WO2023126385A1 - Mémoire multi-états comportant des jonctions tunnels avec des structures topologiquement stabilisées - Google Patents

Mémoire multi-états comportant des jonctions tunnels avec des structures topologiquement stabilisées Download PDF

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WO2023126385A1
WO2023126385A1 PCT/EP2022/087842 EP2022087842W WO2023126385A1 WO 2023126385 A1 WO2023126385 A1 WO 2023126385A1 EP 2022087842 W EP2022087842 W EP 2022087842W WO 2023126385 A1 WO2023126385 A1 WO 2023126385A1
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WO
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tunnel junction
ferroelectric
subunit
barrier
topologically protected
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PCT/EP2022/087842
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Inventor
Manuel Bibes
Vincent Garcia
Romain LEBRUN
Original Assignee
Thales
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H10N70/883—Oxides or nitrides
    • H10N70/8836—Complex metal oxides, e.g. perovskites, spinels

Definitions

  • Multi-state memory featuring tunnel junctions with topologically stabilized structures
  • the present invention relates to a tunnel junction and a memory comprising such a tunnel junction.
  • the present invention falls within the field of thin film heterostructures that can be used as non-volatile random access memory elements.
  • non-volatile storage of information is mainly ensured by magnetic hard disks (inexpensive but slow and fragile) and non-volatile random access memories (often designated by the abbreviation NVRAM which returns to the English name of "Non-Volatile Random Access Memory”) such as flash memories.
  • a memristor is a component whose electrical resistance value changes permanently when a current is applied. Thus, a data can be recorded and rewritten by a control current. Such behavior is notably observed in phase change memories, ferroelectric tunnel junctions or redox memories based on oxides such as TiO2. In general, however, the error rate of multibit memories is higher than that of traditional binary memories.
  • the description describes a tunnel junction having a stack formed by a barrier and two electrodes, the barrier comprising a layer made of a ferroelectric material, called the ferroelectric layer, the ferroelectric layer comprising at least one topologically protected structure having properties, the tunnel junction further comprising a unit for controlling the properties of the at least one topologically protected structure.
  • the tunnel junction has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the barrier has a thickness less than or equal to 15 nanometers.
  • the topologically protected structure is chosen from the list consisting of: a skyrmion, an antiskyrmion, a meron, an antimeron, a hopfion, a biskyrmion, a skyrmonium and an antiferromagnetic skyrmion.
  • the number of topologically protected structures is less than or equal to 10,000 and each topologically protected structure has a size between 1 nanometer and 100 nanometers.
  • control unit comprises at least one subunit chosen from among a subunit for generating topologically protected structures and a subunit for destroying topologically protected structures.
  • control unit comprises an adjustment subunit of at least one property of the topologically protected structure, the adjustment subunit being suitable for controlling the temperature or for controlling stresses by tension.
  • each subunit comprises an electrical source or an optical source.
  • the tunnel junction further comprises a subunit for reading at least one property of the topologically protected structures, the reading subunit being suitable for measuring a resistance or an optical index.
  • the ferroelectric layer is made of a ferroelectric material chosen from the list consisting of Bai- x Sr x TiO3, PbTiOs, Bii. x La x FeC>3, PbZr x Tii. x O 3 , Hfi-xZr x C>2 or KNbOs, x being a variable between 0 and 1.
  • the barrier comprises at least one dielectric layer in contact with the ferroelectric layer, the dielectric layer being, for example, made of a material chosen from the list consisting of SrTiOs, KTaOs, LaAlOs, (Dy, Tb, Gd, Sm,Nd,La)ScO 3 , NdGaO 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 and Al 2 O 3 .
  • the barrier is a stack of several identical patterns, each pattern comprising at least one ferroelectric layer and one dielectric layer, each ferroelectric layer being made of a ferroelectric material chosen from the list consisting of Bai- x Sr x TiO3, PbTiOs, Bii- x La x FeOs, PbZr x Tii. x O 3 , Hfi.
  • each dielectric layer (26, 28) being made of a material chosen from the list consisting of SrTiOs, KTaO 3 , LaAIO 3 , (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO 3 , NdGaO 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Y 2 OS and Al 2 Os.
  • the electrodes are chosen from the list consisting of Lai- x Sr x MnOs, of Lai- x Ca x MnO3, of Cai- x Ce x MnO3, of Ba x Sri. x RuOs, BaPbOs, LaNiOs, Lai- xSr x TiOs, RuO 2 , conductive indium tin oxide, TiN, Pt, Au and Pd, x being a variable between 0 and 1 .
  • the description also describes a memory comprising a tunnel junction as previously described.
  • FIG. 1 is a schematic view of an example of memory comprising a tunnel junction
  • FIG. 2 is a schematic representation of another example of a tunnel junction.
  • a memory 10 is represented in FIG. 1 .
  • Memory 10 is a multi-state memory, that is to say a memory having several storage states.
  • Such a memory 10 is adapted to be used to perform information storage and in a neuromorphic computing system.
  • memory 10 includes a tunnel junction 12 which will now be described.
  • the tunnel junction 12 comprises two electrodes 14 and 16 as well as a barrier 18.
  • the two electrodes 14 and 16 are conductive electrodes.
  • Each electrode 14 or 16 is made either from conductive materials or from semi-conductor materials.
  • the electrodes 14, 16 are made of a non-ferroelectric material chosen from the list consisting of Lai- x Sr x MnO3, of Lai- x Ca x MnC>3, of Ca x Ce x MnC>3, of Ba x Sri. x RuC>3, BaPbOs, LaNiOs, Lai- x Sr x TiC>3, RuC>2, ITO (conducting indium tin oxide), TiN, Pt, Au and Pd.
  • a non-ferroelectric material chosen from the list consisting of Lai- x Sr x MnO3, of Lai- x Ca x MnC>3, of Ca x Ce x MnC>3, of Ba x Sri. x RuC>3, BaPbOs, LaNiOs, Lai- x Sr x TiC>3, RuC>2, ITO (conducting indium tin oxide), TiN, Pt, Au and Pd.
  • variable x is between 0 and 1.
  • the barrier 18 is interposed between the two electrodes 14 and 16 so that the electrodes 14, 16 and the barrier 18 form a stack of superimposed layers along a stacking direction.
  • the first electrode 14 is thus sometimes referred to as the upper electrode while the second electrode 16 is similarly referred to as the lower electrode.
  • Layer thickness is, in the following, the dimension of a layer along the stacking direction.
  • Objects such as electrons can pass from one electrode 14 or 16 to the other electrode 14 or 16 through the barrier 18 by a tunnel effect (quantum property allowing an object to cross a potential barrier even if its energy is lower than the minimum energy required to overcome this barrier).
  • the barrier 18 has a thickness less than or equal to 15 nanometers (nm).
  • the barrier 18 comprises a layer 20 of ferroelectric material, referred to as the ferroelectric layer 20 below.
  • the ferroelectric material is strontium and barium titanate whose chemical formula is Bai- x Sr x TiC>3.
  • the ferroelectric material is PbTiOs, Bi x Lai- x FeC>3, PbZr x Th x C>3, Hf x Zri. x C>2 or KNbOs.
  • the tunnel junction 12 is a ferroelectric tunnel junction.
  • the ferroelectric layer 20 includes at least one ferroelectric skyrmion 22.
  • the number of ferroelectric skyrmions 22 in the ferroelectric layer 20 is less than or equal to 10,000.
  • the ferroelectric skyrmions 22 have a size between 1 nm and 10 nm.
  • Ferroelectric skyrmions 22 thus have a very small size, which makes them extremely interesting objects for the storage of ultra-high density information. It can also be noticed that the ferroelectric skyrmions 22 all have quite similar sizes, typically the variation in size between two ferroelectric skyrmions 22 is less than 30%.
  • Ferroelectric skyrmions correspond to chiral configurations of electric dipoles winding in all directions in space.
  • Ferroelectric skyrmions are thus electrical analogues of magnetic skyrmions.
  • Each ferroelectric skyrmion 22 exhibits properties.
  • ferroelectric skyrmions have a topological charge which gives them additional stability.
  • Ferroelectric skyrmions possess a topological character in the sense that the normalized integral of the direction of the polarization vector over the volume of the skyrmion is a nonzero integer, typically 1 (topological charge), and potentially a fraction.
  • a ferroelectric skyrmion is therefore a topologically protected structure, i.e. a structure comprising a topological charge which is conserved.
  • the tunnel junction 12 also comprises a control unit 24 making it possible to control at least one of the properties of the ferroelectric skyrmions 22.
  • control is here to be understood in the broad sense as aiming on the one hand at a function of manipulation or modification of a property but also, on the other hand, at a function of measurement of a property. Depending on the case, the control unit 24 is thus capable of carrying out one or more of the preceding functions.
  • control unit 24 comprises one or more sub-units capable of providing only one or both modification and measurement functions.
  • a ferroelectric skyrmion generation subunit is a prime example of a subunit.
  • a generation subunit includes an electrical source.
  • the generation subunit includes an optical source.
  • the destruction subunit includes an electrical source or an optical source.
  • Yet another example of a subunit is a tuning subunit of at least one property of ferroelectric skyrmions.
  • the sub- unit realizes either a mechanism of generation or destruction.
  • control unit 24 can comprise a single electric or optical source whose function is both to generate and to destroy the ferroelectric skyrmions.
  • the adjustment sub-unit is a unit capable of controlling the temperature.
  • the adjustment sub-unit is able to control stresses by tension.
  • a subunit reading at least one property of ferroelectric skyrmions is another example of a subunit that can be part of the control unit.
  • the read subunit is suitable for measuring a resistance.
  • the reading sub-unit is capable of measuring an optical index.
  • the reading sub-unit comprises an optical source.
  • the operation of the tunnel junction 12 is deduced from the operation of a ferroelectric tunnel junction which is now described.
  • the level of resistance is directly related to the fraction of the total number of dipoles pointing to either electrode.
  • the resistance is minimum when the polarization is homogeneous and points (for example) towards the upper electrode, and maximum when it points towards the lower electrode.
  • the polarization points towards one of the two electrodes, and outside the polarization points according to the opposite direction.
  • the application of an electric voltage modifies the domain structure and therefore the fraction of dipoles pointing towards one of the electrodes, which leads to a variation in the resistance. This variation can be quasi-continuous, leading to a memristor-like behavior.
  • ferroelectric memristor is sometimes used to refer to such behavior.
  • Tunnel junction 12 differs from this operation in that the domains are ferroelectric skyrmions 22.
  • ferroelectric skyrmions 22 are sensitive to the electric field. But, in this case, the electric field only has the effect of creating or annihilating, or even displacing, the ferroelectric skyrmions 22. Under the application of an electric field (or a beam of light), certain ferroelectric skyrmions 22 disappear or are created so that the number of ferroelectric skyrmions 22 existing at remanence can be electrically adjusted.
  • the electric field does not have the effect of deforming the ferroelectric skyrmions 22 due to their topological property. Also, the fraction of dipoles pointing towards one of the electrodes 14 or 16 is determined by the number of ferroelectric skyrmions 22, an integer, “quantized” magnitude.
  • the resistance of the device will only be able to adopt a certain number of resistance levels, depending on the number of ferroelectric skyrmions 22 present.
  • the tunneling resistance of the junction is going to be modified, which makes it possible to encode several discrete levels of resistance.
  • a ferroelectric tunnel junction presents a resistance depending on the structure in ferroelectric domains in the barrier.
  • the tunnel junction 12 uses as ferroelectric domains ferroelectric skyrmions whose topological character reinforces the stability of the configuration. According to the number of skyrmions present in the barrier 18, adjusted by applying an electric voltage, the resistance of the tunnel junction 12 is modulated, allowing use of the tunnel junction 12 as a multi-state memory element (multi-bit ).
  • the tunnel junction 12 thus makes it possible to confer better stability on the intermediate resistance levels, making the use of error correction codes unnecessary.
  • memory 10 Compared to non-volatile memory technologies other than those based on memristors, memory 10 also has good endurance, high operating frequency, high resistance levels and low write energy.
  • the barrier 18 is no longer formed of a single layer but it comprises several layers forming a heterostructure.
  • barrier 18 also comprises two dielectric layers 26 and 28.
  • each dielectric layer 26 or 28 is chosen from the list consisting of SrTiOs, KTaOs, LaAlOs, (Dy, Tb, Gd, Sm, Nd, La)ScC>3, NdGaOs, HfO2, ZrO2, Y2O3 and Al2O3.
  • the notation (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3 means XSCO30 ⁇ X is chosen from Dy, Tb, Gd, Sm, Nd and La.
  • the ferroelectric layer 20 is sandwiched between the two dielectric layers 26 and 28 so that the dielectric layers 26 and 28 and the ferroelectric layer 20 form a stack of superposed layers along a stacking direction.
  • the barrier layer 18 is formed of a superlattice of dielectric layers 26 or 28 and ferroelectric layers 20, that is to say a pattern formed by at least one dielectric layer 26 or 28 and a ferroelectric layer 20 which is repeated.
  • the pattern is a bilayer formed of a dielectric layer 26 or 28 and a ferroelectric layer 20. This makes it possible to obtain a stack formed by alternating dielectric layers 26 or 28 and ferroelectric layers 20.
  • the dipoles do not organize as traditionally as domains, but adopt strongly non-collinear configurations including skyrmions.
  • any configuration making it possible to obtain the generation of Bloch or Néel walls between two ferroelectric domains instead of an Ising wall (i.e. without change of direction of the polarization, but with a decrease in its norm between two domains) is possible.
  • the configuration can be obtained by taking into account several elements including the temperature.
  • the temperature is to be taken into account because the ferroelectric domain wall can be considered as a confined ferroelectric state with its own transition temperature. Thus there is an order temperature in the wall (lower than the critical temperature of the material of the barrier to be formed) beyond which there is a transition Bloch to Ising.
  • the simulations indicate a phase transition in the Bloch walls of PbTiOs films about 100 K lower than in the material.
  • the growth can also be taken into account in the form of an epitaxy constraint.
  • the epitaxial stress makes it possible to modify the ferroelastic energy: a biaxial compression will favor domains whose polarization is orthogonal to the plane of the layers and therefore the appearance of 180° walls.
  • tensile stresses will favor domains whose polarization is in the plane of the thin layer and therefore the appearance of 90° walls, the latter having an Ising character.
  • PbTiOs will have a mixed domain structure. This ingredient thus makes it possible to have fairly close energies between in-plane and out-of-plane ferroelectric domains, again favoring the stabilization of Néel or Bloch walls to obtain skyrmions.
  • It can also be used to control the electrostatic energy (dipolar) to generate at the interface a non-zero polarization gradient favoring the creation of nanodomains with 180° walls and topological charges.
  • the ferroelectric layer 20 comprises antiskyrmions.
  • Combinations are also possible such as a biskyrmion, a skyrmonium and an antiferromagnetic skyrmion.
  • a skyrmionium is a pair of skyrmions entangled in each other but with opposite topological charges while the antiferromagnetic skyrmion is a set of two skyrmions with opposite magnetizations which are superimposed on each other. It may also be envisaged to use, as topologically protected structure, other dipolar textures possessing a topological character different from skyrmions, such as merons or hopfions.
  • the topologically protected structure may be chosen from a skyrmion, an antiskyrmion, a meron, an antimeron, a hopfion, a biskyrmion, a skyrmonium or an antiferromagnetic skyrmion.
  • each topologically protected structure has a size between 1 nm and 100 nm.
  • the number of topologically protected structures is less than or equal to 10000.
  • the tunnel junction 12 has a barrier layer 18 comprising a ferroelectric layer 18 with at least one topologically protected structure 22 having properties, the tunnel junction 12 further comprising a control unit 24 of the properties of the at least one topologically protected structure.

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Abstract

L'invention concerne une jonction tunnel (12) présentant un empilement formé par une barrière (18) et deux électrodes (14, 16), la barrière (18) comprenant une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, la couche ferroélectrique comportant au moins une structure topologiquement protégée (22) présentant des propriétés, la jonction tunnel (12) comportant, en outre, une unité de contrôle (24) des propriétés de l'au moins une structure topologiquement protégée (22).

Description

Mémoire multi-états comportant des jonctions tunnels avec des structures topologiquement stabilisées
La présente invention concerne une jonction tunnel et une mémoire comportant une telle jonction tunnel.
Ainsi, la présente invention s’inscrit dans le domaine des hétérostructures de couches minces pouvant être employées comme éléments mémoires non-volatiles à accès aléatoire.
Pour augmenter la densité de stockage de l’information (ce qui conduit également à une diminution du coût), il est souhaitable d’utiliser des composants permettant de mémoriser plus qu’une information binaire 0 ou 1 (un seul bit) mais plutôt plusieurs bits. Par exemple, si chaque élément peut stocker 3 bits soit 8 valeurs différentes (23=8) , 4 fois plus d’informations pourra être mémorisé pour la même surface utilisée.
Dans les systèmes microélectroniques actuels, le stockage non-volatil de l’information est principalement assuré par des disques durs magnétiques (peu coûteux mais lents et fragiles) et des mémoires non-volatiles à accès aléatoires (souvent désignée par l’abréviation NVRAM qui renvoie à la dénomination anglaise de « Non-Volatile Random Access Memory ») comme les mémoires flash.
Traditionnellement chaque élément mémoire n’encodait qu’un seul bit mais de récents développements ont vu l’apparition de mémoires Flash NAND encodant plusieurs bits. Par ailleurs se développent des mémoires en trois dimensions dans lesquelles plusieurs bits peuvent être mémorisés sur une même surface utile.
Toutefois, cela se traduit par une complexification de l’architecture. A ce défaut, vient s’ajouter le fait que les mémoires flash souffrent traditionnellement d’une endurance assez faible limitant leur spectre d’utilisation. L’endurance des mémoires Flash multibits est en outre inférieure d’un à deux ordres de grandeur à celle des mémoires binaires.
C’est pourquoi des technologies d’éléments mémoires analogiques possédant une quasi-infinité d’états intermédiaires - les memristors - ont récemment été proposées pour être utilisées en tant que mémoires digitales multibits.
Une memristor est un composant dont la valeur de sa résistance électrique change, de façon permanente, lorsqu’un courant est appliqué. Ainsi, une donnée peut être enregistrée et réécrite par un courant de contrôle. Un tel comportement est notamment observé dans les mémoires à changement de phase, les jonctions tunnel ferroélectriques ou les mémoires redox à base d’oxydes tels que le TiO2. De manière générale, le taux d’erreurs des mémoires multibits est cependant supérieur à celui des mémoires binaires traditionnelles.
Dans le cas des mémoires formées par des memristors, la reproductibilité et la stabilité des états de résistance intermédiaire n’est pas forcément très bonne ; notamment, il est observé une dérive de la valeur de résistance au fur et à mesure que l’état est lu (liée de fait à leur caractère memristif).
De ce fait, il est connu d’utiliser des codes de correction d’erreur qui complexifient les algorithmes de lecture/écriture et ralentissent le système.
Il existe donc un besoin pour une mémoire multi-états à taux d’erreur limité qui soit plus rapide.
A cet effet, la description décrit une jonction tunnel présentant un empilement formé par une barrière et deux électrodes, la barrière comprenant une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, la couche ferroélectrique comportant au moins une structure topologiquement protégée présentant des propriétés, la jonction tunnel comportant, en outre, une unité de contrôle des propriétés de l’au moins une structure topologiquement protégée.
Selon des modes de réalisation particuliers, la jonction tunnel présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la barrière présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres.
- la structure topologiquement protégée est choisie dans la liste constituée de : un skyrmion, un antiskyrmion, un méron, un antiméron, un hopfion, un biskyrmion, un skyrmonium et un skyrmion antiferromagnétique.
- le nombre de structures topologiquement protégées est inférieur ou égal à 10000 et chaque structure topologiquement protégée présente une taille comprise entre 1 nanomètre et 100 nanomètres.
- l’unité de contrôle comporte au moins une sous-unité choisie parmi une sous-unité de génération de structures topologiquement protégées et une sous-unité de destruction de structures topologiquement protégées.
- l’unité de contrôle comporte une sous-unité d’ajustement d’au moins une propriété de la structure topologiquement protégée, la sous-unité d’ajustement étant propre à contrôler la température ou à contrôler des contraintes par tension.
- chaque sous-unité comporte une source électrique ou une source optique.
- la jonction tunnel comporte, en outre, une sous-unité de lecture d’au moins une propriété des structures topologiquement protégées, la sous-unité de lecture étant propre à mesurer une résistance ou un indice optique. - la couche ferroélectrique est réalisée en un matériau ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Bai-xSrxTiO3, PbTiOs, du Bii.xLaxFeC>3, du PbZrxTii.xO3, du Hfi- xZrxC>2 ou du KNbOs, x étant une variable comprise entre 0 et 1 .
- la barrière comporte au moins une couche diélectrique en contact avec la couche ferroélectrique, la couche diélectrique étant, par exemple, réalisée en un matériau choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaOs, de LaAlOs, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3, de NdGaO3, de HfO2, de ZrO2, de Y2O3 et de AI2O3.
- la barrière est un empilement de plusieurs motifs identiques, chaque motif comportant au moins une couche ferroélectrique et une couche diélectrique, chaque couche ferroélectrique étant réalisée en un matériau ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Bai-xSrxTiO3, PbTiOs, Bii-xLaxFeOs, PbZrxTii.xO3, Hfi.xZrxO2 et du KNbOs, x étant une variable comprise entre 0 et 1 , et chaque couche diélectrique (26, 28) étant réalisée en un matériau choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaO3, de LaAIO3, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3, de NdGaO3, de HfO2, de ZrO2, de Y2OS et de AI2Os.
- les électrodes sont choisies dans la liste constituée de Lai-xSrxMnOs, de Lai- xCaxMnO3, de Cai-xCexMnO3, de BaxSri.xRuOs, de BaPbOs, de LaNiOs, de Lai- xSrxTiOs, de RuO2, d’oxyde d’indium et d’étain conducteur, de TiN, de Pt, de Au et de Pd, x étant une variable comprise entre 0 et 1 .
La description décrit aussi une mémoire comportant une jonction tunnel telle que précédemment décrite.
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 vue schématique d’un exemple de mémoire comportant une jonction tunnel, et
- la figure 2 est une représentation schématique d’un autre exemple de jonction tunnel.
Une mémoire 10 est représentée sur la figure 1 .
La mémoire 10 est une mémoire multi-états, c’est-à-dire une mémoire possédant plusieurs états de mémorisation.
Une telle mémoire 10 est adaptée pour être utilisée pour réaliser du stockage d’information et dans un système de calcul neuromorphique.
Pour réaliser cette mémoire multi-état, la mémoire 10 comporte une jonction tunnel 12 qui va maintenant être décrite.
La jonction tunnel 12 comporte deux électrodes 14 et 16 ainsi qu’une barrière 18. Les deux électrodes 14 et 16 sont des électrodes conductrices.
Chaque électrode 14 ou 16 est réalisée soit à partir de matériaux conducteurs soit à partir de matériaux semi-conducteurs.
Les électrodes 14, 16 sont réalisées dans un matériau non ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Lai-xSrxMnO3, de Lai-xCaxMnC>3, de Cai-xCexMnC>3, de BaxSri.xRuC>3, de BaPbOs, de LaNiOs, de Lai-xSrxTiC>3, de RuC>2, de ITO (oxyde d’indium et d’étain conducteur), de TiN, de Pt, de Au et de Pd.
Sauf mention contraire, dans chacun des matériaux qui va être cités, la variable x est comprise entre 0 et 1 .
La barrière 18 est intercalée entre les deux électrodes 14 et 16 de sorte que les électrodes 14, 16 et la barrière 18 forment un empilement de couches superposées le long d’une direction d’empilement. La première électrode 14 est ainsi parfois qualifiée d’électrode supérieure tandis que la deuxième électrode 16 est qualifiée de manière similaire d’électrode inférieure.
L’épaisseur d’une couche est, dans ce qui suit, la dimension d’une couche le long de la direction d’empilement.
Des objets comme des électrons peuvent passer d’une électrode 14 ou 16 à l’autre électrode 14 ou 16 au travers de la barrière 18 par un effet tunnel (propriété quantique permettant à un objet de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir cette barrière).
La barrière 18 présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres (nm).
La barrière 18 comporte une couche en matériau ferroélectrique 20, dite couche ferroélectrique 20 dans la suite. Par exemple, le matériau ferroélectrique est du titanate de strontium et baryum dont la formule chimique est Bai-xSrxTiC>3.
En variante, le matériau ferroélectrique est du PbTiOs, du BixLai-xFeC>3, du PbZrxTh. XC>3, du HfxZri.xC>2 ou du KNbOs.
Du fait de la présence du matériau ferroélectrique dans la couche barrière 18, la jonction tunnel 12 est une jonction tunnel ferroélectrique.
La couche ferroélectrique 20 comporte au moins un skyrmion ferroélectrique 22.
Le nombre de skyrmions ferroélectriques 22 dans la couche ferroélectrique 20 est inférieur ou égal à 10000.
A titre d’illustration, dans la figure 1 , trois skyrmions ferroélectriques 22 sont représentés.
Les skyrmions ferroélectriques 22 présentent une taille comprise entre 1 nm et 10 nm.
Les skyrmions ferroélectriques 22 possèdent ainsi une taille très petite, ce qui en fait des objets extrêmement intéressants pour le stockage d’information ultra-haute densité. Il peut également être remarqué que les skyrmions ferroélectriques 22 ont tous des tailles assez similaires, typiquement, la variation de taille entre deux skyrmions ferroélectriques 22 est inférieure à 30%.
Les skyrmions ferroélectriques correspondent à des configurations chirales de dipôles électriques s’enroulant selon toutes les directions de l’espace.
Les skyrmions ferroélectriques sont ainsi des analogues électriques des skyrmions magnétiques.
Chaque skyrmion ferroélectrique 22 présente des propriétés.
Il sera choisi ici une acceptation très large pour le terme de « propriété », à savoir que l’existence du skyrmion ferroélectrique 22 est également considéré comme une propriété en plus de la valeur de grandeurs physiques qui pourraient être mesurées sur le skyrmion ferroélectrique 22.
En particulier, de même que les skyrmions magnétiques, les skyrmions ferroélectriques possèdent une charge topologique qui leur assure une stabilité additionnelle. Les skyrmions ferroélectriques possèdent un caractère topologique au sens où l’intégrale normalisée de la direction du vecteur de polarisation sur le volume du skyrmion est un entier non nul, typiquement 1 (charge topologique), et potentiellement une fraction.
Ce caractère topologique procure une stabilité additionnelle au skyrmion ferroélectrique car sa destruction (correspondant à réorienter tous les dipôles électriques selon une direction parallèle) requiert l’apport d’une énergie équivalente à l’énergie maximale du système, ici l’énergie d’échange. Ce phénomène est parfois expliqué par l’analogie avec un nœud sur une cordelette : pour faire disparaître le nœud, il faut briser la cordelette.
D’un point de vue pratique, cela signifie que l’application d’un champ électrique permet de créer ou de supprimer les skyrmions, mais que ceux-ci ne sont pas affectés par des apports d’énergie plus faibles liés par exemple à la température (tant que celle-ci est à moins de 50°C de la température d’ordre).
Un skyrmion ferroélectrique est donc une structure topologiquement protégée, c’est- à-dire une structure comportant une charge topologique qui est conservée.
La jonction tunnel 12 comprend également une unité de contrôle 24 permettant de contrôler au moins une des propriétés des skyrmions ferroélectriques 22.
Le terme de « contrôler » est ici à comprendre au sens large comme visant d’une part une fonction de manipulation ou de modification d’une propriété mais également, d’autre part, une fonction de mesure d’une propriété. Selon les cas, l’unité de contrôle 24 est ainsi propre à réaliser une ou plusieurs des fonctions précédentes.
De ce fait, l’unité de contrôle 24 comporte une ou plusieurs sous-unités propres à assurer une seule ou les deux fonctions de modification et de mesure.
Quelques exemples sont décrits dans ce qui suit.
Une sous-unité de génération de skyrmions ferroélectriques est un premier exemple de sous-unité.
Une sous-unité de génération comprend une source électrique.
En variante, la sous-unité de génération comprend une source optique.
Un autre exemple de sous-unité de destruction de skyrmions ferroélectriques.
La sous-unité de destruction comprend une source électrique ou une source optique.
Encore un autre exemple de sous-unité est une sous-unité d’ajustement d’au moins une propriété des skyrmions ferroélectriques.
Il convient également de noter que, selon l’amplitude, la durée et la direction du champ électrique appliqué (de l’ordre de 0,01 V/nm à 10 V/nm) ou du type d’impulsions optiques, la sous-unité réalise soit un mécanisme de génération ou de destruction.
De ce fait, pourvu qu’il soit possible de contrôler la source électrique ou la source optique, l’unité de contrôle 24 peut comporter une unique source électrique ou optique dont la fonction est à la fois de générer et de détruire les skyrmions ferroélectriques.
Selon un mode de réalisation particulier, la sous-unité d’ajustement est une unité propre à contrôler la température.
Selon un autre mode de réalisation, la sous-unité d’ajustement est propre à contrôler des contraintes par tension.
Une sous-unité de lecture d’au moins une propriété des skyrmions ferroélectriques est un autre exemple de sous-unité pouvant faire partie de l’unité de contrôle.
A titre d’illustration, la sous-unité de lecture est propre à mesurer une résistance.
En variante, la sous-unité de lecture est propre à mesurer un indice optique.
Selon une autre variante, la sous-unité de lecture comprend une source optique.
Le fonctionnement de la jonction tunnel 12 se déduit du fonctionnement d’une jonction tunnel ferroélectrique qui est maintenant décrit.
Dans une jonction tunnel ferroélectrique, le niveau de résistance est directement relié à la fraction du nombre total de dipôles pointant vers l’une ou l’autre des électrodes. Dans les deux cas extrêmes, la résistance est minimale lorsque la polarisation est homogène et pointe (par exemple) vers l’électrode supérieure, et maximale lorsqu’elle pointe vers l’électrode inférieure. Dans un cas simplifié, si des domaines sont présents, en leur sein la polarisation pointe vers une des deux électrodes, et à l’extérieur la polarisation pointe selon la direction opposée. L’application d’une tension électrique modifie la structure en domaines et donc la fraction de dipôles pointant vers l’une des électrodes, ce qui conduit à une variation de la résistance. Cette variation peut-être quasi-continue, conduisant à un comportement de type memristor. Le terme de memristor ferroélectrique est parfois utilisé pour désigner un tel comportement.
La jonction tunnel 12 diffère de ce fonctionnement en ce que les domaines sont des skyrmions ferroélectriques 22.
Comme pour les domaines d’une jonction tunnel ferroélectrique, les skyrmions ferroélectriques 22 sont sensibles au champ électrique. Mais, dans ce cas, le champ électrique a uniquement pour effet de créer ou d’annihiler, voire même de déplacer, les skyrmions ferroélectriques 22. Sous l’application d’un champ électrique (ou d’un faisceau de lumière), certains skyrmions ferroélectriques 22 disparaissent ou sont créés de sorte que le nombre de skyrmions ferroélectriques 22 existant à rémanence peut être ajusté électriquement.
Le champ électrique n’a pas pour effet de déformer les skyrmions ferroélectriques 22 du fait de leur propriété topologique. Aussi, la fraction de dipôles pointant vers une des électrodes 14 ou 16 est déterminée par le nombre de skyrmions ferroélectriques 22, une grandeur entière, « quantifiée ».
Par conséquence, la résistance du dispositif ne pourra adopter qu’un certain nombre de niveaux de résistance, dépendant du nombre de skyrmions ferroélectriques 22 présents.
En d’autres termes, selon le nombre de skyrmions ferroélectriques 22 présents, la résistance tunnel de la jonction va être modifiée, ce qui permet d’encoder plusieurs niveaux discrets de résistance.
En résumé, il apparaît ainsi qu’une jonction tunnel ferroélectrique présente une résistance dépendant de la structure en domaines ferroélectriques dans la barrière. La jonction tunnel 12 utilise en tant que domaines ferroélectriques des skyrmions ferroélectriques dont le caractère topologique renforce la stabilité de la configuration. Selon le nombre de skyrmions présents dans la barrière 18, ajusté par application d’une tension électrique, la résistance de la jonction tunnel 12 est modulée, permettant une utilisation du de la jonction tunnel 12 en tant qu’élément mémoire multi-états (multibits).
La jonction tunnel 12 permet ainsi de conférer une meilleure stabilité aux niveaux de résistance intermédiaire, rendant l’emploi de codes de correction d’erreur inutile.
Cela permet d’obtenir une mémoire 10 multi-états à taux d’erreur limité qui soit plus rapide.
Comparé aux autres technologies de mémoires non-volatiles que celles basées sur des memristors, la mémoire 10 présente également une bonne endurance, une haute fréquence de fonctionnement, de hauts niveaux de résistance et une faible énergie d’écriture.
Selon un autre mode de réalisation la barrière 18 n’est plus formée d’une seule couche mais elle comporte plusieurs couches formant une hétérostructure.
Ainsi, comme illustré par la figure 2, la barrière 18 comporte également deux couches diélectriques 26 et 28.
La matériau diélectrique formant chaque couche diélectrique 26 ou 28 est choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaOs, de LaAlOs, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScC>3, de NdGaOs, de HfO2, de ZrÛ2, de Y2O3 et de AI2O3. La notation (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3 signifie XSCO30Ù X est choisi parmi Dy, Tb, Gd, Sm, Nd et La.
La couche ferroélectrique 20 est intercalée entre les deux couches diélectriques 26 et 28 de sorte que les couches diélectriques 26 et 28 et la couche ferroélectrique 20 forment un empilement de couches superposées le long d’une direction d’empilement.
En variante, la couche barrière 18 est formée d’un superréseau de couches diélectriques 26 ou 28 et de couches ferroélectriques 20, c’est-à-dire un motif formé par au moins une couche diélectrique 26 ou 28 et une couche ferroélectrique 20 qui est répété.
Par exemple, le motif est une bicouche formée d’une couche diélectrique 26 ou 28 et une couche ferroélectrique 20. Cela permet d’obtenir un empilement formé par une alternance de couches diélectriques 26 ou 28 et de couches ferroélectriques 20.
Cela permet d’obtenir une jonction tunnel 12 présentant les mêmes propriétés que la jonction tunnel de la figure 1 .
Dans chacun des cas, du fait de la compétition entre l’énergie dipolaire et l’anisotropie induite par l’ hétérostructure, les dipôles ne s’organisent pas comme traditionnellement sous forme de domaines, mais adoptent des configurations fortement non colinéaires comportant des skyrmions.
Plus généralement, toute configuration permettant d’obtenir de générer des parois de Bloch ou Néel entre deux domaines ferroélectriques en lieu et place de paroi de Ising (c’est- à-dire sans changement de direction de la polarisation, mais avec une décroissance de sa norme entre deux domaines) est envisageable.
La configuration pourra être obtenue en prenant en compte plusieurs éléments parmi lesquels la température.
La température est à prendre en compte car la paroi de domaine ferroélectrique peut être considérée comme un état ferroélectrique confiné avec sa propre température de transition. Ainsi il existe une température d’ordre dans la paroi (inférieure à la température critique du matériau de la barrière à former) au-delà de laquelle on assiste à une transition Bloch vers Ising. Les simulations indiquent une transition de phase dans les parois de Bloch de films de PbTiOs environ 100 K plus basse que dans le matériau.
Il peut aussi être pris en compte la coexistence de polymorphes de différentes symétries au voisinage de la frontière avec la phase morphotropique (plus souvent dénommée selon la terminologie anglaise de « morphotropic phase boundary ») dans des systèmes de basse symétrie (monoclinique par exemple) et permettant d’avoir des rotations de la polarisation dans les parois. Par exemple, cela peut concerner des parois de Néel dans des cristaux de PbZrxTii.xO3 où la paroi a une symétrie monoclinique et les domaines sont tétragonaux.
La croissance peut également être prise en compte sous la forme d’une contrainte d’épitaxie. De fait, la contrainte d’épitaxie permet de modifier l’énergie ferroélastique : une compression biaxiale favorisera des domaines dont la polarisation est orthogonale au plan des couches et donc l’apparition de parois à 180°. Au contraire, des contraintes en tension favoriseront des domaines dont la polarisation est dans le plan de la couche mince et donc l’apparition de parois à 90°, ces dernières présentant un caractère Ising. Pour le cas de contraintes faibles en tension (comme sur DyScOs), PbTiOs aura une structure en domaine mixte. Cet ingrédient permet ainsi d’avoir des énergies assez proches entre des domaines ferroélectriques dans le plan et hors du plan, favorisant à nouveau la stabilisation de parois de Néel ou Bloch pour obtenir des skyrmions.
Il peut aussi être utilisé un contrôle de l’énergie électrostatique (dipolaire) pour générer à l’interface un gradient de polarisation non nul favorisant la création de nanodomaines avec des parois à 180° et de charges topologiques.
On peut aussi, utiliser le gradient d’énergie au sein des couches pour contrôler la rotation du vecteur de polarisation ou son amplitude. Des parois chirales seront obtenues en cherchant une rotation du vecteur de polarisation.
Il est ainsi possible d’obtenir des configurations différentes avec des conditions choisies permettant l’obtention de skyrmions ferroélectriques 22.
Toutefois, d’autres structures topologiquement protégées sont envisageables.
Par exemple, au lieu d’un skyrmion, la couche ferroélectrique 20 comporte des antiskyrmions.
Des combinaisons sont également possibles comme un biskyrmion, un skyrmonium et un skyrmion antiferromagnétique.
Un skyrmionium est une paire de skyrmions intriqués l’un dans l’autre mais avec des charges topologiques opposées tandis que le skyrmion antiferromagnétique est un ensemble de deux skyrmions avec des aimantations opposées qui sont superposés l’un à l’autre. Il peut également être envisagé d’utiliser comme structure topologiquement protégée d’autres textures dipolaires possédant un caractère topologique différent des skyrmions, tels que des mérons ou des hopfions.
Ainsi, la structure topologiquement protégée pourra être choisie parmi un skyrmion, un antiskyrmion, un méron, un antiméron, un hopfion, un biskyrmion, un skyrmonium ou un skyrmion antiferromagnétique.
Dans chacun des cas, chaque structure topologiquement protégée présente une taille comprise entre 1 nm et 100 nm.
En outre, le nombre de structures topologiquement protégées est inférieur ou égal à 10000.
D’autres modes de réalisation peuvent être obtenus par combinaison des modes de réalisation décrits précédemment.
Dans chacun de ces modes de réalisation obtenus par combinaison, la jonction tunnel 12 présente une couche barrière 18 comprenant une couche ferroélectrique 18 avec au moins une structure topologiquement protégée 22 présentant des propriétés, la jonction tunnel 12 comportant, en outre, une unité de contrôle 24 des propriétés de l’au moins une structure topologiquement protégée.
Cela permet d’obtenir des mémoires résistives multiniveaux dans lesquelles la stabilité des niveaux de résistance intermédiaires est renforcée par une protection topologique. Ces mémoires sont ainsi basées sur des jonctions tunnel ferroélectriques dont le niveau de résistance est déterminé par des configurations en domaines ferroélectriques spécifiques possédant un caractère topologique correspondant à la présence de structures topologiquement protégées comme, par exemple, des skyrmions ferroélectriques 22.

Claims

REVENDICATIONS Jonction tunnel (12) présentant un empilement formé par une barrière (18) et deux électrodes (14, 16), la barrière (18) comprenant une couche en un matériau ferroélectrique (20), dite couche ferroélectrique (20), la barrière (18) présentant une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres, la couche ferroélectrique (20) comportant au moins une structure topologiquement protégée (22) présentant des propriétés, la jonction tunnel (12) comportant, en outre, une unité de contrôle (24) des propriétés de l’au moins une structure topologiquement protégée (22). Jonction tunnel selon la revendication 1 , dans laquelle la structure topologiquement protégée (22) est choisie dans la liste constituée de : un skyrmion, un antiskyrmion, un méron, un antiméron, un hopfion, un biskyrmion, un skyrmonium et un skyrmion antiferromagnétique. Jonction tunnel selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le nombre de structures topologiquement protégées (22) est inférieur ou égal à 10000 et chaque structure topologiquement protégée (22) présente une taille comprise entre 1 nanomètre et 100 nanomètres. Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l’unité de contrôle (24) comporte au moins une sous-unité choisie parmi une sous-unité de génération de structures topologiquement protégées (22) et une sous-unité de destruction de structures topologiquement protégées (22). Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’unité de contrôle (24) comporte une sous-unité d’ajustement d’au moins une propriété de la structure topologiquement protégée (22), la sous- unité d’ajustement étant propre à contrôler la température ou à contrôler des contraintes par tension. Jonction tunnel selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle chaque sous- unité comporte une source électrique ou une source optique.
7. Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la jonction tunnel (12) comporte, en outre, une sous-unité de lecture d’au moins une propriété des structures topologiquement protégées (22), la sous-unité de lecture étant propre à mesurer une résistance ou un indice optique.
8. Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la couche ferroélectrique (20) est réalisée en un matériau ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Bai-xSrxTiO3, PbTiOs, du Bii- xLaxFeO3, du PbZrxTii.xC>3, du Ht i xZrxC>2 ou du KNbOs, x étant une variable comprise entre 0 et 1 .
9. Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la barrière (18) comporte au moins une couche diélectrique (26, 28) en contact avec la couche ferroélectrique (20), la couche diélectrique (26, 28) étant, par exemple, réalisée en un matériau choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaOs, de LaAlOs, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3, de NdGaOs, de HfO2, de ZrÛ2, de Y2O3 et de AI2O3.
10. Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la barrière (18) est un empilement de plusieurs motifs identiques, chaque motif comportant au moins une couche ferroélectrique (20) et une couche diélectrique (26, 28), chaque couche ferroélectrique (20) étant réalisée en un matériau ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Bai- xSrxTiO3, PbTiOs, Bii.xLaxFeOs, PbZrxTii.xOs, Hfi.xZrx02 et du KNbOs, x étant une variable comprise entre 0 et 1 , et chaque couche diélectrique (26, 28) étant réalisée en un matériau choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaO3, de LaAIO3, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3, de NdGaO3, de HfO2, de ZrÛ2, de Y2O3 et de AI2O3.
11. Jonction tunnel selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle les électrodes (14, 16) sont choisies dans la liste constituée de Lai- xSrxMnOs, de Lai-xCaxMnO3, de Cai-xCexMnO3, de BaxSri.xRuOs, de BaPbOs, de LaNiOs, de Lai-xSrxTiO3, de RuOs, d’oxyde d’indium et d’étain conducteur, de TiN, de Pt, de Au et de Pd, x étant une variable comprise entre 0 et 1 .
12. Mémoire (10) comportant une jonction tunnel (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 .
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WO2015015007A1 (fr) * 2013-08-01 2015-02-05 Thales Dispositif memoire avec skyrmions magnetiques et procede associe

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