Brevet FR2611300A1 — publié le 19880826

_ 1 _ CIRCUIT DE STOCKAGE D'INFORMATIONS A FAIBLE TEMPS D'ACCES'. L'invention concerne un circuit de stockage d'in- formations à faible temps d'accès intégré monolithiquement sur un substrat semi-isolant. Un circuit de stockage d'informations à faible temps d'accès est décrit dans IEEE Transactions on electron devices' Vol.ED-33, n'l de janvier 1986, pages 104 à 110. Un tel circuit rapide est conçu suivant une matrice de points mé- moire reliés entre eux par des lignes d'interconnexion. Cette matrice de points mémoire est séparée en deux pour diviser par deux la longueur de ces lignes d'accès aux points mémoire et réduire ainsi d'environ un facteur 4 le temps de propagation du signal. En effet à une ligne d'accès est associée une ré- sistance R et une capacité C toutes deux dépendantes de la longueur de la ligne, la constante de temps RC est donc prati- quement fonction du carré de la longueur, ainsi en divisant par 2 la longueur de la ligne, le temps de propagation est divisé par 4. Il serait possible de cette manière de réduire encore le temps de propagation de quelques ordres de grandeur en partageant par exemple la matrice de points mémoire en quatre parties, mais cette méthode ne peut plus être satisfaisante et ne suffit plus lorsque les signaux d'information sont ultrarapides par exemple pour des applications concernant un super ordinateur fonctionnant à des vitesses de l'ordre de 100 à 1000 MIPS (Méga instructions par seconde). Un inconvénient majeur à utiliser dans ce cas une telle méthode est que le temps de propagation n'étant plus négligeable relativement au front de montée des signaux, ces derniers subissent un retard, sont déformés et ne sont pas reproduits à l'identique en sortie de circuit. La présente invention propose une solution effica- ce pour éviter l'inconvénient précité. Pour cela, le circuit de stockage d'informations à - 2 - faible temps d'accès du genre mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il est réalisé en matériau semi-conduc- teur présentant un gaz de porteurs électroniques bidimension- nel, matériau semi-conducteur créé à partir de l'empilement de couches d'un matériau à faible bande interdite et d'un maté- riau à plus grande bande interdite (ou réciproquement), le gaz bidimensionnel étant situé à l'interface de ces deux couches, circuit pour lequel par un choix convenable de température et de champ magnétique ledit matériau semi-conducteur devient su- praconducteur favorisant ainsi l'extréme réduction du temps d'accès audit circuit et assurant la conservation quasi-illi- mitée des informations stockées. Ainsi, dans des conditions de température et de champ magnétique prédéterminées le matériau dudit circuit est rendu supraconducteur, la conduction étant quasi-idéale, les signaux peuvent se propager pratiquement à la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. De ce fait, les retards et déformations des signaux rapides constatés lors de la propagation de ceux-ci dans des circuits traditionnels sont quasiment supprimés et les signaux à la sortie de cir- cuits fonctionnant selon l'idée de l'invention sont parfaite- ment restitués, de même les informations stockées sont idéale- ment conservées et entretenues comme cela sera montré dans la suite du présent mémoire. Le circuit de stockage d'informations est alors réalisé à partir d'une matrice de points mémoire, encore appelés cellules mémoire pour, par exemple, constituer une mémoire RAN statique monolithiquement intégrée. Selon une application préférée mais non limitative une cellule mémoire du circuit de stockage d'informations est constituée par deux transistors de sélection, par une spire semi-conductrice, par des contacts ohmiques placés, l'un d'en- tre eux au centre de la spire, les autres à l'extérieur de la spire dont deux en contact avec ladite spire et par une grille placée sur la spire. La spire est rendue semi-conductrice par la présen- ce d'un gaz bidimensionnel d'électrons confiné entre deux cou- ches. - 3 - A basse température (par exemple 4,2'K) et pour certaines valeurs élevées du champ magnétique (par exemple 7 Teslas) appliqué perpendiculairement à la spire, le phénomène de supraconductivité est observé dans la couche semi-conduc- trice. En effet, l'idée de l'invention est d'utiliser l'effet Hall quantifié pour soit, injecter à partir de deux contacts un courant dans la spire, ou bien recueillir (ou non) entre ces deux contacts la tension de Hall dans le cas o il circule (ou non) un courant dans la spire, le courant étant l'élément d'information et la spire l'élément de stockage. Un tel effet est clairement décrit dans un certain nombre d'ou- vrages ou de publications parmi lesquelles 'Surface Science 142' (ELSEVIER, 1984) par H.L. Stôrmer, Novel Physics in two dimensions, pages 130 à 146, en particulier paragraphe 3-2 pa- ge 136. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente une structure possible d'une cellule mémoire vue suivant une coupe transversale. La figure 2 représente un schéma électrique d'une cellule mémoire. La figure 3 représente une réalisation technologi- que d'une cellule mémoire. La figure 4 représente les signaux de commande de la cellule mémoire en fonction du temps. La figure 5 représente une disposition matricielle d'un ensemble de cellules mémoire. Sur la figure 1 est représentée une des structures épitaxiales possibles d'une cellule mémoire selon une coupe transversale, plus particulièrement selon la coupe AA de la figure 3. Conformément à l'idée de l'invention le matériau né- cessaire à la mise en oeuvre du circuit doit présenter un gaz de porteurs électroniques (électrons ou trous) à deux dimen- sions, il est réalisé à partir de l'empilement de couches d'un -4matériau à faible bande interdite et d'un matériau à plus grande bande interdite (ou réciproquement). Le gaz bidimen- sionnel est situé à l'interface de ces deux couches, la pré- sence de ce gaz rendant le matériau semi-conducteur. Une gran- de variété de matériaux et notamment les matériaux III-V (convenant particulièrement à cette application) incluant leurs alliages ternaires et quaternaires autorise à un grand nombre de combinaisons desdits matériaux. Selon une réalisa- tion préférée du circuit selon l'invention le choix s'est por- té sur une combinaison du type AlGaAs/GaAs. De toute évidence, ce choix n'est pas limitatif, d'autres combinaisons auraient parfaitement pu convenir. Une fois le matériau choisi, la structure épitaxia- le est obtenue sur une couche 1 de GaAs semi-isolant dopé chrome, elle est constituée d'une couche 2 de AlGaAs non dopé d'épaisseur L2 (0, 5pmcL2(lpm), d'une couche 3 de GaAs non dopé d'épaisseur L3 (0,5pm(L3(lpm) , d'une couche fine 4 de AlGaAs non dopé d'épaisseur L4 (20A(L4(100A), d'une couche 5 de AlGaAs dopé silicium d'épaisseur L5 (50AML5 gaz bidimensionnel référencé G2D est localisé à l'hétérojonc- tion des couches 3 et 4. Les épaisseurs des couches 4 et 5 ainsi que le dopage de la couche 5 sont choisis de sorte que la densité d'électrons du gaz & deux dimensions n2D soit de l'ordre de 3.1011cm-2. Cette densité d'électrons correspond à l'obtention du plateau de Hall correspondant au deuxième sous-niveau de Landau du gaz à deux dimensions rempli pour un champ magnétique f dont l'induction est inférieure à 7 Teslas (le champ magnétique étant appliqué perpendiculairement au plan du circuit, voir figure 1). Il est entendu que la présente inven- tion peut s'étendre à des concentrations de gaz plus élevées ainsi qu'à des plateaux de Hall obtenus à des champs plus in- tenses. D'autre part, afin d'obtenir l'effet supraconduc- teur désiré en combinaison avec les autres caractéristiques la 261 1300 - 5 - température est maintenue basse. Dans l'exemple de réalisation choisi, elle était de l'ordre de quelques 'K (4,2 K). La couche 7 représente une métallisation qui est par exemple de l'AuGeNi, la couche 7 recouvre une partie de la spire (référencée S1). La spire est isolée du reste de la cou- che bidimensionnelle par décapage chimique des couches 4, 5, 6. La présente invention peut être étendue à d'autres types d'isolation, par exemple à une isolation obtenue par implanta- tion de bore. Les transistors de sélection à effet de champ sont du type HEMT. Ils sont séparés de la spire soit par décapage chimique, soit par implantation. Les transistors HEMT sont ob- tenus sur les mêmes couches épitaxiales en déposant une métal- lisation Schottky 8 sur la couche 5 pour la grille, la métal- lisation 7 fournissant d'autre part les deux contacts ohmiques sur la couche 6 relatifs au drain et à la source. Selon une des caractéristiques de l'invention pour chacune des cellules mémoire un des deux contacts ohmiques si- tués contre et à l'extérieur de la spire est de plus relié à la grille déposée sur la spire pour, dans un cas désiré, auto- riser la perturbation du gaz bidimensionnel d'électrons et ainsi faire disparaître momentanément les propriétés supracon- ductrices du matériau semi-conducteur. En effet, la grille 9 est déposée sur la métallisation 7, reliant la source du tran- sistor T2 (voir figure 3) au contact C2 (figure 3) situé contre et à l'extérieur de la spire S1, et sur la spire Sl. La grille 9 est ici représentée selon la coupe AA de la figure 3, cependant elle apparaît dans son intégralité sur ladite figure 3. La grille 9 est par exemple en TiPt. Sur la figure 2 est représenté un schéma électrique d'une cellule mémoire. Conformément à l'invention la cellule mémoire est constituée d'une spire semi-conductrice S1 dont le centre est relié à la masse par l'intermédiaire de contacts ohmiques C1. Deux contacts C2 sont localisés contre la spire mais à l'extérieur de celle-ci. La cellule mémoire comprend, en outre, deux transistors de sélection T1 et T2 commandés respectivement par les signaux d'adresse portés par des lignes - 6 - de mot LM1 et LM2. Les sources de ces deux transistors T1, T2 sont reliées aux contacts C2 alors que les drains de T1 et T2 sont reliés à une ligne de bit LB par l'intermédiaire de contacts C3. Enfin une grille GR est placée sur la spire Si, elle est également reliée à la source du transistor T2 par le contact C2 sur lequel elle est également déposée. Sur la figure 3 est proposée une représentation graphique détaillée d'une réalisation technologique d'une cel- lule mémoire. Pour la réalisation d'une cellule mémoire une surface sensiblement carrée d'un peu plus de 100 pmxpm est né- cessaire. Les éléments communs des figures 2 et 3 sont iden- tiquement référencés. La fonction mémoire est réalisée par la présence ou l'absence d'un courant dans la spire Si: - l'état '1' correspond & l'existence d'un courant l'état 'O0 correspond à l'absence d'un courant La création d'un courant se fait de la façon suivante. Le champ magnétique 9 étant indépendant du temps, une tension positive VB de 1 volt est appliquée sur la ligne de bit LB, en appliquant de même une tension positive VM1 de 1 volt sur la ligne de mot LM1 le transistor T1 est rendu conducteur. Dans ce cas un courant I va être créé entre la li- gne de bit LB et le contact ohmique Cl relié à la ligne de masse LO, contact ohmique C1 situé vis à vis du contact ohmi- que C2 lui-même en contact avec la source du transistor T1. Comme la spire est supraconductrice en présence du champ ma- gnétique et de la basse température, le courant I va être dé- rivé dans la spire et y être piégé. Ainsi piégé dans la spire, le courant I est maintenu même lorsque les tensions VB et VM1 deviennent nulles. C'est l'effet supraconducteur qui permet l'existence continuelle du courant I. L'annulation du courant I est réalisée de la façon suivante. Une tension positive VGR de 1 volt est appliquée sur la grille GR par l'intermédiaire du contact C2 relié à la source du transistor T2 rendu dans ce cas conducteur. Cette - 7 - tension positive perturbe le gaz bidimensionnel d'électrons et fait disparaître momentanément les propriétés supraconductri- ces de ce gaz, entrainant de la sorte la disparition du cou- rant supraconducteur I. Sur la figure 4 sont représentés les signaux de commande de la cellule mémoire en fonction du temps. Le chronogramme représente un cycle d'écriture d'un état a1e, suivi d'un cycle de lecture de cet état a1', lui-même suivi d'un cycle d'écriture d'un état 0" et enfin de la lecture d'un état '0". Au temps tO, la cellule n'est pas adressée et son état est '0' car le courant I est nul. Au temps tl, la ligne de mot LM1 est forcée à un potentiel VM1=1V. La ligne de bit LB est forcée à un potentiel VB=1V. Le cycle d'écriture débute et un courant I apparaît et circule dans la spire. Au temps t2, la ligne de mot LM1 est forcée à un potentiel VM1=OV. La ligne de bit LB est forcée à un potentiel VB=OV. Le courant I continue de circuler dans la spire. Le cycle d'écriture est terminé. Au temps t3, la ligne de mot LM1 est forcée à un potentiel VMI=1V. La ligne de bit LB est à un potentiel VBtO,8V. Le cycle de lectur lébute et la tension de Hall VB apparaît sur la ligne de bit LB. Le courant I continue de cir- culer dans la spire. Au temps t4, la ligne de mot LM1 est forcée à un potentiel VM1=OV. La ligne de bit LB est à un potentiel VB qui décroît à OV. Le cycle de lecture est terminé et la tension de Hall VB disparaît sur la ligne de bit LB. Le courant I conti- nue de circuler dans la spire. Au temps t5, la ligne de mot LM2 est forcée à un potentiel VM2=1V. La ligne de bit LB est forcée à un potentiel VB=1V. Le cycle d'écriture débute et le courant I dans la spi- re devient nul, car le potentiel de la grille GR devient VGR=1V ce qui perturbe le gaz bidimensionnel d'électrons et fait disparaître pendant ce temps les propriétés supraconduc- - 8 - trices de ce gaz et donc fait disparaître I qui retrouvant un matériau résistif, s'élimine par effet Joule. Au temps t6, la ligne de mot LM2 est forcée à un potentiel VM2=OV. La ligne de bit LB est forcée à un potentiel VB=OV. Le cycle d'écriture est terminé et le courant I dans la spire est toujours nul. Au temps t7, la ligne de mot LM1 est forcée à un potentiel VM1=1V. La ligne de bit LB est à un potentiel VB=OV. Le cycle de lecture débute. La tension de Hall VB est nulle et le courant I est nul. Au temps t8, la ligne de mot LM1 est forcée à un potentiel VM1=OV. La ligne de bit LB est toujours à un poten- tiel VB qui est nul. Le cycle de lecture est terminé et le courant I est toujours nul. Sur la figure 5 est représentée une disposition ma- tricielle d'un ensemble de cellules mémoire permettant la réa- lisation d'une mémoire RAM statique. Les cellules mémoires Mij sont organisées sous la forme d'un réseau de cellules qui présente la structure d'une matrice. Chaque cellule (Mll, M21,...Mil....,M12, M22,...,Mi2,...M1j, M2j,...,Mij,...) correspond à un chiffre binaire et est située au croisement de deux lignes, une ligne horizontale ou rangée (i), une ligne verticale ou colonne (j). Ainsi chaque cellule de la mémoire a une adresse unique et peut être sélectionnée en activant simultanément la rangée et la colonne appropriées. Cette sélection est faite par l'intermédiaire de circuits décodeurs sur les entrées desquels sont appliquées les adresses de la mémoire codées en binaire et dont les sor- ties ou lignes de mot LM1j ou LM2j commandent l'accès des cel- lules mémoire. Après sélection de la cellule mémoire, une donnée peut en être extraite, ou peut lui être transmise par une li- gne de bit LBi, commune à toutes les cellules d'une même co- lonne de la mémoire. Les contacts ohmiques centraux des spires Sil, -9- Si2,...,sij,...d'une même colonne sont reliés entre eux par une ligne de masse LO, isolée de chaque spire par un diélec- trique. Le contact entre la ligne LO et chaque contact ohmique central (C1, voir figure 2) de la spire est réalisé par un trou dans le diélectrique qui isole les lignes de mot LMlj, LM2j et les lignes de bit LBi et de masse LO. Les lignes de mot LM1j sont utilisées en mode lec- ture des états *1" et '"" ou en mode écriture d'un état '1" (création du courant I). Les lignes de mot LM2j sont uniquement utilisées en mode écriture d'un état 0' (annulation du courant I). Les lignes de bit LBi sont utilisées en mode lectu- re ou écriture. La sélection des lignes LMlj, LM2j, LBi est effec- tuée de façon classique à l'aide de circuits de décodage d'a- dresses. Il va de soi que, d'une part, l'application de l'invention aux mémoires réalisées à l'aide de transistors à effet de champ intégrées sur un substrat de GaAs n'est pas li- mitative et d'autre part de nombreuses variantes sont possi- bles, en particulier relativement à la taille, aux caractéris- tiques et aux tensions des lignes de commande, sans pour autant sortir du cadre de la -résente invention. Cette invention trouve particulièrement et avanta- geusement bien sa place dans de nouvelles applications, notam- ment dans la mise en oeuvre d'un super ordinateur, o il est trouvé naturellement l'environnement (champ magnétique, basse température) nécessaire à l'obtention de l'effet supraconduc- teur. - 10 - REVENDICATIONS 1. Circuit de stockage d'informations à faible temps d'accès intégré monolithiquement sur un substrat semi-isolant caractérisé en ce qu'il est réalisé en matériau semi-conduc- teur présentant un gaz de porteurs électroniques bidimension- nel, matériau semi-conducteur créé à partir de l'empilement de couches d'un matériau à faible bande interdite et d'un matéri- au à plus grande bande interdite (ou réciproquement), le gaz bidimensionnel étant situé à l'interface de ces deux couches, circuit pour lequel par un choix convenable de température et de champ magnétique, ledit matériau semi-conducteur devient supraconducteur favorisant ainsi l'extrême réduction du temps d'accès audit circuit et assurant la conservation quasi-illi- mitée des informations stockées. 2. Circuit de stockage d'informations à faible temps d'accès selon la revendication 1 comportant une multiplicité de cellules mémoire caractérisé en ce que chaque cellule mé- noire est constituée par deux transistors de sélection, par une spire semi-conductrice, par des contacts ohmiques placés, deux d'entre eux au centre de la spire, les autres à l'exté- rieur de la spire dont deux en contact avec ladite spire et par une grille posée sur la spire. 3. Circuit de stockage d'informations à faible temps d'accès selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que pour chacune des cellules mémoire, un des deux contacts situés contre et à l'extérieur de la spire est de plus relié à la grille déposée sur la spire pour, dans un cas désiré, auto- riser la perturbation du gaz bidimensionnel d'électrons et ainsi faire disparaître momentanément les propriétés supracon- ductrices du matériau semi-conducteur.