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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Ecole doctorale EMMA
U.F.R. Sciences et Technologies
Elaboration de jonctions tunnel
magnetiques et de jonctions
metal/oxyde/semi-conducteur pour
l’etude du transport et de la precession
du spin d’electrons chauds.
THESE
presentee et soutenue publiquement le 20 octobre 2010
pour l’obtention du
Doctorat de l’universite Henri Poincare { Nancy 1
(specialite Physique)
par
Julien Bernos
Composition du jury
President : Michel Piecuch Professeur, IJL, Universite Henri Poincare - Nancy 1
Rapporteurs : Aziz Dinia IPCMS, Universite de Strasbourg
Wolfgang Weber Professeur, Universite deourg
Examinateurs : Jacques Peretti CR CNRS, LPMC, Ecole Polytechnique
Daniel Lacour CR CNRS, IJL, Universite Henri Poincare - Nancy 1
Directeur de thèse : Michel Hehn Professeur, IJL, Universite Henri Poincare - Nancy 1
Institut Jean Lamour { CNRS UMR 7198 { Nancy-Universite { UPV-MetzMis en page avec la classe thloria.Table des matières
Partie I Introduction 5
1 Contexte et enjeux du projet 7
1.1 Une brève histoire des magnétorésistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Précession du spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Définition et contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Transistors à électrons chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Qu’est-ce qu’un électron chaud ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Transistors à électrons chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.3 Dispositifs à chauds polarisés en spin . . . . . . . . . . . 15
1.4 Magnétorésistance tunnel : modèles théoriques . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Anatomie d’une jonction tunnel magnétique . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Effet tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.3 Modèle de Jullière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.4 Modèle de Slonczewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.5 Modèle de Butler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Organisation de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Partie II Étude de la précession du spin dans des doubles jonctions
tunnel magnétiques 33
2 Doubles jonctions tunnel magnétiques à barrières d’alumine 35
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.1 Objectifs et motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.2 Description théorique de la précession . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1Table des matières
2.2 Élaboration des structures à barrières d’alumine . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 Bilan des résultats antérieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Premières mesures de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Structures optimisées à base de Co intermédiaire . . . . . . . . . . 46
2.2.4 Premières conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Mesures de magnéto-transport à basse température . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Partie III Élaboration de multicouches magnétiques pour l’étude du
transport et de la précession d’électrons chauds 53
3 Étude du transport tunnel dans des jonctions CoFeB/MgO/CoFeB 55
3.1 Introduction et motivations de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Jonctions tunnel magnétiques CoFeB/MgO/CoFeB . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Élaboration et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.2 Propriétés de transport à basse température . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 L’anomalie de conductance à tension nulle (ZBA) . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 Origines de la ZBA dans nos jonctions tunnel magnétiques . . . . . . . . . 67
3.4.1 Spectres de conductances tunnel (IETS) . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.2 Défauts dans la barrière, défauts de volume . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.3 Défauts d’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5 Transition métal-isolant dans les jonctions tunnel . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.1 Modèle de McMillan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.2 Discussion des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.1 Bilan et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.2 Quelques mots sur la ZBA dans la configuration anti-parallèle . . . 81
4 Jonctions tunnel à anisotropie magnétique perpendiculaire 83
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2 Propriétés magnétiques des couches minces de Co Tb . . . . . . . . . . 86x 1x
4.3 Jonctions tunnel magnétiques à anisotropies perpendiculaires au plan . . . 88
4.3.1 Conditions d’élaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2 Propriétés magnétiques des électrodes . . . . . . . . . . . . . . . . 90
24.3.3 Propriétés des jonctions tunnel magnétiques . . . . . . . . . . . . 92
4.3.4 Oxydation de la couche de Co Tb . . . . . . . . . . . . . . . . 101x 1x
4.4 Jonctions tunnel magnétiques à anisotropies croisées . . . . . . . . . . . . 103
4.4.1 Élaboration et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.2 Propriétés de magnéto-transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Élaboration de multicouches ferromagnétiques sur une jonction métal / oxyde
/ semi-conducteur 109
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1.1 Objectifs du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1.2 Plan de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Propriétés du substrat semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3 Jonctions MOS à barrière d’Al O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122 3
5.3.1 Caractéristiques des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.2 Contrôle de la rugosité d’empilements oxyde/semi-conducteur . . . 114
5.3.3 Propriétés magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.4 Influence de l’insertion d’une couche de tantale . . . . . . . . . . . 119
5.3.5 Propriétés électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.4 Jonctions MOS à barrière de MgO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4.1 Caractéristiques et élaboration des échantillons . . . . . . . . . . . 126
5.4.2 Propriétés magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.3 électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.5 Transmission d’électrons chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5.2 Mesures sur un filtre à spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.3 Mesures sur une vanne de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3Table des matières
Conclusion et perspectives 143
Annexes 149
A Élaboration des échantillons 151
A.1 Épitaxie par jets moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2 Pulvérisation cathodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2.2 Système de pulvérisation utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2.3 Conditions de dépôt des JTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B Procédé de structuration 155
Bibliographie 159
4Première partie
Introduction
5Chapitre 1
Contexte et enjeux du projet
1.1 Une brève histoire des magnétorésistances
Cette histoire commence par la découverte du spin de l’électron par Otto Stern et Wal-
ther Gerlach en 1922 [1]. Dans leur désormais célèbre expérience, ils mirent en évidence que
l’électron possède une propriété physique intrinsèque autre que la charge électrique : le spin.
D’origine purement quantique, on l’assimile à un moment magnétique intrinsèque. En effet,
tout se passe comme si chaque électron portait un que l’on peut manipuler
en le soumettant, par exemple, à un champ magnétique externe. Cette découverte aura d’im-
portantes conséquences en physique, notamment pour la compréhension du magnétisme et des
phénomènes associés.
Du côté des applications pratiques, les décennies qui suivirent furent très prolifiques pour
la physique des solides. Le spin fut toutefois quelque peu laissé à l’écart de ce développement,
ainsi que de celui de l’électronique dans les années 60 et 70. Il fallut attendre 1988, avec la
découverte de la magnétorésistance géante (ou GMR, abréviation de giant magnetoresistance)
pour que la communauté scientifique prenne conscience des potentialités offertes par le spin
de l’électron. On doit ces observations aux équipes d’Albert Fert (Laboratoire Thomson-CSF,
France) [2] et de Peter Grünberg (Université de Jülich, en Allemagne) [3], qui ont toutes deux,
indépendamment, mis en évidence une très forte dépendance de la résistance électrique en fonc-
tion d’un champ magnétique dans un système de multicouches minces Fe/Cr (voir figure 1.1).
Notons que des effets magnétorésistifs avaient été observés dès 1975 par Michel Jullière
[4], à température de l’hélium liquide, dans des systèmes où la couche de Cr était remplacée
par une couche isolante de GeO. Dans ce type de structure, les électrons passent d’une couche
ferromagnétique à l’autre par effet tunnel dépendant du spin au travers de la couche isolante.
Ces travaux sont longtemps restés au stade de recherche fondamentale. C’est tout le contraire
de la GMR, qui a d’ailleurs valu à ses découvreurs le prix Nobel de Physique en 2007, dont des
applications industrielles en furent tirées au bout de quelques années seulement, particulière-
ment dans le domaine du stockage magnétique de données. En particulier, les systèmes exhi-
bant des effets magnétorésistifs ont permis la réalisation de capteurs de champ magnétiques
7