Study and development of La2NiO4 memristive devices for bio-inspired computing

Inspirés par l’architecture et l’efficacité du cerveau humain, les systèmes neuromorphiques visent à intégrer la mémoire et le traitement dans un même emplacement physique, permettant ainsi un calcul à faible consommation et à haute efficacité énergétique. Dans ce contexte, les dispositifs memristifs capables de stocker et de moduler des états de conductance analogiques sont considérés comme des éléments clés pour l’implémentation matérielle des synapses et des neurones artificiels. Récemment, des travaux ont démontré le potentiel d’exploiter des dispositifs memristifs TiN/La2NiO4+δ/Pt en tant que synapses artificielles. La2NiO4+δ (L2NO4) présente une sur-stœchiométrie en oxygène et peut accueillir un large éventail de teneurs en oxygène excédentaire (δ). La présence d’ions oxygène interstitiels hautement mobiles dans L2NO4, combinée à l’électrode TiN, favorise la formation d’une sous-couche TiNxOy à l’interface métal/oxyde, qui joue un rôle clé dans le fonctionnement du dispositif.Cette thèse présente une étude approfondie des dispositifs memristifs TiN/L2NO4/Pt, en se concentrant sur leur application en tant que synapses artificielles dans des réseaux de neurones à impulsions (SNN). Les couches minces de L2NO4 sont déposées par PI-MOCVD à 600 °C, suivie de la microfabrication des dispositifs et d’une caractérisation structurale. Une caractérisation électrique est menée afin d’évaluer les principaux paramètres du comportement en commutation résistive : rétention, endurance et variabilité. Le potentiel de ces dispositifs pour le calcul analogique est mis en évidence à travers la commutation multiniveau contrôlée et l’émulation de la STDP. Par ailleurs, la possibilité d’ajuster les propriétés analogiques par le contrôle de la teneur en oxygène dans la couche de L2NO4 est étudiée.Dans une seconde étape, afin d’évaluer la scalabilité de l’intégration, les dispositifs sont fabriqués dans des architectures à électrode inférieure partagée et à croisement, avec des dimensions latérales réduites jusqu’à 5×5 μm2. L’influence des stratégies de fabrication, notamment les couches d’oxyde continues et gravées, sur la variabilité des dispositifs, la tension de formation, la cinétique de commutation et les performances analogiques est étudiée de manière systématique. Une modélisation par éléments finis est utilisée pour simuler la répartition du potentiel électrique et de l’échauffement Joule dans l’empilement, apportant un éclairage sur l’environnement thermoélectrique qui régit le comportement de commutation.En outre, une étude détaillée des mécanismes de commutation résistive dans les dispositifs TiN/L2NO4/Pt est menée. Plusieurs techniques de caractérisation avancées sont utilisées pour étudier la formation potentielle d’un filament conducteur dans le dispositif, ainsi que pour suivre la migration d’oxygène lors du fonctionnement électrique. Combinés à l’analyse des mécanismes de conduction, ces résultats permettent de proposer un modèle unifié de commutation, combinant des mécanismes filamentaires et interfaciaux. Cette combinaison unique permet d’allier d’excellentes capacités analogiques à une commutation rapide.Enfin, le potentiel d’intégration est abordé à travers l’évaluation des dispositifs fabriqués à partir des couches déposées à une température compatible avec BEOL, soit 450 °C (LNO450). La caractérisation structurale des couches déposées à basse température a révélé une structure composite amorphe/nanocristalline, à l’origine d’une hystérésis auto-rectifiante avec modulation dynamique de la conductance dans les dispositifs TiN/LNO450/Pt.