La présente invention concerne une jonction tunnel et une mémoire comportant une telle jonction tunnel.

Ainsi, la présente invention s’inscrit dans le domaine des hétérostructures de couches minces pouvant être employées comme éléments mémoires non-volatiles à accès aléatoire.

Pour augmenter la densité de stockage de l’information (ce qui conduit également à une diminution du coût), il est souhaitable d’utiliser des composants permettant de mémoriser plus qu’une information binaire 0 ou 1 (un seul bit) mais plutôt plusieurs bits. Par exemple, si chaque élément peut stocker 3 bits soit 8 valeurs différentes (2 ³ =8) , 4 fois plus d’informations pourra être mémorisé pour la même surface utilisée.

Dans les systèmes microélectroniques actuels, le stockage non-volatil de l’information est principalement assuré par des disques durs magnétiques (peu coûteux mais lents et fragiles) et des mémoires non-volatiles à accès aléatoires (souvent désignée par l’abréviation NVRAM qui renvoie à la dénomination anglaise de « Non-Volatile Random Access Memory ») comme les mémoires flash.

Traditionnellement chaque élément mémoire n’encodait qu’un seul bit mais de récents développements ont vu l’apparition de mémoires Flash NAND encodant plusieurs bits. Par ailleurs se développent des mémoires en trois dimensions dans lesquelles plusieurs bits peuvent être mémorisés sur une même surface utile.

Toutefois, cela se traduit par une complexification de l’architecture. A ce défaut, vient s’ajouter le fait que les mémoires flash souffrent traditionnellement d’une endurance assez faible limitant leur spectre d’utilisation. L’endurance des mémoires Flash multibits est en outre inférieure d’un à deux ordres de grandeur à celle des mémoires binaires.

C’est pourquoi des technologies d’éléments mémoires analogiques possédant une quasi-infinité d’états intermédiaires - les memristors - ont récemment été proposées pour être utilisées en tant que mémoires digitales multibits.

Une memristor est un composant dont la valeur de sa résistance électrique change, de façon permanente, lorsqu’un courant est appliqué. Ainsi, une donnée peut être enregistrée et réécrite par un courant de contrôle. Un tel comportement est notamment observé dans les mémoires à changement de phase, les jonctions tunnel ferroélectriques ou les mémoires redox à base d’oxydes tels que le TiO2. De manière générale, le taux d’erreurs des mémoires multibits est cependant supérieur à celui des mémoires binaires traditionnelles.

Dans le cas des mémoires formées par des memristors, la reproductibilité et la stabilité des états de résistance intermédiaire n’est pas forcément très bonne ; notamment, il est observé une dérive de la valeur de résistance au fur et à mesure que l’état est lu (liée de fait à leur caractère memristif).

De ce fait, il est connu d’utiliser des codes de correction d’erreur qui complexifient les algorithmes de lecture/écriture et ralentissent le système.

Il existe donc un besoin pour une mémoire multi-états à taux d’erreur limité qui soit plus rapide.

A cet effet, la description décrit une jonction tunnel présentant un empilement formé par une barrière et deux électrodes, la barrière comprenant une couche en un matériau ferroélectrique, dite couche ferroélectrique, la couche ferroélectrique comportant au moins une structure topologiquement protégée présentant des propriétés, la jonction tunnel comportant, en outre, une unité de contrôle des propriétés de l’au moins une structure topologiquement protégée.

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

- la barrière présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres.

- la structure topologiquement protégée est choisie dans la liste constituée de : un skyrmion, un antiskyrmion, un méron, un antiméron, un hopfion, un biskyrmion, un skyrmonium et un skyrmion antiferromagnétique.

- le nombre de structures topologiquement protégées est inférieur ou égal à 10000 et chaque structure topologiquement protégée présente une taille comprise entre 1 nanomètre et 100 nanomètres.

- l’unité de contrôle comporte au moins une sous-unité choisie parmi une sous-unité de génération de structures topologiquement protégées et une sous-unité de destruction de structures topologiquement protégées.

- l’unité de contrôle comporte une sous-unité d’ajustement d’au moins une propriété de la structure topologiquement protégée, la sous-unité d’ajustement étant propre à contrôler la température ou à contrôler des contraintes par tension.

- chaque sous-unité comporte une source électrique ou une source optique.

- la jonction tunnel comporte, en outre, une sous-unité de lecture d’au moins une propriété des structures topologiquement protégées, la sous-unité de lecture étant propre à mesurer une résistance ou un indice optique. - la couche ferroélectrique est réalisée en un matériau ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Bai- _x Sr _x TiO3, PbTiOs, du Bii. _x La _x FeC>3, du PbZr _x Tii. _x O ₃ , du Hfi- xZr _x C>2 ou du KNbOs, x étant une variable comprise entre 0 et 1 .

- la barrière comporte au moins une couche diélectrique en contact avec la couche ferroélectrique, la couche diélectrique étant, par exemple, réalisée en un matériau choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaOs, de LaAlOs, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO ₃ , de NdGaO ₃ , de HfO ₂ , de ZrO ₂ , de Y ₂ O ₃ et de AI ₂ O ₃ .

- la barrière est un empilement de plusieurs motifs identiques, chaque motif comportant au moins une couche ferroélectrique et une couche diélectrique, chaque couche ferroélectrique étant réalisée en un matériau ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Bai- _x Sr _x TiO3, PbTiOs, Bii- _x La _x FeOs, PbZr _x Tii. _x O ₃ , Hfi. _x Zr _x O ₂ et du KNbOs, x étant une variable comprise entre 0 et 1 , et chaque couche diélectrique (26, 28) étant réalisée en un matériau choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaO ₃ , de LaAIO ₃ , de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO ₃ , de NdGaO ₃ , de HfO ₂ , de ZrO ₂ , de Y ₂ OS et de AI ₂ Os.

- les électrodes sont choisies dans la liste constituée de Lai- _x Sr _x MnOs, de Lai- xCa _x MnO3, de Cai- _x Ce _x MnO3, de Ba _x Sri. _x RuOs, de BaPbOs, de LaNiOs, de Lai- xSr _x TiOs, de RuO ₂ , d’oxyde d’indium et d’étain conducteur, de TiN, de Pt, de Au et de Pd, x étant une variable comprise entre 0 et 1 .

La description décrit aussi une mémoire comportant une jonction tunnel telle que précédemment décrite.

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 vue schématique d’un exemple de mémoire comportant une jonction tunnel, et

- la figure 2 est une représentation schématique d’un autre exemple de jonction tunnel.

Une mémoire 10 est représentée sur la figure 1 .

La mémoire 10 est une mémoire multi-états, c’est-à-dire une mémoire possédant plusieurs états de mémorisation.

Une telle mémoire 10 est adaptée pour être utilisée pour réaliser du stockage d’information et dans un système de calcul neuromorphique.

Pour réaliser cette mémoire multi-état, la mémoire 10 comporte une jonction tunnel 12 qui va maintenant être décrite.

La jonction tunnel 12 comporte deux électrodes 14 et 16 ainsi qu’une barrière 18. Les deux électrodes 14 et 16 sont des électrodes conductrices.

Chaque électrode 14 ou 16 est réalisée soit à partir de matériaux conducteurs soit à partir de matériaux semi-conducteurs.

Les électrodes 14, 16 sont réalisées dans un matériau non ferroélectrique choisi dans la liste constituée de Lai- _x Sr _x MnO3, de Lai- _x Ca _x MnC>3, de Cai- _x Ce _x MnC>3, de Ba _x Sri. _x RuC>3, de BaPbOs, de LaNiOs, de Lai- _x Sr _x TiC>3, de RuC>2, de ITO (oxyde d’indium et d’étain conducteur), de TiN, de Pt, de Au et de Pd.

Sauf mention contraire, dans chacun des matériaux qui va être cités, la variable x est comprise entre 0 et 1 .

La barrière 18 est intercalée entre les deux électrodes 14 et 16 de sorte que les électrodes 14, 16 et la barrière 18 forment un empilement de couches superposées le long d’une direction d’empilement. La première électrode 14 est ainsi parfois qualifiée d’électrode supérieure tandis que la deuxième électrode 16 est qualifiée de manière similaire d’électrode inférieure.

L’épaisseur d’une couche est, dans ce qui suit, la dimension d’une couche le long de la direction d’empilement.

Des objets comme des électrons peuvent passer d’une électrode 14 ou 16 à l’autre électrode 14 ou 16 au travers de la barrière 18 par un effet tunnel (propriété quantique permettant à un objet de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir cette barrière).

La barrière 18 présente une épaisseur inférieure ou égale à 15 nanomètres (nm).

La barrière 18 comporte une couche en matériau ferroélectrique 20, dite couche ferroélectrique 20 dans la suite. Par exemple, le matériau ferroélectrique est du titanate de strontium et baryum dont la formule chimique est Bai- _x Sr _x TiC>3.

En variante, le matériau ferroélectrique est du PbTiOs, du Bi _x Lai- _x FeC>3, du PbZr _x Th. _X C>3, du Hf _x Zri. _x C>2 ou du KNbOs.

Du fait de la présence du matériau ferroélectrique dans la couche barrière 18, la jonction tunnel 12 est une jonction tunnel ferroélectrique.

La couche ferroélectrique 20 comporte au moins un skyrmion ferroélectrique 22.

Le nombre de skyrmions ferroélectriques 22 dans la couche ferroélectrique 20 est inférieur ou égal à 10000.

A titre d’illustration, dans la figure 1 , trois skyrmions ferroélectriques 22 sont représentés.

Les skyrmions ferroélectriques 22 présentent une taille comprise entre 1 nm et 10 nm.

Les skyrmions ferroélectriques 22 possèdent ainsi une taille très petite, ce qui en fait des objets extrêmement intéressants pour le stockage d’information ultra-haute densité. Il peut également être remarqué que les skyrmions ferroélectriques 22 ont tous des tailles assez similaires, typiquement, la variation de taille entre deux skyrmions ferroélectriques 22 est inférieure à 30%.

Les skyrmions ferroélectriques correspondent à des configurations chirales de dipôles électriques s’enroulant selon toutes les directions de l’espace.

Les skyrmions ferroélectriques sont ainsi des analogues électriques des skyrmions magnétiques.

Chaque skyrmion ferroélectrique 22 présente des propriétés.

Il sera choisi ici une acceptation très large pour le terme de « propriété », à savoir que l’existence du skyrmion ferroélectrique 22 est également considéré comme une propriété en plus de la valeur de grandeurs physiques qui pourraient être mesurées sur le skyrmion ferroélectrique 22.

En particulier, de même que les skyrmions magnétiques, les skyrmions ferroélectriques possèdent une charge topologique qui leur assure une stabilité additionnelle. Les skyrmions ferroélectriques possèdent un caractère topologique au sens où l’intégrale normalisée de la direction du vecteur de polarisation sur le volume du skyrmion est un entier non nul, typiquement 1 (charge topologique), et potentiellement une fraction.

Ce caractère topologique procure une stabilité additionnelle au skyrmion ferroélectrique car sa destruction (correspondant à réorienter tous les dipôles électriques selon une direction parallèle) requiert l’apport d’une énergie équivalente à l’énergie maximale du système, ici l’énergie d’échange. Ce phénomène est parfois expliqué par l’analogie avec un nœud sur une cordelette : pour faire disparaître le nœud, il faut briser la cordelette.

D’un point de vue pratique, cela signifie que l’application d’un champ électrique permet de créer ou de supprimer les skyrmions, mais que ceux-ci ne sont pas affectés par des apports d’énergie plus faibles liés par exemple à la température (tant que celle-ci est à moins de 50°C de la température d’ordre).

Un skyrmion ferroélectrique est donc une structure topologiquement protégée, c’est- à-dire une structure comportant une charge topologique qui est conservée.

La jonction tunnel 12 comprend également une unité de contrôle 24 permettant de contrôler au moins une des propriétés des skyrmions ferroélectriques 22.

Le terme de « contrôler » est ici à comprendre au sens large comme visant d’une part une fonction de manipulation ou de modification d’une propriété mais également, d’autre part, une fonction de mesure d’une propriété. Selon les cas, l’unité de contrôle 24 est ainsi propre à réaliser une ou plusieurs des fonctions précédentes.

De ce fait, l’unité de contrôle 24 comporte une ou plusieurs sous-unités propres à assurer une seule ou les deux fonctions de modification et de mesure.

Quelques exemples sont décrits dans ce qui suit.

Une sous-unité de génération de skyrmions ferroélectriques est un premier exemple de sous-unité.

Une sous-unité de génération comprend une source électrique.

En variante, la sous-unité de génération comprend une source optique.

Un autre exemple de sous-unité de destruction de skyrmions ferroélectriques.

La sous-unité de destruction comprend une source électrique ou une source optique.

Encore un autre exemple de sous-unité est une sous-unité d’ajustement d’au moins une propriété des skyrmions ferroélectriques.

Il convient également de noter que, selon l’amplitude, la durée et la direction du champ électrique appliqué (de l’ordre de 0,01 V/nm à 10 V/nm) ou du type d’impulsions optiques, la sous-unité réalise soit un mécanisme de génération ou de destruction.

De ce fait, pourvu qu’il soit possible de contrôler la source électrique ou la source optique, l’unité de contrôle 24 peut comporter une unique source électrique ou optique dont la fonction est à la fois de générer et de détruire les skyrmions ferroélectriques.

Selon un mode de réalisation particulier, la sous-unité d’ajustement est une unité propre à contrôler la température.

Selon un autre mode de réalisation, la sous-unité d’ajustement est propre à contrôler des contraintes par tension.

Une sous-unité de lecture d’au moins une propriété des skyrmions ferroélectriques est un autre exemple de sous-unité pouvant faire partie de l’unité de contrôle.

A titre d’illustration, la sous-unité de lecture est propre à mesurer une résistance.

En variante, la sous-unité de lecture est propre à mesurer un indice optique.

Selon une autre variante, la sous-unité de lecture comprend une source optique.

Le fonctionnement de la jonction tunnel 12 se déduit du fonctionnement d’une jonction tunnel ferroélectrique qui est maintenant décrit.

Dans une jonction tunnel ferroélectrique, le niveau de résistance est directement relié à la fraction du nombre total de dipôles pointant vers l’une ou l’autre des électrodes. Dans les deux cas extrêmes, la résistance est minimale lorsque la polarisation est homogène et pointe (par exemple) vers l’électrode supérieure, et maximale lorsqu’elle pointe vers l’électrode inférieure. Dans un cas simplifié, si des domaines sont présents, en leur sein la polarisation pointe vers une des deux électrodes, et à l’extérieur la polarisation pointe selon la direction opposée. L’application d’une tension électrique modifie la structure en domaines et donc la fraction de dipôles pointant vers l’une des électrodes, ce qui conduit à une variation de la résistance. Cette variation peut-être quasi-continue, conduisant à un comportement de type memristor. Le terme de memristor ferroélectrique est parfois utilisé pour désigner un tel comportement.

La jonction tunnel 12 diffère de ce fonctionnement en ce que les domaines sont des skyrmions ferroélectriques 22.

Comme pour les domaines d’une jonction tunnel ferroélectrique, les skyrmions ferroélectriques 22 sont sensibles au champ électrique. Mais, dans ce cas, le champ électrique a uniquement pour effet de créer ou d’annihiler, voire même de déplacer, les skyrmions ferroélectriques 22. Sous l’application d’un champ électrique (ou d’un faisceau de lumière), certains skyrmions ferroélectriques 22 disparaissent ou sont créés de sorte que le nombre de skyrmions ferroélectriques 22 existant à rémanence peut être ajusté électriquement.

Le champ électrique n’a pas pour effet de déformer les skyrmions ferroélectriques 22 du fait de leur propriété topologique. Aussi, la fraction de dipôles pointant vers une des électrodes 14 ou 16 est déterminée par le nombre de skyrmions ferroélectriques 22, une grandeur entière, « quantifiée ».

Par conséquence, la résistance du dispositif ne pourra adopter qu’un certain nombre de niveaux de résistance, dépendant du nombre de skyrmions ferroélectriques 22 présents.

En d’autres termes, selon le nombre de skyrmions ferroélectriques 22 présents, la résistance tunnel de la jonction va être modifiée, ce qui permet d’encoder plusieurs niveaux discrets de résistance.

En résumé, il apparaît ainsi qu’une jonction tunnel ferroélectrique présente une résistance dépendant de la structure en domaines ferroélectriques dans la barrière. La jonction tunnel 12 utilise en tant que domaines ferroélectriques des skyrmions ferroélectriques dont le caractère topologique renforce la stabilité de la configuration. Selon le nombre de skyrmions présents dans la barrière 18, ajusté par application d’une tension électrique, la résistance de la jonction tunnel 12 est modulée, permettant une utilisation du de la jonction tunnel 12 en tant qu’élément mémoire multi-états (multibits).

La jonction tunnel 12 permet ainsi de conférer une meilleure stabilité aux niveaux de résistance intermédiaire, rendant l’emploi de codes de correction d’erreur inutile.

Cela permet d’obtenir une mémoire 10 multi-états à taux d’erreur limité qui soit plus rapide.

Comparé aux autres technologies de mémoires non-volatiles que celles basées sur des memristors, la mémoire 10 présente également une bonne endurance, une haute fréquence de fonctionnement, de hauts niveaux de résistance et une faible énergie d’écriture.

Selon un autre mode de réalisation la barrière 18 n’est plus formée d’une seule couche mais elle comporte plusieurs couches formant une hétérostructure.

Ainsi, comme illustré par la figure 2, la barrière 18 comporte également deux couches diélectriques 26 et 28.

La matériau diélectrique formant chaque couche diélectrique 26 ou 28 est choisi dans la liste constituée de SrTiOs, de KTaOs, de LaAlOs, de (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScC>3, de NdGaOs, de HfO2, de ZrÛ2, de Y2O3 et de AI2O3. La notation (Dy,Tb,Gd,Sm,Nd,La)ScO3 signifie XSCO30Ù X est choisi parmi Dy, Tb, Gd, Sm, Nd et La.

La couche ferroélectrique 20 est intercalée entre les deux couches diélectriques 26 et 28 de sorte que les couches diélectriques 26 et 28 et la couche ferroélectrique 20 forment un empilement de couches superposées le long d’une direction d’empilement.

En variante, la couche barrière 18 est formée d’un superréseau de couches diélectriques 26 ou 28 et de couches ferroélectriques 20, c’est-à-dire un motif formé par au moins une couche diélectrique 26 ou 28 et une couche ferroélectrique 20 qui est répété.

Par exemple, le motif est une bicouche formée d’une couche diélectrique 26 ou 28 et une couche ferroélectrique 20. Cela permet d’obtenir un empilement formé par une alternance de couches diélectriques 26 ou 28 et de couches ferroélectriques 20.

Cela permet d’obtenir une jonction tunnel 12 présentant les mêmes propriétés que la jonction tunnel de la figure 1 .

Dans chacun des cas, du fait de la compétition entre l’énergie dipolaire et l’anisotropie induite par l’ hétérostructure, les dipôles ne s’organisent pas comme traditionnellement sous forme de domaines, mais adoptent des configurations fortement non colinéaires comportant des skyrmions.

Plus généralement, toute configuration permettant d’obtenir de générer des parois de Bloch ou Néel entre deux domaines ferroélectriques en lieu et place de paroi de Ising (c’est- à-dire sans changement de direction de la polarisation, mais avec une décroissance de sa norme entre deux domaines) est envisageable.

La configuration pourra être obtenue en prenant en compte plusieurs éléments parmi lesquels la température.

La température est à prendre en compte car la paroi de domaine ferroélectrique peut être considérée comme un état ferroélectrique confiné avec sa propre température de transition. Ainsi il existe une température d’ordre dans la paroi (inférieure à la température critique du matériau de la barrière à former) au-delà de laquelle on assiste à une transition Bloch vers Ising. Les simulations indiquent une transition de phase dans les parois de Bloch de films de PbTiOs environ 100 K plus basse que dans le matériau.

Il peut aussi être pris en compte la coexistence de polymorphes de différentes symétries au voisinage de la frontière avec la phase morphotropique (plus souvent dénommée selon la terminologie anglaise de « morphotropic phase boundary ») dans des systèmes de basse symétrie (monoclinique par exemple) et permettant d’avoir des rotations de la polarisation dans les parois. Par exemple, cela peut concerner des parois de Néel dans des cristaux de PbZr _x Tii. _x O3 où la paroi a une symétrie monoclinique et les domaines sont tétragonaux.

La croissance peut également être prise en compte sous la forme d’une contrainte d’épitaxie. De fait, la contrainte d’épitaxie permet de modifier l’énergie ferroélastique : une compression biaxiale favorisera des domaines dont la polarisation est orthogonale au plan des couches et donc l’apparition de parois à 180°. Au contraire, des contraintes en tension favoriseront des domaines dont la polarisation est dans le plan de la couche mince et donc l’apparition de parois à 90°, ces dernières présentant un caractère Ising. Pour le cas de contraintes faibles en tension (comme sur DyScOs), PbTiOs aura une structure en domaine mixte. Cet ingrédient permet ainsi d’avoir des énergies assez proches entre des domaines ferroélectriques dans le plan et hors du plan, favorisant à nouveau la stabilisation de parois de Néel ou Bloch pour obtenir des skyrmions.

Il peut aussi être utilisé un contrôle de l’énergie électrostatique (dipolaire) pour générer à l’interface un gradient de polarisation non nul favorisant la création de nanodomaines avec des parois à 180° et de charges topologiques.

On peut aussi, utiliser le gradient d’énergie au sein des couches pour contrôler la rotation du vecteur de polarisation ou son amplitude. Des parois chirales seront obtenues en cherchant une rotation du vecteur de polarisation.

Il est ainsi possible d’obtenir des configurations différentes avec des conditions choisies permettant l’obtention de skyrmions ferroélectriques 22.

Toutefois, d’autres structures topologiquement protégées sont envisageables.

Par exemple, au lieu d’un skyrmion, la couche ferroélectrique 20 comporte des antiskyrmions.

Des combinaisons sont également possibles comme un biskyrmion, un skyrmonium et un skyrmion antiferromagnétique.

Un skyrmionium est une paire de skyrmions intriqués l’un dans l’autre mais avec des charges topologiques opposées tandis que le skyrmion antiferromagnétique est un ensemble de deux skyrmions avec des aimantations opposées qui sont superposés l’un à l’autre. Il peut également être envisagé d’utiliser comme structure topologiquement protégée d’autres textures dipolaires possédant un caractère topologique différent des skyrmions, tels que des mérons ou des hopfions.

Ainsi, la structure topologiquement protégée pourra être choisie parmi un skyrmion, un antiskyrmion, un méron, un antiméron, un hopfion, un biskyrmion, un skyrmonium ou un skyrmion antiferromagnétique.

Dans chacun des cas, chaque structure topologiquement protégée présente une taille comprise entre 1 nm et 100 nm.

En outre, le nombre de structures topologiquement protégées est inférieur ou égal à 10000.

D’autres modes de réalisation peuvent être obtenus par combinaison des modes de réalisation décrits précédemment.

Dans chacun de ces modes de réalisation obtenus par combinaison, la jonction tunnel 12 présente une couche barrière 18 comprenant une couche ferroélectrique 18 avec au moins une structure topologiquement protégée 22 présentant des propriétés, la jonction tunnel 12 comportant, en outre, une unité de contrôle 24 des propriétés de l’au moins une structure topologiquement protégée.

Cela permet d’obtenir des mémoires résistives multiniveaux dans lesquelles la stabilité des niveaux de résistance intermédiaires est renforcée par une protection topologique. Ces mémoires sont ainsi basées sur des jonctions tunnel ferroélectriques dont le niveau de résistance est déterminé par des configurations en domaines ferroélectriques spécifiques possédant un caractère topologique correspondant à la présence de structures topologiquement protégées comme, par exemple, des skyrmions ferroélectriques 22.