Comprendre la dérive de la résistance dans les semi-conducteurs amorphes
Les puces mémoire que l'on trouve dans des appareils courants tels que les ordinateurs, les smartphones et les clés USB, enregistrent en général un bit d'information numérique dans chacune de leurs minuscules cellules mémoire. Pour cela, un bit ayant une valeur binaire égale à 0 ou à 1 est stocké sous la forme d'une tension aux bornes d'un condensateur. Mais si chaque cellule pouvait stocker un plus grand nombre de bits, la capacité des puces mémoire serait bien plus élevée. Le stockage de deux bits dans une cellule permettrait ainsi de doubler la capacité mémoire, le stockage de trois bits la triplerait, et ainsi de suite. Une classe de substances appelées matériaux à changement de phase pourrait permettre ce stockage multibits. Mais leurs propriétés électriques sont mal comprises et le projet DIASPORA a entrepris de les étudier. Les matériaux à changement de phase comme le GST (Germanium-Antimoine-Tellurium) peuvent exister dans deux phases moléculaires: une phase ordonnée à structure cristalline et une phase désordonnée amorphe. Lorsqu'une petite goutte de GST est prise en sandwich entre deux électrodes et qu'elle est traversée par différents courants électriques, ce matériau est chauffé et modifié de façon réversible pour passer d'une phase à l'autre. L'objectif: des mémoires multibits Mais la goutte de GST ne se retrouve pas nécessairement soit dans une phase, soit dans l'autre: elle peut être un peu des deux. Dans cette cellule de mémoire, la proportion de matériau amorphe et de matériau cristallin peut être modifiée en appliquant différents courants de chauffage, chaque combinaison des deux phases ayant ses propres caractéristiques de résistance. «La possibilité de définir différentes valeurs de résistance permettrait de stocker plus d'un bit d'information dans un dispositif utilisant un matériau à changement de phase», déclare Abut Sebastian d'IBM Research à Zurich, Suisse, coordinateur du projet DIASPORA. Avec quatre valeurs de résistance, par exemple, la cellule pourrait représenter les quatre états logiques qu'une mémoire de deux bits peut stocker: 00, 01, 10 et 11. Avec huit valeurs de résistance, elle pourrait représenter trois bits et, avec 16 valeurs de résistance, quatre bits. Avec ce procédé, on pourrait donc considérablement augmenter la capacité des mémoires. Les dérives gâchent la fête Mais si les matériaux à changement de phase sont très prometteurs, il subsiste quand même un problème: en phase amorphe, leur résistance augmente au fil du temps, ce qui pourrait altérer la fiabilité des mémoires à changement de phase. «L'objectif de DIASPORA consiste donc à mieux comprendre la physique sous-tendant cette dérive de la résistance afin d'y remédier dans les futurs dispositifs multibits», déclare M. Sebastian. Pour comprendre cette dérive, une équipe dirigée par M. Sebastian et Martin Saling, chef du projet DIASPORA à RWTK Aachen, en Allemagne, a mené des expériences électriques, spectroscopiques et optiques à différentes températures sur des dispositifs à matériaux à changement de phase nanostructurés, afin d'étudier l'évolution de leur résistance. Ils ont également étudié l'importante augmentation de la dérive de la résistance due aux défauts de la structure moléculaire du matériau. Ils ont ensuite utilisé leurs données expérimentales pour élaborer des simulations informatiques qui ont débouché sur la synthèse de ce qui constitue à ce jour la description quantitative la plus précise de la dérive de la résistance dans les dispositifs à matériau à changement de phase. Leur modèle novateur démontre comment la principale cause de la dérive de la résistance est la 'relaxation' structurelle spontanée du matériau amorphe. «Avec le temps, l'état amorphe évolue vers un état vitreux idéal énergétiquement plus favorable», déclare M. Sebastian. Quelle suite pour les matériaux à changement de phase? Les résultats de DIASPORA et son modèle informatique révolutionnaire représentent une importante étape pour aider les chercheurs à créer des mémoires PCM multibits. «La possibilité de stocker 3 bits ou plus dans un seul dispositif PCM changera la donne en termes de capacité de stockage et de rentabilité», prévoit-il. «Elle pourrait également avoir des utilisations allant au-delà du stockage de données, en autorisant par exemple le développement d'une informatique s'inspirant du cerveau et utilisant des dispositifs PCM comme les éléments neuronaux et synaptiques de ce qu'on appelle un système informatique neuromorphique.» Au cours de ses futures recherches, M. Sebastian espère s'appuyer sur DIASPORA pour explorer la conception de nouvelles architectures de dispositifs à changement de phase présentant une moindre dérive de la résistance et ayant la taille minimale possible d'un matériau à changement de phase confiné fonctionnant comme un dispositif mémoire.
Mots‑clés
DIASPORA, matériaux à changement de phase, mémoire non volatile, stockage à plusieurs niveaux
