Optimisation des performances de capteurs de champ à base de jonctions tunnel magnétiques

Les capteurs de champ magnétique à base de jonctions tunnel magnétiques constituent une solution prometteuse dans le cadre du développement de dispositifs miniatures de basse consommation. Les performances de ces capteurs dépendent fortement de l’état magnétique (macrospin ou vortex) et des dimensions de la couche libre. Crocus Technology entreprise partenaire de cette thèse conçoit depuis plusieurs années des capteurs à base de jonctions tunnel. Malgré leur très bonne sensibilité, les capteurs dont la couche libre est à l’état macrospin, présentent un bruit important, dégradant fortement la capacité à détecter des champs de faible amplitude, et une hystérèse, qui réduit la gamme de mesure. Les travaux de cette thèse se situent dans ce contexte d’amélioration de la détectivité et de réduction de l’hystérèse et sont consacrés à l’étude de capteurs dont la couche sensible est à l’état vortex en vertu du faible bruit et de l’hystérèse réduite générés par ces capteurs. L’objectif est d’améliorer les performances des capteurs à base de jonctions tunnel à l’état vortex en étudiant différentes formes de plots et différents empilements magnétiques via des simulations micromagnétiques et des caractérisations électriques. Les premiers résultats présentés portent sur l’amélioration de la sensibilité sans dégradation de la linéarité pour des capteurs à base de plots non circulaires et les solutions identifiées par simulations micromagnétiques sont vérifiées expérimentalement. La deuxième partie de ce travail concerne la mesure et l’étude du bruit dans ces capteurs pour différentes formes de plots et empilements magnétiques. On montre que la sensibilité et le bruit dans les capteurs sont corrélés et associés à la qualité de l’interface avec la barrière tunnel en MgO. Le rôle des inserts non-magnétiques pour améliorer la détectivité est démontré. La troisième partie de ce travail porte sur la suppression de l’hystérèse dans ces capteurs. On montre par simulations micromagnétiques que l’hystérèse est contrôlée grâce à une entaille au bord des plots. On montre également que des plots elliptiques avec méplat permettent d’augmenter la gamme de mesure. Une hystérèse résiduelle est néanmoins générée par la présence de l’entaille. On développe par la suite un modèle analytique permettant de confirmer les résultats de simulations et de déterminer les dimensions des plots et du méplat permettant de supprimer cette hystérésis. Finalement, la dernière partie de ce travail porte sur la suppression de l’hystérèse résiduelle via l’interaction magnétostatique entre plots voisins dans une matrice indépendamment de la forme du plot et de l’entaille. Un modèle analytique est développé pour étudier cette interaction mais il doit encore être amélioré afin de confirmer les résultats de simulations.