Ferroélectricité en couches minces, mais pas trop

Une alternative au stockage magnétique de données pourrait être fournie demain par les mémoires exploitant la ferroélectricité. Comme les mémoires magnéto-résistives actuelles, elles ne sont pas volatiles et consomment peu, mais elles permettraient de bénéficier d’un temps d’écriture plus rapide et d’une densité de stockage supérieure.

Une collaboration internationale, menée par des chercheurs du CEA-Iramis et de l’Unité mixte de physique CNRS/Thales (Palaiseau), a exploré l’épaisseur minimale nécessaire pour préserver les propriétés ferroélectriques de matériaux utilisés en couches minces.

Le principe des mémoires utilisant des matériaux ferroélectriques repose sur le contrôle, par un champ électrique, de la polarisation électrique locale, au sein d’une couche mince. Aussi est-il nécessaire de maîtriser le dépôt de couches de matériaux tels que BiFeO3 ainsi que leur comportement ferroélectrique. Par une étude expérimentale et théorique, des chercheurs de l’Iramis ont montré qu’il existe une épaisseur minimale, de l’ordre de 8 nanomètres, en dessous de laquelle la ferroélectricité disparaît. L’étude théorique associée indique que les « domaines » ferroélectriques de dimensions microniques s’effaceraient au profit d’une structure striée antiferromagnétique, en domaines nanométriques.

L’observation et la compréhension de tels phénomènes sont des préalables indispensables pour maîtriser les procédés d’élaboration de dispositifs ferroélectriques à grande échelle : mémoires ou encore jonctions tunnel ferroélectriques.

En effet, les mémoires à base de matériaux ferroélectriques (comme les FeRAMs et les mémoires résistives ferroélectriques) représentent une alternative sérieuse aux mémoires actuelles basées sur le stockage magnétiques. L’énergie de couplage des domaines ferroélectriques est sensiblement inférieure à celle des domaines magnétiques, permettant des densités de stockage plus élevées, du fait de parois de domaines plus étroits. Les temps d’écriture-lecture sont aussi très compétitifs et leur basse consommation d’énergie les rend très attractifs dans une perspective d’intégration à très grande échelle. D’autres dispositifs à base de matériaux ferroélectriques pourraient voir le jour comme des jonctions tunnel ferroélectriques. Sous forme d’hétérostructures de couches minces, la polarisation ferroélectrique peut être utilisée pour contrôler l’aimantation à travers des couplages magnéto-électriques. Enfin, la polarisation dans une couche mince ferroélectrique dépend de la contrainte imposée par la croissance en épitaxie.