Basculement électrique dans des jonctions tunnel magnétiques à base de MgO

Switching effect in magnetic tunnel junctions based on MgO

• Auteur / Autrice : Nabil Najjari
• Direction : Bernard Doudin, David Halley
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnésie

Électromagnétisme

Effet tunnel

Semiconducteurs -- Jonctions

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte des études actuelles sur les jonctions tunnels magnétiques (JTM) à base de MgO qui constituent les cellules élémentaires de mémoires non-volatiles MRAM. La première partie constitue une introduction générale de l’étude. Les phénomènes de basculement de résistance sont tout d’abord décrits. Les différentes origines de ces phénomènes de basculement de résistance sont rappelées. La deuxième partie traite de la synthèse des échantillons. Les différentes étapes du procédé de structuration sont présentées, ainsi que les difficultés rencontrées et les solutions proposées. La troisième partie présente 3 séries d’échantillons épitaxies de composition Fe/Cr/MgO/Fe, Fe/V/MgO/Fe et Fe/MgO/Cr/MgO/Fe. Les échantillons témoins présentent les propriétés « standards » de JTM à base de MgO avec une magnétorésistance de 120% qui témoigne d’une bonne qualité des échantillons préparés. Par contre dès que des couches de Cr et encore plus de V sont introduites au contact de la barrière, d’importants effets de basculement de résistance sont observés. Cet effet est clairement reproductible. Ceci est expliqué par un modèle statistique de piégeage d’électrons dans la barrière de MgO. Finalement, nous avons réalisé des systèmes exotiques à double barrière entièrement épitaxies Fe/MgO/Cr/MgO/Fe. Les mesures de microscopie électronique et les résultats de transport électrique indiquent que cette couche de Cr coalesce en forme d’amas plus ou moins disjoints. Ces derniers sont ainsi vus comme super-paramagnétiques et non pas antiferromagnétiques.

The topic of this study is the magnetic tunnel junctions (MTJ) based on MgO, which are the basic units of non-volatile memory MRAM. The first part provides a general introduction. The phenomenon of resistance switching is first described. The different origins of resistance switching are discussed. The second part deals with the synthesis of the samples. The different steps of the sample fabrication are presented along with the difficulties encountered and proposed solutions. The third section deals with three epitaxial samples : Fe/Cr/MgO/Fe, Fe/V/MgO/Fe and Fe/MgO/Cr/MgO/Fe. Standard samples have a magnetoresistance of 120% indicating a good quality of prepared samples. As soon as layers of Cr or V are introduced, a significant and reproducible resistance switching effect is observed. A statistical model of electron trapping in the MgO barrier explains these phenomena. Finally, we studied an exotic fully epitaxial double barrier systems Fe/MgO/Cr/MgO/Fe. Electron microscopy and electrical transport measurements indicate that the Cr layer forms separated clusters. Therefore, behaviour of the clusters is superparamagnetic rather than antiferromagnetic.