Claude Chappert Institut d'electronique Fondamentale

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1 Nanomagnétisme / Electronique de spin : avancées, perspectives et impact des "Grandes Centrales" Claude Chappert Institut d'electronique Fondamentale

2 Du (nano)magnétisme à l'electronique de spin (1) L'électron possède une charge et un spin un moment magnétique Dans un matériau ferromagnétique : interaction d'échange aimantation anisotropie de l'énergie magnétique axe de facile aimantation stockage non volatile de l'information binaire si E >> kt E = KV compétition entre différentes énergies magnétiques: domaines et parois

3 Du nanomagnétisme à l'electronique de spin (2) "écrire" une information interaction avec un champ magnétique H H M précession de l'aimantation H eff r dm dt = γ µ 0 r r α ( M H ) + eff r M M dt r r dm Fréquence de precession : f = f 0 H eff f 0 = 28 MHz / mt ( = 2.8 GHz / koe )

4 Du (nano)magnétisme à l'electronique de spin (1) Dans un métal ferromagnétique (ex: Fe, Ni, Co, NiFe, ) interaction d'échange les électrons de conduction sont polarisés en spin cette polarisation peut-être conservée par le transport diffusif centre de diffusion λ MF libre parcours moyen λ SD : longueur de diffusion du spin diffusion "spin flip" λ SD >> λ MF cf. Valet et al., PRB48(1993)7099.

5 Les échelles importantes de l'electronique de spin Spin diffusion length Electron mean free pass Suzuki, Anglet, September 2004 Fermi wavelength Transport Spin Mixing Current Spin Conserving Current diffusive ballistic Magnetism Multi-domain magnetic structures Single domain magnetic particles Superparamagnetism (Thermal fluctuation) 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm lumière visible largeur de paroi spin et Atome information quantique

6 La magnétorésistance géante : premier effet de l'electronique de Spin A. Fert et al., 1988 épaisseur des films << λ MF << λ SD conservation du spin + diffusion dépendant du spin

7 L'effet tunnel dépendant du spin 1995 : la jonction tunnel magnétique (M. Jullières, 1975, J. Moodera, 1995) I R = R 0 R/2 cos (θ) "free" ferromagnetic layer (NiFe) tunnel barrier (Al 2 0 3, MgO, ) "pinned" ferromagnetic layer (NiFe, Co, in contact with another layer) R/R ~ 70 % (Al 2 O 3 ) à 230% (MgO) + dispositif vertical bien adapté aux IC haute densité! Magnetic Random Access Memory (M-RAM) (IBM > 1996)

8 The M-RAM magnetic memory (1) Principle : store binary information on the magnetization orientation of the free layer of a tunnel junction non volatile memory! "cross point" architecture "0" "1" + Read : select a cell in the array with bit line and transistor & measure its resistance Transistor "active matrix" architecture

9 The M-RAM magnetic memory (2) Principle : store binary information on the magnetization orientation of the free layer of a tunnel junction non volatile memory! "0" "1" + Write : synchronous current pulses in bit and word lines, only at the lines crossing the field is high enough to write Transistor OFF

10 The M-RAM magnetic memory (3) IBM/Infineon 128 kbits MRAM core DeBrosse et al., IEEE J. of SSC 39, 678 (2004) embedded memory applications magnetism above CMOS high speed CMOS 0.18 µm, cell size ~43 F 2, V dc = 1.8 V write/read : 5 ns Also: Freescale, 4 Mbits demo with new more reliable writing scheme

11 La mémoire magnétique MRAM Status Crolles II Alliance Altis / Infineon Cypress (USA) autres industriels production de e-mram dès fin 2005 technologie OK MOS 65 nm inclus MRAM "stand-alone" haute densité (NEC+Toshiba) R&D : IBM, Sony, Samsung, Perspectives limitation du mode d'écriture par champ > MOS 65 nm courants trop élevés "program errors" sur cellules non adressées nouveaux concepts d'écriture

12 Un nouvel effet de l'electronique de spin: l'écriture par transfert de moment de spin J. Slonczewski, JMMM 159, 1 (1996); M (Cu, ) F (Co, ) interaction s-d directe entre le spin de l'électron et l'aimantation permet de retourner une aimantation effet lié à une densité de courant referme la "boucle" de l'electronique de Spin!

13 Un nouvel effet de l'electronique de spin: l'écriture par transfert de moment de spin nouveau concept de cellule MRAM M (Cu, ) F (Co, ) interaction s-d directe entre le spin de l'électron et l'aimantation Top electrode SiO 2 Cap CoFe 2.5 SiO 2 Cu 6 nm CoFe 40 nm Bottom electrode HF 2-20 GHz C I DC source RF accordable et intégrable L Transistor ON recherches en France: - Spintec/FMNT/LETI - IEF/ST - UMR CNRS/Thalès/LPN -

14 "Grandes Centrales" et Industrie dans l'electronique de Spin "MRAM" Thalès LPN IEF Les moyens lourds ou semilourds des Grandes Centrales sont un atout majeur pour les collaborations recherche industrie! Altis Crocus STM Spintron FMNT/LETI Atmel

15 200mm process for MRAM TM-RAM test cells on mask TM-RAM test cells processed Dots 0.22µm after IBE patterning Lines 0.85µm

16 Spin torque for RF device Couche réference Trajectoire fort courant I>Ic Trajectoire faible courant I>Ic Couche RF Filière 200mm: Electrodes adaptées aux hyperfréquences (Résultats similaires: IEF)

17 "Grandes centrales" et recherche amont Quels "verrous" à lever pour les années à venir? matériaux : - oxydes de barrière "actifs" (MgO?) - 100% de polarisation de spin - semiconducteurs magnétiques (faibles densité de charge) - systèmes hybrides (métaux/oxydes/semiconducteurs) nanotechnologies : - procédés de lithographie, gravure nouveaux effets / concepts de dispositifs Les moyens lourds ou semi-lourds des Grandes Centrales sont un atout majeur pour prolonger les moyens de proximité des laboratoires, pour : accéder à des technologies plus performantes se rapprocher des applications (fiabilité, substrats grande taille, etc.)

18 Multi-chamber multi-techniques deposition system for hybrid magnetoelectronics components 200mm wafer compatible delivery: January 2005 June Magnetron Sputtering metals, insulators ~10 targets (magnétrons) in situ He + ion irradiation Plasma analysis Preparation chamber outgasing ion etching oxidation MBE (2006) semiconductors Load lock L A S E R Pulsed Laser Deposition magnetic oxides 12 targets heather > 1000 C ozoniseur Rheed

19 "Grandes centrales" et recherche amont Quels "verrous" à lever pour les années à venir? matériaux : - oxydes de barrière "actifs" (MgO?) - 100% de polarisation de spin - semiconducteurs magnétiques (faibles densité de charge) - systèmes hybrides (métaux/oxydes/semiconducteurs) nanotechnologies : - procédés de lithographie, gravure nouveaux effets / concepts de dispositifs Les moyens lourds ou semi-lourds des Grandes Centrales sont un atout majeur pour prolonger les moyens de proximité des laboratoires, pour : accéder à des technologies plus performantes se rapprocher des applications (fiabilité, substrats grande taille, etc.)

20 Deux procédés technologiques basés sur la lithographie électronique de très haute résolution ( à 50nm) (I) dans une résine positive (PMMA) (II) dans une résine négative (HSQ) (Hydrogen Silsesquioxane) PMMA PMMA Masque métallique en Al FOX FOX couches actives Couches actives Substrat Substrat Substrat Substrat Après lithographie après lift-off d Al et gravure Après lithographie après gravure masque Al: - réactivité avec les oxydes magnétiques type LSMO - les procédés de retrait endommagent le LSMO Sous faisceau électronique devient SiO 2, masque idéal pour la gravure et qu'on peut ensuite laisser pour les mesures électriques!

21 Exemple de nanodispositif obtenu Le bistable planaire magnétique Après lithographie et développement 75 nm (A.M. Haghiri, IEF Orsay) Après gravure (Ar pur) 500 Volts, 0.5 ma/cm 2, 2 min 60 nm

22 La gravure de nanodispositifs magnétiques à éviter: les effets de bords épaisseur ~ 1 nm couches individuelles: épaisseur ~ 0.3 nm dia. ~ 50 nm ou moins

23 Soft chemically assisted ion beam etching Principle of the experiment : 1 - reactive gas (ex: O 2 ) - molecules - plasma dissociated species 3 - low energy Ar neutrals (200 ev 1 kev) : ion beam first accelerated then neutralized + FeCo, FeNi, Co, PtMn, Ru, oxydes, 2 - adsorption: - physical adsorption - chemical adsorption - surface chemical reaction Expected advantages versus IBE or RIE : 4 - desorption of weakly volatile reaction species assisted by low energy ion bombardment (ex: Anelva, CH 3 OH based RIE of PtMn/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFe/Ta) no sidewall redeposition chemical selectivity stop on an interface no ion implantation/damages Experiment being developed at IEF ( P. Lecoeur, B. Bartenlian )

24 L outil Nano-FIB au LPN J. Gierak, LPN Marcoussis un faisceau d ions de finesse de sonde record (4nm) une précision de positionnement de 13 nm dans un environnement dédié à la nanostructuration Nucleation : H = 175 Oe, t = 40 s t 40 µs ex: piste à paroi de domaine de largeur 160nm, obtenue par implantation de lignes de défauts (col. LPS / LPN / IEF) Domain wall propagation : H = 70 Oe 40 µs t 20 s 40 µs t 50 s 50 s t 60 s 60 µm

25 Fils gravés de FePt (200nm) (001) 30 µm thèse de J.P. Attane, CEA/DRFMC Grenoble CTU/IEF Orsay (D. Ravelosona) MgO FePt (001) A.F.M. image 1 mm 200 nm seulement quelques micromacles/croix 25

26 "Grandes centrales" et recherche amont Quels "verrous" à lever pour les années à venir? matériaux : - oxydes de barrière "actifs" (MgO?) - 100% de polarisation de spin - semiconducteurs magnétiques (faibles densité de charge) - systèmes hybrides (métaux/oxydes/semiconducteurs) nanotechnologies : - procédés de lithographie, gravure nouveaux effets / concepts de dispositifs Les moyens lourds ou semi-lourds des Grandes Centrales sont un atout majeur pour prolonger les moyens de proximité des laboratoires, pour : accéder à des technologies plus performantes se rapprocher des applications (fiabilité, substrats grande taille, etc.)

27 But : Diodes électroluminescentes à courant polarisé en spin Mesure de la polarisation de la lumière en régime picoseconde du composant sous injection électrique sous champ magnétique Fabrication de composants fonctionnant dans la gamme du GHz Technologie : Structures pin à boîtes quantiques (λ = 950nm) / injection par couche ferromagnétique (dépôt CEMES) Exploitation de la technologie VCSEL / MEMS RF Cathode GaAs dopé N Cobalt Zone active GaAs dopé P AlOx Anode GaAs n.i.d. Polarisation en spin du courant injecté polarisation de la lumière émise 10µm ACI Nano Sc. et Techn (INSA-Toulouse, LAAS), équipe-projet STIC 2002/3

28 Un nouveau concept proposé par une start-up transistor d'adressage et jonction tunnel magnétique intégrés dans un même dispositif planaire Injector Writing line Detector p + n-si (col. SPINTRON / Spintec / LETI )

29 Spintronics roadmap Composants «stand-alone» Tête de lecture Niveau d intégration Composants «above-ic» MRAM Magnetic CMOS Injecteur Composants «hybrides» Ligne de courant Détecteur Silicium Spin switch, spin-led, Spin Transistor, De plus en plus besoin de technologie de plus en plus complexe - technologie "above CMOS" ligne(s) hors CMOS - Procédés stabilisés, intégration dispositifs grandes centrales - Recherche prospective lignes de techno souples

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