Exploration des oxydes antiferroélectritriques comme nouvel brique technologique pour de futurs dispositifs nanoélectroniques – EXPAND

Les matériaux ferroélectriques (FE), caractérisés par une polarisation réversible sous l'application d'un champ électrique, ont déjà suscité un intérêt considérable pour les futurs dispositifs électroniques comme les mémoires en raison de leur potentiel à commuter rapidement, à avoir de long temps de rétention et à être intégrer avec de forte densité. L’aptitude de la polarisation FE à moduler la densité de charges à l'interface d'un matériau sous-jacent a récemment été utilisée dans des mémoires à jonction tunnel (JT) à base de FE permettant ainsi une lecture non destructive de l'information. Au-delà de cela, la possibilité à faire varier de façon continue l'état de polarisation et donc la résistance à travers la barrière FE permettrait de réaliser des memristors à base de FE imitant les synapses biologiques permettant ainsi une amélioration radicale de la puissance de calcul et de l'efficacité énergétique des dispositifs électroniques. En plus, il a également été démontré très récemment que l'utilisation d'une capacité négative d'un FE comme isolant de grille dans un transistor à effet de champ (FET) à base de FE, permet de réduire le swing sous-seuil, qui est limitée à 60 mV/décade dans les FETs classiques. Ceci permet à son tour de diminuer la tension d'alimentation et la dissipation d'énergie dans le FET.
Il est intéressant de souligner que le mécanisme physique à l'origine des effets mentionnés ci-dessus est l'instabilité/métastabilité FE (qui est statique dans JTs ou transitoire dans la réponse de la capacité négative des FE-FET). Il faut noter que les antiferroélectriques (AFEs), qui sont des matériaux moins étudiés spécialement sous forme de films minces ou ultraminces, montrent également une instabilité/métastabilité polaire. En effet, les AFEs sont très proches en énergie des FEs ; par exemple un champ électrique ou élastique peut induire l'état FE à partir de l'état AFE. Cependant, les AFEs n'ont pas été, ou peu, considérés dans des dispositifs de type mémoire.
Dans le cadre du projet EXPAND, nous souhaitons explorer le potentiel des AFEs dans les JTs et les FETs. Dans une JT à base d’AFE, nous souhaitons réaliser un oscillateur de relaxation qui « mime » le comportement d'un neurone. L'intégration de ce composant dans un circuit RC devrait donc permettre la réalisation d'un oscillateur, dont la fréquence peut être ajustée par la tension appliquée au dispositif. Dans les FETs à base d’AFE, le paysage énergétique de la polarisation qui est à l'origine de la capacité négative est plus riche et peut donc non seulement diminuer de manière significative le swing sous-seuil, mais aussi générer de nouvelles fonctionnalités logiques. Démontrer ces concepts dans de tels dispositifs nécessite une meilleure compréhension fondamentale et des conditions de stabilité de l'antiferroélectricité dans les films minces ainsi qu’une meilleure connaissance des couplages existants à l’interface d’un AFE avec un métal, un diélectrique, un FE ou une autre couche AFE. Ces hétérostructures serviront alors de blocs élémentaires pour la conception d'une nouvelle nanoélectronique avec des propriétés améliorées et des dispositifs mémoires et logiques innovants.
EXPAND est un projet multidisciplinaire nécessitant une articulation étroite entre la croissance de films et d'hétérostructures d’AFEs, une caractérisation structurale et physique précise avec des allers-retours continus entre expérience et modélisation pour les intégrer finalement dans des dispositifs prototypes avec des performances améliorées et de nouvelles fonctionnalités. L'utilisation des matériaux AFEs dans des dispositifs électroniques innovants entraînera donc une amélioration des performances des dispositifs des technologies de l'information et de la communication, en particulier en termes de consommation d'énergie et d’efficacité grâce à des mémoires ultimes et des fonctionnalités nouvelles qui iront au-delà des technologies C-MOS et des limites des lois de Moore.