Brevet FR3119700A1 — publié le 20220812

DISPOSITIF MAGNÉTIQUE CRYOGÉNIQUE PLUS PARTICULIÈREMENT POUR MÉMOIRE OU COMPOSANT LOGIQUE L’invention concerne un dispositif (100) magnétique cryogénique comportant : une couche libre (110) présentant une aimantation libre et une anisotropie magnétique favorisant l'orientation de l'aimantation libre selon une première orientation ou une deuxième orientation, l'anisotropie magnétique étant définie par une barrière énergétique séparant la première orientation et la deuxième orientation, l'amplitude de la barrière énergétique étant inférieure à , la couche libre présentant un facteur d'amortissement de Gilbert compris entre 0,02 et 0,4 ; une barrière tunnel (120) s'étendant au contact avec de la couche libre ; et un moyen (131, 132) configuré pour appliquer une impulsion de tension (V) à travers la barrière tunnel afin de réduire l'amplitude de la barrière énergétique et commuter l'aimantation libre. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3 DISPOSITIF MAGNÉTIQUE CRYOGÉNIQUE PLUS PARTICULIÈREMENT POUR MÉMOIRE OU COMPOSANT LOGIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des dispositifs magnétiques destinés à être mis en œuvre plus particulièrement en tant que mémoire ou circuit logique dans un environnement cryogénique. La présente invention concerne plus particulièrement le changement d'état magnétique d'un dispositif magnétique mettant en œuvre un contrôle en tension de l’anisotropie magnétique dudit dispositif. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Dans l'électronique numérique conventionnelle basée sur la technologie semi-conducteur/oxyde/métal complémentaires (CMOS), il y a une grande dissipation d'énergie statique et dynamique. La première est principalement due à diverses fuites de courant lorsque les transistors sont dans un état ouvert, tandis que la seconde est associée à la charge et décharge des interconnections capacitives reliant les différents composants du circuit. Cette consommation d'énergie croissante a stimulé un effort mondial important de recherche de solutions innovantes pour augmenter l'efficacité énergétique globale des systèmes électroniques. Récemment, les technologies quantiques telles que les circuits logiques supraconducteurs à base de jonctions Josephson sont apparues comme des candidats prometteurs pour les futures architectures informatiques, bénéficiant d'une vitesse de traitement énorme, d'une faible consommation d'énergie ainsi que d'interconnexions rapides et sans perte entre les éléments de circuit. En parallèle, les récents développements techniques ont permis la réalisation d'infrastructures de calcul cryogénique à grande échelle, où l'économie d'énergie réalisée par le calcul à température cryogénique dépasse le coût de l'énergie nécessaire pour refroidir le système et le maintenir à basse température en fonctionnement. Ce passage aux infrastructures de calcul cryogénique nécessite l'adaptation de tous les composants microélectroniques associés pour un fonctionnement à basse température. L'émergence des technologies de calcul quantique promet un accroissement des capacités de calcul. Toutefois ces technologies nécessitent le recourt à un environnement cryogénique pour fonctionner correctement. La transition d'une infrastructure de calcul pouvant fonctionner à température ambiante à une infrastructure de calcul nécessitant un environnement cryogénique implique ainsi d'adapter les éléments associés, tels que les mémoires ou les circuits logiques, aux conditions cryogéniques. Les mémoires non volatiles, notamment les mémoires magnétiques de type MRAM ("Magnetic Random access memory" en anglais), qui conservent leurs données en l’absence d’alimentation, sont intéressantes car elles permettent de diminuer la consommation énergétique en éteignant les parties temporairement inactives du circuit et donc en éliminant le courant de fuite dans ces parties. Le recours à une source d’énergie n'est alors nécessaire que lors des phases de lecture ou d'écriture d'un état dans la mémoire non-volatile. Le concept de calcul électronique dans un circuit normalement éteint avec mise en marche instantanée ("Normally-Off/Instant-On computing" en langue anglaise) a même été introduit pour décrire cette approche ("Challenges toward gigabit-scale spin-transfer torque random access memory and beyond for normally off, green information technology infrastructure", Takayuki Kawahara, J. Appl. Phys. 109,07D325, 2011). Plusieurs propositions [Vernik, I. V. et al. "Magnetic Josephson junctions with superconducting interlayer for cryogenic memory", IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 1701208, 2013], basées sur une jonction tunnel hybride magnétique et supraconductrice, ont été faites pour étendre le domaine d'application des mémoires magnétiques de type MRAM à l'environnement cryogénique. En revanche ces dispositifs hybrides présentent des problèmes de déploiement à grande échelle par rapport aux mémoires magnétiques comprenant une jonction tunnel entièrement magnétique. Plusieurs propositions de mémoires entièrement magnétiques, basées sur une jonction tunnel magnétique ou une vanne de spin, font intervenir la circulation d'un courant polarisé en spin au sein de la mémoire magnétique afin de changer l'état de ladite mémoire magnétique. Une première proposition [G. E. Rowlands et al. "A cryogenic spin-torque memory element with precessional magnetization dynamics", Scientific Reports 9, 803, 2019] divulgue une mémoire magnétique, représentée par la figure 1a, destinée à être opérée à très basse température (4 K) et comprenant une vanne de spin. La mémoire magnétique 100 comprend une couche de polarisation 104, présentant une aimantation hors du plan des couches, une couche libre 101 présentant une aimantation variable appartenant au plan des couches, une couche de référence 103 présentant une aimantation fixe appartenant au plan des couches et une couche métallique non-magnétique 102 séparant la couche libre 101 et la couche de référence 103. Une impulsion de courant électrique, polarisé par la couche de polarisation 104, exerce un couple sur la couche libre 101, induisant un mouvement de précession cohérent de l'aimantation autour de la normale au plan des couches. Le retournement de l'aimantation de la couche libre 101, aussi appelé basculement, renversement ou commutation, est alors obtenu par un ajustement approprié de la durée de l'impulsion de courant. La figure 1b présente un taux d'erreur du retournement de l'aimantation (aussi appelé taux d'erreur d'écriture) en fonction de la durée de l'impulsion de courant. L'écriture n'est réalisée avec succès que dans une gamme très limitée de conditions d'impulsion et avec un taux d'erreur d'écriture assez élevé de l'ordre de . Un tel contrôle de la durée des impulsions (durée de l'ordre de 500ps ± 30ps) est très difficile à réaliser au niveau d'une puce électronique comportant un grand nombre de dispositifs magnétiques en raison de la déformation des impulsions de courant lorsqu'elles se propagent dans les lignes conductrices connectées aux dispositifs magnétiques. En outre, la durée optimale des impulsions s'avère différente pour les transitions de parallèle (P, lorsque l’aimantation des couches de référence et libre sont parallèles) vers antiparallèle (AP, lorsque l’aimantation des couches de références et libre sont antiparallèles) où 500 ps sont nécessaires alors que, d'antiparallèle (AP) vers parallèle (P), 470 ps suffisent, rendant le retournement d'autant plus difficile à contrôler. De plus, ce dispositif est entièrement composé de couches métalliques, présentant une magnétorésistance géante perpendiculaire au plan du courant qui n'est que de l'ordre de 1%, trop faible pour être utilisable au niveau de la puce. Une deuxième proposition [L. Rehm et al. "Sub-nanosecond switching in a cryogenic spin-torque spin-valve memory element with a dilute permalloy free layer", Appl. Phys. Lett. 114, 212402, 2019] divulgue une mémoire magnétique, également destinée à être opérée à très basse température (3,2 K) et comprenant une vanne de spin. En revanche, dans cet exemple, la couche libre comprend un alliage de permalloy avec du cuivre (dit permalloy dilué). La mémoire comprend une couche de référence formée par une couche antiferromagnétique synthétique. La couche de référence présente une épaisseur de 3 nm et comprend un alliage de CoFe. L'aimantation de la couche de référence appartient au plan des couches. La structure antiferromagnétique synthétique comprend la couche de référence (CoFe), une couche d'espacement de 0,8 nm en ruthénium et une deuxième couche en alliage de CoFe. La mémoire comprend également une couche métallique non magnétique de 3,5 nm en cuivre séparant la couche libre de la couche de référence. Le retournement de l'aimantation de la couche libre est réalisé par une impulsion de courant de l’ordre de 0,7 mA pour une durée de 2 ns. La figure 1c présente en niveau de gris la probabilité de retournement de l'aimantation en fonction de l'amplitude et de la durée de l'impulsion. Comme le dispositif est entièrement métallique, la dépendance angulaire du couple de transfert de spin est très asymétrique, ce qui induit une probabilité de retournement différente en fonction des configurations de départ : antiparallèle (AP) et parallèle (P). En outre, comme dans l'exemple précédent, la magnétorésistance du dispositif est ici aussi trop faible pour des applications pratiques. Une troisième proposition [L. Rehm et al. "Sub-nanosecond spin-torque switching of perpendicular magnetic tunnel junction nanopillars at cryogenic temperatures", Appl. Phys. Lett. 115, 182404, 2019] divulgue une mémoire magnétique comprenant une jonction tunnel magnétique perpendiculaire (ou pMTJ pour "perpendicular Magnetic Tunnel Junction" en anglais), afin de surmonter le problème de faible magnétorésistance des approches précédentes. Pour rappel, une jonction tunnel magnétique perpendiculaire comprend une couche libre dont l'aimantation est orientée perpendiculairement au plan des couches. La jonction tunnel magnétique perpendiculaire comprend en outre une barrière tunnel à base d'oxyde de magnésium MgO et présente un rapport de magnétorésistance tunnel de 203%. De plus, à très basse température (4 K), le retournement de l'aimantation de la couche libre est obtenu grâce à une impulsion de courant de 4 ns avec un taux d'erreur de l'ordre de . Cependant, comme le montre le tableau 1 ci-dessous, l'énergie de retournement augmente avec la baisse de la température pour atteindre à qui constitue une consommation électrique incompatible avec l'intégration des technologies quantiques et des infrastructures de calcul cryogénique à grande échelle. Une faible consommation d'énergie est une exigence nécessaire pour minimiser le coût de la puissance de refroidissement et pour obtenir une stabilité thermique satisfaisante compte tenu de la faible capacité thermique des matériaux à basse température. Une méthode de contrôle de l'anisotropie magnétique par une tension électrique, dite VCMA pour "voltage-controlled magnetic anisotropy" en anglais, est proposée [T. Nozaki et al. "Recent progress in the voltage-controlled magnetic anisotropy effect and the challenges faced in developing voltage-torque MRAM", Micromachines 10(5):327, 2019] comme nouveau mécanisme d'écriture pour les mémoires magnétiques de type MRAM à température ambiante (de l'ordre de 300 K). Cette méthode permet une réduction spectaculaire de la consommation d'énergie d'écriture, tout en utilisant des combinaisons de matériaux conventionnellement utilisés dans la réalisation de jonction tunnel magnétique et permettant d'obtenir un rapport de magnétorésistance tunnel élevé. La VCMA consiste en une variation de l'anisotropie magnétique qui existe à l'interface entre une électrode magnétique métallique, par exemple en CoFeB, et une barrière tunnel, par exemple en MgO. La variation d'anisotropie magnétique est induite par l'application d'une tension de polarisation à travers la barrière tunnel. L'anisotropie peut être augmentée ou diminuée en fonction de la polarité de la tension appliquée. Aucune circulation de courant à travers la jonction tunnel magnétique n'est nécessaire pour mettre en œuvre la VCMA. La consommation de puissance nécessaire pour retourner l'aimantation d'une couche libre est réduite par rapport à la consommation de puissance nécessaire pour retourner l'aimantation d'une mémoire magnétique nécessitant la circulation d'un courant. Dans ce dernier cas, l'accroissement de puissance est notamment dû à la dissipation ohmique par effet Joule. Le principe de la VCMA est illustré par la figure 2a. Une aimantation est représentée par une flèche sur une sphère unité et par une boule dans un paysage énergétique représentant l'anisotropie magnétique. Ce paysage énergétique dépend de la tension appliquée à la jonction tunnel. Lorsque la boule est dans un puit du paysage énergétique, l'aimantation est alignée selon une orientation stable. Les puits du paysage énergétique correspondent aux orientations stables de l'aimantation dans l'espace réel en l’absence de tension appliquée. Dans ce cas, les puits sont séparés par une barrière énergétique. L'application d'une tension électrique aux bornes de la jonction tunnel magnétique permet, lorsqu'elle est correctement polarisée, de modifier l'anisotropie magnétique, abaissant notablement la barrière énergétique entre les deux puits, c’est-à-dire la barrière séparant les deux orientations stables de l'aimantation. Ceci permet dynamiquement à la boule de passer d’un puit d’énergie à l’autre réalisant ainsi une commutation de l’aimantation. Lors de cette commutation, l'aimantation réalise un mouvement de précession. Cela permet ainsi de retourner l'aimantation en utilisant une impulsion de tension dont la polarité et l'amplitude permettent d'abaisser suffisamment la barrière énergétique. De plus, une durée d'impulsion correspondant à environ la moitié de la période de précession de l'aimantation est suffisante pour réaliser le retournement de l'aimantation. [C. Grezes et al. "Write error rate and read disturbance in electric-field-controlled magnetic-random-access memory", IEEE Magn. Lett. 8, 2017] divulgue un exemple de retournement de l'aimantation d'une jonction tunnel magnétique perpendiculaire configurée pour mettre en œuvre la VCMA. La jonction tunnel magnétique perpendiculaire comprend notamment une électrode métallique magnétique en CoFeB et une barrière tunnel en MgO. Le retournement de l'aimantation est obtenu à température ambiante par VCMA grâce à une impulsion de 500 ps et une énergie totale consommée de . L'énergie consommée est nettement inférieure à l'énergie consommée par un dispositif contrôlé par transfert de spin. [T. Yamamoto et al. "Improvement of write error rate in voltage-driven magnetization switching", J. Phys. D Appl. Phys. 52, 164001, 2019] divulgue que le taux d'erreur d'écriture peut être inférieur à . Toutefois, le retournement par VCMA nécessite un contrôle de la durée de l'impulsion de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes, illustré par la , contrôle difficilement réalisable sur une puce électronique. Il existe donc un besoin de fournir un dispositif magnétique permettant de stocker une information qui soit notamment compatible avec un environnement cryogénique. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. représente schématiquement une première mémoire magnétique selon l'art antérieur. représente schématiquement un taux d'erreur de commutation d'une deuxième mémoire magnétique selon l'art antérieur. représente schématiquement une probabilité de commutation d'une aimantation d'un état parallèle à antiparallèle et d'un état antiparallèle à parallèle d'une troisième mémoire magnétique selon l'art antérieur. représente schématiquement un principe de contrôle de l'anisotropie magnétique par une tension électrique. représente schématiquement un taux d'erreur de commutation d'une quatrième mémoire magnétique selon l'art antérieur. représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif magnétique cryogénique selon l'invention. représente schématiquement un premier exemple d'anisotropie magnétique du dispositif magnétique cryogénique selon l'invention. représente schématiquement un deuxième exemple d'anisotropie magnétique du dispositif magnétique cryogénique selon l'invention. représente schématiquement un troisième exemple d'anisotropie magnétique du dispositif magnétique cryogénique selon l'invention. représente schématiquement un effet de l'application d'une tension électrique à travers le dispositif magnétique cryogénique selon l'invention. représente schématiquement un modèle numérique correspondant au dispositif magnétique cryogénique selon l'invention. , , , présentent des premiers résultats de simulation numérique du modèle numérique de la . et représentent schématiquement des première et deuxième trajectoires suivies séquentiellement par l'aimantation du modèle numérique de la lors de la commutation mettant en œuvre le contrôle de l'anisotropie magnétique par une tension électrique. , , , , , , , , , et présentent des deuxièmes résultats de simulation numérique du modèle numérique de la . Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Dispositif (100) magnétique cryogénique contrôlé en tension comportant : une première couche (110) magnétique, dite couche libre, s'étendant suivant un plan (101) de référence et présentant une première aimantation (301), dite aimantation libre, et une anisotropie ( ) magnétique favorisant l'orientation de l'aimantation libre selon une première orientation (210) ou une deuxième orientation (220), la première orientation comprenant une première composante perpendiculaire au plan de référence et la deuxième orientation comprenant une deuxième composante perpendiculaire au plan de référence, la première composante perpendiculaire et la deuxième composante perpendiculaire étant de signes opposés, l'anisotropie magnétique étant définie par une barrière énergétique séparant la première orientation et la deuxième orientation, l'amplitude ( ) de la barrière énergétique étant inférieure à , la couche libre présentant un facteur d'amortissement de Gilbert compris entre 0,02 et 0,4; une deuxième couche (120) isolante non-magnétique, dite barrière tunnel, s'étendant au contact de la couche libre ; et un moyen (131, 132) configuré pour appliquer une impulsion de tension ( ) à travers la barrière tunnel, ladite impulsion de tension étant adaptée pour réduire l'amplitude de la barrière énergétique et commuter l'aimantation libre de : la première orientation à la deuxième orientation ; ou de la deuxième orientation à la première orientation. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant une troisième couche (140) magnétique et conductrice, dite couche de référence, s'étendant au contact de la barrière tunnel et présentant une deuxième aimantation (302), dite aimantation de référence, fixe et sensiblement perpendiculaire au plan de référence, la couche de référence étant apte à transmettre les impulsions de tension à la barrière tunnel. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le facteur d'amortissement de Gilbert de la couche libre est compris entre 0,05 et 0,3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche libre présente une première épaisseur ( ) choisie pour que l'amplitude de la barrière énergétique soit inférieure à . Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche libre présente une anisotropie magnétique telle que la première orientation et la deuxième orientation appartiennent à : un axe (230) facile, sensiblement perpendiculaire au plan de référence ; ou un cône (240) facile, l'axe du cône facile étant sensiblement perpendiculaire au plan de référence. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant un moyen pour appliquer un champ magnétique planaire ( ) au niveau de la couche libre, au moins pendant la durée d'application de l'impulsion de tension, ledit champ magnétique planaire étant sensiblement contenu à l’intérieur du plan de référence. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant une couche (170) antiferromagnétique adaptée pour appliquer une anisotropie d'échange au niveau de la couche libre. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche libre présente une anisotropie magnétique comprenant une composante uniaxiale sensiblement contenue à l’intérieur du plan de référence. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la couche libre présente une structure cristallographique configurée pour induire la composante d'anisotropie uniaxiale sensiblement contenue dans le plan de référence. Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel la couche libre présente une forme d'ellipse dans le plan de référence, le rapport ( ) d'aspect de l'ellipse étant compris entre 1,2 et 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la barrière tunnel est choisie telle que le produit de sa résistance par sa surface soit supérieur à . Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche libre comprend un alliage à base de Fer et un élément amorphisant avantageusement choisi parmi les éléments suivants : Bore, Zirconium, Niobium, Hafnium ou une combinaison de ces éléments amorphisants. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche libre comprend des impuretés présentant un fort couplage spin-orbite. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche libre comprend une première face, en contact avec la barrière tunnel et une deuxième face, opposée à la première face, en contact avec une couche de lamination apte à produire une augmentation du facteur d'amortissement de Gilbert, cette couche de lamination comprenant des impuretés présentant un fort couplage spin-orbite. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'impulsion de tension comprend : une première polarité configurée pour réduire l'amplitude de la barrière énergétique, de durée et d’amplitude choisies pour commuter l'aimantation libre ; et une deuxième polarité opposée à la première polarité et configurée pour augmenter l'amplitude de la barrière énergétique, de durée et d’amplitude choisies pour permettre la lecture de l’état magnétique de la couche libre.