Ingénierie de couches minces d’oxydes pour les dispositifs futurs de la micro et nanoélectronique – MicroSwitch

Le développement de l’électronique digitale lors de ces 50 dernières années a suivi pour l’essentiel la loi de Moore, avec une diminution constante de la taille des circuits intégrés, associée à une augmentation importante de la densité des dispositifs/puce et de leur vitesse de commutation. Il existe néanmoins une limite ultime dans la réduction des dimensions, qui nécessite le développement de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts pour surpasser le potentiel actuel des circuits CMOS.
Dans la recherche de nouveaux matériaux, la génération de mémoires non volatiles commutées par un changement de résistance présente deux intérêts majeurs : une grande densité de stockage et une faible consommation de puissance. Parmi les technologies à mémoire résistive, les mémoires à accès aléatoire à commutation de résistance (ReRAM) sont les plus prometteuses. Elles présentent cependant encore quelques limitations en termes de fiabilité, de stabilité ou encore de résistance à haute température. Ces limites ne pourront être surmontées que par des études approfondies sur les matériaux et par la compréhension des processus physico-chimiques impliqués dans la commutation.

La finalité du projet « MicroSwitch» est de travailler sur l’ingénierie de couches minces pour obtenir des matériaux à base d’oxyde métallique avec des propriétés sur mesure, pour réaliser des mémoires ReRAM et des dispositifs « neuromorphes ». Dans ce projet, je focaliserai en particulier mes recherches sur la synthèse (par injection MOCVD) et la modulation des propriétés physiques de deux familles d’oxydes à structure lamellaire : les nickelates de terres rares (RE2NiO4+d) et les perovskites doubles (REBaCo2O5.5+d). Ces matériaux présentent des perspectives très intéressantes d’un point du vue fondamental et appliqué et sont particulièrement prometteurs pour le développement d’une logique synapsique. Les nickelates et cobaltites sont matériaux qui présentent des niveaux d’oxydation différents, correspondant à différents états d’ordre des lacunes d’oxygène dans le même matériau, ce qui permet d’adresser différent niveaux logiques. Le défi ultime sera de développer ces matériaux dans des dispositifs microélectronique pour créer des réseaux artificiels neuromorphes.

La combinaison et la complémentarité des techniques de caractérisations avancées proposées dans le projet « MicroSwitch» permettront d’étudier avec précision les mécanismes complexes de commutation résistive dans les oxydes. La relation entre la contrainte épitaxiale, la structure et les propriétés de commutation résistive sont particulièrement importants pour démontrer le potentiel applicatif de ces dispositifs. Je transfèrerai pour cela les nouvelles approches proposées à des dispositifs fonctionnels électroniques « modèles », tel que les transistors à synapse et les mémoires non volatiles, pour valider in fine la fonctionnalité de ces nouveaux systèmes.

Cette recherche sera principalement menée par un groupe de travail (moi-même, 2 post-docs, 1 thésard et plusieurs stagiaires) qui s’intègreront dans l’équipe FM2N (Films Minces, Nanomatériaux et Nanostructures) du LMGP (Laboratoire des Matériaux et Génie Physique) à Grenoble. Avec ce projet j’apporte au LMGP des compétences et une expertise confirmée dans des techniques de caractérisation avancées. J’apporte également des idées nouvelles et de multiples collaborations internationales que je pourrai développer au sein de la communauté scientifique grenobloise. Ce projet ANR @RACTION m’aidera par ailleurs à consolider ma position dans les institutions de recherche françaises et à devenir un chercheur indépendant et leader dans le domaine des matériaux fonctionnels avancés.