Etude de la zone active d’un composant par holographie électronique operando

7 mai 2024

Une nouvelle méthodologie basée sur l’holographie électronique operando a été développée pour cartographier la résistivité locale à travers la zone active d’un dispositif individuel en fonctionnement. Cette méthode a été appliquée à une cellule mémoire à changement de phase et a révélé directement des propriétés inattendues. En modifiant l’état de la mémoire par des impulsions électriques, nous avons démontré que la résistance électrique est inhomogène.

La maîtrise de la résistivité électrique dans les nanocomposants fait l’objet de nombreuses recherches avec le développement des memristors, des mémoires résistives à accès aléatoire (RRAM) et des mémoires à changement de phase (PCM). Les PCM comprennent des matériaux à changement de phase de type GST qui possèdent une forte variation de la résistivité électrique entre la phase amorphe (résistance élevée) et la phase cristalline (résistance faible). Pour lire l’état du composant dispositif, la résistance est mesurée en polarisant les électrodes supérieure et inférieure connectées à un mince filament métallique appelé “heater”. Pour écrire, on injecte une impulsion de courant de forte amplitude, dont la forme exacte dépend de l’opération de stabilisation de la phase cristalline (SET) ou de l’état amorphe (RESET). Le courant qui traverse le heater et la couche GST provoque un échauffement localisé ; l’élévation de température qui en résulte provoque à son tour le changement de phase. L’état de la mémoire ne nécessite ensuite aucune autre énergie pour être maintenue, ce qui rend la PCM particulièrement intéressante pour les applications à faible consommation d’énergie.

Afin de comprendre le fonctionnement des dispositifs, différentes techniques in situ ont été mises au point pour étudier la transition de phase, notamment en microscopie électronique à transmission (MET). Il convient de distinguer les études où l’ensemble de l’échantillon, généralement des films minces, est chauffer pour provoquer le changement de phase, et les expériences operando qui visent à se rapprocher du fonctionnement réel des dispositifs en injectant des impulsions de courant in situ. Cependant, toutes dépendent de l’analyse structurale ou chimique et ne sondent pas directement les propriétés électriques locales.

Dans ce travail, nous présentons une méthode basée sur l’holographie électronique operando pour cartographier le potentiel et mesurer localement la résistance avec une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre. Nous avons appliqué cette technique sur un dispositif PCM industriel fonctionnel en contrôlant son état électrique et mettons en lumière l’inhomogénéité de la résistivité dans la couche active. Au-delà de l’intérêt pour les PCM, la technique est applicable à de nombreux autres composants où les changements de la résistance électrique locale sont d’une importance primordiale.

Publication :
Measuring electrical resistivity at the nanoscale in phase change materials
Leifeng Zhang, Frédéric Lorut, Kilian Gruel, Martin J. Hÿtch, and Christophe Gatel
Nano Lett. 2024
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01462

Contact :
Christophe Gatel | christophe.gatel[chez]cemes.fr
Martin Hÿtch | martin.hytch[chez]cemes.fr