WO2023148196A1 - Transistor non-volatil à effet de champ à base de gaz bidimensionnel d'électrons - Google Patents

Transistor non-volatil à effet de champ à base de gaz bidimensionnel d'électrons Download PDF

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WO2023148196A1
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remanent
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volatile
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layer
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PCT/EP2023/052391
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Cécile Grezes
Jean-Philippe ATTANE
Manuel Bibes
Laurent Vila
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Grenoble Alpes
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a non-volatile two-dimensional electron gas field effect transistor.
  • a field-effect transistor is often referred to by the acronym FET, which refers to the corresponding English name of “Field-Effect Transistor”. Such a transistor is often used as a switch or an amplifier.
  • a field-effect transistor is a unipolar device with three terminals (drain, source and gate) based on the action of an electric field on the conductivity of a channel located between the drain and the source.
  • the carriers, electrons or holes are free to move between the source and the drain under the action of a voltage applied between these two terminals.
  • the conductance of the channel is controlled by applying a voltage to the gate.
  • Many types of field effect transistors exist depending on the nature of the carrier (electron or hole) or the nature of the electrical control exerted on the channel.
  • Field-effect transistors are currently constructed using various semiconductor materials, including mostly single-crystal silicon-based materials. Other materials are nevertheless used, such as amorphous silicon, polycrystalline silicon, gallium arsenide or gallium nitride.
  • a power supply makes it possible to maintain the on state (i.e. non-zero channel conductivity) or off state (zero channel conductivity) of the transistor, since this state depends on the voltage applied to the grid.
  • This state is volatile: if the power supply is cut, the voltage applied to the gate necessarily becomes zero, and the state is not preserved. Applying a voltage constantly to maintain the memory state results in the consumption of power to maintain the state of the transistor. This consumption is said to be static because it is linked to the appearance of leakage currents, and not to the dynamic process of writing or reading the memory.
  • Non-volatile field effect transistors therefore able to maintain the state of the transistor in the absence of electrical power, makes it possible to eliminate the consumption of static energy, and therefore to reduce energy consumption.
  • Non-volatility can also make it possible to consider a transistor with additional functionalities, such as a memory function or a logic calculation function.
  • Fe-FET ferroelectric field effect transistor
  • the Fe-FET comprises a ferroelectric element between the gate and the drain-source channel making it possible to maintain the on or off state in the absence of electrical power.
  • Known Fe-FET transistors suffer in particular from limited endurance and contrast between the on state and the off state (sometimes referred to as “ON/OFF contrast”).
  • the description describes a non-volatile field effect transistor, the transistor comprising a first electrode called gate electrode comprising a first contact, a second electrode called source, the source comprising a second contact, a third electrode called drain , the drain comprising a third contact, a channel between the drain and the source, the channel consisting of a two-dimensional electron gas, a remanent state subassembly, the remanent state subassembly having at least two states electrically controllable remanent states, the subassembly with remanent states being in contact with the channel, the subassembly with remanent states comprising at least one layer of oxide, and a reducing layer made of at least one reducing material of the metal type, each reducing material of the metal type having an atomic concentration of metallic elements greater than or equal to 50%.
  • the first electrode is in contact with the subassembly with remanent states and the application of a voltage between the first contact and a contact among the second contact and the third contact causes a non-volatile modulation of the conductivity of the two-dimensional gas constituting the canal.
  • the reducing layer makes it possible to create the two-dimensional gas of electrons forming the channel at the interface between the reducing layer and the subassembly with remanent states.
  • the non-volatile transistor has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the reducing layer makes it possible to create the two-dimensional gas constituting the channel at the interface between the reducing layer and the remanent state subassembly.
  • the reducing layer is a monolayer of metal-type reducing material or a multilayer of metal-type reducing materials, this or these reducing materials each having an atomic concentration of metallic elements greater than or equal to 50%.
  • the sub-assembly with remanent states comprises at least one non-volatile dielectric layer or multilayer with electrical control, by ferroelectric effect, by trapped charge effect, by ion migration effect or by combination of several of these effects.
  • each metal-type reducing material has an atomic concentration of metallic elements greater than or equal to 80%.
  • each metallic element is chosen from the list consisting of aluminium, tantalum, yttrium, magnesium and ruthenium.
  • the reducing layer has a thickness less than or equal to 15 nanometers and preferably less than or equal to 10 nanometers.
  • the transistor comprises a substrate on which rests the drain, the source and the reducing layer, the reducing layer, the channel and the sub-assembly with remanent states forming in this order a stack, and the first electrode rests on the sub-assembly in remanent states.
  • the sub-assembly with remanent states rests on the first electrode, the drain, the channel and the source rest on the sub-assembly with remanent states, and the reducing layer is placed on the channel.
  • the non-volatile transistor further comprises a protective layer on the reducing layer.
  • the subassembly with remanent states comprises a layer chosen from an oxide layer of perovskite oxides, an oxide layer of (Hfi. x Zr x )02, x varying between 0 and 1, optionally doped, and a layer poly(vinylidene fluoride).
  • the transistor comprises a read unit, the read unit comprising a sub-unit for applying a voltage between the drain and the source and a sub-unit for measuring the current between the drain and the source.
  • the source and the drain are in contact with the ends of the channel.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an example of a non-volatile two-dimensional electron gas field effect transistor
  • FIG. 2 is a schematic representation of another example of a non-volatile two-dimensional electron gas field effect transistor
  • FIG. 3 is a graph showing the dependence of the resistance between two contacts as a function of an applied voltage
  • - Figure 4 is a graph illustrating the current-voltage characteristic of an example of a transistor in the on and off states
  • - Figure 5 is a schematic representation of an example of a transistor with its read and write units.
  • a transistor 10 is shown in Figures 1 and 2.
  • Transistor 10 is a non-volatile field-effect transistor.
  • Transistor 10 comprises three electrodes, a first electrode called gate electrode 12 comprising a first contact C1, a second electrode 14 called source 14 and comprising a second contact C2 and a third electrode 16 called drain 16 and comprising a third contact C3.
  • Electrodes are advantageously metallic in nature, or made of a heavily doped semiconductor material.
  • Transistor 10 also comprises a sub-assembly with remanent states 18, a channel 20 constituted by a two-dimensional gas of electrons and located between drain 16 and source 14 and a reducing layer 22.
  • transistor 10 also includes a read unit 40 and a write unit 42.
  • the read unit 40 also includes a voltage application sub-unit 44 and a current measurement sub-unit 46.
  • the layers of a stack are layers stacked along a stacking direction.
  • the relative notions of bottom and top with respect to the stacking direction are also defined.
  • a layer is located lower than another layer if it is lower in the representation on the sheet in Figure 1.
  • the non-volatile transistor 10 comprises a substrate 24 on which rests the drain 16, the source 14 and a stack 26 of layers, comprising the reducing layer 22, the channel 20 and the subassembly with remanent states 18, stacked in this order when the stack 26 is traversed from the bottom to the top (the bottom corresponding to the substrate in this case).
  • the thickness of a layer is defined as the dimension along the stacking direction of the layer, i.e. the distance between its two faces.
  • the gate electrode 12 is in contact with the remanent state subassembly 18.
  • the order of the layers of the stack 26 can be reversed as shown in figure 2.
  • the remanent state subassembly 18 rests on the gate electrode 12.
  • the drain 16, the channel 20 and the source 14 rest on the remanent state subassembly 18.
  • the channel 20 and the reducing layer 22 form a stack 28 in this order by traversing the stack 28 from the bottom upwards.
  • the stack 28 comprises a protective layer 30 resting on the reducing layer 22.
  • the protective layer 30 is made of insulating materials, characterized by zero or almost zero conductance, and making it possible to protect the stack 28, in particular from oxidation.
  • the protective layer 30 is, for example, SiOs.
  • the source 14 and the drain 16 are in contact with a respective end of the channel 20.
  • the remanent state subassembly 18 is characterized by a non-linear relationship between the applied voltage and the apparent stored charge following a hysteresis cycle, and giving rise to at least two remanent states.
  • the subassembly with remanent states 18 is a dielectric layer or a stack of non-volatile dielectric layers electrically controlled by ferroelectric effect, by trapped charge effect, by ion migration effect or by combination of several of these effects.
  • the remanent states correspond to variations in the ferroelectric polarization, in the amount of trapped charges, or in the positions of the ions, or combinations of these variations.
  • the subassembly comprises at least one oxide layer made of a material chosen from perovskite oxides, or oxides based on HfOs, possibly doped with other elements, such as (Hfi. x Zr x ) 02 or (Hfi. x Ga x )C>2 (x varying between 0 and 1), or their alloys, or poly(vinylidene fluoride).
  • a material chosen from perovskite oxides, or oxides based on HfOs possibly doped with other elements, such as (Hfi. x Zr x ) 02 or (Hfi. x Ga x )C>2 (x varying between 0 and 1), or their alloys, or poly(vinylidene fluoride).
  • Perovskite oxides exhibit an ABO3 type structure where A and B are cations.
  • [1 -x]Pb(Mgi / 3 Nb2/3)O3 - xPbTiOs with x varying between 0 and 1) are examples of such materials.
  • BiFeOs possibly doped, for example with rare earths on the Bi site, or with Mn on the Fe site
  • SrTiOs possibly doped
  • KTiOs are examples of such materials.
  • Pro 2 Cao 2 MnOs (optionally doped) or YMnOs (optionally doped) are examples of such materials.
  • the use of the dielectric material to produce the sub-assembly with remanent states 18 makes it possible to electrically control in a non-volatile manner the conductivity of the channel 20.
  • the existence of the remanent states comes from a ferroelectric effect, a trapped charge effect, an ion migration effect or a combination of several of these effects.
  • the predominant effect depends on the materials and the deposition conditions of the layers constituting the subassembly with remanent states 18.
  • the coercive electric field of the dielectric element and its thickness are sufficiently weak so that the writing device 14 can write the remanent states at voltages compatible with microelectronic technologies, that is to say voltages below 10 volts ( ⁇ 10 V).
  • a thickness of less than 100 nm and advantageously less than 50 nm in the aforementioned materials makes it possible to obtain such properties.
  • the subassembly with remanent states 18 is also enduring to cycling, typically capable of withstanding at least 10 4 cycles.
  • the channel 20 is constituted by a two-dimensional gas of electrons, that is to say a confined gas of electrons which forms at the interface between two layers, whereas it does not exist in the volume of the materials. taken separately.
  • the channel 20 is therefore an electron gas forming at the interface between the sub-assembly with remanent states 18 and the reducing layer 22. It comprises a present high density of carriers (typically greater than or equal to 10 10 cm' 2 ). The confinement is such that it can be considered that this gas is two-dimensional, only the vicinity of the interface being conductive.
  • the reducing layer 22 makes it possible to create the two-dimensional gas of electrons forming the channel at the interface between the reducing layer 22 and the remanent state subassembly 18.
  • the reducing layer 22 is made of a reducing material having an atomic concentration of metallic elements greater than or equal to 50%, preferably greater than or equal to 80%.
  • the atomic concentration is the ratio between the number of atoms of metallic elements and the total number of atoms.
  • the reducing layer 22 is a reducing layer that can be described as metal type.
  • each metallic element of the reducing layer 22 is chosen from among Al, Ta, Ru, Pt, W, Ir, Mo, Ti, Y, Au, or an alloy of these elements such as PtW.
  • each metallic element is chosen from the list consisting of Mg, Al, Ti, V, Ni, Cr, Mn, Cu, Mo, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Ht, Ta, W, Ir, Bi, Co, Y, Pt, W, Au and Fe or an alloy of these elements.
  • each metallic element is chosen from the list consisting of aluminium, tantalum, yttrium, magnesium and ruthenium.
  • the reducing layer 22 is a multilayer.
  • each layer of said multilayer has, here again, an atomic concentration of metallic elements greater than or equal to 50%, preferably greater than or equal to 80%.
  • the reducing layer 22 allows the formation of the two-dimensional gas of electrons in contact with the subassembly with remanent states 18.
  • the channel 20 formed by a two-dimensional gas of electrons is very different from the channel of a conventional transistor field effect, in which there is no reducing layer.
  • the carriers appear reversibly in the semiconductor material (generally in doped Si), by application of a gate voltage creating an electrostatic field.
  • the reducing layer 22 has a thickness less than or equal to 15 nanometers (nm).
  • the thickness of the reducing layer 22 is preferably chosen so that it is completely oxidized by bringing it into contact with the remanent state subassembly 18, so that its conductivity is as low as possible.
  • the source 14 and the drain 16 are in contact with a respective end of the channel 20, and thus electrically connected to each other via this channel 20.
  • Each of the electrodes 12, 14 and 16 are preferably made of metallic conductive material or doped semiconductor, so as to have a high conductivity.
  • transistor 10 is now described with reference to Figures 3 and 4.
  • the subassembly with remanent states 18 has two states denoted A and B.
  • FIG. 3 shows the dependence of the resistance between the second contact C2 and the third contact C3 as a function of the voltage applied between the first contact C1 and the second contact C2 (gate voltage V g ). It is clearly observed that the variation in conductivity of channel 20 as a function of the gate voltage exhibits a hysteresis, corresponding to the 2 remanent states A and B of the subassembly.
  • writing is performed by the writing unit by applying a voltage between the first contact C1 and the second contact C2.
  • Writing could also be done by replacing the second contact C2 with the third contact C3.
  • the conductivity of the channel 20 is here modulated in a non-volatile manner as a function of the remanent state of the subassembly with remanent states 18 by the application of a voltage between the first contact C1 and the second contact C2.
  • the application of a negative voltage between the first contact C1 and the second contact C2 initializes the remanent state subassembly 18 in the remanent state A, resulting in a low conductivity of the channel 20.
  • the application of a positive voltage induces a strong conductivity of the channel 20, corresponding to the remanent state B of the subset with remanent states 18.
  • the sign of the voltages giving the remanent states of high and low resistance can be reversed.
  • it may be the application of a positive voltage between the first contact C1 and the second contact C2 which results in a remanent state with low conductivity of the channel 20.
  • it is the application of a voltage negative which will induce a remanent state corresponding to a strong conductivity of the channel 20.
  • the read unit 40 non-destructively reads the remanent state by applying a voltage between the second contact C2 and the third contact C3 using the voltage application sub-unit 44 and measuring the resulting current between these two contacts C2 and C3 using the measurement subunit 46.
  • the current-voltage characteristic between the second contact C2 and the third contact C3 which corresponds to the output characteristic of the transistor 10, is thus controlled by the remanent state of the remanent state subassembly 18.
  • the voltage application subunit 44 applies a voltage between the first contact C1 and the second contact C2 so as to obtain any state of the hysteresis cycle.
  • Channel 20 conductivity can take more than two states, and thus be used to encode analog, non-binary information, such as a synaptic weight in a neural network for artificial intelligence.
  • the transistor 10 which has just been described is a non-volatile field-effect transistor based on a channel 20 of two-dimensional electron gas at the interface between an oxide layer and a reducing layer 22 of the metal type. It is the association of an oxide layer of the sub-assembly with remanent states 18 with the reducing layer 22 which makes it possible to carry out a non-volatile control of the conductivity of the channel 20.
  • the presence of an assembly formed by the oxide layer, the two-dimensional electron gas and the reducing layer 22 makes it possible, with respect to non-volatile field effect transistors of the state of the art, to optimize the conductivity of the channel 20, to obtain better endurance, and an improved contrast between the on state and the non-on state.

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Abstract

La présente invention concerne un transistor (10) non-volatil à effet de champ comprenant: - une électrode de grille comportant un premier contact (C1), - une source (14) comprenant un deuxième contact (C2), - un drain (16) comportant un troisième contact (C3), - un canal (20) entre le drain (16) et la source (14) constitué d'un gaz bidimensionnel d'électrons, - un sous-ensemble à états rémanents (18) présentant deux états rémanents contrôlables électriquement comportant au moins une couche d'oxyde, et - une couche réductrice (22) réalisée en au moins un matériau réducteur de type métal présentant une concentration atomique en éléments métalliques supérieure à 50%, l'application d'une tension entre le premier contact (C1) et un autre contact (C2, C3) entraînant une modulation non-volatile de la conductivité du gaz bidimensionnel.

Description

Transistor non-volatil à effet de champ à base de gaz bidimensionnel d’électrons
La présente invention concerne un transistor non-volatil à effet de champ à gaz bidimensionnel d’électrons.
Un transistor à effet de champ est souvent désigné par l’acronyme FET qui renvoie à la dénomination anglaise correspondante de « Field-Effect Transistor ». Un tel transistor est souvent utilisé comme commutateur ou amplificateur.
Un transistor à effet de champ est un dispositif unipolaire à trois terminaux (drain, source et grille) reposant sur l'action d'un champ électrique sur la conductivité d’un canal situé entre le drain et la source. Dans le canal, les porteurs, électrons ou trous, sont libres de se mouvoir entre la source et le drain sous l’action d’une tension appliquée entre ces deux terminaux. Le contrôle de la conductance du canal se fait par l’application d’une tension sur la grille. De nombreux types de transistors à effet de champ existent selon la nature du porteur (électron ou trou) ou la nature du contrôle électrique exercé sur le canal.
Les transistors à effet de champs sont actuellement construits à l’aide de divers matériaux semi-conducteurs, dont surtout des matériaux à base de silicium monocristallin. D’autres matériaux sont néanmoins utilisés, tels que le silicium amorphe, le silicium polycristallin, l’arséniure de gallium ou le nitrure de gallium.
Dans un transistor FET, une alimentation électrique permet de maintenir l’état passant (c’est-à-dire une conductivité du canal non nulle) ou non-passant (conductivité du canal nulle) du transistor, puisque cet état dépend de la tension appliquée à la grille. Cet état est volatil : si l’alimentation est coupée, la tension appliquée sur la grille devient nécessairement nulle, et l’état n’est pas conservé. L’application d’une tension de manière constante pour conserver l’état mémoire entraîne une consommation d’énergie pour maintenir l’état du transistor. Cette consommation est dite statique car elle est liée à l’apparition de courants de fuite, et non au processus dynamique d’écriture ou de lecture de la mémoire.
La création de transistors non-volatils à effet de champ, donc capables de maintenir l’état du transistor en l’absence d’alimentation électrique, permet d’éliminer la consommation d’énergie statique, et donc de réduire la consommation d’énergie. La non- volatilité peut également permettre d’envisager un transistor avec des fonctionnalités supplémentaires, comme une fonction mémoire ou une fonction de calcul logique.
Plusieurs transistors non-volatils à effet de champ ont été proposés, basés sur des transistors semiconducteurs. En particulier, des travaux portent sur le développement du transistor à effet de champ ferroélectrique, plus souvent désigné sous l’abréviation Fe-FET qui renvoie à la dénomination anglaise correspondante de « Ferroelectric Field-Effect Transistor». Le Fe-FET comprend un élément ferroélectrique entre la grille et le canal drain- source permettant de maintenir l’état passant ou non-passant en l’absence d’alimentation électrique.
Les transistors Fe-FET connus souffrent notamment d’une endurance et d’un contraste entre l’état passant et l’état non-passant (parfois désigné sous l’appellation « contraste ON/OFF ») limités.
Il existe donc un besoin pour un transistor non-volatil présentant une meilleure endurance et un contraste amélioré entre l’état passant et l’état non-passant.
A cet effet, la description décrit un transistor non-volatil à effet de champ, le transistor comprenant une première électrode dite électrode de grille comportant un premier contact, une deuxième électrode dite source, la source comprenant un deuxième contact, une troisième électrode dite drain, le drain comportant un troisième contact, un canal entre le drain et la source, le canal étant constitué d’un gaz bidimensionnel d’électrons, un sous- ensemble à états rémanents, le sous-ensemble à états rémanents présentant au moins deux états rémanents contrôlables électriquement, le sous-ensemble à états rémanents étant en contact avec le canal, le sous-ensemble à états rémanents comportant au moins une couche d’oxyde, et une couche réductrice réalisée en au moins un matériau réducteur de type métal, chaque matériau réducteur de type métal présentant une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 50%. La première électrode est en contact avec le sous-ensemble à états rémanents et l’application d’une tension entre le premier contact et un contact parmi le deuxième contact et le troisième contact entraîne une modulation non-volatile de la conductivité du gaz bidimensionnel constituant le canal.
La couche réductrice permet de créer le gaz bidimensionnel d’électrons formant le canal à l’interface entre la couche réductrice et le sous-ensemble à états rémanents.
Selon des modes de réalisation particuliers, le transistor non-volatil présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la couche réductrice permet de créer le gaz bidimensionnel constituant le canal à l’interface entre la couche réductrice et le sous-ensemble à états rémanents.
- la couche réductrice est une monocouche de matériau réducteur de type métal ou un multicouche de matériaux réducteurs de type métal, ce ou ces matériaux réducteurs présentant chacun une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 50%.
- le sous-ensemble à états rémanents comprend au moins une couche ou multicouche diélectrique non-volatile à contrôle électrique, par effet ferroélectrique, par effet de charge piégée, par effet de migration d’ions ou par combinaison de plusieurs de ces effets.
- chaque matériau réducteur de type métal présente une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 80%.
- chaque élément métallique est choisi dans la liste constituée de l’aluminium, du tantale, de l’yttrium, du magnésium et du ruthénium.
- la couche réductrice présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres et de préférence inférieure ou égale à 10 nanomètres.
- le transistor comporte un substrat sur lequel repose le drain, la source et la couche réductrice, la couche réductrice, le canal et le sous-ensemble à états rémanents formant dans cet ordre un empilement, et la première électrode repose sur le sous- ensemble à états rémanents.
- le sous-ensemble à états rémanents repose sur la première électrode, le drain, le canal et la source reposent sur le sous-ensemble à états rémanents, et la couche réductrice est disposée sur le canal.
- le transistor non-volatil comporte, en outre, une couche de protection sur la couche réductrice.
- le sous-ensemble à états rémanents comporte une couche choisie parmi une couche d’oxyde en oxydes pérovskites, une couche d’oxyde en (Hfi.xZrx)02, x variant entre 0 et 1 , éventuellement dopée, et une couche en poly(fluorure de vinylidène).
- le transistor comporte une unité de lecture, l’unité de lecture comportant une sous- unité d’application d’une tension entre le drain et la source et une sous-unité de mesure du courant entre le drain et la source.
- la source et le drain sont en contact avec les extrémités du canal.
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 transistor non volatil à effet de champ à gaz bidimensionnel d’électrons,
- la figure 2 est une représentation schématique d’un autre exemple de transistor non volatil à effet de champ à gaz bidimensionnel d’électrons,
- la figure 3 est un graphe montrant la dépendance de la résistance entre deux contacts en fonction d’une tension appliquée,
- la figure 4 est un graphe illustrant la caractéristique courant-tension d’un exemple de transistor dans les états passants et non-passants, et - la figure 5 est une représentation schématique d’un exemple de transistor avec ses unités de lecture et d’écriture.
Un transistor 10 est illustré sur les figures 1 et 2.
Le transistor 10 est un transistor non-volatil à effet de champ.
Le transistor 10 comporte trois électrodes, une première électrode dite électrode de grille 12 comportant un premier contact C1 , une deuxième électrode 14 dite source 14 et comportant un deuxième contact C2 et une troisième électrode 16 dite drain 16 et comportant un troisième contact C3.
Ces électrodes sont avantageusement de nature métallique, ou en matériau semi- conducteur fortement dopé.
Le transistor 10 comporte également un sous-ensemble à états rémanents 18, un canal 20 constitué par un gaz bidimensionnel d’électrons et situé entre le drain 16 et la source 14 et une couche réductrice 22.
Comme visible sur la figure 5, le transistor 10 comporte également une unité de lecture 40 et une unité d’écriture 42.
L’unité de lecture 40 comporte également une sous-unité d’application d’une tension 44 et une sous-unité de mesure du courant 46.
Deux agencements distincts des couches du transistor 10 sont proposés respectivement à la figure 1 et à la figure 2.
Dans la suite, les couches d’un empilement sont des couches empilées selon une direction d’empilement. Il est également défini des notions relatives de bas et de haut par rapport à la direction d’empilement. Une couche est située plus bas qu’une autre couche si elle est plus basse dans la représentation sur la feuille de la figure 1 .
Dans l’exemple de la figure 1 , le transistor 10 non-volatil comporte un substrat 24 sur lequel repose le drain 16, la source 14 et un empilement 26 de couches, comprenant la couche réductrice 22, le canal 20 et le sous-ensemble à états rémanents 18, empilés dans cet ordre lorsque l’empilement 26 est parcouru depuis le bas vers le haut (le bas correspondant au substrat dans ce cas).
Enfin, l’épaisseur d’une couche est définie comme la dimension le long de la direction d’empilement de la couche, c’est-à-dire la distance entre ses deux faces.
L’électrode de grille 12 est en contact avec le sous-ensemble à états rémanents 18.
L’ordre des couches de l’empilement 26 peut être inversé comme le montre la figure 2.
Dans le cas de la figure 2, le sous-ensemble à états rémanents 18 repose sur l’électrode de grille 12. Le drain 16, le canal 20 et la source 14 reposent sur le sous- ensemble à états rémanents 18. Le canal 20 et la couche réductrice 22 forment dans cet ordre un empilement 28 en parcourant l’empilement 28 depuis le bas vers le haut.
En outre, de manière optionnelle, l’empilement 28 comporte une couche de protection 30 reposant sur la couche réductrice 22.
La couche de protection 30 est réalisée en matériaux isolants, caractérisés par une conductance nulle ou quasi nulle, et permettant de protéger l’empilement 28, notamment de l’oxydation.
La couche de protection 30 est, par exemple, en SiOs.
Dans les deux cas illustrés, la source 14 et le drain 16 sont en contact avec une extrémité respective du canal 20.
Le sous-ensemble à états rémanents 18 présente au moins deux états rémanents contrôlables électriquement. Le contrôle électrique est ici obtenu par application d’une tension entre le premier contact C1 et le deuxième ou le troisième contacts C2 ou C3.
Autrement formulé, le sous-ensemble à états rémanents 18 est caractérisé par une relation non-linéaire entre la tension appliquée et la charge stockée apparente suivant un cycle d’hystérésis, et donnant lieu au minimum à deux états rémanents.
Pour cela, le sous-ensemble à états rémanents 18 est une couche diélectrique ou un empilement de couches diélectriques non-volatile à contrôle électrique par effet ferroélectrique, par effet de charge piégée, par effet de migration d’ions ou par combinaison de plusieurs de ces effets. Les états rémanents correspondent à des variations de la polarisation ferroélectrique, de la quantité de charges piégées, ou des positions des ions, ou des combinaisons de ces variations.
Plus précisément, le sous-ensemble comporte au moins une couche d’oxyde réalisée en un matériau choisi parmi les oxydes pérovskites, ou des oxydes basés sur HfOs, possiblement dopé avec d’autres éléments, tels que du (Hfi.xZrx)02 ou du (Hfi.xGax)C>2 (x variant entre 0 et 1 ), ou leurs alliages, ou le poly(fluorure de vinylidène).
Les oxydes pérovskites présentent une structure de type ABO3 où A et B sont des cations. Le BaTiOs, le PZT (c’est-à-dire PbZri.xTixC>3 avec x variant entre 0 et 1 ), le PMN- PT (c’est-à-dire [1 -x]Pb(Mgi/3Nb2/3)O3 - xPbTiOs avec x variant entre 0 et 1 ), le BiFeOs (éventuellement dopé, par exemple en terres rares sur le site du Bi, ou en Mn sur le site du Fe), le SrTiOs (éventuellement dopé), le KTiOs (éventuellement dopé), le ProjCao^MnOs (éventuellement dopé) ou le YMnOs (éventuellement dopé) sont des exemples de tels matériaux.
L’utilisation du matériau diélectrique pour réaliser le sous-ensemble à états rémanents 18 permet de contrôler électriquement de manière non-volatile la conductivité du canal 20. Dans chacun des exemples précédents, l’existence des états rémanents provient d’un effet ferroélectrique, d’un effet de charge piégée, d’un effet de migration d’ions ou d’une combinaison de plusieurs de ces effets. En pratique, l’effet prédominant dépend des matériaux et des conditions de dépôt des couches constituants le sous-ensemble à états rémanents 18. Selon l’exemple décrit, le champ électrique coercitif de l’élément diélectrique et son épaisseur sont suffisamment faibles pour que le dispositif d’écriture 14 puisse écrire les états rémanents à des tensions compatibles avec les technologies microélectronique, c’est-à-dire des tensions inférieures à 10 Volts (<10 V). Une épaisseur inférieure à 100 nm et avantageusement inférieure à 50 nm dans les matériaux précités permet d’obtenir de telles propriétés. Le sous-ensemble à états rémanents 18 est également endurant au cyclage, typiquement capable de supporter au moins 104 cycles.
Le canal 20 est constitué par un gaz bidimensionnel d’électrons, c’est-à-dire un gaz confiné d’électrons qui se forme à l’interface entre deux couches, alors qu’il n’existe pas dans le volume des matériaux pris séparément.
Le canal 20 est donc un gaz d’électrons se formant à l’interface entre le sous- ensemble à états rémanents 18 et la couche réductrice 22. Il comporte une présente une forte densité de porteurs (typiquement supérieure ou égale à 1010 cm'2). Le confinement est tel qu’il peut être considéré que ce gaz est bidimensionnel, seul le voisinage de l’interface étant conducteur.
Le gaz d’électron du canal 20 étant créé à l’interface entre le sous-ensemble à états rémanents 18 et la couche réductrice 22, ses propriétés et notamment sa résistance dépendent directement de l’état du sous-ensemble à états rémanents 18. La résistance du gaz bidimensionnel d’électrons et donc du canal 20 est donc modulable électriquement de manière non-volatile selon l’état du sous-ensemble à états rémanents 18. Il est ainsi possible de moduler la résistance du canal 20 en choisissant l’état rémanent du sous- ensemble à états rémanents 18.
La couche réductrice 22 permet de créer le gaz bidimensionnel d’électrons formant le canal à l’interface entre la couche réductrice 22 et le sous-ensemble à états rémanents 18.
La couche réductrice 22 est réalisée en un matériau réducteur présentant une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 50%, de préférence supérieure ou égale à 80%.
Par définition, la concentration atomique est le rapport entre le nombre d’atomes d’éléments métalliques et le nombre d’atomes total.
En ce sens, la couche réductrice 22 est une couche réductrice que l’on peut qualifier de type métal. A titre d’exemple particulier, chaque élément métallique de la couche réductrice 22 est choisi parmi Al, Ta, Ru, Pt, W, Ir, Mo, Ti, Y, Au, ou un alliage de ces éléments tel que PtW.
D’autres éléments métalliques sont envisageables comme le Mg, Cr, Mn, Cu, Pd, Ag, Ht, Bi, Co et Fe.
Ainsi, chaque élément métallique est choisi dans la liste constituée de Mg, Al, Ti, V, Ni, Cr, Mn, Cu, Mo, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Ht, Ta, W, Ir, Bi, Co, Y, Pt, W, Au et Fe ou un alliage de ces éléments.
De préférence, chaque élément métallique est choisi dans la liste constituée de l’aluminium, du tantale, de l’yttrium, du magnésium et du ruthénium.
En variante, la couche réductrice 22 est une multicouche. Dans ce cas, chaque couche de la dite multicouche possède, là encore, une concentration atomique en éléments métallique supérieure ou égale à 50%, de préférence supérieure ou égale à 80%.
La couche réductrice 22 permet la formation du gaz bidimensionnel d’électrons au contact avec le sous-ensemble à états rémanents 18. En ce sens, le canal 20 formé par un gaz bidimensionnel d’électrons est bien différent du canal d’un transistor classique à effet de champ, dans lequel il n’y a pas de couche réductrice. Egalement, dans le canal d’un transistor classique à effet de champ, les porteurs apparaissent de manière réversible dans le matériau semiconducteur (en général en Si dopé), par application d’une tension de grille créant un champ électrostatique.
La couche réductrice 22 présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres (nm).
Cela permet que la couche réductrice 22, partiellement ou complètement oxydée au contact du sous-ensemble à états rémanents 18, présente une conductivité plus faible que celle du gaz bidimensionnel d’électrons. L’épaisseur de la couche réductrice 22 est de préférence choisie de manière à ce qu’elle soit complètement oxydée par mise en contact avec le sous-ensemble à états rémanents 18, de manière à ce que sa conductivité soit la plus faible possible.
Comme indiqué précédemment, la source 14 et le drain 16 sont en contact avec une extrémité respective du canal 20, et ainsi connectés électriquement l’une à l’autre via ce canal 20.
Chacune des électrodes 12, 14 et 16 sont de préférence réalisées en matériau conducteur métallique ou semi-conducteur dopé, de manière à présenter une conductivité élevée.
Le fonctionnement du transistor 10 est maintenant décrit en référence aux figures 3 et 4. Dans un premier exemple de fonctionnement, le sous-ensemble à états rémanents 18 présente deux états notés A et B.
Cela apparaît notamment sur la figure 3, qui présente la dépendance de la résistance entre le deuxième contact C2 et le troisième contact C3 en fonction de la tension appliquée entre le premier contact C1 et le deuxième contact C2 (tension de grille Vg). Il est bien observé que la variation de conductivité du canal 20 en fonction de la tension de grille présente une hystérésis, correspondant aux 2 états rémanents A et B du sous-ensemble.
Selon ce premier exemple de fonctionnement, l’écriture est réalisée par l’unité d’écriture en appliquant une tension entre le premier contact C1 et le deuxième contact C2.
L’écriture pourrait également être réalisée en remplaçant le deuxième contact C2 par le troisième contact C3.
Du point de vue physique, la conductivité du canal 20 est ici modulée de manière non-volatile en fonction de l’état rémanent du sous-ensemble à états rémanents 18 par l’application d’une tension entre le premier contact C1 et le deuxième contact C2.
Dans cet exemple de fonctionnement, l’application d’une tension négative entre le premier contact C1 et le deuxième contact C2 initialise le sous-ensemble à états rémanents 18 dans l’état rémanent A, résultant en une faible conductivité du canal 20. Inversement, l’application d’une tension positive induit une forte conductivité du canal 20, correspondant à l’état rémanent B du sous-ensemble à états rémanents 18.
Selon le matériau utilisé, le signe des tensions donnant les états rémanents de haute et basse résistances peut être inversé. Ainsi, ce peut être l’application d’une tension positive entre le premier contact C1 et le deuxième contact C2 qui résulte dans un état rémanent à faible conductivité du canal 20. Dans ce cas, c’est l’application d’une tension négative qui induira un état rémanent correspondant à une forte conductivité du canal 20.
Dans ce premier exemple de fonctionnement, l’unité de lecture 40 lit de manière non-destructive l’état rémanent en appliquant une tension entre le deuxième contact C2 et le troisième contact C3 en utilisant la sous-unité d’application d’une tension 44 et en mesurant le courant résultant entre ces deux contacts C2 et C3 à l’aide de la sous-unité de mesure 46.
La caractéristique courant - tension entre le deuxième contact C2 et le troisième contact C3 qui correspond à la caractéristique de sortie du transistor 10, est ainsi contrôlée par l’état rémanent du sous-ensemble à états rémanents 18.
Cette caractéristique est représentée sur la figure 4.
Dans un deuxième exemple de fonctionnement, la sous-unité d’application d’une tension 44 applique une tension entre le premier contact C1 et le deuxième contact C2 de manière à obtenir un état quelconque du cycle d’hystérésis. La conductivité du canal 20 peut prendre plus de deux états, et servir ainsi à coder une information analogique, non binaire, telle qu’un poids synaptique dans un réseau de neurones pour l’intelligence artificielle.
Le transistor 10 qui vient d’être décrit est un transistor non-volatil à effet de champ à base de canal 20 de gaz bidimensionnel d’électrons à l’interface entre une couche d’oxyde et une couche réductrice 22 de type métal. C’est l’association d’une couche oxyde du sous-ensemble à états rémanents 18 avec la couche réductrice 22 qui permet de réaliser un contrôle non-volatil de la conductivité du canal 20.
Cela permet d’éviter d’utiliser un élément ferroélectrique additionnel au-dessus de la structure, puisque la combinaison du sous-ensemble à états rémanents 18 et de la couche réductrice 22 permet de créer à la fois le gaz bidimensionnel d’électrons et les états rémanents.
Par ailleurs, la présence d’un ensemble formé par la couche d’oxyde, le gaz bidimensionnel d’électrons et la couche réductrice 22 permet, par rapport aux transistors non-volatils à effet de champ de l’état de l’art, d’optimiser la conductivité du canal 20, d’obtenir une meilleure endurance, et un contraste amélioré entre l’état passant et l’état non-passant. Les performances obtenues grâce au canal 20 en gaz bidimensionnel d’électrons, créé par utilisation d’une couche réductrice formée selon des procédés classiques de microélectronique tels que la pulvérisation cathodique, permettent de rendre le transistor 10 adapté à une exploitation industrielle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Transistor (10) non-volatil à effet de champ, le transistor (10) comprenant :
- une première électrode (12) dite électrode de grille comportant un premier contact (C1),
- une deuxième électrode (14) dite source (14), la source (14) comprenant un deuxième contact (C2),
- une troisième électrode (16) dite drain (16), le drain (16) comportant un troisième contact (C3),
- un canal (20) entre le drain (16) et la source (14), le canal (20) étant constitué d’un gaz bidimensionnel d’électrons,
- un sous-ensemble à états rémanents (18), le sous-ensemble à états rémanents (18) présentant au moins deux états rémanents contrôlables électriquement, le sous-ensemble à états rémanents (18) étant en contact avec le canal (20), le sous- ensemble à états rémanents (18) comportant au moins une couche d’oxyde, et
- une couche réductrice (22) permettant de créer le gaz bidimensionnel constituant le canal (20) à l’interface entre la couche réductrice (22) et le sous-ensemble à états rémanents (18), la couche réductrice (22) étant réalisée en au moins un matériau réducteur de type métal, chaque matériau réducteur de type métal présentant une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 50%, la première électrode (12) étant en contact avec le sous-ensemble à états rémanents (18) et l’application d’une tension entre le premier contact (C1) et un contact parmi le deuxième contact (C2) et le troisième contact (C3) entraînant une modulation non-volatile de la conductivité du gaz bidimensionnel constituant le canal (20).
2. Transistor non-volatil selon la revendication 1 , dans lequel la couche réductrice (22) est une monocouche de matériau réducteur de type métal ou un multicouche de matériaux réducteurs de type métal, ce ou ces matériaux réducteurs présentant chacun une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 50%.
3. Transistor non-volatil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le sous-ensemble à états rémanents (18) comprend au moins une couche ou multicouche diélectrique nonvolatile à contrôle électrique, par effet ferroélectrique, par effet de charge piégée, par effet de migration d’ions ou par combinaison de plusieurs de ces effets.
4. Transistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque matériau réducteur de type métal présente une concentration atomique en éléments métalliques supérieure ou égale à 80%.
5. Transistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque élément métallique est choisi dans la liste constituée de Mg, Al, Ti, V, Ni, Cr, Mn, Cu, Mo, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Ht, Ta, W, Ir, Bi, Co, Y, Pt, W, Au et Fe ou un alliage de ces éléments.
6. Transistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque élément métallique est choisi dans la liste constituée de l’aluminium, du tantale, de l’yttrium, du magnésium et du ruthénium.
7. Transistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la couche réductrice (22) présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres et de préférence inférieure ou égale à 10 nanomètres.
8. Transistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel :
- le transistor (10) comporte un substrat (24) sur lequel repose le drain (16), la source (14) et la couche réductrice (22),
- la couche réductrice (22), le canal (20) et le sous-ensemble à états rémanents (18) formant dans cet ordre un empilement, et
- la première électrode (12) repose sur le sous-ensemble à états rémanents (18).
9. Transistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel :
- le sous-ensemble à états rémanents (18) repose sur la première électrode (12),
- le drain (16), le canal (20) et la source (14) reposent sur le sous-ensemble à états rémanents (18), et
- la couche réductrice (22) est disposée sur le canal (20).
10. Transistor non-volatil selon la revendication 9, comportant, en outre, une couche de protection (30) sur la couche réductrice (22).
11. Transistor non-volatil l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le sous-ensemble à états rémanents (18) comporte une couche choisie parmi : - une couche d’oxyde en oxydes pérovskites,
- une couche d’oxyde en (Hfi.xZrx)O2, x variant entre 0 et 1 , éventuellement dopée, et
- une couche en poly(fluorure de vinylidène).
12. T ransistor non-volatil selon l’une quelconque des revendications 1 à 1 1 , dans lequel le transistor (10) comporte une unité de lecture, l’unité de lecture comportant une sous-unité d’application d’une tension entre le drain (16) et la source (14) et une sous-unité de mesure du courant entre le drain (16) et la source (14).
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