La présente invention concerne un dispositif logique et une architecture de calcul logique.

La présente invention se situe dans le domaine des architectures de calcul et de logique booléenne.

Pour réaliser le traitement d’informations binaires, il est favorable que les dispositifs logiques puissent présenter une sortie qui est soit positive soit négative. Dans la mesure où la sortie est en général un courant, on peut qualifier cette propriété de « bidirectionnalité », de sorte qu’un tel dispositif logique peut être qualifié de dispositif logique bidirectionnel.

Le traitement des informations binaires est actuellement réalisé par des composants CMOS dont le niveau de tension de sortie, faible ou élevé, correspond à un 0 ou à un 1. L’abréviation CMOS renvoie à la dénomination de « Complementary Metal Oxide Semiconductor » qui signifie littéralement semiconducteur à oxyde de métal complémentaire. Toutefois, selon la terminologie introduite précédemment, ces composants peuvent être qualifiés d’« unidirectionnels » car, étant donné que ces composants ne fonctionnent qu’avec des tensions positives, le courant circule toujours dans le même sens.

Il existe donc un intérêt pour des dispositifs logiques bidirectionnels permettant notamment une concaténation de plusieurs dispositifs

A cet effet, la description décrit un dispositif logique comprenant :

- un premier bras, le premier bras s’étendant selon une première direction, le premier bras étant propre à être parcouru par un courant de charge,

- un deuxième bras, le deuxième bras s’étendant selon la première direction, le deuxième bras étant également propre à être parcouru par un courant de charge,

- un canal reliant le premier bras au deuxième bras, le canal étant selon une deuxième direction, la deuxième direction étant perpendiculaire à la première direction, le canal comportant trois zones, une première zone de contact avec le premier bras, une deuxième zone de contact avec le deuxième bras et une zone centrale reliant les deux zones de contact, le premier bras, le deuxième bras et le canal étant propres à réaliser une première conversion dans la première zone de contact et une deuxième conversion dans la deuxième zone de contact, la première conversion étant la conversion d’un courant de charge circulant dans le premier bras en un courant de spin circulant dans le canal, et la deuxième conversion étant la conversion d’un courant de spin circulant dans le canal en courant de charge circulant dans le deuxième bras, et

- une unité de contrôle de direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras, l’unité de contrôle comportant au moins une sous-unité de contrôle électrique d’une des deux conversions.

Dans ce contexte, un canal présente une dimension selon la première direction qui est inférieure à la dimension des bras selon la première direction.

Similairement, le canal présente une forme sensiblement allongée selon la deuxième direction, de sorte que la dimension du canal selon la deuxième direction est généralement supérieure à dimension des bras selon la deuxième direction.

Cela implique que le canal et les deux bras permettent de définir une structure sensiblement planaire et non un empilement de couches.

Cela permet de réaliser une concaténation différente de celle possible avec des dispositifs unidirectionnels tels que les composants CMOS.

De plus, un tel dispositif permet de diminuer la consommation électrique des architectures de calculs par rapport à celles basées sur des composants CMOS, en introduisant de nouveaux paradigmes de calculs et des éléments ferroïques conférant un caractère non-volatil.

Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif logique présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- une sous-unité de contrôle est une sous-unité de contrôle de la première conversion et est propre à contrôler la direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras en contrôlant le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.

- la sous-unité de contrôle de la première conversion comporte une source de tension et un contact électrique, le contact électrique étant en contact avec la première zone de contact, la source de tension contrôlant le potentiel du contact électrique.

- une sous-unité de contrôle est une sous-unité de contrôle de la deuxième conversion et est propre à contrôler la direction du courant de charge par un contrôle électrique de la deuxième conversion.

- la sous-unité de contrôle de la deuxième conversion comporte une source de tension et un contact électrique, le contact électrique étant en contact avec la deuxième zone de contact, la source de tension contrôlant le potentiel du contact électrique. - le contact électrique est une multicouche formée au moins d’une couche isolante et d’une couche métallique, la couche isolante reposant sur le bras et le canal et étant, de préférence, réalisée en un matériau ferroélectrique, le matériau ferroélectrique étant avantageusement choisi dans la liste constitué de BaTiOs, de Pb(Zr,Ti)C>3, de BiFeOs, de (Hf,Zr)C>2, et du poly(fluorure de vinylidène).

- le contact électrique repose sur la partie de canal et la partie de bras.

- les bras et le canal forment un H.

- les bras et le canal sont réalisés dans un même matériau.

- les bras sont réalisés dans un premier matériau, les zones de contact étant réalisées dans un deuxième matériau et le canal étant réalisé dans un troisième matériau distinct du premier matériau et du deuxième matériau.

- chaque matériau est choisi parmi :

- un oxyde, en particulier SrTiOs ou KTaOs,

- un matériau semiconducteur lll-V, de préférence InAs ou InSb,

- un matériau semiconducteur ll-VI, de préférence HgTe ou CdTe,

- les dichalcogénures de métaux de transition, de préférence WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 ou MoSe2, et

- des isolants topologiques, de préférence (Bi,Sb)2(Se,Te)s.

- le dispositif logique est propre à réaliser une opération logique sur deux entrées logiques pour obtenir une sortie logique, l’état de la sortie logique étant le sens du courant circulant dans le deuxième bras, l’état logique d’une première entrée étant la valeur d’un potentiel appliqué sur une sous-unité de contrôle et l’état logique d’une deuxième entrée étant le sens du courant circulant dans le premier bras ou l’état logique d’une première entrée étant la valeur d’un courant appliqué sur une sous- unité de contrôle et l’état logique d’une deuxième entrée étant la valeur d’un autre courant appliqué sur une sous-unité de contrôle, ou l’état logique d’une première entrée étant la valeur du potentiel appliqué à la sous-unité de contrôle de la première conversion et l’état logique d’une deuxième entrée étant la valeur du potentiel appliqué à la sous-unité de contrôle de la deuxième conversion.

La description se rapporte également à une architecture de calcul logique comportant au moins deux dispositifs logiques tels que précédemment décrits, l’architecture de calcul logique vérifiant au moins l’une des propriétés suivantes :

- une première propriété selon laquelle le premier bras d’un des deux dispositifs logiques est confondu avec le deuxième bras de l’autre dispositif logique, et - une deuxième propriété selon laquelle le deuxième bras d’un des deux dispositifs logiques est connecté avec une sous-unité de contrôle électrique d’une des deux conversions.

Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de dispositif logique avec les sens de courant indiqués pour deux cas distincts (respectivement à gauche et à droite),

- la figure 2 est un graphe montrant l’évolution de la variation de résistance en fonction de l’angle formé par le champ par rapport au courant dans le cas de gaz bidimensionnels de SrTiO3,

- la figure 3 est une représentation schématique des différents cas correspondant aux différentes valeurs possibles lorsque le dispositif logique de la figure 1 réalise une fonction XNOR,

- la figure 4 est une représentation schématique des différents cas correspondant aux différentes valeurs possibles lorsqu’un autre dispositif logique réalise une fonction XNOR,

- la figure 5 est une représentation schématique des différents cas correspondant aux différentes valeurs possibles lorsqu’un autre dispositif logique réalise une fonction NOR, et

- la figure 6 est une représentation d’un exemple d’architecture logique comprenant plusieurs dispositifs logiques concaténés.

Un dispositif logique 10 est illustré sur la figure 1 pour deux cas distincts.

Le dispositif logique 10 est propre à réaliser une opération logique sur deux entrées logiques pour obtenir une sortie logique, la sortie logique étant alors le résultat de l’opération logique appliquée sur les deux entrées logiques.

Le dispositif logique 10 comporte un premier bras 12, un deuxième bras 14 et un canal 16 reliant le premier bras 12 au deuxième bras 14.

Le premier bras 12 s’étend selon une première direction X.Le premier bras 12 est propre à être parcouru par un courant de charge noté J ^B1 . Ce courant de charge J ^B1 est indiqué dans les deux cas représentés dans la figure 1 , chaque cas correspondant à un sens de parcours du courant de charge identique.

Par convention, ici, lorsqu’un courant de charge se déplace dans la direction X vers le haut sur la figure 1 , le courant de charge est positif (on adoptera la notation selon +X dans la suite) alors que lorsqu’un courant de charge se déplace vers le bas sur la figure 1 , le courant de charge est négatif (on adoptera la notation selon -X dans la suite).

Le deuxième bras 14 s’étend selon la première direction X et est donc parallèle au premier bras 12.

Le deuxième bras 14 est également propre à être parcouru par un courant de charge noté J ^B2 . Ce courant de charge est indiqué dans les deux cas représentés dans la figure 1 , chaque cas correspondant à un sens de parcours du courant de charge (selon -X ou +X).

Le canal 16 est selon une deuxième direction Y, la deuxième direction Y étant perpendiculaire à la première direction X.

Le canal 16 comporte trois zones, une première zone de contact avec le premier bras 12, une deuxième zone de contact avec le deuxième bras 14 et une zone centrale reliant les deux zones de contact.

Comme les bras de la figure 1 ont la même étendue selon la deuxième direction Y, les bras et le canal 16 forment un H.

Néanmoins, il est possible que les bras ne présentent pas la même étendue selon la deuxième direction Y comme notamment visible sur la figure 6.

Le premier bras 12 et le canal 16 sont propres à réaliser une première conversion.

La première conversion est la conversion d’un courant de charge J ^B1 circulant dans le premier bras 12 en un courant de spin noté J ^s circulant dans le canal 16.

La première conversion est donc une conversion charge-spin au niveau de l’intersection entre le premier bras 12 et le canal 16, c’est-à-dire dans la première zone de contact.

Le courant de spin généré est représenté pour chacun des cas et présente le même sens. T outefois, comme cela sera détaillé ultérieurement, la direction des spins est opposée dans les deux cas.

Le deuxième bras 14 et le canal 16 sont propres à réaliser une deuxième conversion.

La deuxième conversion est la conversion d’un courant de spin Js circulant dans le canal 16 en courant de charge J ^B2 circulant dans le deuxième bras 14. La deuxième conversion est donc une conversion spin-charge au niveau de l’intersection entre le canal 16 et le deuxième bras 14, c’est-à-dire dans la deuxième zone de contact.

Pour réaliser ces deux conversions, le canal 16 présente une longueur de diffusion de spin suffisante.

Typiquement, une longueur comprise entre 10 nanomètres et 10 microns (pm) est une longueur de diffusion de spin suffisante.

En ce qui concerne les matériaux, plusieurs cas peuvent être envisagés. Selon un premier exemple, les bras 12 et 14 et le canal 16 sont réalisés dans un même matériau.

Selon un autre exemple, les bras 12 et 14 sont réalisés dans un premier matériau , les zones de contact sont réalisées dans le premier matériau et la zone centrale est réalisée dans un deuxième matériau distinct du premier matériau.

L’avantage d’un tel exemple est qu’il devient possible d’optimiser séparément l’efficacité de conversion et la longueur de diffusion de spin, ceci au prix d’une optimisation des interfaces entre les deux matériaux mis en jeu et notamment leur transparence aux courants de spin.

Chacun des matériaux précités sont choisis avantageusement dans la liste suivante :

- un oxyde, en particulier SrTiOs ou KTaOs,

- un matériau semiconducteur lll-V, de préférence InAs ou InSb,

- un matériau semiconducteur ll-VI, de préférence HgTe ou CdTe,

- les dichalcogénures de métaux de transition, de préférence WS2, WSe2, PtSe2, MoTe2 ou MoSe2, éventuellement combinés avec une couche de graphène ou d’un autre matériau bidimensionnel.

- des isolants topologiques, de préférence (Bi,Sb)2(Se,Te)s ou (Bi,Sb).

Dans cette liste, les gaz d’électrons bidimensionnel à base d’oxydes tels que SrTiOs ou KTaOs, ou à base de semiconducteurs lll-V tel que InAs ou InSb sont des exemples particulièrement intéressants.

Le dispositif logique 10 comprend, en outre, une unité de contrôle 20 de direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras 14.

L’unité de contrôle 20 comporte une sous-unité de contrôle électrique de la première conversion 22.

La sous-unité de contrôle 22 est propre à contrôler la direction du courant de charge circulant dans le deuxième bras 14 en contrôlant le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.

Pour cela, selon l’exemple de la figure 1 , la sous-unité de contrôle 22 comporte une source de tension non représentée et un contact électrique 24.

Le contact 24 est en contact avec la première zone de contact et la source de tension contrôle le potentiel du contact 24.

Le contact 24 est une multicouche formée au moins d’une couche isolante et d’une couche métallique, la couche isolante reposant sur le bras 12, et plus précisément la première zone de contact. On peut envisager que le matériau isolant réalisant la couche isolante soit un simple matériau diélectrique ou un matériau ferroélectrique, ce qui apporte un caractère non volatil au fonctionnement du dispositif.

Lorsque le matériau isolant est un matériau ferroélectrique, le contact 24 peut être qualifié de contact ferroélectrique. Le matériau ferroélectrique peut être avantageusement choisi dans la liste constituée de BaTiOs, de Pb(Zr,Ti)Os, de BiFeOs, de (Hf,Zr)O2, et du poly(fluorure de vinylidène) (également désigné par l’acronyme PVDF).

La sous-unité de contrôle 22 est ainsi une grille électrostatique ou ferroélectrique positionnée à l’intersection entre le premier bras 12 et le canal 16.

Il est maintenant expliqué comment la sous-unité de contrôle 22 permet de contrôler le sens des spins du courant de spin par un contrôle électrique de la première conversion.

Comme visible sur la figure 1 , le dispositif logique 10 comprend une structure de base qui est ici une barre de Hall en forme de H.

Lors de l’application d’un courant de charge J ^B1 dans le bras d’entrée, le couplage spin-orbite induit la conversion (partielle ou totale) du courant de charge en un courant de spin transverse Js qui va circuler dans le canal 16. Le mécanisme de conversion peut être typiquement de type effet Hall de spin ou de type effet Edelstein.

Selon le cas, l’orientation des spins dans le canal 16 peut varier (généralement les spins sont perpendiculaires au plan de la couche dans le cas de l’effet Hall de spin et dans le plan et parallèle à Js dans le cas de l’effet Edelstein), mais dans les deux cas, un courant de spin Js circule dans le canal 16. Arrivé à l’intersection avec le bras de sortie, le courant de spin Js est reconverti en un courant de charge par l’effet Hall de spin inverse ou par l’effet Edelstein inverse.

En prenant pour exemple le cas des effets Edelstein direct et inverse, le sens des spins (planaires) véhiculés par J _s dans le canal 16 dépend du signe du courant de charge dans le premier bras 12. La conversion du courant de spin en courant de charge au niveau du deuxième bras 14 dépendant du sens de ces spins, le courant de sortie changeant de signe avec le signe du courant dans le premier bras 12.

Pour un signe donné du courant dans le premier bras 12, le sens des spins générés dans le canal 16 dépend du signe du coefficient de conversion, c’est-à-dire de l’angle de spin Hall 0 ^SHE dans le cas effet Hall de spin, ou de la longueur d’Edelstein À ^IEE dans le cas de l’effet Edelstein inverse. Généralement, l’amplitude et le signe de ce coefficient de conversion sont fixés par la structure électronique et sont donc spécifiques à chaque matériau. Par exemple, le Pt présente un angle de spin Hall 0 ^SHE positif et le Ta un angle de spin Hall 0 ^SHE négatif. La demanderesse a pu montrer que l’amplitude et le signe du coefficient de conversion peut être modifié par l’application d’une tension de grille. Ceci conduit à une accumulation ou à une déplétion du nombre de porteurs et à une variation de la position du niveau de Fermi dans la structure de bandes. Le niveau de Fermi peut ainsi être positionné comme il est souhaité au niveau de bandes de caractères orbitaux différents, possédant des propriétés de conversion d’un signe ou d’un autre.

La figure 2 présente des résultats de magnétotransport illustrant la modulation de l’amplitude et du signe de la conversion charge-spin par l’effet Edelstein dans des gaz bidimensionnels de SrTiOs.

Dans un tel cas, l’application d’un courant de charge génère via l’effet Edelstein une densité de spin transverse qui conduit à l’observation d’un effet de magnétorésistance unidirectionnel : la résistance sous un champ magnétique appliqué de façon transverse au courant est différente selon que ce champ transverse est parallèle ou antiparallèle à la densité de spin générée par l’effet Edelstein.

Si la résistance est mesurée en fonction de l’angle formé par le champ par rapport au courant, on obtient donc une dépendance sinusoïdale, avec des extrema à 90 et 270 degrés correspondant aux deux directions du champ transverse par rapport au courant.

Comme cela apparaît sur la figure 2, le signe de la dépendance change lors de l’application d’une tension de grille par utilisation d’une grille arrière.

Ce changement de signe reflète le changement de signe du coefficient de conversion charge-spin.

Cet effet rend possible un contrôle de la conversion spin-charge et/ou charge-spin par des grilles électrostatiques ou ferroélectriques.

L’application d’une tension de grille VG conduit à un changement du coefficient de conversion charge-spin. En conséquence, sans modifier le courant d’entrée, le sens des spins dans le canal 16 est modifié, et le courant de sortie change de signe.

C’est ce principe qui permet à la sous-unité de contrôle de la première conversion 22 de fonctionner.

Comme le contrôle est très simple, cela permet d’envisager des consommations énergétiques très faibles pour réaliser tout type de fonctions logiques comme cela sera montré en décrivant les figures 3 à 5.

De plus, le fonctionnement devient bidirectionnel de sorte que la concaténation de dispositifs logiques 10 est possible comme l’illustrera la figure 6.

Avec une telle sous-unité de contrôle, le dispositif logique 10 peut, par exemple, être utilisé pour réaliser une porte logique XNOR. La fonction XNOR est le complément logique de la porte OU Exclusif comme cela est représenté schématiquement sur la figure 3 qui montre les différents cas I à IV.

Dans cet exemple, les deux entrées logiques sont d’une part le sens du courant de charge dans le premier bras 12 et d’autre part la tension VG appliquée sur le contact. La sortie logique est le sens du courant de charge dans le deuxième bras 14.

Cela correspond à la table logique qui suit.

[Table 1 ]

Dans la configuration qui vient d’être décrite, le premier bras 12 est un bras d’entrée et le deuxième bras 14 est un bras de sortie.

En référence à la figure 4, il est proposé un autre exemple de dispositif logique 10.

En plus des éléments du dispositif logique 10 de la figure 1 , le dispositif logique 10 comporte une sous-unité de contrôle de la deuxième conversion 26 (plus simplement deuxième sous-unité de contrôle 26 dans la suite)

La deuxième sous-unité de contrôle 26 est propre à contrôler la direction du courant de charge par un contrôle électrique de la deuxième conversion.

D’un point de vue structurel, la deuxième sous-unité de contrôle 26 est similaire à la première sous-unité de contrôle (la sous-unité de contrôle de la première conversion) sauf que le contact est positionné sur l’autre intersection (celle du canal 16 et du deuxième bras 14).

Cela permet de réaliser une fonction XNOR d’une manière différente.

Dans un tel cas, les deux entrées logiques sont d’une part la tension GI appliquée sur le contact de la première sous-unité de contrôle 22 et d’autre part la tension G2 appliquée sur le contact de la deuxième sous-unité de contrôle 26 et la sortie logique est le sens du courant de charge dans le deuxième bras 14.

Cela correspond à la table logique qui suit :

[Table 2]

En référence à la figure 5, il est proposé un autre exemple de dispositif logique 10.

Dans cet exemple, au lieu d’avoir une seule source de tension, la sous-unité de contrôle de la première conversion 22 comporte deux sources de courant distinctes reliées au contact.

Il n’y a pas de deuxième sous-unité de contrôle dans cet exemple.

Dans ce cas de figure, les deux entrées logiques sont d’une part le courant IGI appliqué sur le contact et d’autre part le courant IG2 appliqué sur le même contact. La sortie est le sens du courant de charge dans le deuxième bras 14. Il est supposé que l’application d’au moins un des deux courants d’entrée induit un changement de signe de la conversion.

Cela permet de réaliser une fonction NOR, c’est-à-dire une fonction « non-Oll ».

Cela correspond à la table logique qui suit :

[Table 3]

Il est à noter qu’une telle porte NOR est une porte universelle. De fait, il est possible de réaliser toutes les autres portes de logique booléenne en combinant des portes NOR.

La figure 6 montre un exemple d’architecture de calcul logique 28 pouvant être obtenue grâce à l’emploi de trois dispositifs logiques 10 concaténés, distingués dans la figure 6 par un signe de référence _1 , _2 et _3.

Le premier dispositif logique 10_1 est un dispositif selon la figure 1 comportant une deuxième sous-unité de conversion 26_1 en remplacement de la première sous-unité de conversion. Les deuxième et troisième dispositifs logiques sont également des dispositifs selon la figure 1 comportant une deuxième sous-unité de conversion 26_2 ou 26_3 en remplacement de la première sous-unité de conversion mais dans lesquels le premier bras 12_2 ou 12_3 s’étend uniquement d’un seul côté par rapport au canal 16 de sorte que ces dispositifs présentent une forme de H auquel il manque une branche.

Dans cet exemple, le premier bras 12-2 et 12-3 des deuxième et troisième dispositifs logiques est confondu avec le deuxième bras 14 1 du premier dispositif logique 10_1 .

Il est également possible de concaténer les dispositifs en connectant le deuxième bras 14 d’un premier dispositif 10 au contact électrique 24 d’un deuxième dispositif 10. Ceci peut permettre de réaliser d’autres fonctions logiques, la sortie du premier dispositif 10 contrôlant le signe de la conversion dans le deuxième dispositif 10.

La concaténation de dispositifs logiques 10 permet ainsi de réaliser des opérations logiques tout en conservant une faible consommation énergétique.