La spintronique, ou électronique de spin, est un domaine de la physique qui exploite le spin des électrons, en plus de leur charge, pour développer de nouveaux dispositifs électroniques. Cette technologie promet une amélioration significative de la performance des dispositifs de stockage et de traitement de l’information, offrant une plus grande densité de stockage, une meilleure efficacité énergétique et des vitesses de transfert plus rapides.
Auteurs
Manuel Bibes, directeur scientifique de Nellow et directeur de recherche au laboratoire Albert Fert (CNRS/Thales)
Laurent Vila, directeur technique de Nellow et directeur de recherche à Spintec
Jean-Philippe Attané, PDG de Nellow et professeur à Spintec
1. Transport de spin et magnétorésistance
Modèle à deux courants et polarisation de spin
En plus de leur charge, les électrons possèdent un moment magnétique d’origine quantique appelé spin. Par rapport à l’électronique conventionnelle qui repose uniquement sur la charge, la spintronique exploite la charge et le spin des électrons. Dans un métal ferromagnétique, où les moments magnétiques des atomes s’alignent spontanément et donnent une aimantation macroscopique permanente, le niveau d’énergie de Fermi des électrons est différent selon leur spin. Cela implique que les électrons dits de conduction sont majoritairement des électrons dont le spin est aligné avec l’aimantation du matériau (spin up, ou ↑). On peut ainsi définir pour les électrons de conduction un taux de polarisation en spin reflétant la différence du nombre de porteurs de charge entre les deux populations de spins (fig. 1). En outre, dans un métal ferromagnétique, les électrons de spin ↑ ne sont pas équivalents à ceux de spin opposé (spin down, ou ↓) : leur libre parcours moyen est différent.
Florent Robert Dans les années 1930, sir Nevill Mott a expliqué des anomalies de transport électrique dans ces matériaux en introduisant la notion de longueur de diffusion de spin. Elle considère que le courant électrique est véhiculé en parallèle par les électrons de spin ↑ et les électrons de spin ↓ et que ceux-ci forment deux courants de spin indépendants sur une certaine longueur.
Magnétorésistance géante
Découverte en 1988 par les équipes d’Albert Fert, à Orsay, et de Peter Grünberg, à Jülich en Allemagne, la magnétorésistance géante (GMR) se manifeste dans des multicouches dans lesquelles deux matériaux magnétiques sont séparés par un matériau non magnétique (fer/chrome/fer, cobalt/cuivre/cobalt...). Elle s’explique par le fait que, dans une couche aimantée, le libre parcours moyen d’un électron dépend de son spin : un courant d’électrons de spin ↑ (aligné avec l’aimantation) rencontre ainsi une moindre résistance qu’un courant d’électrons de spin ↓. Le modèle à deux courants appliqué au transport de charge à travers une multicouche de type cobalt/cuivre/cobalt explique ainsi que la résistance électrique rencontrée est plus faible quand les deux aimantations sont parallèles que lorsqu’elles sont antiparallèles (fig. 2). Cette variation, qui dépasse 100 % à basse température et atteint 30 % à température ambiante, est appelée GMR.
Florent Robert Un champ magnétique permet de manipuler les aimantations de façon à faire apparaître la GMR. Un tel champ force en effet l’aimantation d’une couche ferromagnétique à s’aligner avec lui lorsqu’il dépasse un seuil, appelé champ coercitif. Sa valeur étant propre à chaque couche, une montée ou une descente en champ favorise la bascule entre les configurations parallèle et antiparallèle, donc entre résistance faible et élevée (fig. 3). La GMR a rapidement été introduite dans la technologie des têtes de lecture des disques durs magnétiques. Elle offre une sensibilité accrue au champ magnétique par rapport aux technologies précédentes.
Magnétorésistance tunnel
La conduction par effet tunnel, fondée sur la physique quantique, donne l’occasion aux électrons de traverser une barrière de potentiel ultramince même si leur énergie est inférieure à celle de la barrière, grâce à la nature ondulatoire de leur fonction d’onde. Les jonctions tunnel, formées de deux électrodes métalliques séparées par un isolant de quelques nanomètres d’épaisseur, laissent passer le courant lorsque la tension appliquée déforme la barrière de potentiel. Dans les jonctions avec électrodes ferromagnétiques, la polarisation en spin au niveau de Fermi influence le courant tunnel, donnant naissance à la magnétorésistance tunnel (TMR), observée initialement par Michel Jullière, à Rennes, en 1975. Ce phénomène repose sur la conduction via deux canaux de spin indépendants, dans lesquels la densité de courant dépend de la densité d’états au niveau de Fermi des électrodes. Celle-ci varie selon l’alignement parallèle ou antiparallèle des moments magnétiques des couches ferromagnétiques.
Comme avec la GMR, la résistance d’une jonction tunnel magnétique évolue donc suivant l’orientation des aimantations de couches ferromagnétiques et peut être exploitée avec un champ magnétique. L’amplitude de la TMR, calculée à partir des résistances extrêmes pour les configurations parallèle et antiparallèle, dépend de la finesse de la barrière isolante et du contrôle du comportement magnétique des électrodes. Les premières jonctions à TMR à température ambiante ont été réalisées en 1995, utilisant des alliages de cobalt (Co), nickel (Ni), et fer (Fe) avec une barrière d’alumine, atteignant par la suite jusqu’à 70 % de magnétorésistance. L’introduction d’une barrière cristalline d’oxyde de magnésium (MgO) a permis d’obtenir des magnétorésistances supérieures à 500 %, démontrant l’importance de la structure de bande électronique pour optimiser la performance des jonctions.
Florent Robert 2. Couple de transfert de spin
Prédit théoriquement en 1996 par John Slonczewski et Luc Berger, le couple de transfert de spin (spin-transfer torque, STT) consiste en un transfert de moment cinétique entre les électrons de spin polarisés et les moments magnétiques (localisés sur les atomes) d’un matériau ferromagnétique. Le STT se produit lorsque des électrons polarisés en spin par une première couche ferromagnétique traversent une seconde couche ferromagnétique. Les électrons exercent alors un couple sur les moments magnétiques de la seconde couche, entraînant une modification de l’orientation de ces moments.
Ce couple est proportionnel à la polarisation en spin des électrons et à la densité de courant électrique. Le STT peut être utilisé pour manipuler l’orientation des moments magnétiques dans les dispositifs de spintronique. Par exemple, dans les mémoires magnétiques MRAM, le STT peut être utilisé pour basculer l’orientation d’une couche ferromagnétique, ce qui permet d’écrire une information dans la mémoire. Le STT peut également être utilisé pour entretenir des oscillations cohérentes des moments magnétiques, ce qui peut être exploité pour générer des signaux micro-ondes.
3. Couplage spin-orbite et interconversion spin-charge
Le couplage spin-orbite (SOC) est un phénomène quantique relativiste qui survient en raison de l’interaction entre le spin d’un électron et son mouvement orbital dans un solide. En présence d’un champ électrique, l’électron ressent un champ magnétique dans son propre référentiel, qui se couple à son spin. L’intensité du couplage spin-orbite augmente pour les éléments lourds comme le platine (Pt) ou le bismuth (Bi). Ce couplage donne naissance à une variété de phénomènes physiques intéressants dans les solides, tels que l’effet Hall de spin ou l’effet Rashba-Edelstein. Ceux-ci réalisent l’interconversion d’un courant de charge en un courant de spin.
Effet Hall de spin
L’effet Hall classique correspond à la déflexion de la trajectoire des électrons sous l’effet de la force de Lorentz induite par un champ magnétique externe lors du passage d’un courant électrique dans un matériau. Il conduit à l’apparition de charges opposées de part et d’autre de l’échantillon. Par analogie, l’effet Hall de spin direct correspond à la déflexion des trajectoires des électrons de spin ↑ et ↓ dans des directions opposées lorsqu’un courant est appliqué dans un matériau (fig. 4). Il conduit à l’apparition d’accumulations de spin de polarisations opposées de part et d’autre de l’échantillon. Ce mouvement correspond à un pur courant de spin (c’est-à-dire sans flux net de charge dans cette direction), orthogonal à la fois à la direction du courant appliqué et à la direction des spins.
Ainsi, l’application d’un courant de charge JC conduit à la génération d’un courant de spin JS transverse, autrement dit à la conversion d’un courant de charge en un courant de spin (conversion charge-spin). L’efficacité de conversion est le rapport JS/JC, dit angle de spin Hall. Il est de l’ordre de 0,1 dans le platine. L’effet Hall de spin est un effet de volume mettant en jeu des courants tridimensionnels. Réciproquement, dans un matériau comme le platine, l’injection d’un courant de spin induit la génération d’un courant de charge transverse à celui-ci (conversion spin-charge via l’effet Hall de spin inverse).
Florent Robert Effet Rashba-Edelstein
L’effet Rashba-Edelstein est une conséquence de l’effet Rashba. Celui-ci est produit par le couplage spin-orbite dans un environnement non centrosymétrique, typiquement à l’interface entre deux matériaux (par exemple à l’interface entre une couche de bismuth (Bi) et une couche d’argent (Ag), ou aux interfaces entre oxydes où réside un gaz d’électron bidimensionnel, 2DEG). Il apparaît aussi à la surface de matériaux appelés isolants topologiques. Un courant de charge bidimensionnel circulant dans l’interface génère une densité de spin qui diffuse sous la forme d’un courant de spin tridimensionnel dans un matériau adjacent (conversion charge-spin). De même que pour l’effet Hall de spin, l’effet réciproque, dit Rashba-Edelstein inverse, permet de réaliser la conversion inverse (conversion spin-charge). Bien qu’ils soient non magnétiques, les matériaux réalisant cette interconversion spin-charge peuvent donc être utilisés comme sources ou comme détecteurs de courants de spin, à la place de matériaux ferromagnétiques.
Couple spin-orbite
Le courant de spin généré par conversion charge-spin via les effets Hall de spin ou Rashba-Edelstein peut exercer un couple sur l’aimantation d’un matériau ferromagnétique et ainsi conduire au renversement de son aimantation. Similaire au couple de transfert de spin (STT), ce couple spin-orbite (SOT, pour spin-orbit torque) est généralement plus efficace et exploité dans un nouveau type de MRAM (SOT-MRAM).
4. Dispositifs pour la mémoire et le calcul
Les mémoires sont traditionnellement divisées en deux catégories : les mémoires vives rapides (SRAM et DRAM) et les mémoires de stockage lentes comme les disques durs. Cependant, les mémoires vives sont volatiles, ce qui signifie qu’elles ne conservent l’information que lorsqu’elles sont alimentées en énergie. Pour pallier ce problème, des mémoires non volatiles émergentes ont été développées : à changement de phase, ferroélectriques, résistives. Elles ont le potentiel de concurrencer la DRAM (voire la SRAM) et d’être intégrées à l’étage logique CMOS pour réduire le coût en énergie et le délai de transfert des données entre les étages mémoires et logiques, à condition que leurs performances (densité, endurance, consommation, vitesse de lecture/écriture, tension de travail...) deviennent compétitives.
Les MRAM (magnetic random access memories) sont des technologies de mémoire magnétique dans lesquelles l’information est stockée par la direction de l’aimantation d’une couche ferromagnétique (dite couche libre). Cette couche est généralement l’une des électrodes d’une jonction tunnel magnétique (l’autre électrode étant la couche magnétique dite de référence, dont l’aimantation est fixe) et l’état de la mémoire est ainsi lu grâce à la magnétorésistance tunnel. Les premières MRAM développées ont été les field MRAM, fondées sur une écriture par application de champ magnétique. Ce sont des champs d’Oersted, qui sont produits par le courant circulant dans les pistes situées à proximité de la couche douce de l’élément mémoire.
STT-MRAM
La deuxième génération de MRAM, en vogue, est la STT MRAM. Elle utilise le transfert de spin comme principe d’écriture. Elle fonctionne sur le phénomène de transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique. Au contraire d’autres mémoires non volatiles comme celles à changement de phase ou bien résistives, la commutation de la MRAM n’entraîne pas de modification de la structure atomique, mais seulement de l’aimantation de la couche libre. Cela confère à ces dispositifs une endurance très élevée en écriture, supérieure à 1015 cycles. Pour obtenir une lecture rapide de l’état d’information (inférieure à 10 ns) et limiter les effets négatifs liés à la dispersion aléatoire des résistances d’un dispositif à l’autre, la TMR doit être au moins supérieure à 150 %. Cela peut être réalisé en utilisant des jonctions à base de MgO. La densité de courant critique, nécessaire au renversement d’aimantation, doit être la plus faible possible (typiquement inférieure à 1010 A/m²) pour limiter la consommation énergétique, préserver la jonction tunnel et réduire la taille des transistors d’alimentation.
Les empilements sont optimisés pour obtenir un temps de rétention important et des densités de courants critiques faibles. Ils prennent en compte les paramètres des matériaux ferromagnétiques tels que l’aimantation à saturation et la polarisation en spin. L’aimantation des STT MRAM peut être planaire ou perpendiculaire, en utilisant pour cette dernière l’anisotropie perpendiculaire apparaissant à l’interface entre Co et Pt, et entre MgO et CoFe. Il est possible d’ajouter une troisième couche ferromagnétique pour améliorer l’efficacité du transfert de spin et limiter les champs de fuite émis par la couche de référence.
SOT-MRAM
Il existe un troisième type de MRAM : la SOT-MRAM. Cette mémoire en développement utilise comme principe les couples spin-orbite. Pour l’écriture, le courant passant dans une couche de matériau spin-orbite (par exemple un matériau à effet Hall de spin comme le platine ou le tungstène) va générer un couple spin-orbite sur l’aimantation de la couche libre. Pour la lecture, le courant passe comme pour les autres types de MRAM au travers de la barrière tunnel, de manière à mesurer la résistance de l’empilement à TMR. L’inconvénient de ce dispositif est qu’il possède trois terminaux, c’est-à-dire trois contacts électriques, contre deux pour la STT MRAM. Les dimensions du dispositif et le nombre de transistors par point mémoire sont plus importants.
La SOT possède en revanche deux avantages principaux :
- Les densités de courant d’écriture, élevées, ne passent plus au travers de la barrière tunnel. Cela limite les risques d’endommager la barrière tunnel, qui peut être optimisée pour la seule lecture.
- La vitesse de commutation plus élevée de la SOT-MRAM, en dessous de la nanoseconde, associée à une grande endurance, pourrait lui ouvrir le marché de la mémoire vive statique, la SRAM.
Dispositifs « logique dans la mémoire » : MESO et FESO
Au-delà des MRAM qui commencent à pénétrer les marchés des mémoires non volatiles embarquées et standalone, la spintronique offre de belles occasions de mettre au point des architectures de calcul à très faible consommation d’énergie. À l’heure actuelle, ces architectures reposent sur la technologie CMOS et le principe de von Neumann dans lequel la mémoire est séparée spatialement des puces de calcul. Cela impose de transférer en permanence les données entre ces deux entités, ce qui consomme plus de 80 % de la puissance électrique. L’intégration de la logique dans la mémoire réduirait drastiquement ces coûts énergétiques. Idéalement, l’élément mémoire serait non volatil, supprimant le besoin de constamment rafraîchir l’information. Deux dispositifs spintroniques intégrant ainsi logique et mémoire ont récemment été proposés.
Le premier, d’Intel, est appelé MESO pour magneto-electric spin-orbit (fig. 5 a-b). Le cœur du dispositif est un élément ferromagnétique dont l’aimantation est commutée (écriture) non par STT ou SOT mais grâce à un matériau multiferroïque. Un tel matériau est à la fois magnétique et ferroélectrique, et ces deux propriétés sont couplées par le couplage magnéto-électrique. Un ferro-électrique est caractérisé par un ordre de dipôles électriques qui, macroscopiquement, génère une polarisation électrique qu’on peut renverser par un champ électrique.
Florent Robert Deux états de polarisation peuvent être stabilisés et les ferro-électriques sont ainsi utilisables en tant qu’éléments mémoire. On peut ainsi commuter l’aimantation par application d’une tension plutôt que d’un courant, ce qui est beaucoup moins énergivore. Pour la lecture, le dispositif utilise la conversion spin-charge : un courant de spin en provenance de l’élément ferromagnétique est converti en courant de charge positif ou négatif selon la direction de l’aimantation. MESO possède plusieurs avantages. Premièrement, l’énergie d’écriture est très faible, inférieure à 1 fJ selon Intel. Deuxièmement, les éléments MESO sont concaténables, c’est-à-dire qu’ils peuvent être connectés en cascade, la sortie d’un dispositif servant d’entrée au dispositif suivant. Ainsi, l’énergie dépensée pour réaliser une opération de calcul peut être fortement réduite par rapport à la même opération réalisée en utilisant la technologie CMOS actuelle. Le principe de fonctionnement d’un dispositif MESO vient d’être démontré, mais MESO souffre pour le moment d’un problème d’endurance lié à l’utilisation du matériau multiferroïque. En effet, seul un matériau possède cette propriété à température ambiante et sa commutation n’est pas parfaitement maîtrisée.
Le deuxième dispositif, appelé FESO (ferroelectric spin-orbit), a également été proposé (fig. 5 c-d). Contrairement à MESO, il ne repose pas sur la commutation de l’aimantation d’un élément ferromagnétique (celle-ci est fixe) par un matériau multiferroïque, mais sur le contrôle de la conversion spin-charge par un simple matériau ferroélectrique, offrant alors un large choix de matériaux (BaTiO3, PZT, HfO2...). Comme dans MESO, la tension de sortie peut ainsi être positive ou négative, rendant le composant concaténable et lui conférant une très faible consommation d’énergie.
Spintronique neuromorphique
Cette technologie émergente combine les concepts de l’électronique neuromorphique et de la spintronique pour développer de nouveaux types de dispositifs électroniques capables de reproduire le comportement des réseaux neuronaux biologiques. Certains dispositifs spintroniques sont utilisés pour mettre en œuvre des synapses et des neurones artificiels, qui sont les blocs de base des réseaux neuronaux. Ils sont conçus pour reproduire le comportement de leurs homologues biologiques, tels que la capacité d’apprendre et de s’adapter à de nouvelles entrées. Les dispositifs spintroniques peuvent être utilisés pour mettre en œuvre la plasticité synaptique, qui est la capacité des synapses à se renforcer ou à s’affaiblir en réponse à une stimulation répétée. Il s’agit d’un mécanisme clé sous-jacent à l’apprentissage et à la mémoire dans le cerveau. La spintronique neuromorphique vise ainsi à développer des types d’architectures informatiques capables d’effectuer des tâches complexes plus efficacement que les architectures traditionnelles de von Neumann. Son dispositif clé est une jonction tunnel magnétique utilisée soit comme synapse stockant des poids synaptiques par son niveau de résistance, soit comme neurone (oscillateur à transfert de spin).
Les défis liés à l’extension des systèmes spintroniques pour la reconnaissance de motifs utiles comprennent l’adaptation des algorithmes aux composants de la spintronique, la mise en œuvre de réseaux neuronaux pouvant être entraînés sur la puce et la réduction de la consommation d’énergie. Pour les relever, des approches doivent être explorées telles que la conception de circuits dans lesquels les jonctions n’ont pas besoin d’être lues individuellement, la complémentarité des jonctions avec la technologie CMOS, l’ingénierie des matériaux et des mécanismes responsables des variations résistives et le développement d’algorithmes fondés sur des poids à précision réduite.
Les systèmes spintroniques offrent aussi des opportunités intéressantes pour l’interconnexion entre les neurones, grâce à la possibilité de concevoir des systèmes neuromorphiques tridimensionnels. Des progrès récents ont montré que les dispositifs spintroniques peuvent être utilisés comme synapses et neurones artificiels. Des démonstrations de faisabilité de l’informatique neuromorphique ont été réalisées. Il est maintenant temps de développer des systèmes neuromorphiques inspirés du cerveau à grande échelle reposant sur la spintronique.
Florent Robert 5. Conclusion
La spintronique pourrait jouer un rôle majeur dans l’avenir de l’industrie microélectronique. Les MRAM ont un potentiel éprouvé pour remplacer les technologies de mémoire existantes dans les applications où une combinaison de non-volatilité, de vitesse et d’endurance est essentielle. La STT-MRAM est une technologie haute densité et évolutive qui convient aux applications d’informatique haute performance.
La SOT-RAM pourrait être une solution pour le remplacement de la SRAM. La logique spintronique est prometteuse pour l’électronique ultra-basse consommation en raison de la faible énergie intrinsèque nécessaire pour manipuler des éléments ferromagnétiques nanométriques, par STT, SOT ou grâce à des matériaux magnéto-électriques/ferroélectriques. Des systèmes hybrides combinant la spintronique et la technologie CMOS sont nécessaires pour valider ces concepts du niveau système et les comparer aux approches CMOS traditionnelles. Comme cela a été le cas pour l’industrialisation des dispositifs fondés sur la TMR, les progrès sont réalisés en développant de nouveaux matériaux, des hétérostructures fonctionnelles et des architectures de dispositifs innovantes. Pour combler le fossé entre les niveaux matériau, dispositif et système, des outils de simulation pourraient considérablement accélérer la traduction de ces découvertes en recherche fondamentale en technologies microélectroniques.
