Ferroelectric Spin-Orbit device : modeling, design, optimization and fabrication with oxide-based 2DEGs

Cette thèse explore les possibilités de mise en œuvre, d’optimisation et d’application du dispositif ferroélectrique à spin-orbite (FESO), une technologie spintronique innovante qui combine ferroélectricité et couplage spin-orbite pour proposer des solutions de calcul non volatiles et ultra-basse consommation.Le premier chapitre introduit les phénomènes de transport liés au spin et leur modélisation mathématique pour des simulations par éléments finis (FEM). Il présente également les dispositifs MESO (Magnetoelectric Spin-Orbit) et FESO.Le deuxième chapitre traite de la modélisation et de la conception des applications FESO, notamment les mémoires et les portes logiques. Des architectures de mémoires vives (RAM) et de mémoires associatives (CAM) sont conçues et testées, avec une évaluation de leur intégration physique. Le dispositif FESO est aussi utilisé pour des inverseurs et portes de majorité non volatils, ouvrant la voie au power gating pour réduire les fuites statiques.Le troisième chapitre se concentre sur l’optimisation des structures de lecture des dispositifs FESO et MESO via des simulations FEM basées sur l’effet Hall de spin. L’accent est mis sur le signal d’interconversion spin-charge et l’efficacité de conversion en tension, qui impactent respectivement le signal de sortie et la tension de fonctionnement. L’optimisation porte sur l’efficacité d’injection de spin et l’échelle géométrique, validant les hypothèses précédentes.Le quatrième chapitre étend la modélisation FEM à l’interconversion spin-charge 2D via l’effet Rashba-Edelstein. Après avoir généralisé les conditions aux limites, le modèle est testé sur des cas d’étude avant d’être appliqué à la géométrie FESO. Il s’agit de la première implémentation réaliste de l’interconversion 3D-2D, confirmant un gain en signal de sortie et en efficacité de lecture par rapport aux systèmes à effet Hall de spin.Le cinquième chapitre présente les expériences menées sur la fabrication et la caractérisation des dispositifs FESO à base de gaz bidimensionnels d’électrons (2DEG) d’oxydes. Une méthode top-down est développée pour former un 2DEG à l’interface SrTiO₃/Ta, contrôlable électriquement de manière non volatile. L’interconversion mesurée atteint 250 mΩ, l’un des signaux de spin les plus élevés observés. Une analyse approfondie des contributions à ce signal est réalisée.Ce travail démontre le potentiel des dispositifs FESO pour un calcul non volatile et écoénergétique, ouvrant la voie à leur développement expérimental et à leur optimisation.