Transport quantique à très basse température dans les mémoires

Transport quantique à très basse température dans les mémoires résistives
Projet de post-doc à PHELIQS/INAC – LETI/DCOS, Cea 17 rue des Martyrs, 38042 Grenoble Cedex
9, France
Contact : Jean-Pascal Brison, [email protected]
Tel : +33 (0)4 38 78 52 48
Cadre Général : Les effets quantiques observés dans les systèmes de très petite taille à basse
température sont désormais bien connus et bien modélisés : quantification de la conductance,
fluctuations universelles de conductance, blocage de Coulomb, réflexions d’Andréev multiples aux
interfaces normal/supraconducteur… Ils sont même à ce point maîtrisés qu’on peut les utiliser, à
l’inverse, comme signature d’anomalies physiques contrôlant le transport (contact tunnel, ponctuel,
filament 1D…). Cette idée est le point de départ d’une nouvelle approche qu’on veut développer pour
comprendre et peut-être résoudre la question de la variabilité dans des nano-dispositifs utilisés comme
point mémoire, à la fois dans des dispositifs « classiques » et dans une nouvelle génération basée sur
des systèmes à fortes corrélations électroniques (isolants de Mott).
En effet, dans la course à des mémoires non volatiles rapides et basse consommation, un des favoris
aujourd’hui est la classe des mémoires dites « résistives » (RRAM). Elles stockent l’information en
changeant d’état de résistance (soit basse / soit forte), changement provoqué par la formation d’un
filament conducteur (ou sa rupture) suite à l’application d’un pulse de tension. Le LETI/DCOS, maîtrise
la réalisation de ces types de mémoires réalisées à l’échelle nanométriques (couches de 30nm
d’épaisseur ou moins), notamment sous forme d’OxRAM (couche diélectrique rendue conductrice par
la formation d’un filament de lacunes d’oxygène), ou de CBRAM (couche diélectrique rendue
conductrice par la formation d’un filament conducteur métallique) à l’état de l’art. Mais comme partout
ailleurs dans le monde, un enjeux technologiques majeur identifié pour les RRAM reste la maîtrise de
leur variabilité, notamment celle des valeurs de résistances dans l’état de forte résistance (état off).
Notre compréhension de l’origine de cette variabilité est qu’elle est intrinsèquement liée au régime de
conduction filamentaire, commun aux CB-RAM et aux OXRAM. L’objectif principal de ce projet, très
fondamental bien que s’intéressant à des systèmes à l’état de l’art en nanoélectronique, est de mieux
comprendre ce mécanisme pour parvenir à le contrôler, ou le remplacer par l’intégration de
nouveaux matériaux. Les nouveaux matériaux qui nous intéressent particulièrement sont les « isolants
de Mott », qui présentent le même effet mémoire que les diélectriques, mais ont l’intérêt de posséder
deux phases thermodynamiquement stables (suivant les conditions de pression, dopage,
température…) métallique ou isolante. Une solution radicale au problème de variabilité serait de
parvenir à contrôler la transition entre les deux états résistif non plus par une croissance filamentaire
mais par une transition volumique. Mais même si ce graal n’est pas atteint, le mécanisme de formation,
et la nature des filaments conducteurs dans ces isolants de Mott, pourraient être très différents de ceux
présents dans les diélectriques, permettant d’attaquer le problème sous un nouvel angle.
Projet : il est donc orienté principalement sur la réalisation et l’analyse de mesures de transport à très
basse température (jusqu’à 10mK), éventuellement sous champ magnétique (test des effets de
cohérence quantique comme la localisation faible qui conduit aux fluctuations universelles de
conductances), sur 2 types de dispositifs :
-
-
des CBRAM et OxRAM à l’état de l’art, fabriquées et sélectionnées au LETI, dans lesquelles on a
de forts indices de la présence d’anomalies dans les filaments conducteurs : ces anomalies seront
détectées par des tests simples au LETI (ratio Roff/Ron trop faible par exemple), puis caractérisées
en détail au PHELIQS.
des cristaux ou couches minces de matériaux « isolants de Mott », synthétisés au PHELIQS/INAC
et SPINTEC/INAC, qui sont une alternative aux diélectriques (type HfO2) utilisés par le LETI jusqu’à
maintenant, et dont l’intérêt serait que les mécanismes de formation des filaments conducteurs
soient purement électroniques.
Ces mesures seront réalisées à PHELIQS, dont les équipes maîtrisent et les mesures de transport
quantique, et la physique des systèmes électroniques fortement corrélés. La famille de composés
isolants de Mott choisie pour démarrer est celle des spinelles de type AM4X8 (GeV4S8, GaV4S8…). Elle
présente l’avantage d’avoir une transition métal-isolant sans changement de structure (cubique), et
donc très peu de déplacements atomiques1. Le gap de Mott est petit (200 à 400meV), permettant des
transitions à faible champ électrique (1 à 10kV/cm) même sur des cristaux massifs, et les couches
minces sont réalisables par pulvérisation cathodique.
La première étape du projet sera une étude expérimentale du transport électrique à très basse
température dans les CB-RAM OxRAM du LETI. L’idée simple mentionnée plus haut, est que la
variabilité de ces systèmes, et notamment l’absence de retour à un régime très isolant, pourrait provenir
de zone de conduction résiduelle de très petites tailles, avec des caractéristiques de conduction 1D,
ou de conduction par un contact ponctuel qui se révèleront, à très basse température, par des
signatures de transport quantique : blocage de Coulomb, résistance tunnel, fluctuations universelles
de conductance... A noter que les effets quantiques de localisation faible, n’apparaissent qu’à basse
température lorsque les effets de décohérence, notamment dus aux interactions électron-phonon et
électron-électron, deviennent négligeables.
Dans un deuxième temps, on réalisera les mêmes mesures sur des cristaux puis des couches minces
d’isolants de Mott. Dans les deux cas, un travail en salle blanche sera nécessaire pour préparer les
prises de contact sur ces systèmes.
Ces mesures seront complétées par l’analyse théorique des effets quantiques observés, avec l’appui
du groupe théorie de PHELIQS. Elle sera appliquée tant aux dispositifs CB-RAM / OxRAM existants,
qu’aux isolants de Mott, pour déterminer les mécanismes physiques qui contrôlent le transport (et donc
la variabilité). On veut ainsi pouvoir déterminer si les mécanismes en œuvre dans les systèmes à fortes
corrélations électroniques, et notamment la transition métal/isolant, apportent réellement une nouvelle
voie pour ces applications mémoire. Sur ces mêmes systèmes, avec les dispositifs réalisés pour les
mesures très basse températures, on utilisera les techniques « gating » à base de liquide ionique pour
contrôler le dopage électronique2 et tenter d’induire la transition métal isolant non plus dans un régime
filamentaire, mais de façon homogène, comme ça a pu être réalisé dans des oxydes comme VO23.
Le profil recherché est un(e) doctorant(e) avec une thèse expérimentale en recherche fondamentale,
connaissant bien le transport quantique et les mesures basses températures, mais intéressé à travailler
aussi avec des équipes en pointe en recherche plus appliquée sur la nano-électronique. Le (la)
candidate pourra participer à l’encadrement d’une thèse qui devrait démarrer, à la rentrée 2016, sur
les isolants de Mott pour ces applications mémoire (thèse en co-direction PHELIQS -LETI).
1
Janod
et
al.,
Resistive
Switching
in
Mott
Insulators
and
Correlated
Systems
Advanced Functional Materials, 2015, 25, 6287-6305
2
Hatano
et
al.
Gate
Control
of
Electronic
Phases
in
a
Quarter-Filled
Manganite,
Sci. Rep., 2013, 3, 1-5
3 Nakano et al., Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation, Nature,
2012, 487, 459-462
Quantum Transport at very low temperatures in resistive memories
Post-doctoral project at the PHELIQS/INAC – LETI/DCOS, Cea 17 rue des Martyrs, 38042 Grenoble
Cedex 9, France
Contact : Jean-Pascal Brison, [email protected]
Tel : +33 (0)4 38 78 52 48
General framework: Quantum effects observed at low temperature in low dimensional conductors are
now well understood: conductance quantum, universal quantum fluctuations, weak localization effects,
Coulomb blockade, multiple Andreev reflexions at normal/superconducting interfaces... They can even
be used as the signature of physical singularities controlling electrical transport (tunnel or point contact,
1D filament...). This idea is the cornerstone of a new approach we want to use in order to shed light on
the question of variability observed in nano-devices used as resistive memories (RRAM). This will be
done both in "standard" dielectric RRAM, and in a new generation based on strongly correlated electron
materials: Mott insulators.
Indeed, resistive memories (RRAM) are in principle highly promising candidates for future memories
combining non-volatility, speed and low consumption. They store information by changing their
resistance state (low or high), which is obtained by the formation or breach of a conducting filament,
induced by a voltage pulse. The LETI/DCOS is expert in the fabrication of such devices, realized with
thin layers (between 5 and 30nm) of dielectric materials, driven in a low resistance state by the formation
of an oxygen-vacancy filament (so-called OXRAM), or by the formation of a metallic filament (CBRAM,
with diffusion of metallic ions from one of the electrodes). However, the major challenge (worldwide) for
these RRAM is to control their variability, notably in the high resistance (off) state.
The common wisdom is that this variability is directly connected to the filamentary conduction regime,
common to both OXRAM and CBRAM. The main target of this project, which is “basic research
oriented”, is to shed some light on the mechanisms driving the variability, in order to find a way to lower
the variability, or to replace the dielectric layer by new materials where the problem could be handled
differently. The “new materials” of interest are Mott insulators, which present the same “memory effect”
as the dielectrics, but have an intrinsic thermodynamically stable insulating or conducting state,
controlled by pressure, doping, stress, temperature… Ideally, succeeding to induce the change of the
resistive state in the bulk of the Mott insulator would certainly suppress the main cause of variability, but
even if we stick to a filamentary mechanism, the nature of these filaments could be very different from
those in the dielectrics.
Project: it is mainly focused on the realization and the analysis of transport measurements at very low
temperature (down to 10mK), and under magnetic field (test of the quantum coherent effects like weak
localization or universal conductance fluctuations, appearing in low dimensional systems), on two kinds
of devices:
• On state of the art CBRAM and OxRAM, selected by the DCOS, where we suspect anomalies
in the conducting filaments.
• Single crystals and later thin films of Mott insulators, produced at PHELIQS/INAC and
SPINTEC/INAC, where we hope to produce the conducting filaments by a purely electronic
mechanism (without ion displacements like in the dielectrics).
These low temperature measurements will be performed at PHELIQS, whose teams master both
quantum transport in nanoscale devices and the physics of strongly correlated electron systems. We
have targeted a first family of Mott insulators: spinels of type AM4X8 (GeV4S8, GaV4S8…), for which the
metal-insulator transition happens without structural changes (it remains cubic), with a small Mott gap
(200-400meV), and for which both single crystals and thin films can be grown. Owing to the small Mott
gap, filamentary transitions are induced with low electric fields (1-10kV/cm)4.
The first task of the project is to study low temperature transport in the CB-RAM and OXRAM devices
from the LETI. The simple idea, mentioned above, is that the variability of the devices may arise from
residual conduction path of very low dimensions (1D or 0D), which should be revealed by
signatures on the quantum transport at low temperature: Coulomb blockade, tunneling resistance,
4
Janod
et
al.,
Resistive
Switching
in
Advanced Functional Materials, 2015, 25, 6287-6305
Mott
Insulators
and
Correlated
Systems
universal conductance fluctuations… Note that these last quantum effects, due to weak localization,
appear only when decoherence effects due to electron-electron or electron-phonon interactions become
negligible.
In a second step, similar measurements will be realized on crystals and thin films of Mott insulators, to
start comparison with the dielectrics. Contacts will be prepared in the clean room facility “PTA” shared
by INAC, CNRS and UGA.
The measurements will be analyzed with the help of the theoretical team of PHELIQS, to reveal which
physical mechanism control transport and so, variability. This should also yield a first insight on the
question of whether Mott insulators can bring a new route for ReRAM memories, or if it faces the same
caveats as dielectrics. On the same Mott insulator devices, gating technics with ionic liquids will be used
to control electronic doping, and try to induce the metal-insulator transition “homogeneously” in the film,
as realized in oxides like VO25, and not only through conducting filaments.
The candidate should have a PhD in experimental basic research, knowing well quantum transport and
low temperature measurements. He should have an interest to work also in close collaboration with
state of the art teams from applied nano-electronics. He could also strongly participate to the supervision
of a PhD that could start late 2016 on Mott insulators, co-supervised by PHELIQS and DCOS.
5
Hatano
et
al.
Sci. Rep., 2013, 3, 1-5
Gate
Control
of
Electronic
Phases
in
a
Quarter-Filled
Manganite,