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).

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.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'injection et de la collection d'électrons polarisés en spin dans le silicium. Différentes études ont été menées dont les principaux résultats sont présentés. Dans toutes ces études, une structure Métal ferromagnétique/ Isolant/Si (FM/I/S) a été utilisée. La première de ces études porte sur l'existence éventuelle d'une couche “magnétiquement morte” à l'interface Métal ferromagnétique/Isolant qui pourrait aboutir à la dépolarisation des électrons injectés. Dans la seconde étude, les propriétés magnétiques des électrodes ferromagnétiques qui sont utilisées pour l'injection et la collection des électrons polarisés sont analysées. La troisième étude est focalisée sur la contamination de la barrière isolante et du silicium par les métaux 3d du métal ferromagnétique. Ces résultats soulignent l'importance du contrôle de la contamination pour l'obtention de structures Métal ferromagnétique/Isolant/ Si de bonne qualité, un prérequis pour avoir un mécanisme de transport de tunnel direct qui conserve le spin. Dans la dernière étude, des caractérisations capacité-tension et courant-tension sont effectuées sur les structures Métal ferromagnétique/ Isolant/Si. Les résultats électriques montrent que la conduction est assistée par des pièges dans l'oxyde dont l'origine est probablement liée à la présence des métaux 3d dans la barrière isolante. Finalement, un dispositif test a été fabriqué et testé dans le but de mettre en évidence un signal de magnétorésistance.

Depuis plusieurs années de nombreuses technologies non volatiles sont apparues et ont pris place principalement dans le monde de la mémoire, tendant à remplacer tout type de mémoire. Leurs atouts laissent à penser que certaines d'entre elles, et en particulier les technologies MRAM, pourraient améliorer les performances des circuits intégrés en utilisant leurs composants magnétiques, si connus notamment sous le nom de jonctions tunnel magnétiques, dans la logique. Pour évaluer ces éventuels gains, il faut être capable de concevoir de tels circuits. C'est pourquoi nous proposons dans ces travaux d'une part un kit de conception complet pour les flots de conception full custom et numérique, permettant de couvrir l'ensemble des étapes de conception pour chacun d'entre eux. Une partie de ce kit a servi à plusieurs partenaires de projets de recherche ANR, pour concevoir des démonstrateurs. Nous proposons également dans ce kit de conception un latch magnétique non volatil innovant ultra compact, pour lequel deux brevets d'invention ont été déposés, intégré à une flip-flop. Enfin, nous présentons l'intégration de composants magnétiques à deux applications, sécurité et faible consommation, ainsi qu'une étude qui montre que les gains en consommation statique peuvent être considérables.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat.