Brevet FR2942347A1 — publié le 20100820

Dispositif à électronique de spin à commande de déplacement de parois par courants de spin verticaux. Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à électronique de spin ou spintronique, domaine de l'électronique utilisant le spin de l'électron comme vecteur de l'information et non pas sa charge. L'invention concerne plus particulièrement les mémoires magnétiques et les registres magnétiques à décalage utilisant les déplacements de paroi magnétique. Classiquement, la structure micromagnétique d'un élément ferromagnétique est composée de domaines, dans lesquels les moments magnétiques sont tous alignés dans la même direction, les domaines étant séparés entre eux par des parois à l'intérieur desquelles les moments magnétiques tournent graduellement. A l'intérieur de la paroi, l'orientation des moments magnétiques varie progressivement, passant ainsi de l'orientation du premier domaine à celle du second domaine. Dans la suite de la description, le terme de � paroi � magnétique désigne toute inhomogénéité magnétique séparant deux domaines magnétiques. A l'intérieur de la paroi, le changement de configuration magnétique peut adopter diverses formes géométriques. Ainsi, lorsque les moments magnétiques varient selon un enroulement dans le plan des couches autour d'un coeur pointant hors du plan, on parle de paroi � vortex �. Les développements récents des techniques de nano lithographie rendent possible la réalisation de dispositifs submicroniques d'électronique de spin à base de telles nanostructures magnétiques, telles que des vannes de spin, des jonctions tunnel magnétiques et des hétérostructures à base de semi-conducteurs magnétiques. Le contrôle précis de la configuration magnétique de tels objets comme la direction d'aimantation ou la structure des domaines magnétiques est un des défis technologiques majeurs dans le développement des dispositifs spintroniques miniaturisés. Différents dispositifs utilisant le déplacement de parois de domaines magnétiques ont été proposés. On citera notamment le brevet américain=,' Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif à électronique de spin comprenant au moins trois couches sensiblement 30 planes superposées, lesdites couches étant une première couche magnétique dite libre dans laquelle peut circuler au moins une paroi magnétique séparant deux domaines magnétiques, une seconde couche non magnétique et une troisième couche magnétique dite de référence, la seconde couche étant disposée entre la première et la troisième couche, 35 caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins un injecteur de courant comportant au moins une première électrode disposée au-dessus de la première couche magnétique et agencé de façon à injecter localement un courant électrique dans une direction perpendiculaire au plan des couches, le courant étant polarisé en spin principalement par la troisième couche magnétique et l'intensité du courant étant suffisante pour entraîner le déplacement d'une paroi magnétique dans la région de la première couche magnétique située sous la première électrode de l'injecteur. Avantageusement, la troisième couche magnétique dite de référence fait partie de la première électrode de l'injecteur de courant. Préférentiellement, les moments magnétiques de la troisième couche magnétique dite de référence sont tous alignés soit parallèlement soit perpendiculairement au plan moyen de ladite couche. Avantageusement, le dispositif comporte une pluralité d'injecteurs de courant. Avantageusement, le dispositif comporte des moyens d'injection de parois magnétiques dans la première couche magnétique, ces moyens d'injection de parois magnétiques dans la première couche magnétique peuvent comprendre une électrode. De plus, le dispositif peut comporter, au moins entre deux injecteurs, un élément magnétique dont les moments magnétiques dépendent de l'orientation magnétique de la première couche magnétique située sous cet élément magnétique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 25 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : Les figures 1, 2 et 3 représentent un premier, un deuxième et un troisième dispositif à électronique de spin selon l'invention. Les figures 4 et 5 représentent un premier mode de fonctionnement d'un dispositif à électronique de spin selon l'invention. 30 Les figures 6, 7 et 8 représentent un second mode de fonctionnement d'un dispositif à électronique de spin selon l'invention. Les figures 9 et 10 représentent un troisième mode de fonctionnement d'un dispositif à électronique de spin selon l'invention. Dans les dispositifs de l'art antérieur utilisant le couple de transfert de spin généré par un courant injecté pour obtenir des déplacements de parois, le courant utilisé est toujours sensiblement parallèle aux différentes couches magnétiques constituant le dispositif spintronique. Or, on peut démontrer que, paradoxalement, un courant électrique injecté dans une direction perpendiculaire au plan des couches peut produire les mêmes effets de déplacement de parois tout en nécessitant des intensités nettement inférieures. Les dispositifs selon l'invention reposent sur ce principe physique. Les dispositifs selon l'invention doivent comporter au moins : • trois couches sensiblement planes superposées qui sont : o une première couche magnétique dite libre dans laquelle peut circuler au moins une paroi magnétique séparant deux domaines magnétiques, o une seconde couche non magnétique, o une troisième couche magnétique dite de référence utilisée en tant que � polariseur � magnétique, • un injecteur de courant comprenant une électrode disposée au-dessus de la première couche magnétique dite libre et agencé de façon à injecter localement un courant électrique dans une direction perpendiculaire au plan des couches, l'intensité du courant étant suffisante pour entraîner le déplacement d'une paroi magnétique dans la région de la première couche magnétique située sous l'injecteur, ledit injecteur pouvant comprendre la troisième couche magnétique dite de référence. On démontre et on observe que, lorsque la polarisation de la troisième couche magnétique dite de référence est dans le plan de la couche, l'intensité nécessaire aux déplacements de parois dans la première couche est 5 à 10 fois inférieure à celle nécessaire lorsque l'on utilise une injection de courant � parallèle � aux plans des couches. De la même façon, lorsque la polarisation de la troisième couche magnétique dite de référence est perpendiculaire au plan de la couche, l'intensité nécessaire aux déplacements de parois dans la première couche est 25 à 100 fois inférieure à celle nécessaire lorsque l'on utilise une injection de courant � parallèle � aux plans des couches. A titre d'exemples non limitatifs, les figures 1, 2 et 3 représentent un premier, un deuxième et un troisième dispositif à électronique de spin selon l'invention et comprenant, pour la clarté des figures, un seul injecteur de courant. Sur ces figures et sur les suivantes, on a adopté les conventions suivantes. Les moments magnétiques sont symbolisés par des flèches noires épaisses, les parois magnétiques par des traits noirs épais, les courants par des flèches blanches : Sur la figure 1, le dispositif comprend successivement, du haut 10 vers le bas, et dans cet ordre : o la première électrode 11 de l'injecteur de courant, o une première couche magnétique 1 dite libre dans laquelle peut circuler au moins une paroi magnétique 4 séparant deux domaines magnétiques, 15 o une seconde couche non magnétique 2, o une troisième couche magnétique 3 dite de référence utilisée en tant que � polariseur � magnétique, les moments magnétiques de cette troisième couche étant tous alignés perpendiculairement au plan moyen de ladite couche, 20 o la seconde électrode 12 de l'injecteur de courant, le courant circulant de la première électrode à la seconde électrode, perpendiculairement au plan moyen des trois couches. Sur la figure 2 est représentée une variante du dispositif de la 25 figure 1. Dans cette variante, les moments magnétiques de la troisième couche 3 sont tous alignés parallèlement au plan moyen de ladite couche. Sur la figure 3, l'électrode 11 de l'injecteur comprend la troisième couche magnétique 3 dite de référence. Sur cette figure, les moments magnétiques sont tous alignés perpendiculairement au plan moyen de ladite 30 couche. Ils pourraient, bien entendu, être alignés parallèlement. Il est à noter que ces différents dispositifs comportent également des moyens non représentés sur les figures permettant de stabiliser les parois magnétiques sous les injecteurs. Ces techniques sont connues de l'homme du métier et on se reportera sur ce point particulier au brevet français FR 2 879 349 déjà 35 cité. A titre d'exemples, les dispositifs selon l'invention ont la forme de � nano-rubans � longs et fins pouvant comprendre, disposés en série, une pluralité d'injecteurs de courant à deux électrodes commandés séparément. La longueur de chaque ruban peut être comprise entre cent nanomètres et plusieurs microns, la largeur étant comprise entre dix nanomètres et quelques centaines de nanomètres. Les couches magnétiques ont une épaisseur inférieure à 50 nanomètres. Elles peuvent être en alliage de nickel et de fer ou encore de cobalt, de fer et de bore. L'épaisseur de la couche d'espacement non magnétique, encore appelée � spacer � dépend essentiellement de sa conduction électrique. Ainsi, une couche isolante, par exemple en oxyde de magnésium, peut avoir une épaisseur faible, comprise entre 5 à 10 nanomètres. Une couche réalisée en matériau semi-conducteur aura une épaisseur également faible, de l'ordre de 10 nanomètres. Une couche conductrice, en cuivre ou en or, aura une épaisseur plus importante, inférieure à 100 nanomètres. Les figures 4 à 9 représentent différentes possibilités de mise en œuvre de différents dispositifs selon l'invention. Les figures 4 et 5 représentent un dispositif tel que décrit sur la figure 1 mais comportant une pluralité d'injecteurs à deux électrodes. On note respectivement les électrodes du haut 11 N_2, 11 N4, 11 N et 11 N+1 et les électrodes du bas 12N_2, 12N_1, 12N et 12N+-, N étant un nombre entier supérieur à deux. Un dispositif non représenté permet de disposer une paroi sous l'électrode 11 N d'un injecteur. Comme représenté en figure 4, si on applique un courant continu entre les électrodes 11 N et 12N, alors la paroi se déplace de manière contrôlée soit vers la droite, soit vers la gauche. Ainsi, comme indiqué sur la figure 5, la paroi peut se déplacer jusqu'à se situer sous l'électrode 11 N_1. Le sens du déplacement est imposé par le sens du courant électrique circulant entre les électrodes. Les vitesses de déplacement peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres par seconde. Ainsi, par ce moyen, on change l'orientation du domaine magnétique situé entre les électrodes 11N et 12N. Ce changement d'orientation peut correspondre, par exemple, au changement d'état d'un bit élémentaire. II est ainsi possible, en commandant les courants appliqués dans les différents injecteurs de déplacer des parois et de modifier les orientations des domaines magnétiques. A titre de premier exemple de mise en oeuvre des dispositifs selon l'invention, les figures 6, 7 et 8 représentent un registre à décalage à trois bits. Ce registre comporte un nanoruban composé de trois couches superposées comme précédemment décrites, une couche non magnétique étant prise en sandwich entre deux couches magnétiques. II comporte également deux injecteurs de courant comprenant les paires d'électrodes 11 1, 121 et 112, 122 ainsi que deux électrodes latérales 13 et 14 permettant l'injection de parois de domaines. Les différentes électrodes délimitent trois domaines notés Dl, D2 et D3 sur les figures 6, 7 et 8. Des moyens de lecture magnétiques non représentés sur ces figures permettent de lire l'orientation magnétique des trois domaines Dl, D2 et D3. La � lecture � de la direction du domaine peut se faire au moyen d'une mesure résistive. Plusieurs configurations sont possibles pour assurer cette lecture. On peut utiliser, par exemple, une électrode en géométrie perpendiculaire, l'effet magnétorésistif permettant de discerner les deux configurations des domaines. On peut également utiliser un capteur magnétorésistif de type vanne de spin ou jonction tunnel magnétique disposé au-dessus du nanoruban. Dans cette dernière configuration, c'est le passage d'une paroi sous le capteur qui indique le passage de l'information. On supposera que lorsque l'orientation des domaines est tournée vers la droite, l'information binaire vaut � 1 � et � 0 � dans le cas contraire. Ainsi, sur la figure 6, la séquence binaire des trois domaines Dl, D2 et D3 est � 1 1 1 �. Comme indiqué sur la figure 7, si on applique une tension adéquate sur l'électrode 13, une paroi se forme et se déplace jusqu'à se situer sous l'électrode 111. L'orientation du domaine Dl a changé et on obtient la séquence � 0 1 1 �. Si on injecte un courant entre les électrodes 11 et 121, la paroi se déplace de nouveau jusqu'à se situer sous l'électrode 112. L'orientation du domaine D2 a changé et on obtient la nouvelle séquence � 0 0 1 �. On peut ainsi modifier l'état binaire du registre à décalage. Les figures 9 et 10 représentent une variante des dispositions décrites ci-dessus. Sur la zone de commutation située entre les électrodes 111 et 112 comme illustré en figure 9, un élément magnétique 5 a été disposé. Il existe alors un fort couplage magnétique direct entre la couche magnétique et l'élément magnétique 5. Lorsque l'aimantation dans la zone de commutation située sous l'élément 5 se retourne pendant la propagation d'une paroi, l'aimantation dans l'élément 5 va instantanément se retourner comme illustré en figures 9 et 10 où l'aimantation M dans l'élément symbolisé par une flèche épaisse change de sens lorsque la paroi magnétique passe d'une position stable à l'autre. On commute ainsi de manière reproductible l'aimantation dans l'élément entre deux directions d'aimantations que l'on peut identifier comme des états logiques "0" ou "1 ". L'élément magnétique 5 peut être ou non constitué du même matériau que le barreau dans lequel la paroi circule sous l'influence du courant. L'épaisseur de l'élément est comprise entre quelques plans atomiques et quelques dizaines de nanomètres. REVENDICATIONS1. Dispositif à électronique de spin comprenant au moins trois couches (1, 2, 3) sensiblement planes superposées, lesdites couches étant une première couche magnétique (1) dite libre dans laquelle peut circuler au moins une paroi magnétique (4) séparant deux domaines magnétiques, une seconde couche non magnétique (2) et une troisième couche magnétique (3) dite de référence, la seconde couche étant disposée entre la première et la troisième couche, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins un injecteur de courant (11, 12) comportant au moins une première électrode (11) disposée au-dessus de la première couche magnétique dite libre et agencée de façon à injecter localement un courant électrique dans une direction perpendiculaire au plan des couches, le courant étant polarisé en spin principalement par la troisième couche magnétique dite de référence et l'intensité du courant étant suffisante pour entraîner le déplacement d'une paroi magnétique dans la région de la première couche magnétique située sous la première électrode de l'injecteur. 2. Dispositif à électronique de spin selon la revendication 1, caractérisé en de que la troisième couche magnétique (3) dite de référence fait partie de la première électrode (11) de l'injecteur de courant. 3. Dispositif à électronique de spin selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moments magnétiques de la troisième couche magnétique (3) dite de référence sont tous alignés parallèlement au plan moyen de ladite couche. 4. Dispositif à électronique de spin selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moments magnétiques de la troisième couche magnétique (3) dite de référence sont tous alignés perpendiculairement au plan moyen de ladite couche. 5. Dispositif à électronique de spin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comporte une pluralité d'injecteurs (11 N_2, 11 N_1, 11 N, 11 N+1, 12N-21 12N-1, 12N, 12N+1) de courant. 6. Dispositif à électronique de spin selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens d'injection de parois magnétiques (13, 14) dans la première couche magnétique (1). 7. Dispositif à électronique de spin selon la revendication 6, 10 caractérisé en ce que les moyens d'injection de parois magnétiques dans la première couche magnétique comprennent au moins une électrode (13). 8. Dispositif à électronique de spin selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins entre deux 15 injecteurs (111, 112, 121, 122) un élément magnétique (5) dont les moments magnétiques dépendent de l'orientation magnétique de la première couche magnétique située sous cet élément magnétique.