Projet ANR-14-CE26-0009 – Spinapse : Spinapses OptoElectroniques Interconnectées
Programme : Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques (DS0710)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Martin Bowen (Institut de Physique et Chimie des Materiaux de Strasbourg)
Partenaires : MESA+ Faculty of Science and Technology and MESA+ Institute for Nanotechnology; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 521924.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Tirer profit de défauts dans un matériau afin d’étendre les fonctionnalités d’un dispositifLes lacunes d’oxygène dans la barrière oxyde d’une jonction tunnel magnétique (MTJ) induisent des états au sein de ce diélectrique. Ceci modifie le transport d’électrons polarisés en spin. Afin de façonner le dispositif, ces états peuvent être dynamiquement chargés/déchargés électriquement, ainsi que le neurone façonne la transmission électrique d’une synapse, mais aussi optiquement. Nous explorerons comment modifier temporellement l’état d’une MTJ au moyen de pulses électriques/optiques.
Peut-on maîtriser l’interaction dynamique entre l’activité électrique/optique des lacunes d’oxygène de la barrière et le transport tunnel polarisé en spin/symétrie ?Les implémentations matérielles actuelles de dispositifs agissant comme une synapse artificielle utilisent typiquement un stimulus afin de façonner l’état du dispositif. Ce stimulus est en général électrique. Promouvoir une réponse multi-stimuli/multi-réponse, ce qui permettrait de reproduire la complexité du réseau neuronal d’un véritable cerveau, requiert un stimulus supplémentaire. Un objectif principal du projet est de démontrer que ceci est possible au sein d’un dispositif d’électronique d’avant-garde : la jonction tunnel magnétique (MTJ). Les applications industrielles des MTJs concernent par exemple les têtes de lecture de disques durs et des solutions de mémoire avancées appelées MRAM.Dépendre des lacunes d’oxygène présentes au sein de la couche diélectrique active du dispositif est une stratégie porteuse sur le long terme. 1) Elle témoigne du rôle dominant que les défauts joueront au sein de dispositif nano-échelle. 2) Elle permet à ces dispositifs de développer des fonctionnalités supplémentaires. Un but principal du projet Spinapse est de démontrer ce paradigme dans le contexte de créer un nouvelle gamme matérielle de synapses artificielles qui combinent des stimuli et réponses électriques/optiques. Les résultats de cette recherche serviront à de futurs efforts vers leur intégration en réseaux neuronaux qui, en simulant ceux dans la nature, seront d’autant plus efficaces.
Croissance d’heterostructures (pulvérisation, ablation laser), photoluminescence, techniques de salle blanche, mesures dynamiques multifonctionnelles (statique : T, H ; dynamique : V, lumière in/out).La croissance des heterostructures est réalisée soit par pulvérisation cathodique, soit par ablation laser. Les propriétés structurales, électroniques et magnétique sont ensuite caractérisées en utilisant, par exemple, des techniques de microscopie à force atomique, de photoluminescence et de magnétométrie. Nous œuvrons au contrôle de la nature et la densité de défauts au sein de la barrière tunnel.Les échantillons sont ensuite façonnés en dispositifs grâce à des techniques de salle blanche (lithographie UV, gravure sèche Ar, encapsulation diélectrique, gravure ionique réactive, dépôt de contacts électriques). Une fois les dispositifs connectes électriquement sur un porte-échantillon, les mesures multifonctionnelles peuvent démarrer.Puisque cette recherche est à caractère exploratoire, il n’existe pas de protocole unique à implémenter. Nous sondons, dans la gamme 10ns-1ms, comme l’état (résistance, magnétorésistance) de la jonction tunnel magnétique est modifié par des pulses de tension et de lumière de largeur ~ns.
Résumé de la soumission : L’électronique oxyde aborde désormais un tournant décisif. Une école de pensée se penche sur l’utilisation des propriétés nominalement intrinsèques de diélectriques afin de façonner des dispositifs multifonctionnels caractérisés par une série de fonctionnalités associées à des réponses. Par exemple, la ferroélectricité peut servir à façonner un dispositif dont l’état de résistance est alors contrôlé électriquement. Ceci s’appelle une memristance et peut se comporter comme une synapse artificielle.Cependant, au sein de future dispositifs multifonctionnels nanoscopiques, l’impact de défauts structurels (par exemple une lacune d’oxygène) ne peut plus être négligé mais peut plutôt être utilisé afin de combiner magnétorésistance et memristance au sein de jonctions tunnel magnétiques (JTMs). Grâce à l’ANR JCJC 137 (SpinMarvel, 10/2009-9/2013), certains d’entre nous ont exploré ces effets combinés. Un défaut définit un puits de potentiel énergétique situé dans le gap diélectrique qui contient des états fondamentaux neutres/chargés et des états excités correspondants. Le projet SpinMarvel a permis, de façon non-escomptée, d’adresser spectroscopiquement les états électroniques d’un défaut structurel précisément identifié (voir section 2.2) avec un contraste de spin.Cette découverte importante ouvre de nouvelles prospectives dans le domaine du calcul neuromorphique au-delà de l’arène scientifique de l’ANR SpinMarvel. Dans cette resoumission du projet Spinapse (bien classé en 2013), nous proposons un nouveau paradigme synaptique fondé sur le basculement, adressé électriquement dans le domaine temporel, entre les états électroniques d’un défaut structurel. Nous implémenterons une approche spectroscopique électrique temporelle permettant, de manière rationnelle, de façonner ces états électroniques par piégeage/dépiégeage de charge afin de provoquer la réponse synaptique. Objectif 1: associer les taux de conversion d’états électroniques (spin) électriquement adressés à une activité synaptique dans nos JTMs.L’activité optique de défauts diélectriques traduit la modification de l’état de charge/excitation d’un défaut lors de l’absorption d’un photon d’énergie précise. Certains d’entre nous ont démontré lors du projet SpinMarvel comment contrôler la magnétorésistance tunnel (MRT) de JTMs au moyen de lumière circulairement polarisée. De plus, nous avons decouvert en Dec. 2013 comment manipuler de manière optique les canaux de transport polarisés en symétrie qui definissent la MRT, ce qui décuple la portée de notre paradigme.  Nos expériences statiques suggèrent que les états électroniques d’un défaut peuvent être contrôlés dans la gamme temporelle 10-8s et mesurés spintroniquement. Objectif 2 : concevoir un dispositif électriquement ou optiquement adressable possédant une réponse optique polarisée circulairement qui imite une synapse. Ceci permettrait de faire fortement progresser le domaine naissant des memristance à adressage optique faisant intervenir un apprentissage non-Hebbien à trois facteurs.Ainsi, nous proposons un paradigme nouveau qui permet, au moyen d’impulsions temporelles de tension électrique et d’énergie photonique déterminées de façonner les états électroniques des défauts d’une jonction tunnel dont la réponse électro-optique sera alors de nature spin synaptique. Afin d’exprimer le potentiel neuromorphique de notre paradigme, nous façonnerons la distribution spatiale au sein de la barrière tunnel de deux espèces de défauts distinctes. Les états électroniques de chacune de ces espèces pourront être adressés/mesurés séparément par des moyens électrique/optique. Les états de ces espèces sont reliés par sauts de transmission tunnel. En explorant les concepts neuromorphiques associées à deux synapses interconnectées, nous souhaitons stimuler les communautés de spintronique et de neuromorphisme grâce à notre nouveau paradigme permettant des entrées électrique et optique ainsi que des sorties électrique (+spin) et optique (+spin).
Résultats : La théorie ab-initio révèle que les doubles lacunes d’oxygène peuvent améliorer la performance spintronique de jonctions tunnel magnétiques. Ce résultat contre-intuitif résulte de l’accord de propriétés électroniques de ces lacunes avec celles qui gouvernent la forte performance spintronique de ces dispositifs, ainsi que leur capacité à maintenir la cohérence du transport tunnel.
Comparé au cas du dépôt de MgO par pulvérisation cathodique de MgO sous atmosphère d’Ar, nous avons démontré expérimentalement qu’oxyder une couche de Mg afin de former la barrière de MgO génère une proportion différente de lacunes simples et doubles d’oxygène. De plus, cette proportion peut être modifiée en altérant la température de recuit de la couche après le depot. Cette modification de la nature du défaut qui définit la hauteur énergétique de la barrière tunnel s’accompagne d’une amélioration de la performance spintronique.
Perspectives : Ces résultats permettent d’estimer la largeur minimale d’une jonction tunnel performante à moins de 2nm. Ils augurent aussi une piste de recherche vers le calcul quantique basé sur les propriétés électroniques de ces lacunes d’oxygène au sein de dispositifs déjà industrialisés et dont l’opération relève déjà de mécanique quantique.
Publications et brevets : Beata Taudul and et al., “Tunnelling spintronics across MgO driven by double oxygen vacancies,” submitted., 2016.