Brevet FR3091412A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Dispositif électronique, porte numérique, composant analogique et procédé de génération d'une tension [0001] La présente invention concerne un dispositif électronique. L'invention se rapporte également à une porte numérique ou un composant analogique comportant un tel dispositif ainsi qu'à un procédé de génération d'une tension. [0002] Les microprocesseurs, comme de nombreux dispositifs électroniques, sont composés de transistors utilisant la technologie CMOS. Le sigle CMOS vient du terme anglais Complementary Metal Oxide Semiconductor signifiant littéralement complémentaire semiconducteur-métal-oxyde et désigne une technologie de fabrication de dispositifs électroniques. [0003] En fonctionnement, le courant traversant le transistor est modulé en fonction de la tension appliquée sur une électrode usuellement appelée grille. Plus précisément, selon cette tension, des charges sont accumulées ou déplétées dans un canal dont la conductivité est ainsi modulée. En pratique, un tel fonctionnement implique plusieurs sources de pertes énergétiques qui s'ajoutent : courant indésirable dans le canal dans l'état non passant, perte par établissement de courant parasite entre le canal et la grille ou perte au niveau de la grille. [0004] Or, dans le domaine de la microélcctronique, il est observé que conformément à la loi de Moore le nombre de transistors par unité de surface dans les circuits intégrés continue à croître exponentiellemcnt. [0005] Cela entraîne une augmentation de la puissance dissipée par unité de surface qui, à son tour, accroît la consommation électrique du circuit intégré. [0006] En outre, dans les microprocesseurs, l'unité de mémorisation et les unités de calculs sont séparées spatialement, et le coût énergétique lié aux déplacements d'information entre les deux unités est très supérieur au coût lié au calcul lui-même. [0007] Les microprocesseurs consomment donc beaucoup d'énergie électrique. Cette trop forte consommation électrique limite les performances des microprocesseurs. [0008] 11 existe un besoin pour un dispositif électronique, notamment un transistor, pouvant générer une tension en sortie qui présente une consommation réduite. [0009] Pour cela, il est proposé un dispositif électronique, en particulier un transistor, comportant une entrée et une sortie, le dispositif générant une tension en sortie lorsque le dispositif est alimenté en entrée, le dispositif comprenant une unité de conversion propre à convertir un courant de spin en un courant de charge, le courant de charge présentant une amplitude et un signe. Le dispositif comporte aussi une unité d'application de courant de spin propre à appliquer un courant de spin à l'unité de 2 conversion, une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, présentant une polarisation ferroélectrique, la couche ferroélectrique étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l'un parmi l'amplitude et le signe du courant de charge converti par l'unité de conversion. Le dispositif comporte aussi une unité d'application d'un champ électrique propre à appliquer un champ électrique sur la couche ferroélectrique pour contrôler la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique. [0010] Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif électronique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0011] - l'unité de conversion comporte la couche ferroélectrique et une couche présentant un fort couplage spin-orbite, un couplage spin-orbite étant fort lorsque le couplage spin-orbite est supérieur ou égal à 1 mcV, la couche ferroélectrique et la couche présentant un fort couplage spin-orbite étant en contact. [0012] - la couche présentant un fort couplage spin-orbite est une couche réalisée en un matériau lourd, un métal lourd étant un métal dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15. [0013] - l'unité d'application de courant de spin comporte des premières homes et l'unité d'application d'un champ électrique comporte des deuxièmes bornes, les premières bornes et les deuxièmes bornes étant confondues. [0014] - le dispositif comporte une couche diélectrique, la couche diélectrique reposant sur une partie de l'entrée, l'unité de conversion reposant sur une partie de la sortie, la couche ferroélectrique étant agencée pour établir un contact entre la couche diélectrique et l'unité de conversion. [0015] - l'unité de conversion et la couche fenoélectrique sont surmontées par une couche ferromagnétique. [0016] - l'unité de conversion est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge selon un phénomène physique, le phénomène physique étant un effet RashbaEdelstein inverse ou un effet Hall de spin inverse. [0017] En outre, la présente description se rapporte également à une porte numérique, en particulier faisant partie d'une unité de mémorisation, comportant au moins un dispositif tel que précédemment décrit. [0018] La présente description propose aussi à un composant analogique, en particulier faisant partie d'un réseau de neurones, comprenant au moins un dispositif tel que précédemment décrit. [0019] La présente description décrit aussi à un procédé de génération d'une tension en sortie par un dispositif électronique, en particulier un transistor, le dispositif comportant une entrée et une sortie, le dispositif générant une tension en sortie lorsque 3 le dispositif est alimenté en entrée, le dispositif comprenant une unité de conversion, une unité d'application de courant de spin, une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, présentant une polarisation ferroélectrique, la couche ferroélectrique étant agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l'un parmi l'amplitude et le signe du courant de charge, et une unité d'application d'un champ électrique. Le procédé comprend une étape d'application d'un courant de spin à l'unité de conversion, l'étape d'application d'un courant de spin étant mise en oeuvre par l'unité d'application de courant de spin. Le procédé comporte aussi une étape de conversion par l'unité de conversion du courant de spin appliqué en un courant de charge, le courant de charge présentant une amplitude et un signe, et une étape d'application d'un champ électrique à la couche ferroélectrique, l'étape d'application d'un champ électrique étant mise en oeuvre par l'unité d'application d'un champ électrique. [0020] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : [0021] [fig.1] figure 1, une vue schématique en perspective d'un exemple de dispositif élec- tronique, [0022] [fig.2] figure 2, une vue schématique en perspective d'un autre exemple de dispositif électronique, [0023] [fig.3] figure 3, une vue schématique en perspective d'encore un autre exemple de dispositif électronique, et [0024] [fig.4] figure 4, une vue schématique en perspective d'un exemple de porte logique. [0025] Un dispositif électronique 10 est représenté schématiquement sur la figure 1. [0026] Le dispositif 10 comporte une entrée 12 et une sortie 14. [0027] L'entrée 12 et la sortie 14 sont représentées sur la figure 1 sous la forme de portions de piste conductrice. [0028] Le dispositif 10 est propre à générer une tension sur la sortie 14 lorsque le dispositif 10 est alimenté électriquement en entrée 12. [0029] Selon l'exemple proposé, le dispositif 10 est un transistor, c'est-à-dire un dispositif propre à amplifier un signal électrique de manière commandée. [0030] Le dispositif 10 comporte une unité de conversion 16, une unité d'application de courant de spin 20, une couche en un matériau fenoélectrique 22, dite couche ferroélectrique 22, une unité d'application d'un champ électrique 24 et une couche ferromagnétique 26. [0031] L'unité de conversion 16 est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge. [0032] Le courant de charge ainsi converti présente une amplitude et un signe. [0033] Comme cela sera expliqué ultérieurement, l'unité de conversion 16 de la figure 1 est propre à convertir un courant de spin en un courant de charge selon un effet RashbaEdelstein inverse. [0034] L'unité de conversion 16 comporte la couche ferroélectrique 22 et une couche présentant un fort couplage spin-orbite 28. [0035] La couche présentant un fort couplage spin-orbite est appelée couche SOC 28 dans la suite, le sigle SOC renvoyant à la détermination anglaise de « Spin-Orbit Coupling ». [0036] Le couplage spin-orbite est fort lorsque le couplage spin-orbite est supérieur ou égal à 1 meV. [0037] Selon l'exemple illustré la couche SOC 28 est une couche réalisée en un matériau lourd. [0038] En variante, la couche SOC 28 est réalisée en un alliage ou un composé comprenant un métal lourd. [0039] Un métal lourd est un métal dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 15, comme, par exemple, l'Au, le Pt, le W ou l'Ir. [0040] La couche ferroélectrique 22 et la couche SOC 28 sont en contact de manière à former un empilement selon une direction d'empilement Z. [0041] Pour la suite, il est également défini une première direction transversale X et une deuxième direction transversale Y chacune perpendiculaire à la direction d'empilement Z et perpendiculaires entre elles. [0042] L'unité d'application de courant de spin 20 est propre à appliquer un courant de spin à l'unité de conversion 16. [0043] Dans l'exemple proposé, l'unité d'application de courant de spin 20 comporte un gé- nérateur de courant de spin 30 et deux bornes 32 et 34. [0044] Le générateur de courant de spin 30 est propre à établir un courant de spin entre les deux bornes 32 et 34. [0045] La première borne 32 est un contact réalisé dans la couche ferromagnétique 26. [0046] La deuxième borne 34 est un contact réalisé dans une troisième portion de piste 36. [0047] Pour chacune des portions de piste, il est défini une direction d'extension principale. [0048] La direction d'extension principale de la première portion de piste 12 correspondant à l'entrée est la même que celle de la deuxième portion de piste 14 correspondant à la sortie. Dans le cas de la figure 1, cette direction d'extension principale est la première direction transversale X. [0049] La troisième portion de piste 36 est orientée selon une direction d'extension principale qui est perpendiculaire à la direction d'extension principale de l'entrée 12 et de la sortie 14, c'est-à-dire selon la deuxième direction transversale Y. [0050] La troisième portion de piste 36 est en contact avec la couche SOC 28. [0051] La couche ferroélectrique 22 présente une polarisation ferroélectrique. [0052] Par exemple, la couche ferroélectrique 22 est réalisée en BaTiO3, en PbZr03, en PbTiO3, en BiFe03, en Hf0,, en ZrO2 ou en poly(fluorure de vinylidène) (aussi désigné par le sigle PVDF renvoyant au terme anglais de « Polyvinylidene Fluoride »). [0053] La polarisation ferroélectrique est le paramètre d'ordre du matériau ferroélectrique dans laquelle la couche ferroélectrique 22 est réalisée. [0054] La couche ferroélectrique 22 est agencée pour que la polarisation ferroélectrique contrôle au moins l'un parmi l'amplitude et le signe du courant de charge converti par l'unité de conversion 16. [0055] En l'espèce, la couche ferroélectrique 22 est superposée avec la couche SOC 28. [0056] L'unité d'application d'un champ électrique 24 est propre à appliquer un champ électrique sur la couche ferroélectrique 22. [0057] Le champ électrique appliqué permet de contrôler la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 22. [0058] Selon l'exemple de la figure 1, l'unité d'application d'un champ électrique 24 comporte un générateur de champ électrique 38 et des bornes confondues avec les bornes 32 et 34 de l'unité d'application de courant de spin 20. [0059] La couche ferromagnétique 26 surmonte l'unité de conversion 16 et est, plus pré- cisément, positionnée au-dessus de la couche ferroélectrique 22. [0060] Selon un premier exemple, le matériau utilisé pour la couche ferromagnétique 26 est un métal comme le Co, le Fe ou le Ni. [0061] Dans un deuxième exemple, le matériau de la couche ferromagnétique 26 est un alliage de Co, Fe ou Ni. En particulier, les matériaux NiFe ou Co Fe sont utilisés. [0062] En variante, d'autres alliages sont envisagés pour former la couche ferromagnétique 26 comme le CoFeB ou le NiMnSb. [0063] Le fonctionnement du dispositif 10 est maintenant décrit en référence à un exemple de mise en oeuvre d'un procédé de génération d'une tension en sortie par le dispositif 10. [0064] Le procédé de génération comporte plusieurs étapes qui sont décrites succinctement dans ce qui suit. [0065] L'aimantation de la couche ferromagnétique 26 est maintenue fixe selon une direction dite direction d'aimantation. [0066] Lors d'une étape d'application, l'unité d'application de courant de spin 20 applique un courant polarisé en spin entre la couche ferromagnétique 26 et la troisième portion de piste 36. La direction de spin est parallèle à la direction d'aimantation. [0067] Le courant de spin se propage alors vers la couche SOC 28 selon la direction d'empilement Z. [0068] Lors d'une étape de conversion, le courant de spin qui s'est propagé vers la couche SOC 28 parvient à l'interface entre la couche SOC 28 et la couche ferroélectrique 22. 6 [0069] Comme indiqué précédemment, par effet Rashba-Edelstein inverse, le courant de spin est converti en courant électrique. [0070] L'effet Rashba-Edelstein inverse résulte de la combinaison de deux phénomènes si- multanés que sont l'effet Edelstein inverse et l'effet Rashba. [0071] L'effet Edelstein inverse permet la conversion d'un courant de spin en un courant de charge à la surface d'un isolant topologique ou à une interface possédant un effet Rashba. [0072] L'effet Rashba apparaît à la surface d'un matériau ou à l'interface entre deux matériaux où la symétrie d'inversion est brisée, cc qui résulte en l'apparition d'un champ électrique perpendiculaire à la surface ou à l'interface. [0073] Dans le cas du dispositif 10 de la figure 1, l'unité de conversion 16 avec l'interface entre la couche SOC 28 et la couche ferroélectrique 22 constitue le système présentant l'effet Rashba. [0074] En présence d'un effet Rashba, le vecteur d'onde des électrons et le spin sont couplés ; la dégénérescence de spin est levée et dans le cas le plus simple, la structure électronique de la surface ou de l'interface consiste en deux contours de Fermi concentriques présentant des chiralités de spin opposées. [0075] Lorsqu'un courant de spin est injecté dans l'unité de conversion 16, l'effet Edelstein inverse fait qu'un décalage opposé mais non-équivalent des contours de Fermi se produit, ce qui génère un courant de charge. [0076] Selon une variante, la conversion spin/charge peut également être effectuée en utilisant l'effet Hall de spin inverse. [0077] Simultanément à cette étape de conversion en un courant de charge, l'unité d'application d'un champ électrique 24 applique un champ électrique à la couche ferroélectrique 22. Le champ électrique appliqué permet de modifier la polarisation ferroélectrique. [0078] Selon la direction de la polarisation, l'état Rashba à l'interface couche SOC 28 et couche ferroélectrique 22 est modifié et le courant de charge généré par l'unité de conversion 16 via l'effet Edelstein inverse est modulé en amplitude et/ou en signe. [0079] L'état de la polarisation de la couche ferroélectrique 22 permet donc de contrôler la tension de sortie du dispositif 10. [0080] En ce sens, le dispositif 10 permet la mémorisation d'information, l'information étant codée par l'état de la polarisation ferroélectrique. [0081] Le dispositif 10 est reconfigurable puisque la configuration est contrôlée par l'unité d'application d'un champ électrique 24. [0082] Par rapport à d'autres dispositifs spintroniques, il est évité le renversement de l'aimantation par l'application d'un champ magnétique ou d'un fort courant qui est très énergivore au profit du contrôle de Pinterconversion de courants de spin en courants de 7 charge par contrôle du renversement de la polarisation ferroélectrique par application d'un champ électrique. De plus, les matériaux ferroélectriques abritent et peuvent générer de forts champs électriques à l'interface avec un matériau. [0083] Ainsi, formulé autrement, des courants de spins peuvent ainsi être générés, manipulés et convertis par des tensions électriques et de façon non volatile, sans avoir recours au renversement d'aimantation très énergivore des matériaux ferromagnétiques. [0084] De plus, le contrôle de la polarisation ferroélectrique est plus performant que le contrôle de l'aimantation d'un matériau, notamment en termes de réversibilité, de reproductibilité ou d'endurance (jusqu'à 1015 cycles comparé à une dizaine). [0085] De manière synthétique, le dispositif 10 est ainsi un transistor bipolaire, non-volatil et de faible consommation électrique. [0086] Un autre exemple de dispositif 10 est illustré sur la figure 2. [0087] Le dispositif selon la figure 2 est décrit par différence avec le dispositif de la figure I. [0088] En particulier, les remarques portant sur le dispositif de la figure 1 qui sont valables pour le dispositif de la figure 2 ne sont pas répétées. De plus, pour simplifier la figure 2, les unités d'applications 20 et 24 ne sont pas représentées. [0089] Dans le cas de la figure 2, les positions de la couche SOC 28 et de la couche ferro- électrique 22 sont inversées. [0090] Ainsi, la couche SOC 28 est interposée entre la couche ferromagnétique 26 et la couche ferroélectrique 22. [0091] Le fonctionnement et les avantages procurés par le dispositif 10 selon la figure 2 sont identiques au cas du dispositif 10 de la figure 1. [0092] Un autre exemple de dispositif 10 est illustré sur la figure 3. [0093] Le dispositif 10 selon la figure 3 est décrit par différence avec le dispositif de la figure 1. Aussi, les remarques valables pour les dispositifs des figures 1 et 2 ne sont pas reprises dans ce qui suit. [0094] Selon l'exemple de la figure 3, le dispositif 10 comporte, en outre, une couche di- électrique 40. [0095] La couche diélectrique 40 repose sur une partie de l'entrée 12 et la couche SOC 28 repose sur une partie de la sortie 14. [0096] La couche ferroélectrique 22 est agencée pour établir un contact entre la couche di- électrique 40 et l'unité de conversion 16. [0097] Plus précisément, la couche fenoélectrique 22 est positionnée au-dessus de la couche diélectrique 40 et de la couche SOC 28, en contact avec les deux couches 28 et 40. [0098] Le dispositif 10 comporte ainsi deux bras 42 et 44 reliés entre eux, le premier bras 42 étant formé par la couche diélectrique 40 et la couche ferroélectrique 22 et le deuxième bras 44 étant formé par l'unité de conversion 16 (couche SOC 28 et couche ferroélectrique 22). 8 [0099] Le deux bras 42 et 44 sont alignés le long de la deuxième direction transversale Y, de sorte que les directions d'extension principale de l'entrée 12 et de la sortie 14 ne sont pas alignées comme c'est le cas dans les dispositifs 10 des figures 1 et 2 mais décalées le long de la deuxième direction transversale Y. [0100] La couche ferromagnétique 26 est en contact avec la couche ferroélectrique 22. [0101] Comme visible sur la figure 3, la couche ferromagnétique 26 est à la masse. [0102] Un courant de spin est ainsi généré dans l'empilement dans le deuxième bras 44 à l'aide de l'élément de signe de référence 36 sur la figure 3 [0103] En fonctionnement, l'application d'un courant sur l'entrée 12 charge le premier bras 42 qui agit comme un élément capacitif [0104] Aussi, lorsque la tension de seuil de l'élément capacitif est atteinte, la polarisation de la partie de la couche ferroélectrique se renverse. [0105] Le renversement de la polarisation se déplace ensuite dans la couche ferroélectrique 22 par déplacement de parois de domaines. [0106] Le renversement de polarisation permet ainsi de contrôler l'amplitude ou le sens du courant de charge que l'unité de conversion 16 convertit à partir du courant de spin qui est appliqué à l'unité de conversion 16. [0107] Dans le cas de cc dispositif 10, le renversement de la polarisation ferroélectrique se fait à très faible coût énergétique du fait de la forte résistance du bras gauche (ensemble couche diélectrique et couche ferroélectrique). [0108] Le dispositif 10 représenté à la figure 3 présente, en outre, l'avantage d'être concaténable, c'est-à-dire que la tension de sortie d'un dispositif 10 donné peut être utilisée comme tension d'entrée d'un dispositif 10 suivant. [0109] Un tel dispositif 10 est utilisable pour de nombreuses applications. [0110] Par exemple, comme illustré sur la figure 4, le dispositif 10 fait partie d'une porte numérique 42, porte numérique qui fait elle-même partie d'une unité de mémorisation. [0111] Dans ce cas, l'entrée 12 comporte deux bornes d'insertion 44 et 46 de sorte que le la porte numérique 42 réalise une opération logique à partir des valeurs insérées sur les deux bornes d'insertion 44 et 46. [0112] L'opération logique obtenue peut être réalisée en fonction de la manière dont les courants d'entrée injectés sur les deux bornes d'insertion 44 et 46 agissent sur la polarisation ferroélectrique et la correspondance entre la direction de la polarisation et le signe du courant généré en sortie. [0113] La porte numérique 42 est reconfigurable et permet de réaliser les opérations logiques de type « ou » ou « et » avec une faible consommation. [0114] Selon un autre exemple, c'est un composant analogique qui comporte le dispositif 10. Le composant analogique fait partie d'un réseau de neurones. [0115] Là encore, l'emploi du dispositif 10 permet de réduire la consommation électrique. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]