Nouvelle modélisation de la mémoire magnétique
Publié par Redbran le 24/04/2019 à 14:00
Source: CEA IRIG
Des chercheurs du laboratoire Spintec de notre institut travaillent sur les MRAM. Dans cette étude, ils proposent d'intégrer l'effet Joule au modèle macrospin afin de le rendre applicable à toute sorte de nano-piliers et plus facilement intégrable dans des outils de conception de microélectronique.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) sont des dispositifs spintroniques alliant la non-volatilité (conserve ses données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire,...) en l'absence d'alimentation électrique), la rapidité et la robustesse face aux radiations. Elles sont destinées à devenir une des briques de base des futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) processeurs et/ou architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) néuromorphiques (ou réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) de neurones). Au cœur du composant, il y a une jonction tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont...) magnétique constituée de deux couches ferromagnétiques (de référence et de stockage) séparées par une barrière isolante (Figure 1). Les approches les plus prometteuses privilégient la configuration des jonctions tunnels magnétiques dite perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin...) pour laquelle les aimantations de deux couches ferromagnétiques sont perpendiculaires à leur plan.


Figure 1: Schéma d'un nano-pilier JTM
En fonction de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) parallèle ou antiparallèle de l'aimantation entre les 2 couches ferromagnétiques (flèches), la résistance électrique de la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") sera faible ou forte, codant ainsi l'information binaire. L'une de ces couches, dite de référence, a une aimantation fixe lors du fonctionnement du point (Graphie) mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) (JTM). La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure...), ou couche de stockage, sert à enregistrer l'information via son aimantation qui, lors de l'écriture, change sous l'action d'un échelon (pulse) de tension (La tension est une force d'extension.) de quelques nanosecondes.

Pour augmenter la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) d'intégration des mémoires, la taille latérale de la jonction magnétique (Figure 1) est constamment réduite, mais ceci engendre une augmentation forte du courant nécessaire à l'écriture. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) naturellement, les conséquences de l'effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions...) deviennent importantes et entraînent l'échauffement de la couche de stockage dont les propriétés magnétiques s'en trouvent perturbées. Son comportement dévie alors du comportement standard désiré. Ainsi le retournement de l'aimantation n'est plus piloté et tout le fonctionnement du point mémoire est mis à l'épreuve.

Les chercheurs du laboratoire Spintronique et Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des Composants (Spintec) de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) IRIG, ont amélioré le modèle "macrospin" utilisé habituellement afin de décrire le retournement d'aimantation en tenant compte de l'effet Joule. Dans ce nouveau modèle, l'aimantation de la couche de stockage est uniforme et son orientation libre d'évoluer avec le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) et/ou le courant appliqué (pulse). Pendant le pulse, la variation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) par effet Joule impacte plusieurs paramètres magnétiques du système qui sont calculés. Une calibration de ce modèle (Figure 2) a soigneusement été réalisée afin de permettre de décrire fidèlement le comportement des jonctions perpendiculaires quel que soit la tension appliquée, et ainsi déterminer les points de stabilité (champ, tension) de fonctionnement.


Figure 2: Diagramme champ-tension mesuré expérimentalement
La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) bleue indique l'état parallèle des 2 couches ferromagnétiques (P, basse résistance électrique), le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) indique l'état anti-parallèle (AP, haute résistance électrique). Le blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux...) est la zone de bi-stabilité (P/AP). Les lignes vertes sont les lignes de stabilité issues de la modélisation.

L'intérêt de ce nouveau modèle réside dans son applicabilité à toute sorte de nano-piliers (jonction tunnel magnétique de taille nanométrique latérale) et au fait qu'il sera facilement intégrable dans des outils de conception de microélectronique.

Références publication:
Strelkov N, Chavent A, Timopheev A, Sousa RC, Prejbeanu IL, Buda-Prejbeanu LD and Dieny B
Impact of Joule heating on the stability phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) diagrams of perpendicular magnetic tunnel junctions.
Physical Review B, 2019
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