a second conversion.
  • the second conversion is the conversion of a spin current Js circulating in the channel 16 into a charge current J B2 circulating in the second arm 14.
  • the second conversion is therefore a spin-charge conversion at the level of the intersection between the channel 16 and the second arm 14, that is to say in the second contact zone.
  • channel 16 has a sufficient spin diffusion length.
  • a length between 10 nanometers and 10 microns (pm) is a sufficient spin diffusion length.
  • the arms 12 and 14 and the channel 16 are made of the same material.
  • the arms 12 and 14 are made of a first material
  • the contact zones are made of the first material
  • the central zone is made of a second material distinct from the first material.
  • III-V semiconductor material preferably InAs or InSb
  • a II-VI semiconductor material preferably HgTe or CdTe
  • transition metal dichalcogenides preferably WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 or MoSe2, optionally combined with a layer of graphene or another two-dimensional material.
  • topological insulators preferably (Bi,Sb)2(Se,Te)s or (Bi,Sb).
  • two-dimensional electron gases based on oxides such as SrTiOs or KTaOs, or based on III-V semiconductors such as InAs or InSb are particularly interesting examples.
  • the logic device 10 further comprises a unit 20 for controlling the direction of the charging current circulating in the second arm 14.
  • the control unit 20 includes an electrical control sub-unit of the first conversion 22.
  • the control subunit 22 is capable of controlling the direction of the charge current circulating in the second arm 14 by controlling the direction of the spins of the spin current by electrical control of the first conversion.
  • control subunit 22 comprises a voltage source not shown and an electrical contact 24.
  • Contact 24 is in contact with the first contact zone and the voltage source controls the potential of contact 24.
  • the contact 24 is a multilayer formed at least of an insulating layer and a metal layer, the insulating layer resting on the arm 12, and more precisely the first contact zone.
  • the insulating material making the insulating layer is a simple dielectric material or a ferroelectric material, which provides a non-volatile nature to the operation of the device.
  • contact 24 can be described as a ferroelectric contact.
  • the ferroelectric material can advantageously be chosen from the list consisting of BaTiOs, Pb(Zr,Ti)Os, BiFeOs, (Hf,Zr)O2, and poly(vinylidene fluoride) (also designated by the acronym PVDF ).
  • the control subunit 22 is thus an electrostatic or ferroelectric grid positioned at the intersection between the first arm 12 and the channel 16.
  • control subunit 22 makes it possible to control the direction of the spins of the spin current by electrical control of the first conversion.
  • the logic device 10 comprises a basic structure which here is an H-shaped Hall bar.
  • the spin-orbit coupling When applying a charge current J B1 in the input arm, the spin-orbit coupling induces the conversion (partial or total) of the charge current into a transverse spin current Js which will circulate in the channel 16.
  • the conversion mechanism can typically be of the spin Hall effect type or of the Edelstein effect type.
  • the orientation of the spins in channel 16 can vary (generally the spins are perpendicular to the plane of the layer in the case of the spin Hall effect and in the plane and parallel to Js in the case of the Edelstein effect), but in both cases, a spin current Js circulates in channel 16. Arriving at the intersection with the output arm, the spin current Js is reconverted into a charge current by the Hall effect of inverse spin or by the inverse Edelstein effect.
  • the direction of the (planar) spins carried by J s in channel 16 depends on the sign of the charge current in the first arm 12.
  • the direction of the spins generated in the channel 16 depends on the sign of the conversion coefficient, that is to say on the Hall spin angle 0 SHE in the Hall effect case of spin, or the Edelstein length ⁇ IEE in the case of the inverse Edelstein effect.
  • the amplitude and sign of this conversion coefficient are fixed by the electronic structure and are therefore specific to each material. For example, Pt has a positive Hall 0 SHE spin angle and Ta has a negative Hall 0 SHE spin angle. The applicant was able to show that the amplitude and sign of the conversion coefficient can be modified by the application of a gate voltage.
  • the Fermi level can thus be positioned as desired at the level of bands of different orbital characters, having conversion properties of one sign or another.
  • Figure 2 presents magnetotransport results illustrating the modulation of the amplitude and sign of charge-spin conversion by the Edelstein effect in two-dimensional SrTiOs gases.
  • the application of a charging current generates via the Edelstein effect a transverse spin density which leads to the observation of a unidirectional magnetoresistance effect: the resistance under a magnetic field applied transversely to the current is different depending on whether this transverse field is parallel or antiparallel to the spin density generated by the Edelstein effect.
  • This change in sign reflects the change in sign of the charge-spin conversion coefficient.
  • This effect makes it possible to control the spin-charge and/or charge-spin conversion by electrostatic or ferroelectric gates.
  • the logic device 10 can, for example, be used to produce an XNOR logic gate.
  • the XNOR function is the logical complement of the Exclusive OR gate as shown schematically in Figure 3 which shows the different cases I to IV.
  • the two logic inputs are on the one hand the direction of the charging current in the first arm 12 and on the other hand the voltage VG applied to the contact.
  • the logic output is the direction of the charging current in the second arm 14.
  • the first arm 12 is an input arm and the second arm 14 is an output arm.
  • the logic device 10 comprises a second conversion control subunit 26 (more simply second control subunit 26 in the following)
  • the second control subunit 26 is capable of controlling the direction of the charging current by electrical control of the second conversion.
  • the second control subunit 26 is similar to the first control subunit (the first conversion control subunit) except that the contact is positioned on the other intersection (that of channel 16 and the second arm 14).
  • the two logic inputs are on the one hand the voltage GI applied to the contact of the first control subunit 22 and on the other hand the voltage G2 applied to the contact of the second control subunit 26 and the logic output is the direction of the charging current in the second arm 14.
  • the first conversion control subunit 22 instead of having a single voltage source, the first conversion control subunit 22 has two separate current sources connected to the contact.
  • the two logic inputs are on the one hand the current IGI applied to the contact and on the other hand the current IG2 applied to the same contact.
  • the output is the direction of the load current in the second arm 14. It is assumed that the application of at least one of the two input currents induces a change of sign of the conversion.
  • NOR gate is a universal gate. In fact, it is possible to create all other Boolean logic gates by combining NOR gates.
  • Figure 6 shows an example of logical calculation architecture 28 which can be obtained through the use of three concatenated logic devices 10, distinguished in Figure 6 by a reference sign _1, _2 and _3.
  • the first logic device 10_1 is a device according to Figure 1 comprising a second conversion sub-unit 26_1 replacing the first conversion sub-unit.
  • the second and third logic devices are also devices according to Figure 1 comprising a second conversion sub-unit 26_2 or 26_3 replacing the first conversion sub-unit but in which the first arm 12_2 or 12_3 extends only from only one side in relation to channel 16 so that these devices have an H shape with one branch missing.
  • the first arm 12-2 and 12-3 of the second and third logic devices coincide with the second arm 14 1 of the first logic device 10_1.
  • the concatenation of logical devices 10 thus makes it possible to carry out logical operations while maintaining low energy consumption.

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Abstract

Dispositif logique et architecture de calcul logique La présente invention un dispositif logique (10) comprenant : - un premier et un deuxième bras (12) parcourus par un courant de charge, - un canal (16) reliant les bras (12, 14) et comportant une première zone de contact avec le premier bras (12), une deuxième zone de contact avec le deuxième bras (14), les bras (12, 14) et le canal (16) étant propres à réaliser, dans la première zone de contact, une conversion d'un courant de charge en un courant de spin et, dans la deuxième zone de contact, une conversion d'un courant de spin en courant de charge, et - une unité de contrôle (20) de la direction du courant de charge dans le deuxième bras (14), l'unité de contrôle (20) comportant une sous-unité de contrôle électrique (22) d'une conversion.

Description

Dispositif logique et architecture de calcul logique
La présente invention concerne un dispositif logique et une architecture de calcul logique.
La présente invention se situe dans le domaine des architectures de calcul et de logique booléenne.
Pour réaliser le traitement d’informations binaires, il est favorable que les dispositifs logiques puissent présenter une sortie qui est soit positive soit négative. Dans la mesure où la sortie est en général un courant, on peut qualifier cette propriété de « bidirectionnalité », de sorte qu’un tel dispositif logique peut être qualifié de dispositif logique bidirectionnel.
Le traitement des informations binaires est actuellement réalisé par des composants CMOS dont le niveau de tension de sortie, faible ou élevé, correspond à un 0 ou à un 1. L’abréviation CMOS renvoie à la dénomination de « Complementary Metal Oxide Semiconductor » qui signifie littéralement semiconducteur à oxyde de métal complémentaire. Toutefois, selon la terminologie introduite précédemment, ces composants peuvent être qualifiés d’« unidirectionnels » car, étant donné que ces composants ne fonctionnent qu’avec des tensions positives, le courant circule toujours dans le même sens.
Il existe donc un intérêt pour des dispositifs logiques bidirectionnels permettant notamment une concaténation de plusieurs dispositifs
A cet effet, la description décrit un dispositif logique comprenant :
- un premier bras, le premier bras s’étendant selon une première direction, le premier bras étant propre à être parcouru par un courant de charge,
- un deuxième bras, le deuxième bras s’étendant selon la première direction, le deuxième bras étant également propre à être parcouru par un courant de charge,
- un canal reliant le premier bras au deuxième bras, le canal étant selon une deuxième direction, la deuxième direction étant perpendiculaire à la première direction, le canal comportant trois zones, une première zone de contact avec le premier bras, une deuxième zone de contact avec le deuxième bras et une zone centrale reliant les deux zones de contact, le premier bras, le deuxième bras et le canal étant propres à réaliser une première conversion dans la première zone de contact et une deuxième conversion dans la deuxième zone de contact, la première conversion étant la conversion d’un courant de charge circulant dans le premier bras en un courant de spin circulant dans le canal, et la deuxième conversion étant la conversion d’un courant de spin circulant dans le canal en courant de charge circulant dans le deuxième bras, et
- une unité de contrôle de direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras, l’unité de contrôle comportant au moins une sous-unité de contrôle électrique d’une des deux conversions.
Dans ce contexte, un canal présente une dimension selon la première direction qui est inférieure à la dimension des bras selon la première direction.
Similairement, le canal présente une forme sensiblement allongée selon la deuxième direction, de sorte que la dimension du canal selon la deuxième direction est généralement supérieure à dimension des bras selon la deuxième direction.
Cela implique que le canal et les deux bras permettent de définir une structure sensiblement planaire et non un empilement de couches.
Cela permet de réaliser une concaténation différente de celle possible avec des dispositifs unidirectionnels tels que les composants CMOS.
De plus, un tel dispositif permet de diminuer la consommation électrique des architectures de calculs par rapport à celles basées sur des composants CMOS, en introduisant de nouveaux paradigmes de calculs et des éléments ferroïques conférant un caractère non-volatil.
Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif logique présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- une sous-unité de contrôle est une sous-unité de contrôle de la première conversion et est propre à contrôler la direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras en contrôlant le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.
- la sous-unité de contrôle de la première conversion comporte une source de tension et un contact électrique, le contact électrique étant en contact avec la première zone de contact, la source de tension contrôlant le potentiel du contact électrique.
- une sous-unité de contrôle est une sous-unité de contrôle de la deuxième conversion et est propre à contrôler la direction du courant de charge par un contrôle électrique de la deuxième conversion.
- la sous-unité de contrôle de la deuxième conversion comporte une source de tension et un contact électrique, le contact électrique étant en contact avec la deuxième zone de contact, la source de tension contrôlant le potentiel du contact électrique. - le contact électrique est une multicouche formée au moins d’une couche isolante et d’une couche métallique, la couche isolante reposant sur le bras et le canal et étant, de préférence, réalisée en un matériau ferroélectrique, le matériau ferroélectrique étant avantageusement choisi dans la liste constitué de BaTiOs, de Pb(Zr,Ti)C>3, de BiFeOs, de (Hf,Zr)C>2, et du poly(fluorure de vinylidène).
- le contact électrique repose sur la partie de canal et la partie de bras.
- les bras et le canal forment un H.
- les bras et le canal sont réalisés dans un même matériau.
- les bras sont réalisés dans un premier matériau, les zones de contact étant réalisées dans un deuxième matériau et le canal étant réalisé dans un troisième matériau distinct du premier matériau et du deuxième matériau.
- chaque matériau est choisi parmi :
- un oxyde, en particulier SrTiOs ou KTaOs,
- un matériau semiconducteur lll-V, de préférence InAs ou InSb,
- un matériau semiconducteur ll-VI, de préférence HgTe ou CdTe,
- les dichalcogénures de métaux de transition, de préférence WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 ou MoSe2, et
- des isolants topologiques, de préférence (Bi,Sb)2(Se,Te)s.
- le dispositif logique est propre à réaliser une opération logique sur deux entrées logiques pour obtenir une sortie logique, l’état de la sortie logique étant le sens du courant circulant dans le deuxième bras, l’état logique d’une première entrée étant la valeur d’un potentiel appliqué sur une sous-unité de contrôle et l’état logique d’une deuxième entrée étant le sens du courant circulant dans le premier bras ou l’état logique d’une première entrée étant la valeur d’un courant appliqué sur une sous- unité de contrôle et l’état logique d’une deuxième entrée étant la valeur d’un autre courant appliqué sur une sous-unité de contrôle, ou l’état logique d’une première entrée étant la valeur du potentiel appliqué à la sous-unité de contrôle de la première conversion et l’état logique d’une deuxième entrée étant la valeur du potentiel appliqué à la sous-unité de contrôle de la deuxième conversion.
La description se rapporte également à une architecture de calcul logique comportant au moins deux dispositifs logiques tels que précédemment décrits, l’architecture de calcul logique vérifiant au moins l’une des propriétés suivantes :
- une première propriété selon laquelle le premier bras d’un des deux dispositifs logiques est confondu avec le deuxième bras de l’autre dispositif logique, et - une deuxième propriété selon laquelle le deuxième bras d’un des deux dispositifs logiques est connecté avec une sous-unité de contrôle électrique d’une des deux conversions.
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 dispositif logique avec les sens de courant indiqués pour deux cas distincts (respectivement à gauche et à droite),
- la figure 2 est un graphe montrant l’évolution de la variation de résistance en fonction de l’angle formé par le champ par rapport au courant dans le cas de gaz bidimensionnels de SrTiO3,
- la figure 3 est une représentation schématique des différents cas correspondant aux différentes valeurs possibles lorsque le dispositif logique de la figure 1 réalise une fonction XNOR,
- la figure 4 est une représentation schématique des différents cas correspondant aux différentes valeurs possibles lorsqu’un autre dispositif logique réalise une fonction XNOR,
- la figure 5 est une représentation schématique des différents cas correspondant aux différentes valeurs possibles lorsqu’un autre dispositif logique réalise une fonction NOR, et
- la figure 6 est une représentation d’un exemple d’architecture logique comprenant plusieurs dispositifs logiques concaténés.
Un dispositif logique 10 est illustré sur la figure 1 pour deux cas distincts.
Le dispositif logique 10 est propre à réaliser une opération logique sur deux entrées logiques pour obtenir une sortie logique, la sortie logique étant alors le résultat de l’opération logique appliquée sur les deux entrées logiques.
Le dispositif logique 10 comporte un premier bras 12, un deuxième bras 14 et un canal 16 reliant le premier bras 12 au deuxième bras 14.
Le premier bras 12 s’étend selon une première direction X.Le premier bras 12 est propre à être parcouru par un courant de charge noté JB1. Ce courant de charge JB1 est indiqué dans les deux cas représentés dans la figure 1 , chaque cas correspondant à un sens de parcours du courant de charge identique.
Par convention, ici, lorsqu’un courant de charge se déplace dans la direction X vers le haut sur la figure 1 , le courant de charge est positif (on adoptera la notation selon +X dans la suite) alors que lorsqu’un courant de charge se déplace vers le bas sur la figure 1 , le courant de charge est négatif (on adoptera la notation selon -X dans la suite).
Le deuxième bras 14 s’étend selon la première direction X et est donc parallèle au premier bras 12.
Le deuxième bras 14 est également propre à être parcouru par un courant de charge noté JB2. Ce courant de charge est indiqué dans les deux cas représentés dans la figure 1 , chaque cas correspondant à un sens de parcours du courant de charge (selon -X ou +X).
Le canal 16 est selon une deuxième direction Y, la deuxième direction Y étant perpendiculaire à la première direction X.
Le canal 16 comporte trois zones, une première zone de contact avec le premier bras 12, une deuxième zone de contact avec le deuxième bras 14 et une zone centrale reliant les deux zones de contact.
Comme les bras de la figure 1 ont la même étendue selon la deuxième direction Y, les bras et le canal 16 forment un H.
Néanmoins, il est possible que les bras ne présentent pas la même étendue selon la deuxième direction Y comme notamment visible sur la figure 6.
Le premier bras 12 et le canal 16 sont propres à réaliser une première conversion.
La première conversion est la conversion d’un courant de charge JB1 circulant dans le premier bras 12 en un courant de spin noté Js circulant dans le canal 16.
La première conversion est donc une conversion charge-spin au niveau de l’intersection entre le premier bras 12 et le canal 16, c’est-à-dire dans la première zone de contact.
Le courant de spin généré est représenté pour chacun des cas et présente le même sens. T outefois, comme cela sera détaillé ultérieurement, la direction des spins est opposée dans les deux cas.
Le deuxième bras 14 et le canal 16 sont propres à réaliser une deuxième conversion.
La deuxième conversion est la conversion d’un courant de spin Js circulant dans le canal 16 en courant de charge JB2 circulant dans le deuxième bras 14. La deuxième conversion est donc une conversion spin-charge au niveau de l’intersection entre le canal 16 et le deuxième bras 14, c’est-à-dire dans la deuxième zone de contact.
Pour réaliser ces deux conversions, le canal 16 présente une longueur de diffusion de spin suffisante.
Typiquement, une longueur comprise entre 10 nanomètres et 10 microns (pm) est une longueur de diffusion de spin suffisante.
En ce qui concerne les matériaux, plusieurs cas peuvent être envisagés. Selon un premier exemple, les bras 12 et 14 et le canal 16 sont réalisés dans un même matériau.
Selon un autre exemple, les bras 12 et 14 sont réalisés dans un premier matériau , les zones de contact sont réalisées dans le premier matériau et la zone centrale est réalisée dans un deuxième matériau distinct du premier matériau.
L’avantage d’un tel exemple est qu’il devient possible d’optimiser séparément l’efficacité de conversion et la longueur de diffusion de spin, ceci au prix d’une optimisation des interfaces entre les deux matériaux mis en jeu et notamment leur transparence aux courants de spin.
Chacun des matériaux précités sont choisis avantageusement dans la liste suivante :
- un oxyde, en particulier SrTiOs ou KTaOs,
- un matériau semiconducteur lll-V, de préférence InAs ou InSb,
- un matériau semiconducteur ll-VI, de préférence HgTe ou CdTe,
- les dichalcogénures de métaux de transition, de préférence WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 ou MoSe2, éventuellement combinés avec une couche de graphène ou d’un autre matériau bidimensionnel.
- des isolants topologiques, de préférence (Bi,Sb)2(Se,Te)s ou (Bi,Sb).
Dans cette liste, les gaz d’électrons bidimensionnel à base d’oxydes tels que SrTiOs ou KTaOs, ou à base de semiconducteurs lll-V tel que InAs ou InSb sont des exemples particulièrement intéressants.
Le dispositif logique 10 comprend, en outre, une unité de contrôle 20 de direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras 14.
L’unité de contrôle 20 comporte une sous-unité de contrôle électrique de la première conversion 22.
La sous-unité de contrôle 22 est propre à contrôler la direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras 14 en contrôlant le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.
Pour cela, selon l’exemple de la figure 1 , la sous-unité de contrôle 22 comporte une source de tension non représentée et un contact électrique 24.
Le contact 24 est en contact avec la première zone de contact et la source de tension contrôle le potentiel du contact 24.
Le contact 24 est une multicouche formée au moins d’une couche isolante et d’une couche métallique, la couche isolante reposant sur le bras 12, et plus précisément la première zone de contact. On peut envisager que le matériau isolant réalisant la couche isolante soit un simple matériau diélectrique ou un matériau ferroélectrique, ce qui apporte un caractère non volatil au fonctionnement du dispositif.
Lorsque le matériau isolant est un matériau ferroélectrique, le contact 24 peut être qualifié de contact ferroélectrique. Le matériau ferroélectrique peut être avantageusement choisi dans la liste constituée de BaTiOs, de Pb(Zr,Ti)Os, de BiFeOs, de (Hf,Zr)O2, et du poly(fluorure de vinylidène) (également désigné par l’acronyme PVDF).
La sous-unité de contrôle 22 est ainsi une grille électrostatique ou ferroélectrique positionnée à l’intersection entre le premier bras 12 et le canal 16.
Il est maintenant expliqué comment la sous-unité de contrôle 22 permet de contrôler le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.
Comme visible sur la figure 1 , le dispositif logique 10 comprend une structure de base qui est ici une barre de Hall en forme de H.
Lors de l’application d’un courant de charge JB1 dans le bras d’entrée, le couplage spin-orbite induit la conversion (partielle ou totale) du courant de charge en un courant de spin transverse Js qui va circuler dans le canal 16. Le mécanisme de conversion peut être typiquement de type effet Hall de spin ou de type effet Edelstein.
Selon le cas, l’orientation des spins dans le canal 16 peut varier (généralement les spins sont perpendiculaires au plan de la couche dans le cas de l’effet Hall de spin et dans le plan et parallèle à Js dans le cas de l’effet Edelstein), mais dans les deux cas, un courant de spin Js circule dans le canal 16. Arrivé à l’intersection avec le bras de sortie, le courant de spin Js est reconverti en un courant de charge par l’effet Hall de spin inverse ou par l’effet Edelstein inverse.
En prenant pour exemple le cas des effets Edelstein direct et inverse, le sens des spins (planaires) véhiculés par Js dans le canal 16 dépend du signe du courant de charge dans le premier bras 12. La conversion du courant de spin en courant de charge au niveau du deuxième bras 14 dépendant du sens de ces spins, le courant de sortie changeant de signe avec le signe du courant dans le premier bras 12.
Pour un signe donné du courant dans le premier bras 12, le sens des spins générés dans le canal 16 dépend du signe du coefficient de conversion, c’est-à-dire de l’angle de spin Hall 0SHE dans le cas effet Hall de spin, ou de la longueur d’Edelstein ÀIEE dans le cas de l’effet Edelstein inverse. Généralement, l’amplitude et le signe de ce coefficient de conversion sont fixés par la structure électronique et sont donc spécifiques à chaque matériau. Par exemple, le Pt présente un angle de spin Hall 0SHE positif et le Ta un angle de spin Hall 0SHE négatif. La demanderesse a pu montrer que l’amplitude et le signe du coefficient de conversion peut être modifié par l’application d’une tension de grille. Ceci conduit à une accumulation ou à une déplétion du nombre de porteurs et à une variation de la position du niveau de Fermi dans la structure de bandes. Le niveau de Fermi peut ainsi être positionné comme il est souhaité au niveau de bandes de caractères orbitaux différents, possédant des propriétés de conversion d’un signe ou d’un autre.
La figure 2 présente des résultats de magnétotransport illustrant la modulation de l’amplitude et du signe de la conversion charge-spin par l’effet Edelstein dans des gaz bidimensionnels de SrTiOs.
Dans un tel cas, l’application d’un courant de charge génère via l’effet Edelstein une densité de spin transverse qui conduit à l’observation d’un effet de magnétorésistance unidirectionnel : la résistance sous un champ magnétique appliqué de façon transverse au courant est différente selon que ce champ transverse est parallèle ou antiparallèle à la densité de spin générée par l’effet Edelstein.
Si la résistance est mesurée en fonction de l’angle formé par le champ par rapport au courant, on obtient donc une dépendance sinusoïdale, avec des extrema à 90 et 270 degrés correspondant aux deux directions du champ transverse par rapport au courant.
Comme cela apparaît sur la figure 2, le signe de la dépendance change lors de l’application d’une tension de grille par utilisation d’une grille arrière.
Ce changement de signe reflète le changement de signe du coefficient de conversion charge-spin.
Cet effet rend possible un contrôle de la conversion spin-charge et/ou charge-spin par des grilles électrostatiques ou ferroélectriques.
L’application d’une tension de grille VG conduit à un changement du coefficient de conversion charge-spin. En conséquence, sans modifier le courant d’entrée, le sens des spins dans le canal 16 est modifié, et le courant de sortie change de signe.
C’est ce principe qui permet à la sous-unité de contrôle de la première conversion 22 de fonctionner.
Comme le contrôle est très simple, cela permet d’envisager des consommations énergétiques très faibles pour réaliser tout type de fonctions logiques comme cela sera montré en décrivant les figures 3 à 5.
De plus, le fonctionnement devient bidirectionnel de sorte que la concaténation de dispositifs logiques 10 est possible comme l’illustrera la figure 6.
Avec une telle sous-unité de contrôle, le dispositif logique 10 peut, par exemple, être utilisé pour réaliser une porte logique XNOR. La fonction XNOR est le complément logique de la porte OU Exclusif comme cela est représenté schématiquement sur la figure 3 qui montre les différents cas I à IV.
Dans cet exemple, les deux entrées logiques sont d’une part le sens du courant de charge dans le premier bras 12 et d’autre part la tension VG appliquée sur le contact. La sortie logique est le sens du courant de charge dans le deuxième bras 14.
Cela correspond à la table logique qui suit.
[Table 1 ]
Dans la configuration qui vient d’être décrite, le premier bras 12 est un bras d’entrée et le deuxième bras 14 est un bras de sortie.
En référence à la figure 4, il est proposé un autre exemple de dispositif logique 10.
En plus des éléments du dispositif logique 10 de la figure 1 , le dispositif logique 10 comporte une sous-unité de contrôle de la deuxième conversion 26 (plus simplement deuxième sous-unité de contrôle 26 dans la suite)
La deuxième sous-unité de contrôle 26 est propre à contrôler la direction du courant de charge par un contrôle électrique de la deuxième conversion.
D’un point de vue structurel, la deuxième sous-unité de contrôle 26 est similaire à la première sous-unité de contrôle (la sous-unité de contrôle de la première conversion) sauf que le contact est positionné sur l’autre intersection (celle du canal 16 et du deuxième bras 14).
Cela permet de réaliser une fonction XNOR d’une manière différente.
Dans un tel cas, les deux entrées logiques sont d’une part la tension GI appliquée sur le contact de la première sous-unité de contrôle 22 et d’autre part la tension G2 appliquée sur le contact de la deuxième sous-unité de contrôle 26 et la sortie logique est le sens du courant de charge dans le deuxième bras 14.
Cela correspond à la table logique qui suit :
[Table 2]
En référence à la figure 5, il est proposé un autre exemple de dispositif logique 10.
Dans cet exemple, au lieu d’avoir une seule source de tension, la sous-unité de contrôle de la première conversion 22 comporte deux sources de courant distinctes reliées au contact.
Il n’y a pas de deuxième sous-unité de contrôle dans cet exemple.
Dans ce cas de figure, les deux entrées logiques sont d’une part le courant IGI appliqué sur le contact et d’autre part le courant IG2 appliqué sur le même contact. La sortie est le sens du courant de charge dans le deuxième bras 14. Il est supposé que l’application d’au moins un des deux courants d’entrée induit un changement de signe de la conversion.
Cela permet de réaliser une fonction NOR, c’est-à-dire une fonction « non-Oll ».
Cela correspond à la table logique qui suit :
[Table 3]
Il est à noter qu’une telle porte NOR est une porte universelle. De fait, il est possible de réaliser toutes les autres portes de logique booléenne en combinant des portes NOR.
La figure 6 montre un exemple d’architecture de calcul logique 28 pouvant être obtenue grâce à l’emploi de trois dispositifs logiques 10 concaténés, distingués dans la figure 6 par un signe de référence _1 , _2 et _3.
Le premier dispositif logique 10_1 est un dispositif selon la figure 1 comportant une deuxième sous-unité de conversion 26_1 en remplacement de la première sous-unité de conversion. Les deuxième et troisième dispositifs logiques sont également des dispositifs selon la figure 1 comportant une deuxième sous-unité de conversion 26_2 ou 26_3 en remplacement de la première sous-unité de conversion mais dans lesquels le premier bras 12_2 ou 12_3 s’étend uniquement d’un seul côté par rapport au canal 16 de sorte que ces dispositifs présentent une forme de H auquel il manque une branche.
Dans cet exemple, le premier bras 12-2 et 12-3 des deuxième et troisième dispositifs logiques est confondu avec le deuxième bras 14 1 du premier dispositif logique 10_1 .
Il est également possible de concaténer les dispositifs en connectant le deuxième bras 14 d’un premier dispositif 10 au contact électrique 24 d’un deuxième dispositif 10. Ceci peut permettre de réaliser d’autres fonctions logiques, la sortie du premier dispositif 10 contrôlant le signe de la conversion dans le deuxième dispositif 10.
La concaténation de dispositifs logiques 10 permet ainsi de réaliser des opérations logiques tout en conservant une faible consommation énergétique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif logique (10) comprenant :
- un premier bras (12), le premier bras (12) s’étendant selon une première direction (X), le premier bras (12) étant propre à être parcouru par un courant de charge,
- un deuxième bras (14), le deuxième bras (14) s’étendant selon la première direction (X), le deuxième bras (14) étant également propre à être parcouru par un courant de charge,
- un canal (16) reliant le premier bras (12) au deuxième bras (14), le canal (16) étant selon une deuxième direction (Y), la deuxième direction (Y) étant perpendiculaire à la première direction (X), le canal (16) comportant trois zones, une première zone de contact avec le premier bras (12), une deuxième zone de contact avec le deuxième bras (14) et une zone centrale reliant les deux zones de contact, le premier bras (12), le deuxième bras (14) et le canal (16) étant propres à réaliser une première conversion dans la première zone de contact et une deuxième conversion dans la deuxième zone de contact, la première conversion étant la conversion d’un courant de charge circulant dans le premier bras (12) en un courant de spin circulant dans le canal (16), et la deuxième conversion étant la conversion d’un courant de spin circulant dans le canal (16) en courant de charge circulant dans le deuxième bras (14), et
- une unité de contrôle (20) de la direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras (14), l’unité de contrôle (20) comportant au moins une sous-unité de contrôle électrique (22, 26) d’une des deux conversions.
2. Dispositif logique selon la revendication 1 , dans lequel une sous-unité de contrôle est une sous-unité de contrôle de la première conversion (22) et est propre à contrôler la direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras (14) en contrôlant le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.
3. Dispositif logique selon la revendication 2, dans lequel la sous-unité de contrôle de la première conversion (22) comporte une source de tension et un contact électrique (24), le contact électrique (24) étant en contact avec la première zone de contact, la source de tension contrôlant le potentiel du contact électrique.
4. Dispositif logique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une sous-unité de contrôle est une sous-unité de contrôle de la deuxième conversion (26) et est propre à contrôler la direction du courant de charge par un contrôle électrique de la deuxième conversion.
5. Dispositif logique selon la revendication 4, dans lequel la sous-unité de contrôle de la deuxième conversion (26) comporte une source de tension et un contact électrique (24), le contact électrique (24) étant en contact avec la deuxième zone de contact, la source de tension contrôlant le potentiel du contact électrique.
6. Dispositif logique selon la revendication 3 ou 5, dans lequel le contact électrique (24) est une multicouche formée au moins d’une couche isolante et d’une couche métallique, la couche isolante reposant sur le bras (12, 14) et le canal (16) et étant, de préférence, réalisée en un matériau ferroélectrique, le matériau ferroélectrique étant avantageusement choisi dans la liste constitué de BaTiOs, de Pb(Zr,Ti)Os, de BiFeOs, de (Hf,Zr)C>2, et du poly(fluorure de vinylidène).
7. Dispositif logique selon la revendication 3 ou 5, dans lequel le contact électrique (24) repose sur la partie de canal (16) et la partie de bras (12, 14).
8. Dispositif logique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les bras (12, 14) et le canal (16) forment un H.
9. Dispositif logique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les bras (12, 14) et le canal (16) sont réalisés dans un même matériau.
10. Dispositif logique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les bras (12, 14) sont réalisés dans un premier matériau, les zones de contact étant réalisées dans un deuxième matériau et le canal (16) étant réalisé dans un troisième matériau distinct du premier matériau et du deuxième matériau.
11. Dispositif logique selon la revendication 9 ou 10, dans lequel chaque matériau est choisi parmi :
- un oxyde, en particulier SrTiOs ou KTaOs,
- un matériau semiconducteur lll-V, de préférence InAs ou InSb,
- un matériau semiconducteur ll-VI, de préférence HgTe ou CdTe,
- les dichalcogénures de métaux de transition, de préférence WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 ou MoSe2, et
- des isolants topologiques, de préférence (Bi,Sb)2(Se,Te)s.
12. Dispositif logique selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , dans lequel le dispositif logique (10) est propre à réaliser une opération logique sur deux entrées logiques pour obtenir une sortie logique, l’état de la sortie logique étant le sens du courant circulant dans le deuxième bras (14),
- l’état logique d’une première entrée étant la valeur d’un potentiel appliqué sur une sous- unité de contrôle (22, 26) et l’état logique d’une deuxième entrée étant le sens du courant circulant dans le premier bras (12) ou
- l’état logique d’une première entrée étant la valeur d’un courant appliqué sur une sous- unité de contrôle (22) et l’état logique d’une deuxième entrée étant la valeur d’un autre courant appliqué sur une sous-unité de contrôle (22), ou
- l’état logique d’une première entrée étant la valeur du potentiel appliqué à la sous-unité de contrôle de la première conversion (22) et l’état logique d’une deuxième entrée étant la valeur du potentiel appliqué à la sous-unité de contrôle de la deuxième conversion (26).
13. Architecture de calcul logique (28) comportant au moins deux dispositifs logiques (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, l’architecture de calcul logique (28) vérifiant au moins l’une des propriétés suivantes :
- une première propriété selon laquelle le premier bras (12) d’un des deux dispositifs logiques (10) est confondu avec le deuxième bras (14) de l’autre dispositif logique (10), et
- une deuxième propriété selon laquelle le deuxième bras (14) d’un des deux dispositifs logiques (10) est connecté avec une sous-unité de contrôle électrique (22, 26) d’une des deux conversions.
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