The growing applications for IoT devices have caused an increase in the study of low power consuming circuit design to meet the requirement of devices to operate for various months without external power supply. Scaling down the conventional CMOS causes various complications to design due to CMOS properties, therefore various non-conventional CMOS design techniques are being proposed that overcome the limitations. This thesis focuses on some of those emerging and novel low power design technique namely Adiabatic logic and low power devices like Magnetic Tunnel Junction (MTJ) and Carbon Nanotube Field Effect transistor (CNFET). Circuits that are used for large computations (multipliers, encryption engines) that amount to maximum part of power consumption in a whole chip are designed using these novel low power techniques.

Heterostructures of materials with dramatically different properties are exciting for a variety of devices. In particular, the epitaxial integration of metals with semiconductors is promising for low-loss tunnel junctions, embedded Ohmic contacts, high-conductivity spreading layers, as well as optical devices based on the surface plasmons at metal/semiconductor interfaces. This thesis investigates the structural, electrical, and optical properties of compound (III-V) semiconductors employing rare-earth monopnictide (RE-V) nanostructures. Tunnel junctions employing RE-V nanoparticles are developed to enhance current optical devices, and the epitaxial incorporation of RE-V films is discussed for embedded electrical and plasmonic devices. Leveraging the favorable band alignments of RE-V materials in GaAs and GaSb semiconductors, nanoparticle-enhanced tunnel junctions are investigated for applications of wide-bandgap tunnel junctions and lightly-doped tunnel junctions in optical devices. Through optimization of the growth space, ErAs nanoparticle-enhanced GaAs tunnel junctions exhibit conductivity similar to the best reports on the material system. Additionally, GaSb-based tunnel junctions are developed with low p-type doping that could reduce optical loss in the cladding of a 4 μm laser by ~75%. These tunnel junctions have several advantages over competing approaches, including improved thermal stability, precise control over nanoparticle location, and incorporation of a manifold of states at the tunnel junction interface. Investigating the integration of RE-V nanostructures into optical devices revealed important details of the RE-V growth, allowing for quantum wells to be grown within 15nm of an ErAs nanoparticle layer with minimal degradation (i.e. 95% of the peak photoluminescence intensity). This investigation into the MBE growth of ErAs provides the foundation for enhancing optical devices with RE-V nanostructures. Additionally, the improved understanding of ErAs growth leads to development of a method to grow full films of RE-V embedded in III-V materials. The growth method overcomes the mismatch in rotational symmetry of RE-V and III-V materials by seeding film growth with epitaxial nanoparticles, and growing the film through a thin III-V spacer. The growth of RE-V films is promising for both embedded electrical devices as well as a potential path towards realization of plasmonic devices with epitaxially integrated metallic films. / text

In recent years, the interest for miniaturization of spaceborne instruments and subsystems has increased steadily, as this enables development of small and lightweight satellite classes as well as more versatile payloads on traditional spacecraft. In essence, this thesis work is an investigation of the applicability of magnetoresistive technology to a magnetometer intended for space. Two types of magnetoresistive sensors, promising with respect to performance competiveness also after considerable miniaturization, were developed and evaluated, namely magnetic tunnel junctions and planar Hall effect bridge sensors. In the case of the magnetic tunnel junctions, much effort was put on the micromanufacturing process. Two schemes were developed and evaluated for sensor contouring: one employing focused ion beam processes for rapid prototyping, and the other combining sputtering and x-ray photoelectron spectroscopy for precise etch depth monitoring during ion etching. For the former, the resulting implantation damages were investigated with chemical analysis and correlated to the sensor properties. In the latter, the depth of the etching was monitored live with a resolution sufficient to stop the etching in the 1 nm thick tunneling barrier. The effect and extent of redeposition were investigated by transmission electron microscopy and micromagnetic analysis. With the knowledge so gained, the tunneling magnetoresistance of the manufactured junctions could be improved significantly and their inherent noise could be reduced. As a step in space flight qualification, the magnetic tunnel junctions were subjected to both g and particle radiation, leaving them unaffected by the first, but rendering them a reduced tunneling magnetoresistance ratio and an increased coercivity by the latter. In the case of the planar Hall effect bridge sensors, their inherent noise was thoroughly investigated, revealing both electric and magnetic 1/f noise at low frequencies along with thermal noise at higher frequencies. In addition, an analytical model of the magnetic properties of the planar Hall effect bridges was developed, and a design process, based on the model, was established to optimize the bridges for a particular application. In conclusion, both types of sensors show great promises for use in space. Of the two, the planar Hall effect bridge sensors had a better detection limit at low frequencies, whereas the magnetic tunnel junctions were more precise at higher frequencies. However, both sensors had a bandwidth greatly exceeding that of traditional spaceborne magnetometers. A magnetometer employing the magnetic tunnel junctions from this work is currently included as payload onboard the Vietnamese satellite F-1 scheduled for launch this year. A magnetometer using magnetoresistive sensors – planar Hall effect sensors, magnetic tunnel junctions, or both – enables a mass reduction of more than two orders of magnitudes compared with traditional systems.

Depuis 2004, les composants radiofréquence (RF) suscitent un intérêt croissant au sein de la communauté spintronique, tant du point de vue de la physique fondamentale que des applications potentielles. Ces composants ont émergé suite à la découverte du couple de transfert de spin (STT) qui permet d'exciter l'aimantation grâce à un courant électrique. Dans ce contexte, j'ai étudié des oscillateurs à vortex basés sur des jonctions tunnel magnétiques à très faible résistance dans lesquelles un vortex magnétique suit un mouvement périodique dû au STT.On observe des oscillations de ce vortex lorsque la jonction est polarisée par un large courant dc sous un faible champ planaire. En effet, le courant produit à la fois un fort champ d'Ampère, qui contribue à la nucléation du vortex, et génère le STT qui met le vortex en mouvement. Grâce à l'oscillation du vortex, ces composants émettent un signal RF d'une forte puissance (jusqu'à 20nW) avec une fréquence naturelle d'environ 450MHz.J'ai étudié la synchronisation de ces oscillateurs en injectant, en plus courant continu, une excitation RF. Lorsque ce signal d'excitation est suffisamment puissant, l'oscillateur se verrouille sur la source externe. On observe une diminution du bruit autour du pic fondamental et une augmentation de l'amplitude de celui-ci. J'explique ces observations en modélisant le système en tant qu'oscillateur paramétrique. Cette modélisation permet de décrire certains phénomènes observés expérimentalement, comme le fait qu'il est plus facile d'atteindre le régime d'instabilité dynamique quand la fréquence de l'excitation est égale à deux fois la fréquence naturelle de l'oscillateur.Ensuite, j'ai réalisé une expérience de modulation de fréquence (FM), en excitant l'échantillon avec une onde RF à basse fréquence. L'expérience consiste à mesurer la densité spectral de puissance du signal tout en balayant la fréquence de l'onde de modulation et ceci à différente puissance. Il apparait alors que la description usuelle de la FM ne puisse plus être utilisée dans notre cas, car la fréquence de modulation est trop grande par rapport à la fréquence naturelle. Cela est dû au fait que le vortex met un certain temps à répondre à une excitation. Pour expliquer mes mesures, j'ai donc dû introduire le concept de sensibilité à la déviation, qui correspond à la dépendance de la fréquence de l'oscillateur avec le courant quand celui-ci varie périodiquement. / Since 2004, research on radiofrequency (RF) spintronic devices has been very active, both from a fundamental point of view as well as for their potential applications as RF oscillators or spin-diodes. These devices are based on spin transfer torque (STT). In this context, I studied vortex oscillators based on ultra-low resistance magnetic tunnel junctions in which vortex dynamics is driven into a periodic motion by STT. The vortex oscillations are observed when the junction is subjected to a large dc bias current and a low in-plane field. The dc current produces both a large Oersted field which contributes to the vortex nucleation and a STT that starts the vortex oscillation. This oscillation leads to a large output power up to 20nW with a fundamental frequency around 450MHz and many harmonics.Synchronization with an external signal was then tested by adding a RF current to the dc bias current. With a large enough input power, the oscillator locks on the external source: the noise is then drastically reduced and the spectral purity of the signal significantly increases. These observations are explained by describing the system as a parametric oscillator. This model predicts, as experimentally observed, that, for a small amplitude of the RF excitation, a dynamical instability can be more easily reached when its frequency is twice the natural frequency of the oscillator than for any other frequencies.Then, I performed frequency modulation measurements by exciting the dc-biased sample with a low frequency ac-current. The power spectral density was measured as I swept the modulation frequency for various modulation powers. It appears that the description previously used to describe modulation experiments does not apply when the modulation frequency is a significant fraction of the natural frequency. The vortex response time appears to play a significant role, so that the concept of deviation sensitivity has to be introduced to explain the observations: it corresponds to the dynamical dependence of the oscillator frequency with an applied current that varies with time.

Les mémoires magnétiques à couple de transfert de spin (STTRAM) sont des mémoires vives non-volatiles et endurantes très prometteuses pour remplacer les mémoires à base de condensateurs. Cependant, pour les technologies actuelles de STTRAM à aimantation planaire ou hors-du-plan, le temps de commutation est limité à 10~ns car le processus de renversement de l'aimantation est stochastique, déclenché par les fluctuations thermiques. Dans l'optique de rendre la commutation déterministe et plus rapide, une approche consiste à ajouter à la jonction tunnel magnétique une autre couche polarisante en spin, avec une aimantation orthogonale à celle de la couche de référence. Nous nous sommes intéressé plus particulièrement aux jonctions tunnels magnétiques planaires avec un polariseur perpendiculaire (à aimantation hors du plan). Le STT du polariseur perpendiculaire amorce le retournement d'aimantation, mais il provoque aussi des oscillations de la résistance de la jonction entre ses valeurs extrêmes. Cette particularité est mise à profit pour la réalisation de nano-oscillateurs (STO). Dans cette thèse, la dynamique d'aimantation du système comprenant une couche libre planaire, une couche de référence planaire et un polariseur perpendiculaire est étudiée, aussi bien expérimentalement que théoriquement (analytiquement et en simulations), dans l'approximation de macrospin. Dans le cas d'une couche libre oscillante sous l'action du STT du polariseur perpendiculaire, une description précise de ces oscillations est présentée, dans laquelle le champ d'anisotropie, le champ appliqué et le STT de la couche de référence planaire sont traités en perturbations. Dans le cas d'une couche libre ferrimagnétique synthétique (SyF), les expressions analytiques des courants critiques et des équations du mouvement sont calculées et comparées aux simulations. Ces résultats sont ensuite utilisés pour réaliser le diagramme de phase du système complet. L'anisotropie uniaxiale joue un role important, ce qui est confirmé par des mesures de retournement en temps réel réalisées sur des échantillons de nano-piliers à base de MgO. L'influence relative des STT provenant de la couche de référence et du polariseur perpendiculaire peut être ajsutée en jouant sur le rapport d'aspect des cellules, ce qui permet d'obtenir un retournement controlé en moins d'une nanoseconde avec une STTRAM. / Spin-transfer torque magnetic random-access memory (STTRAM) are very promising non-volatile and enduring memories to replace charged-based RAM. However, in conventional in-plane or out-of-plane STTRAM technologies, the switching time is limited to about 10~ns because the reversal process is stochastic i.e. it is triggered by thermal fluctuations. In order to render the reversal deterministic and faster, an approach consists in adding to the magnetic tunnel junction (MTJ) stack another spin-polarizing layer whose magnetization is orthogonal to that of the MTJ reference layer. We particularly investigated the case where a perpendicular polarizer is added to an in-plane magnetized tunnel junction. The STT from the perpendicular polarizer initiates the reversal, but it also creates oscillations of the resistance between its two extremal values. This behavior is usually interesting to realize STT nano-oscillators (STO). In this thesis, the dynamics of the system comprising an in-plane free layer, an in-plane reference layer and a perpendicular polarizer is studied both experimentally and theoretically (analytically and by simulations) in the framework of the macrospin approximation. For a single layer free layer oscillating due to the STT of the perpendicular polarizer, an accurate description of the oscillations is presented, in which the anisotropy field, the applied field and the in-plane STT are treated as perturbations. In the particular case of a synthetic ferrimagnetic (SyF) free layer, analytical expressions of the critical currents and of the oscillations equation of motion are computed and compared to simulations. These results are used to determine the phase diagram of the complete system. The in-plane anisotropy field is found to play a dramatic role, which is confirmed by experimental data from real-time measurements on MgO-based nano-pillars. It is shown that the cell aspect ratio can be used to tune the relative influence of the STT from the in-plane reference layer and from the out-of-plane polarizer. This allows achieving well controlled sub-nanosecond switching in STTRAM.

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.

We report on a two-layer based ferroelectric tunnel junction with hafnium zirconium oxide (HZO) as the ferroelectric layer and aluminum oxide as the tunneling layer. The experimental results focus on optimizing the thicknesses of the layer stack. The device operation relies on the polarization reversal of the HZO layer, while electron tunneling occurs through the dielectric layer. The ferroelectric response of the HZO shows high remanent polarization values and good endurance with only weak wake-up and fatigue behavior. Adding the additional dielectric tunneling layer, the device becomes operational as a ferroelectric tunnel junction in the nanoampere current range. It shows good on/off ratios and promising retention behavior, paving the way for future applications as a polarization-based resistive memory device.

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).