Des chercheurs du C2N ont mis au point un dispositif de mémoire non volatile basé sur des films minces d’oxydes ferroélectriques présentant huit états d'information stables et bien contrôlés. L'information, stockée dans la polarisation ferroélectrique rémanente du matériau, peut être écrite électriquement et lue optiquement. Ces résultats sont particulièrement intéressants pour le développement de mémoires ferroélectriques de nouvelle génération, avec une densité de stockage accrue et une consommation d'énergie réduite.
D’intenses recherches portent actuellement sur les oxydes fonctionnels, en quête d'une mémoire universelle à l'état solide, dotée d'une densité de stockage élevée, d'une non-volatilité, d'une vitesse de lecture/écriture élevée et d'un accès aléatoire. La mémoire vive ferroélectrique (FeRAM), dans laquelle l'information est stockée dans la polarisation ferroélectrique spontanée du matériau, est très prometteuse comme mémoire non volatile à multi-états, mais son étape de lecture électrique destructive nécessite une étape de réécriture après chaque lecture, ce qui augmente la consommation d'énergie. Comme alternative, une lecture optique non destructive peut être réalisée, basée sur la dépendance de la réponse photovoltaïque (PV) des matériaux en fonction de leur polarisation ferroélectrique.
L'interaction avec la lumière dans les matériaux ferroélectriques induit un mécanisme particulier de séparation des charges lié à la polarisation, appelé effet photovoltaïque bulk. La direction de la polarisation ferroélectrique peut contrôler le signe du photocourant de court-circuit (Isc) et de la tension de circuit ouvert (Voc), ce qui permet théoriquement une commutation à 100% des caractéristiques PV. En pratique, cette commutabilité est souvent limitée dans les films minces ferroélectriques intégrés entre deux électrodes en raison de comportements asymétriques provenant des effets PV interfaciaux et de la présence d'un champ de polarisation interne non commutable. Jusqu'à présent, une lecture optique non-destructive de la polarisation n’a donc été rapportée dans des mémoires ferroélectriques qu’avec une commutabilité limitée du photocourant.
Dans ce travail, nous avons développé un dispositif de structure symétrique démontrant une proportionnalité claire entre Isc (Voc) et la polarisation rémanente, permettant d'atteindre une commutabilité de 100% de la réponse photovoltaïque. Grâce à cette dépendance quantitative, Isc et Voc peuvent tous deux être utilisés comme un signal de lecture non destructif des états de polarisation dans les dispositifs mémoires ferroélectriques. De multiples états de polarisation ont été créés, dont le nombre n'est limité que par la précision de l'écriture électrique, grâce à la très grande sensibilité de la méthode de lecture optique. Des dispositifs mémoires basés sur le stockage de données à 3 bits ont été évalués, montrant de très bonnes performances en termes de rétention de données, de comportement en fatigue et de répétabilité des cycles d'écriture et de lecture.
Cette lecture optique non destructive de la polarisation multi-états (basée sur la réponse PV commutable dépendant de la polarisation dans les ferroélectriques) est très prometteuse pour la prochaine génération de dispositifs mémoires ferroélectriques avec une densité de stockage accrue et une consommation d'énergie réduite.
Références
Optical reading of multistate nonvolatile oxide memories based on the switchable ferroelectric photovoltaic effect
Alexandre Zing1, Sylvia Matzen1, Komalika Rani1, Thomas Maroutian1, Guillaume Agnus1, Philippe Lecoeur1
Applied Physics Letters 121, 232904 (2022)
https://doi.org/10.1063/5.0123328
Affiliations
1Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS, Université Paris-Saclay)
Contacts C2N
Alexandre Zing / Sylvia Matzen
Figure : Dispositif mémoire ferroélectrique a) présentant une haute commutabilité de la réponse photovoltaïque et (b) permettant une lecture optique non destructive de multiples états de polarisation
Mots-clefs
oxides thin films, ferroelectric materials, memories, photovoltaic
