Dispositifs à commutation tout optique avec oxyde conducteur transparent compatibles CMOS

Transparent conductive oxide nanorods for CMOS compatible All Optical Switching devices

• Auteur / Autrice : Quoc Trung Trinh
• Direction : Ricardo Sousa, Erwine Pargon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 05/03/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants

Mots clés

Mots clés libres

Commutation tout optique

Mémoire non volatile

Spintronique

Photonique

All Optical Switching

Non-volatile memory

Spintronics

Photonics

Résumé

La spintronique ultra-rapide est un domaine de recherche émergent qui combine les idées et les concepts du magnétisme ultra-rapide (femtoseconde) avec les phénomènes de transport de spin, complétés par les possibilités offertes par les laser ultra-rapide pour la manipulation et le transport d'informations à faible dissipation [1]. Dans ce projet, nous démontrerons que l'écriture de l'information dans une MRAM (Spin valve ou jonction tunnel magnétique) peut être réalisée par un laser ultrarapide qui générera des impulsions d'électrons sub-picosecondes (polarisées ou non), permettant de manipuler l'aimantation. L'IJL (Institut Jean Lamour) et Spintec sont reconnus internationalement pour leurs travaux sur le retournement d'aimantation tout optique [2-5]. L'objectif du projet de thèse de doctorat est de réaliser des avancées critiques dans la technologie du retournement d'aimantation tout optique, pour réaliser des dispositifs mémoire AOS MRAM. Le projet se focalise sur la recherche de filières de nanofabrication disruptives et des empillements de matériaux magnétiques novateurs. Il permettra d'établir une plate-forme pour l'intégration d'une mémoire spintronique et des éléments photoniques, pour une future mémoire ultrarapide et économe en énergie. L'accent sera mis sur la conception, la fabrication, la caractérisation et l'intégration des jonctions tunnel magnétiques (MTJ) avec des circuits électriques CMOS et photonique. Bien que les principaux éléments technologiques aient été prouvés, il reste à atteindre un niveau de maturité plus élevé en ce qui concerne la commutation AOS. Les contraintes induites par la nanofabrication d'éléments de petite taille doivent être abordées dans le cadre d'une recherche combinant des questions fondamentales sur la spintronique et la science des matériaux. Il s'agit notamment d'éléments technologiques permettant d'établir les bases de connaissances nécessaires à la mise au point d'éléments de mémoire novateurs et améliorés. On recherchera une validation expérimentale et des développements de processus pour améliorer le rendement et les performances. Ces travaux seront menés au niveau des couches minces et des dispositifs à motifs, afin d'étudier l'impact du processus de mise en forme des empilements de cellules optimisés. Réalisation de simulations magnétiques avec différentes approches (macrospin, micromagnétique, atomistique) afin d'expliquer pleinement les résultats expérimentaux, de proposer des modifications et des perfectionnements des cellules mémoire. La caractérisation de la variabilité induite par la fabrication est un des résultats critiques attendus. L'automatisation des tests électriques et l'analyse des données seront mises en oeuvre pour développer une boucle d'amélioration continue se basant sur des simulations et des itérations de développements matériaux. Trois objectifs majeurs sont visés : i/ fournir une compréhension fondamentale de l'interaction entre les impulsions lumineuses ultra-courtes (polarisées), le courant polarisé en spin et les structures magnétiques, aux échelles nanométriques et femtoseconde; ii/ démontrer que l'aimantation et le courant polarisé peuvent être manipulés pour un point mémoire à l'aide de lumière polarisée ou non; iii/ fabriquer des prototypes de MRAM et composants logiques démontrant la vitesse, l'efficacité énergétique et l'évolutivité lorsqu'ils sont éclairés par des impulsions laser femto-seconde. L'objectif est de démontrer la faisabilité l'écriture ultra-rapide et lever les verrous technologiques d'une filière compatible CMOS et créer une plateforme d'intégration de composants électroniques, spintroniques et photoniques. La démonstration de fonctionnalité (TRL 3) de ces dispositifs permettra une compatibilité technologique et une application dans les concepts mémoire ou calcul développées dans le projet. Au cours des dix dernières années, les partenaires (IJL, Spintec, LTM) ont développé les outils, l'infrastructure et les compétences nécessaires pour atteindre ces objectifs et sont désormais prêts à réunir des chercheurs hautement qualifiés et complémentaires pour relever ces défis interdisciplinaires. [1] S. Iihama et al., “Single-Shot Multi-Level All-Optical Magnetization Switching Mediated by Spin Transport,” Advanced Materials, vol. 30, no. 51, p. 1804004, 2018, doi: 10.1002/adma.201804004. [2] K. Mishra et al., “Dynamics of all-optical single-shot switching of magnetization in Tb/Co multilayers,” Phys. Rev. Research, vol. 5, no. 2, p. 023163, Jun. 2023, doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.023163. [3] L. Avilés-Félix et al., “All-optical spin switching probability in [Tb/Co] multilayers,” Sci Rep, vol. 11, no. 1, Art. no. 1, Mar. 2021, doi: 10.1038/s41598-021-86065-w. [4] A. Olivier et al., “Indium Tin Oxide optical access for magnetic tunnel junctions in hybrid spintronic–photonic circuits,” Nanotechnology, vol. 31, no. 42, p. 425302, Jul. 2020, doi: 10.1088/1361- 6528/ab9c56. [5] Q. Remy et al., “Energy Efficient Control of Ultrafast Spin Current to Induce Single Femtosecond Pulse Switching of a Ferromagnet,” Advanced Science, vol. 7, no. 23, p. 2001996, 2020, doi: 10.1002/advs.202001996.

Ultra-fast spintronics is an emerging field of research that combines ideas and concepts of magnetism (femtosecond) with the phenomena of spin transport, complemented by the possibilities offered by possibilities offered by ultra-fast lasers for the manipulation and transport of low-dissipation information dissipation [1]. In this project, we will demonstrate that information can be written to an MRAM (spin valve or magnetic tunnel junction) using an ultrafast laser that will generate pulses of subpicosecond electron pulses (polarized or unpolarised), enabling the magnetization to be manipulated. The IJL (Institut Jean Lamour) and Spintec are internationally recognized for their work on all-optical magnetization reversal and all-optical magnetization reversal [2-5]. The aim of the doctoral thesis project is to make critical advances in all-optical magnetization reversal technology, in order to produce AOS MRAM memory devices. All-optical magnetization reversal technology to produce AOS MRAM memory devices. The project focuses on the search for disruptive nanofabrication processes and innovative stacks of magnetic materials. It will establish a platform for the integration of spintronics memory and photonic elements. The focus will be on the design, fabrication, characterization, and integration of magnetic tunnel junctions (MTJs) with photonic elements. (MTJ) with CMOS and photonic electrical circuits. Although the main technological elements have been proven, there is still a need to reach a higher level of maturity for AOS switching. The constraints induced by nanofabrication of small-scale elements need to be tackled in the context of research that combines fundamental questions about spintronics and materials science. These include technological elements that establish the knowledge base for the development of novel and improved memory elements. Experimental validation and process developments to improve yield and performance will be sought. This work will be carried out at the level of thin films and patterned devices, in order to study the performance of these devices. Magnetic simulations using different approaches (macrospin, micromagnetic, atomistic) are carried out in order to fully explain the experimental results and propose modifications and improvements to the memory cells. Characterization of the variability induced by manufacturing is one of the critical results expected. Automation of electrical tests and data analysis will be used to develop a continuous improvement loop based on simulations and iterations of material development. Three major objectives are being pursued: i/ to provide a fundamental understanding of the interaction between ultrashort (polarized) light pulses, spin-polarized current and magnetic structures, nanometer and femtosecond scales; ii/ demonstrate that magnetization and polarized current can be manipulated for a memory point using polarized or unpolarised light; iii/ fabricate prototype MRAM and logic components demonstrating speed, energy efficiency and scalability when illuminated by femtosecond laser pulses. The aim is to demonstrate the feasibility of ultrafast writing and remove the technological barriers to a CMOS-compatible process and to create a platform for the integration of electronic, spintronic, and photonic components. Demonstrating the functionality (TRL 3) of these devices will enable technological compatibility and application in the memory or computing concepts developed as part of the project. Over the past 10 years, the partners (IJL, Spintec, LTM) have developed the tools, infrastructure, and skills needed to achieve these goals. They are now ready to bring together highly qualified and complementary researchers to tackle these interdisciplinary challenges. [1] S. Iihama et al., “Single-Shot Multi-Level All-Optical Magnetization Switching Mediated by Spin Transport,” Advanced Materials, vol. 30, no. 51, p. 1804004, 2018, doi: 10.1002/adma.201804004. [2] K. Mishra et al., “Dynamics of all-optical single-shot switching of magnetization in Tb/Co multilayers,” Phys. Rev. Research, vol. 5, no. 2, p. 023163, Jun. 2023, doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.023163. [3] L. Avilés-Félix et al., “All-optical spin switching probability in [Tb/Co] multilayers,” Sci Rep, vol. 11, no. 1, Art. no. 1, Mar. 2021, doi: 10.1038/s41598-021-86065-w. [4] A. Olivier et al., “Indium Tin Oxide optical access for magnetic tunnel junctions in hybrid spintronic–photonic circuits,” Nanotechnology, vol. 31, no. 42, p. 425302, Jul. 2020, doi: 10.1088/1361- 6528/ab9c56. [5] Q. Remy et al., “Energy Efficient Control of Ultrafast Spin Current to Induce Single Femtosecond Pulse Switching of a Ferromagnet,” Advanced Science, vol. 7, no. 23, p. 2001996, 2020, doi: 10.1002/advs.202001996.