Cette thèse porte sur l’étude des effets de la lumière sur une jonction tunnel magnétique (JTM). Une JTM est constituée d’une couche isolante d’épaisseur nanométrique située entre deux couches magnétiques. Lorsqu’un courant électrique est injecté dans une telle structure, une tension apparaît. Cette tension dépend de l’orientation relative des aimantations des 2 couches magnétiques : c’est l’effet de magnétorésistance tunnel. Nous avons pu montrer dans ce travail de thèse qu’une observation similaire est obtenue lorsque la jonction est irradiée avec de la lumière. En étudiant l’influence du substrat, de la position du faisceau lumineux, de la longueur d’onde de la lumière ainsi que de la réponse du système a un pulse laser, nous avons pu mettre en évidence la présence d’effets photovoltaïque et Seebeck. Ces résultats montrent qu’il est possible, grâce à la lumière solaire, de lire l’information de mémoires magnétiques (type M-RAM) constituées d’une JTM / This thesis is devoted to the study of the effects of light on a magnetic tunnel junction (MTJ). A MTJ is made of a nanometer thick insulating layer sandwiched between the two magnetic layers. When an electric current is injected into such a structure, a voltage can be measured across the insulating layer. This voltage depends on the relative orientation of the magnetizations of the two magnetic layers. This is known as the tunnel magneto-resistance effect. We have shown in this thesis that voltage depending on the orientation of the magnetic layers can be measured when the junction is illuminated with light. By studying the influence of the substrate, the position of the light beam, the wave length of light and the response of the system to a laser pulse, we have been able to demonstrate the presence of photovoltaic and Seebeck effects. These results show that it is possible, thanks to the sunlight, to read the information from magnetic memory (MRAM) made of a MTJ

Les architectures d’ordinateur classiques sont optimisées pour le traitement déterministe d’informations pré-formatées et ont donc des difficultés avec des données naturelles bruitées (images, sons, etc.). Comme celles-ci deviennent nombreuses, de nouveaux circuits neuromorphiques (inspirés par le cerveau) tels que les réseaux de neurones émergent. Des nano-dispositifs, appelés memristors, pourraient permettre leur implémentation sur puce avec une haute efficacité énergétique et en s’approchant de la haute connectivité synaptique du cerveau.Dans ce travail, nous étudions des memristors basés sur des jonctions tunnel ferroélectriques qui sont composées d’une couche ferroélectrique ultramince entre deux électrodes métalliques. Nous montrons que le renversement de la polarisation de BiFeO3 induit des changements de résistance de quatre ordres de grandeurs et établissons un lien direct entre les états de domaines mixtes et les niveaux de résistance intermédiaires.En alternant les matériaux des électrodes, nous révélons leur influence sur la barrière électrostatique et les propriétés dynamiques des memristors. Des expériences d’impulsion unique de tension montrent un retournement de polarisation ultra-rapide. Nous approfondissons l’étude de cette dynamique par des mesures d’impulsions cumulées. La combinaison de leur analyse avec de l’imagerie par microscopie à force piézoélectrique nous permet d’établir un modèle dynamique du memristor. Suite à la démonstration de la spike-timing-dependent plasticity, une règle d’apprentissage importante, nous pouvons prédire le comportement de notre synapse artificielle. Ceci représente une avance majeure vers la réalisation de réseaux de neurones sur puce dotés d’un auto-apprentissage non-supervisé. / Classical computer architectures are optimized to process pre-formatted information in a deterministic way and therefore struggle to treat unorganized natural data (images, sounds, etc.). As these become more and more important, the brain inspires new, neuromorphic computer circuits such as neural networks. Their energy-efficient hardware implementations will greatly benefit from nanodevices, called memristors, whose small size could enable the high synaptic connectivity degree observed in the brain.In this work, we concentrate on memristors based on ferroelectric tunnel junctions that are composed of an ultrathin ferroelectric film between two metallic electrodes. We show that the polarization reversal in BiFeO3 films can induce resistance contrasts as high as 10^4 and how mixed domain states are connected to intermediate resistance levels.Changing the electrode materials provides insights into their influence on the electrostatic barrier and dynamic properties of these memristors. Single-shot switching experiments reveal very fast polarization switching which we further investigate in cumulative measurements. Their analysis in combination with piezoresponse force microscopy finally allows us to establish a model describing the memristor dynamics under arbitrary voltage signals. After the demonstration of an important learning rule for neural networks, called spike-timing-dependent plasticity, we successfully predict new, previously unexplored learning curves. This constitutes an important step towards the realization of unsupervised self-learning hardware neural networks.

Dans le contexte actuel des technologies de l’information, le traitement séquentiel effectué par les ordinateurs d’architecture classique bute sur des problématiques de consommation d’énergie. En s’inspirant de la nature, et tout particulièrement du cerveau, une solution alternative apparaît à travers les réseaux de neurones artificiels. Dans ce cadre, la réalisation de nano-composants, appelés memristors, qui miment la plasticité synaptique, permet grâce à leur taille nanométrique d’envisager la réalisation de réseaux neuronaux densément interconnectés. Dans ce travail de thèse, notre intérêt est porté sur la réalisation d’un tel composant, défini comme une nano-résistance variable et non-volatile, et dont le fonctionnement repose sur le principe de la spintronique (ou l’utilisation du spin des électrons comme vecteur d’information), qui présente les avantages de compatibilité avec les technologies actuelles (CMOS, MRAM, …etc). En utilisant une jonction tunnel magnétique, le concept de memristor spintronique repose sur le déplacement d’une paroi de domaine magnétique par transfert de spin, où chaque position de paroi défini un état de résistance intermédiaire. Afin de maitriser les variations de résistance du dispositif memristif spintronique, l’étude des propriétés statiques et dynamiques de la paroi de domaine sous l’influence d’un courant polarisé en spin est requise. Grâce à l’étude du déplacement et de la résonance de la paroi dans des systèmes à aimantations planaires, comprenant un nombre limité de 3 états intermédiaires de résistance, nous avons pu établir un premier bilan (temps de commutation du dispositif inférieur à la nanoseconde et mis en avant d’un phénomène de ‘sur-amortissement’). En s’appuyant sur ces travaux préliminaires, nous avons par la suite optimisé des jonctions tunnel magnétiques à aimantations perpendiculaires, pour lesquels d’une part le nombre d’états intermédiaires de résistance se voit fortement augmenter (entre 15 et 20 états), autorisant l’utilisation de ce dispositif memristif spintronique pour la réalisation de tâches neuromorphiques. D’autre part, ce dispositif est optimisé pour exploiter le couple de transfert de spin le plus efficace afin de déplacer la paroi de domaine. / In the current context of information technology, the sequential processing carried out by classical computer architectures stumbles on problems of energy consumption. Inspired by nature, especially the brain, an alternative solution appears through artificial neural networks. In this background, the realization of nano-components, called memristors, which mimic synaptic plasticity, enables to consider achieving densely interconnected neural networks due to their small size. In this work, our focus is on the realization of such a component, defined as a tunable and non-volatile nano-resistor, and which operation is based on the principle of spintronics (use of the spin of electrons as information vector), which has the advantages of compatibility with current technologies (CMOS, MRAM …etc). By using a magnetic tunnel junction, the concept of the spintronic memristor is based on the motion of a magnetic domain wall by spin transfer effect, where each wall position defines an intermediate resistance state. In order to control the resistance of this spintronic memristive device, the study of static and dynamic properties of the domain wall under the influence of a spin polarized current is required. By the study of the displacement and resonance of the wall whithin an in-plane magnetized device, we established a first assessment (commutation time of the device below one nanosecond and observation of an over-damping). Based on these preliminary studies, we then optimized magnetic tunnel junctions with out-of-plane magnetizations. On one hand, we show that the number of intermediate resistance states is strongly increased (between 15 and 20 states), allowing this spintronic memristive device to be used to perform neuromorphic tasks. Furthermore, we show that the device is optimized to use the most efficient spin transfer torque to displace the magnetic domain wall.

La détection des très faibles valeurs de champ magnétique est un enjeu important pour l’émergence à plus grande échelle de techniques pour le domaine du médical telles que la magnéto cardiographie, ou la magnétoencéphalographie. Les solutions existantes industrialisées reposent sur l’utilisation de jonctions tunnels supraconductrices qui permettent de fabriques des SQUIDS (Superconducting Quantum Intereference Device) qui sont les briques de base des magnétomètres avec des sensibilités de l’ordre de la dizaine de femtotesla. Cependant cette approche impose de travailler à des températures très basses qui ne sont accessibles qu’avec de l’hélium liquide. Un approche récente, développée par le Spec-CEA permet de travailler à l’azote liquide (77K) ce qui lève un certain nombre de contraintes. Le dispositif est un capteur mixte composé d’une boucle supraconductrice de grande taille qui contient une constriction de taille micrométrique sur laquelle est rapportée une magnétorésistance tunnel qui sert de sonde locale du champ magnétique. L’objectif du travail dans ce travail de thèse est de poursuivre le développement de ce type de capteur en utilisant visant des structures tout oxyde. En effet l’intégration complète de ce type de capteur permettrait de gagner encore en termes de performances et d’atteindre une résolution de l’ordre du femtotesla. Pour ce faire le travail vise à intégrer une jonction tunnel tout oxyde directement par épitaxie sur la constriction. La jonction tunnel sera réalisée à partie d’oxydes magnétiques tels que les composés LaSrMnO3 ou SrRuO3 qui sont deux matériaux ferromagnétiques à la température de l’azote liquide. / Sensing of extremely weak magnetic signals, such as produced by electrical activity of the human heart and brain, still remains a challenge. A very promising alternative to established field-sensing techniques is a novel, spin electronic based, ultrasensitive device called an all-oxide mixed sensor. It is formed by a superconducting loop, acting as a flux-to-field transformer and field amplifier, combined with a magnetic tunnel junction sensing the field.Our research activities have the goal to improve the performance of the mixed sensor, focusing on its core component – the magnetic tunnel junction (MTJ). The capability of an MTJ is predominantly determined by the quality of the tunnel barrier and by the stability of magnetization states. In this context, oxide materials, known for their remarkable physical properties, have already shown their advantages. Thus, studies on La0.7Sr0.3MnO3/SrTi0.8Nb0.2O3 functional oxide interfaces, exploration of SrRuO3/ La0.7Sr0.3MnO3 exchange bias system, and the final integration of these two components into a magnetic tunnel junction form the main part of our work.In the presented thesis, oxide thin films and heterostructures used for studies were grown by pulsed laser deposition (PLD). We fabricated electronic devices for investigations using clean room microfabrication techniques , e.g. optical lithography, chemically assisted ion beam etching (CAIBE) and sputtering. Temperature dependent magnetic and (magneto-) transport measurements were performed.Metal-semiconductor interfaces formed by the half-metallic ferromagnet La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) and heavily doped semiconductor SrTi0.8Nb0.2O3 (Nb:STO) were studied. Antiferromagnetic coupling at the interface of the LaSrMnO3 and itinerant ferromagnet SrRuO3 was explored. Magnetic tunnel junctions with Schottky barrier were investigated (MTJs with Nb:STO and LSMRO).

Durant ce travail de thèse, nous avons étudié deux concepts originaux de memristor fondés sur des effets purement électroniques. Un memristor est une nanorésistance variable non-volatile dont la valeur dépend de la quantité de charges qui l'a traversée. Ce composant est particulièrement prometteur pour des applications en tant qu'élément de mémoire binaire multi-niveaux ou en tant que synapse artificielle pour intégration dans des architectures de calculs neuromorphiques. Le premier concept, le memristor spintronique, se base sur une jonction tunnel magnétique dans laquelle une paroi magnétique est introduite. Par l'effet de magnétorésistance tunnel, la résistance de la jonction dépend de la configuration magnétique, et donc de la position de la paroi. La variation de résistance est obtenue en déplaçant la paroi grâce à un courant par effet de transfert de spin. Le deuxième concept, le memristor ferroélectrique, se base sur une jonction tunnel dont la barrière est ferroélectrique. La résistance d'une telle jonction dépend de l'orientation de la polarisation de la barrière ferroélectrique. Nous montrons qu'elle a un fort potentiel en tant qu'élément de mémoire binaire de part la vitesse et l'énergie d'écriture. Le comportement memristif est obtenu par un retournement progressif de la polarisation électrique. Les résultats expérimentaux obtenus apportent la preuve des concepts. Contrairement aux memristors existants basés sur des processus comme l'électromigration ou le changement de phase, ces deux concepts fondés sur des effets purement électroniques sont prometteurs en termes de rapidité et d'endurance.

Les modèles théoriques qui prônent l’existence d’un filtrage en symétrie dans les électrodes ferromagnétiques n’ont jamais souffert d’autre justification que leur potentiel à éclairer les résultats expérimentaux. En la matière, les jonctions tunnel magnétiques Fe/MgO/Fe(001) apparaissent être un outil approprié pour confronter expérience et théorie de par leur haute qualité cristalline, cette dernière étant essentielle pour se rapprocher au plus près des considérations théoriques. Les premières mesures de bruit basse fréquence réalisées sur ce système en démontrent la qualité remarquable, paramètres primordiaux au bon déroulement des mécanismes de transport tunnel. L’étude de la dynamique du courant a permis de montrer l’existence d’un mode de transport tunnel direct d’une électrode à l’autre et d’invalider un mode de transport séquentiel via des défauts dans la barrière. L’intégration de films minces de Cr(001) dans ce système idéal a permis de valider de façon non ambigüe l’existence effective du filtrage en symétrie suite à l’apparition d’états de puits quantiques pour une seule symétrie électronique dans des jonctions Fe/Cr/Fe/MgO/Fe. Ce résultat phare met aussi en évidence un mode de transport tunnel cohérent et balistique. La validation de ces concepts autorise l’étude de l’injection de spin dépendant des symétries dans des matériaux plus complexes, comme des films minces de Fe3O4(001). Ces derniers ont fait l’objet d’une étude structurale approfondie et ont amené à des résultats de magnéto-transport encourageants suite à leur intégration dans des dispositifs tunnel à base de MgO(001). / The symmetry-filtering into the ferromagnets as predicted by the theoreticians has never suffered of any other justification than its ability to shed the light on the experimental observations. Fe/MgO/Fe(001) junctions are then an appropriate tool to test its validity thanks to their high crystallinity. The first performed low frequency noise measurements have proved the well-suited quality of this kind of junctions and the study of the current’s dynamic through the system, its pure direct tunneling. By using Cr(001) thin films, the symmetry-filtering has been unambiguously highlighted with the occurrence of quantum-well states only for one specific electronic symmetry in Fe/Cr/Fe/MgO/Fe(001). Thus, the validity of the theoretical concepts allows investigating the symmetry-dependent spin-injection into more complex systems such as Fe3O4(001) thin films which have revealed theirselves as promising to integrate into MgO(001)-based tunnel devices.

Cette thèse vise principalement à faire face à la fiabilité de stockage de STT-MRAM au niveau dispositif, au niveau circuit et au niveau système. Les majeures contributions de cette thèse peuvent être résumées comme il suit: a) La modélisation de la jonction tunnel magnétique par courant polarisé en spin (STT-MTJ), pour développer un compact modèle SPICE de STT-MTJ. b) Le design de fiabilité de STT-MRAM au niveau dispositif, pour étudier les structures de base de cellule de mémoire et de cellules de référence. Dans cette partie, nous avons proposé une cellule de mémoire configurable (CMC), une cellule dynamique de référence (RDC) et un loquet magnétique de rayonnement durci (RHM-Latch). c) Le design de fiabilité de STT-MRAM au niveau circuit, pour étudier les modules de circuits périphériques. Dans cette partie, nous avons proposé un circuit de lecture séparé et précharge (SPCRC), un circuit de lecture offset-Tolérant sans perturbation (OTDFRC) et un circuit de correction d'erreur intégré. d) Le design de fiabilité de STT-MRAM au niveau système, vise principalement à étudier l'architecture de la puce. Dans cette partie, nous avons proposé une architecture reconfigurable (nommé Re-STT-MRAM) et une architecture de correction d'erreur hybride (nommé cRR-SECC). / This thesis aims mainly to deal with the storage reliability of STT-MRAM from device-Level, circuit-Level and system-Level perspectives. The major contributions of this thesis can be summarized as follows: a) Spin transfer torque magnetic tunnel junction (STT-MTJ) modeling, to develop a compact SPICE model of STT-MTJ.b) Device-Level reliability design of STT-MRAM, to study the basic memory cell and reference cell structures. We proposed a configurable memory cell (CMC), a dynamic reference cell (DRC) and a radiation hardened magnetic latch (RHM-Latch) in this part.c) Circuit-Level reliability design of STT-MRAM, to study the peripheral circuit modules. We proposed a separated pre-Charge read circuit (SPCRC), an offset-Tolerant disturbance-Free read circuit (OTDFRC) and a built-In error correction circuit in this part.d) System-Level reliability design of STT-MRAM, aims mainly to study the chip architecture. We proposed a reconfigurable architecture and a hybrid error correction architecture in this part.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l'expérience à la théorie de l'effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l'objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d'établir expérimentalement l'existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s'expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d'un excès d'oxygène à l'interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d'un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d'une barrière additionnelle à l'interface pour les états de symétrie Δ1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d'oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l'électrode sous-jacente. L'emploi d'alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes Δ et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO.

La paroi de domaine magnétique est un concept essentiel à la compréhension du renversement d'aimantation dans un film ou une nanostructure magnétique, et peut être mise en jeu dans les processus d'écriture et de transmission d'une information dans un nano-dispositif. Théoriquement, nous avons mis en évidence, dans une nanostructure magnétique sans défauts, des effets de confinement sur la propagation d'une paroi sous champ magnétique et/ou sous courant polarisé en spin. Ceci a été illustré par l'étude, par microscopie magnéto-optique, de la propagation de paroi dans des films ultraminces Pt/Co/Pt à anisotropie perpendiculaire. Dans ces films, nous avons réalisé des nano-pistes lithographiées et irradiées à très faible dose par des ions hélium. Ces dispositifs se sont révélés être des systèmes modèles, idéaux pour étudier la propagation de paroi sous champ, et nous ont paru prometteurs pour l'étude de la propagation induite par transfert de spin. Pourtant, pour toute la gamme des impulsions de courant injectées dans ces pistes, aucun des effets de propagation observés expérimentalement n'a pu être attribué au transfert de spin. Au vu de l'évaluation quantitative du courant et de sa polarisation dans la couche de cobalt, ceci est justifié par un rapport défavorable entre l'échauffement par effet Joule et le transfert de spin.<br /><br />Nous avons également construit un magnétomètre Kerr polaire à haute résolution, utilisant un faisceau laser hautement focalisé, dont la résolution, la stabilité et la sensibilité exceptionnelles sont bien adaptées à l'étude de nanostructures magnétiques ultraminces à anisotropie perpendiculaire, et ce jusqu'à des dimensions largement sub-microniques.<br /><br />Enfin, nous avons étudié le renversement de l'aimantation sous champ magnétique dans un empilement de type jonction tunnel magnétique à anisotropie planaire, destiné au développement industriel de mémoires magnétiques à accès aléatoires. L'effet d'un recuit à haute température sur les propriétés magnétiques de cet empilement a été testé. En outre, dans la couche magnétique douce de la jonction tunnel, soumise à un couplage magnétique dipolaire à travers la barrière tunnel, nous avons mis en évidence une asymétrie des processus de nucléation de domaines et de propagation de parois en fonction du sens de balayage du champ, que nous avons associée à de légères inhomogénéités du champ de couplage dipolaire.

Dans le domaine de l'électronique de spin, le filtrage de spin est un phénomène physique qui permet de générer des courants d'électrons polarisés en spin grâce au transport dépendant du spin à travers une barrière tunnel ferromagnétique. Alors que le filtrage de spin à température ambiante est très attractif pour les applications, il existe peu de matériaux ayant les proprieties électriques et magnétiques requises. Les ferrites isolants XFe2O4 (X= Co, Ni, Mn), qui présentent des températures de Curie nettement supérieures à 300 K, sont de bons candidats pour jouer le rôle de filtre à spin à température ambiante. Dans cette thèse, je présente une étude approfondie des ferrites MnFe2O4, NiFe2O4 et CoFe2O4 en films ultraminces épitaxiés pour le filtrage de spin à température ambiante, en me penchant sur leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Les proprieties structurales, chimiques, magnétiques et électriques ont été étudiées par plusieurs méthodes de caractérisation in situ et ex situ, qui ont permis de démontrer le fort potentiel de ces oxydes pour jouer le rôle de barrière tunnel magnétique à temperature ambiante. Les filtres à spin ont ensuite été intégrés dans des jonctions tunnel afin de faire des mesures de transport tunnel polarisé en spin, soit par la méthode de Meservey-Tedrow, soit par des mesures de magnétorésistance tunnel (TMR). Ces mesures ont révélé pour la première fois un effet de filtrage de spin à travers MnFe2O4(111) et des effets de TMR ont été obtenus dans des nano-jonctions tunnel à base de CoFe2O4(111), permettant d'obtenir la plus forte polarisation en spin actuelle à température ambiante par effet de filtrage de spin.