Unconventional Readings of the Ferroelectric State in the Rashba Semiconductor GeTe

Lectures non conventionnelles de l’état ferroélectrique dans le semi-conducteur Rashba GeTe Pour réduire la consommation énergétique des dispositifs microélectroniques tout en continuant d’augmenter nos capacités de calcul, il est nécessaire de trouver des alternatives au transistor CMOS et à l’architecture de von Neumann. Le calcul dans la mémoire (« in-memory computing ») utilisant des dispositifs non volatils constitue une direction prometteuse, mais les technologies actuelles sont confrontées à des limitations fondamentales. La ferroélectricité, paramètre d’ordre reposant sur une polarisation électrique stable et non volatile, est mise en avant comme le mécanisme d’écriture de l’information le plus économe en énergie. Cependant, l’efficacité des dispositifs ferroélectriques actuels reste limitée et de nouveaux mécanismes de lecture non conventionnels sont nécessaires. Cette thèse s’articule autour de trois mécanismes de lecture différents de l’état ferroélectrique dans le semi-conducteur ferroélectrique à effet Rashba GeTe : la diode Schottky ferroélectrique, le contrôle ferroélectrique de la conversion spin-charge et l’effet Hall anormal non linéaire ferroélectrique.Le deuxième chapitre présente une étude de l’interface entre un GeTe déposé par pulvérisation magnétron et du magnésium métallique. Les résultats mettent en évidence la présence d’une interface Schottky dont la résistance peut être modulée par l’application d’impulsions de tension. Différents mécanismes interviennent dans les dispositifs microscopiques, incluant la formation de filaments à travers l’interface ainsi que le contrôle ferroélectrique de la courbure des bandes. L’invention d’une géométrie de transistor Schottky ferroélectrique, basée sur la modulation des interfaces Schottky, y est décrite.Le troisième chapitre constitue une preuve de concept concernant une géométrie de porte majoritaire. Des dispositifs Hall bipolaires non volatils, tels que les dispositifs MESO et FESO, peuvent être utilisés pour réaliser des portes majoritaires, permettant ainsi une logique dense et peu énergivore. La géométrie proposée par Intel consiste en connecter trois dispositifs MESO en parallèle, ce qui conduit à un moyennage des sorties. Une géométrie alternative consisterait à connecter les dispositifs en série. Cette thèse propose un modèle analytique qui met en évidence, de manière qualitative, les conditions pour lesquelles cette géométrie permet de sommer les sorties. Une modélisation par éléments finis est également utilisée pour dépasser les limitations du modèle analytique. Les résultats des simulations montrent la possibilité de sommer les effets Hall anormaux, mais aussi les effets Hall de spin, sous certaines conditions géométriques et matérielles. La géométrie brevetée montre un potentiel de tensions sorties plus élevées que la géométrie proposée par Intel.Le quatrième chapitre est consacré à l’étude de la présence de l’effet Hall anormal non linéaire dans un GeTe épitaxié. Une géométrie de barre de Hall permettant la mesure de signaux hors plan sur des substrats isolants est proposée. Des signaux non linéaires sur la seconde harmonique sont observés à température ambiante ainsi qu’à basse température. L’origine des signaux observés à température ambiante est attribuée à l’interface Schottky entre GeTe et le substrat de Si. À basse température, on observe une dominance hors plan de la contribution paire dans les signaux de seconde harmonique, suggérant la présence de l’effet Hall anormal non linéaire dans GeTe. La nature ferroélectrique du GeTe épitaxié est mise en évidence via l’interface Schottky avec le substrat de Si à température ambiante, où GeTe se comporte comme un métal dont la fonction de travail peut être modulée par l’état ferroélectrique. Enfin, une géométrie est proposée afin de permettre le contrôle ferroélectrique de l’effet Hall anormal non linéaire.