L’électronique de spin : quand l’électronique et le magnétisme s’allient

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5297
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Résumé

L’électronique de spin : quand l’électronique et le magnétisme s’allient

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	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Mon 15 Oct 2018</date>
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16 décembre 2012   1    L’électronique de spin :   quand l’électronique et le magnétisme s’allient  Bernard Diény    Le  prix  conjoint  SEE‐IEEE  Brillouin‐Glavieux  2012  a  été  attribué  à  Lucian  PREJBEANU  de  CROCUS  Technology,  pour  ses  travaux  sur  le  développement  de  mémoires  magnétiques  MRAM  à  écriture  assistée  thermiquement  :  miniaturisation  et  fonctions  logiques1 .  Cet  événement nous amène à faire le point sur la  spintronique ou électronique de spin  qui est  une  technique  exploitant  la  propriété  quantique du spin des électrons dans le but de  stocker des informations.  L’électronique de spin ou spintronique est un  mariage entre l’électronique et le magnétisme.  Le  spin  est  un  moment  magnétique  élémentaire  porté par chaque électron. C’est  une  des  caractéristiques  intrinsèques  de  l’électron  comme  sa  charge  électrique  et  sa  masse. Les matériaux magnétiques comme le  fer, le cobalt, le nickel..., peuvent être utilisés  comme des  polariseurs et analyseurs  pour le  spin  des  électrons.  C’est  pourquoi  les  dispositifs  spintroniques  associent  matériaux  magnétiques  et  non‐magnétiques.  Ces  dispositifs  fonctionnent  souvent  comme  des  couples  polariseur/analyseur  en  optique.  En  optique,  on  sait  qu’on  peut  contrôler  l’intensité  lumineuse  traversant  un  couple  polariseur/analyseur  en  jouant  sur  l’angle  relatif de l’axe de polarisation du polariseur et  de  l’analyseur.  En  spintronique,  on  arrive  à  contrôler  le  passage  du  courant  à  travers  le  dispositif  en  jouant  sur  l’angle  entre  des  aimantations  de  couches  magnétiques  séparées par des couches non‐magnétiques.  Le  premier  effet  de  ce  type  qui  a  donné  naissance à cette discipline a été découvert en  1988  par  les  équipes  de  Pr  A.Fert  et                                                               1  Voir le compte‐rendu de la soirée des grands prix  SEE, p.XX  P.Grunberg  (prix  Nobel  de  Physique  2007) :  c’est  la  magnétorésistance  géante  (GMR)  de  multicouches  métalliques  constituées  d’une  alternance de couches de fer (magnétique) et  de  chrome  (non‐magnétique).  La  GMR  consiste  en  une  diminution  de  50%  de  la  résistance  électrique  de  la  multicouche  sous  un  champ  magnétique  appliqué.  Cette  découverte  a  stimulé  un  très  grand  intérêt.  Depuis,  ce  domaine  de  la  spintronique  n’a  cessé  de  se  développer  notamment  grâce  à  une  très  forte  synergie  entre  recherche  fondamentale et développements applicatifs.   Une  des  premières  applications  de  la  GMR  a  été  la  réalisation  de  capteurs  de  champs  magnétiques  ultra‐sensibles,  en  particulier  pour  les  têtes  de  lecture  des  disques  durs  d’ordinateurs.  Dans  les  disques  durs,  l’information  est  stockée  sous  forme  binaire  dans une couche magnétique d’alliage CoCrPt  en orientant l’aimantation de petits domaines  magnétiques  (de  dimension  actuellement  de  l’ordre de 80 nm*20 nm)  « vers le haut » ou  « vers le bas » suivant qu’on cherche à coder  un « 0 » ou un « 1 ». L’élément GMR (appelé  vanne  de  spin)  permet  de  lire  le  champ  qui  règne  à  quelques  nanomètres  au  dessus  de  cette  couche magnétique et par là même de  remonter à l’information écrite dans la couche.   Par la suite d’autres découvertes marquantes  ont  jalonné  le  développement  de  la  spintronique. En 1995, ce fut la découverte de  la  magnétorésistance  tunnel  (TMR)  dans  des  jonctions tunnels constituées de deux couches  magnétiques  séparées  par  une  fine  couche  isolante de 1 à 2 nm d’épaisseur. Lorsqu’une  tension est appliquée entre les deux couches  magnétiques,  un  courant  traverse  la  barrière  isolante par effet tunnel. Comme dans la GMR,  ce  courant  dépend  de    l’orientation  relative  des  aimantations  des  deux  couches    2    magnétiques  sandwichant  la  barrière  tunnel.  La  variation  de  résistance  peut  atteindre  un  facteur  7  entre  la  configuration  parallèle  et  antiparallèle  des  aimantations.  L’avantage  de  ces structures par rapport aux structures GMR  est  leur  plus  forte  amplitude  de  magnétorésistance  et  leur  plus  forte  impédance  (quelques  kiloohms  dans  les  jonctions  tunnels  comparé  à  quelques  ohms  dans  les  structures  métalliques  GMR)  leur  permettant  d’être  facilement  intégrées  avec  des composants électroniques conventionnels  comme des transistors MOSFET.  La  TMR  a  permis  de  concevoir  un  nouveau  type  de  mémoires  à  accès  direct  (MRAM)  commercialisées  depuis  2006.  Ces  mémoires  combinent les avantages des SRAMs (vitesse)  et  des  FLASH  (non‐volatilité)  avec  une  endurance  quasi‐infinie  mais  restent  pour  l’instant  de  relativement  faible  capacité  (16  Mbit).  Elles  sont  par  ailleurs  insensibles  aux  radiations  ionisantes  ce  qui  les  rend  intéressantes  pour  les  applications  spatiales,  avioniques,  nucléaires.  Une  famille  particulière  de  telles  mémoires  à  écriture  assistée  thermiquement  est  développée  en  France  par  le  laboratoire  SPINTEC  en  collaboration  avec  l’entreprise  Crocus‐ Technology. Le Prix Léon Brillouin de la SEE a  été attribué en 2012 à Lucian Prejbeanu pour  récompenser le transfert de la technologie de  ces  mémoires  de  SPINTEC  vers  Crocus  Technology.  La  commercialisation  de  ces  mémoires devrait être lancée en 2013.    Figure 2 :  Banc de caractérisation de la dynamique de  commutation  de  l’aimantation  de  dispositifs  spintroniques  à  l’échelle  sub‐nanoseconde.  Crédit  :  Artechnique  En  1996‐2000,  une  autre  découverte  marquante a été la prédiction et la première  observation  de  la  possibilité  de  manipuler  l’aimantation de nanostructures magnétiques  par  un  courant  polarisé  en  spin  (effet  de  transfert  de  spin).  Cet  effet  résulte  d’une  interaction  entre  le  spin  des  électrons  de  conduction  injectés  dans  la  nanostructure  et  l’aimantation  de  cette  dernière.  Auparavant,  la  seule  façon  d’agir  sur  une  aimantation  reposait  sur  un  champ  magnétique.  Le  transfert de spin offre une nouvelle voie pour  écrire  l’information  dans  les  MRAMs,  moins  consommatrice  d’énergie  que  l’écriture  par  champ et permettant la réalisation de MRAMs  de capacité supérieure au Gbit. La plupart des  industriels  de  la  microélectronique  ont  des  programmes  de  développement  de  telles  mémoires  (STTRAM)  visant  au  remplacement  des  DRAMs  et  SRAMs,  standalone  et  embarquées,  en  dessous  du  nœud  technologique  16  nm.  Cette  technologie  devrait  permettre  la  réalisation  de  circuits  combinant  les  technologies  silicium  et  Figure 1 : Banc de caractérisation de la dynamique de  commutation de l’aimantation de cellules MRAM à  l’échelle sub‐nanoseconde. Crédit : Artechnique    3    magnétique et présentant une consommation  électrique  fortement  réduite  grâce  à  l’introduction  de  mémoires  non‐volatiles  très  proches  des  circuits  logiques.  La  société  américaine  Everspin  vient  d’annoncer  la  commercialisation  de  ce  type  de  mémoires  STTRAM pour début 2013.