CN108352446B - 磁隧道二极管和磁隧道晶体管 - Google Patents
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Abstract
公开的是具有隧道节(160)的磁隧道二极管(100)，所述隧道节(160)包括半金属磁性层(108)、隧道势垒(110)和由没有任何自旋激发带隙的半导体构成的层(112)。还公开的是具有层结构的磁隧道晶体管(200)，包括发射极‑半金属磁性层(208)、发射极‑基极隧道势垒(210)、没有任何自旋激发带隙的半导体层(212)、基极‑集电极隧道势垒(214)和集电极‑半金属磁性层(216)。这使得有可能实现非易失性、导通方向的可重构性以及反隧道磁阻效应。
Description
技术领域
本发明涉及磁隧道二极管和磁隧道晶体管，以及其相应的使用方法。
背景技术
量子隧道二极管和晶体管，特别是热载流子二极管和热载流子晶体管被认为是高速电子装置最有希望的候选者之一。在金属-绝缘体-金属隧道二极管中，高达30THz的工作频率已经得以证实，并且一些基于石墨烯的垂直量子隧道晶体管已经在实验中实现。这里，应理解的是量子隧道晶体管对于高频、高密度高速度ICs-集成电路具有巨大潜力。
除了其电子电荷之外，利用电子的本征自旋磁矩已导致新的研究领域的发展，称为旋电子学或自旋电子学，其提供了额外的功能，例如非易失性、可重构性等。自旋阀中的巨磁阻效应和磁隧道结中的隧道磁阻效应的发现已经启发了很多传感器和存储器应用。
隧道磁阻是磁阻效应，其发生在磁隧道结中。通常，这是由通过薄绝缘体分开的两个铁磁体组成的部件。如果绝缘层足够薄，通常几纳米，则电子能够在两个铁磁体之间隧穿。借助于外部磁场，两个磁性层的磁化方向可彼此独立地控制。当磁化作用相同地对齐时，电子隧穿绝缘层的几率大于相反时，即不平行地对齐。因此，结的电阻可在两个不同的电阻状态之间来回切换-因此实现二进制0和1。
在这些部件中获得的巨磁阻推进了在开发多种自旋电子装置(例如，磁隧道二极管、磁RAM、磁隧道晶体管、自旋场效应晶体管等)的大量研究工作。对于单不对称磁隧道势垒，已经观测到二极管效应和磁阻，但是具有有限的低整流比。
另一方面，具有不同透过性的两个隧道势垒的双隧道节被希望表现出根据极性偏置的高非对称传导性，即其用作为二极管或整流器。在双隧道结中已经观测到这种二极管效应，但是具有消失的磁阻。强二极管效应和高磁阻在非对称金属/氧化物双隧道节中也已经得知。
为了在磁隧道二极管中获得非对称的电流-电压(I-V)特征，需要使用具有不同高度的双隧道势垒。但是，这导致大的阈值电压Vth和小的电流。由于这些主要缺点，磁隧道二极管不适用于低功率装置应用。
磁隧道二极管是两端子装置，其是组成三端子磁隧道晶体管的基本构建模块。这些基于金属-绝缘体-金属-半导体或金属-绝缘体-金属-绝缘体-金属结构。这些装置的工作原理类似并且仅集电机理根据所使用的势垒本质而不同。
传输速率α(定义为在集电极电流和发射极电流之间的比(Ic/Ie))是评价磁隧道晶体管的性能的重要指标。具有低传输速率α和低磁电流比例的磁隧道晶体管是已知的。但是，在全外延磁隧道晶体管的最近实验中，检测到了中等的传输速率α和磁电流比例。这归因于共振隧穿和单晶基极层(T.Nagahama et al.,Appl.Phys.Lett.96,112509,2010)。大的基极-集电极漏电流和不令人满意的传输速率使得磁隧道晶体管不适于装置应用。
常规的热载流子隧道晶体管和其他磁性和非磁性隧道晶体管通常由于厚的隧道势垒和高的工作电流而不利地呈现出低传输速率α，其中磁道势垒厚度的降低将导致漏电流提高。
相比于磁隧道二极管和晶体管的基于电荷的对应方面例如磁性电极的使用，磁隧道二极管和晶体管具有的额外的功能。其允许电流-电压(I-V)特征的控制和非易失性编程。但是，尽管这种功能，这些装置不可动态重构。这意味着在制造后，磁隧道二极管的重构性能和磁隧道晶体管的非对称电流-电压特征不能改变。
磁隧道二极管使得电流仅在一个方向，但不在另一个方向中流过。在此方面，最近在实验中实现了基于电荷的可重构的金属-硅树脂-金属纳米线晶体管。这种新的晶体管是四端子装置并且其将单极n-和p-型场效应晶体管(FETs)的电性能结合到单一型装置中。其可通过穿过控制门施加电信号而被动态重构以像被编程那样操作为p-或n-FET。除了装置的晶体管功能之外，其也可通过施加电压和不同的信号给控制和编程栅而用作为能重构的二极管。但是，这种能重构的四端子晶体管或二极管各自主要缺点是各自的额外的或多个的编程栅，这提高了装置的复杂度并且限制了可扩展性。其也缺乏磁隧道晶体管或磁隧道二极管各自的非易失性功能，这是由于其相应地是基于电荷的晶体管或二极管。此外，额外的或多个的栅的存在分别导致了更大的漏电流并且因此增加了功率损耗。
从文献US 8269293 B2得知了自旋晶体管。文献US 7259437 B公开了高性能的自旋阀晶体管。从文献US 8233249 B2得知了磁隧道晶体管。文献US 2004/0207961 A1公开了磁阻装置和铁磁层，其包括自旋无带隙半导体。
因此，隧道二极管和隧道晶体管的上述描述的问题以及非易失性和可重构能力的结合的缺失限制了纳米电子装置的技术进步。
发明内容
前文提到的从现有技术中得知的特征可单独地或任意组合地与下文描述的根据本发明的对象中的一个结合。
因此，本发明的问题是提供相应地进一步改进的磁隧道二极管和磁隧道晶体管以及构造方法。
该问题由主要权利要求和独立权利要求的客体所解决。
为了解决该问题，提供了根据主要权利要求的磁隧道二极管以及根据独立权利要求的磁隧道晶体管和方法。有利的实施方案来自于从属权利要求。
为了解决该问题，提供了磁隧道二极管，包括两个端子，特别是恰好两个端子以及隧道节，所述两个端子用于与电路相连，所述隧道节具有半金属磁体材料层、隧道势垒材料层，以及自旋无带隙半导体材料层。
“…的材料层”意味着“包含…的材料层”或“由…的材料层组成”。
在本申请中，磁体或磁性件覆盖了永磁材料以及铁磁或亚铁磁材料。这也包括例如在由于缺乏外部磁场而不具有磁效应状态下的铁磁体。
半金属磁体可理解为半金属的磁性材料。
自旋无带隙半导体(不具有任何自旋激发隙的半导体)可被理解为有半导体性质的材料或物质或被理解为半导体材料，其在价带和导带之间不具有自旋激发隙，其中无自旋激发隙也可为下述情况，在费米能的范围中，多数自旋价带跃入少数自旋导带中或在费米能的范围中，少数自旋价带跃入多数自旋导带中(见图1b)。在自旋无带隙半导体中，存在有多数自旋电子的在费米能以上的带隙，以及少数自旋电子的在费米能以上的带隙-或反之亦然。在文献US 20110042712A1中描述了自旋无带隙半导体。另一方面，如果激发隙存在于多数自旋价带和多数自旋导带之间，和/或存在于少数自旋价带和少数自旋导带之间，则存在有激发隙(见图1a)。
本发明的另一方面涉及磁隧道晶体管，其包含三个端子，特别是恰好三个端子，以及层结构，特别是具有上文描述的磁隧道二极管的隧道节，所述三个端子用以与电路相连，所述层结构包括发射极半金属磁性层、发射极-基极隧道势垒、自旋无带隙半导体层、基极-集电极隧道势垒和集电极半金属磁性层。
根据本发明的磁隧道二极管和根据本发明的磁隧道晶体管通过使用半金属磁性材料和自旋无带隙半导体材料同时实现了两个性能：非易失性和可重构能力。
非易失性意味着当电流切断时输入和输出信号信息不会消失，使得例如在存储介质领域中的应用变为可能。
可重构能力意味着输出信号函数在操作期间也可被自发地定义，使得例如在计算机处理器领域的应用变为可能。
基于可重构的磁隧道二极管和晶体管的装置具有多个有点，包括高的操作速度(在THz级)，低功率消耗、简单的电路结构等。例如，可由发送指令给每个栅而被控制的装置允许在装置操作期间程序特定的重构。
非易失性的额外优点使得能够将逻辑和存储功能结合在一个芯片上，并且因此整体上消除了访问外部存储器的需求。
通过使用由隧道势垒隔开的半金属磁性层(HMM)和自旋无带隙半导体层(SGS)，可实现改善的非对称电流-电压(I-V)特征，即，仅非对称的电流-电压曲线并且可通过变换隧道势垒的厚度和位势高度来特别简单地调节阈值电压Vth。
此外，可提供与常规隧道二极管相比大的电流，这使得能够使用低功率的装置。
通过在隧道二极管或隧道晶体管中使用自旋无带隙半导体材料，多种装置在高速或高频下可具有低功率，其中特别是为了实现磁逻辑应用，可有利地实施可获得的TMR效应。由于反TMR效应，所有的逻辑函数可因此仅使用两个磁隧道二极管来实施。目前的磁隧道结通常不适于经济地用在装置中，这是由于强电压依赖性和低TMR值。值得注意的是，不是所有的逻辑函数可单独通过二极管逻辑实施，并且仅非反向逻辑“与”和逻辑“或”函数可由半导体二极管门实现。为了实施所有的逻辑门，需要二十个左右常规的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，然而仅两个根据本发明的磁隧道二极管就足够了。因此，能够降低用于相应装置的制造费用并且节省波导管。
此外，基于半导体的集成逻辑门阵列在制造后通常不再能重构并且此外一般是易失性的，这是由于在切断电源后，输入和输出的信息会丢失。与此相比，当使用根据本发明的磁隧道二极管时，逻辑门，因此逻辑阵列是非易失性的，并且因此允许独立于电源而保存信息。此外，在制造后，能够重构，即，在运行操作期间输出函数也可被再定义。最终，能够将特定的部件用作为逻辑电路并且其他作为存储器。
根据本发明的磁隧道晶体管具有与常规的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)类似的对称的晶体管功能。但是，根据本发明的磁隧道晶体管相比于MOSFET具有非易失性和可重构性的优点，并且还地也允许在高达THz级的高频率下操作，同时具有低功耗。
基于根据本发明的磁隧道二极管和隧道晶体管的装置能够有高操作频率、低能量消耗和简单的电路结构，使得例如逻辑部件可通过指令的发送来控制，从而例如在操作期间切换栅的同时部件可实现程序特定重构。
由于非易失性和可重构能力，能够将逻辑和存储结合在相同的芯片上并且因此外部存储器变为非必须。
在根据本发明的磁隧道二极管的一个实施方案中，半金属磁体材料层具有固定的-即，确定的或不变的-磁化方向，并且自旋无带隙半导体材料层具有可重构的磁化方向。但是，在根据本发明的隧道二极管中，相反的情况也是可能的，即，半金属磁体材料层具有可重构的磁化方向，并且自旋无带隙半导体材料层具有固定的磁化方向。
因此，隧道二极管的非常简单的可重构能力以及灵活使用成为可能。
在根据本发明的磁隧道二极管的一个实施方案中，固定层(与隧道节相邻，因此与半金属磁体材料层相邻或与自旋无带隙半导体材料层相邻)用于当固定层与半金属磁体相邻时固定半金属磁体材料层的磁化方向，或当固定层与自旋无带隙半导体相邻时固定自旋无带隙半导体材料层的磁化方向。因此，可实现磁化方向的可靠固定。
在根据本发明的磁隧道二极管的一个实施方案中，提供了层厚度为至少1nm，优选为2nm，和/或最多40nm，优选为最多20nm，更优选为最多8nm的自旋无带隙半导体材料层。
因此，当将二极管集成到晶体管中，能够得到可靠的二极管功能和可靠的晶体管功能，并且同时可确保重复地制造。
在根据本发明的磁隧道晶体管的一个实施方案中，层结构准确地具有如下层顺序：
第一，发射极半金属磁体层；第二，发射极-基极隧道势垒；第三，半自旋无带隙半导体层；第四，基极-集电极隧道势垒；第五，集电极半金属磁体层。因此，可实现非常可靠的重构。
本发明的另一方面涉及用于构造和/或重构磁隧道二极管(特别是根据本发明的磁隧道二极管)和/或磁隧道晶体管(特别是根据本发明的磁隧道晶体管)的电流流动方向的方法，其中为了反转隧道二极管的自旋无带隙半导体的磁化方向、隧道二极管的半金属磁体的磁化方向和/或隧道晶体管的自旋无带隙半导体层的磁化方向，要施加大于工作电流的电流(通过电流)或激活外部磁场。
隧道二极管的电流流动方向意味着两个端子之间的电流的前进方向(传导方向)，例如从下电极到上电极，或反之亦然。
隧道晶体管的电流流动方向意味着发射极和集电极之间的电流的前进方向(传导方向)，例如从发射极半金属磁体层到集电极半金属磁体层，或反之亦然。
在隧道二极管中，两个端子或两个电极之间的电流(I，图2)有各自的含义。在隧道晶体管中，电流意味着在发射极和基极之间的电流(IB，图6)和/或在集电极和基极之间的电流(IE，图6)，其中在电压VBE通常为接通的状态中，电流的增加可特别地通过将相应的电压(V、VCB和/或VBE)在正常工作电压的高度以上的短时间增加而获得。
由于通过感应电流或磁场来切换磁化方向，因此可实现特别简单的重构。
本发明的另一方面涉及自旋无带隙半导体在磁隧道二极管(特别是根据本发明的磁隧道二极管)中的用途，或自旋无带隙半导体层在磁隧道晶体管(特别是根据本发明的磁隧道晶体管)中的用途，以获得非易失性和/或电流流动方向可重构性的特性。
因此，可实现逻辑和/或存储操作或逻辑与存储操作的结合。
本发明的另一方面涉及自旋无带隙半导体在磁隧道二极管(特别是根据本发明的磁隧道二极管)中的用途，或自旋无带隙半导体层在磁隧道晶体管(特别是根据本发明的磁隧道晶体管)中的用途，以获得反隧道磁阻效应。
反TMR效应意味着当施加的电压的极性变化时，TMR改变符号。
因此，可以用特别少的精力和能量消耗来特别紧凑地提供逻辑组件。
特别地，在这种用途中，磁隧道二极管的半金属磁体材料层、磁隧道晶体管的发射极半金属磁体层或集电极半金属磁体层的材料层是铁磁性材料或亚铁磁材料，例如Co或Fe。优选地，这种隧道节可具有SGS/MgO/Fe结构或SGS/MgO/Co结构。
因此可特别简单地实现逻辑组件。
在下文中，基于附图进一步详细描述了本发明的实施方案的例子。可将实施方案的例子的一个或多个特征与要求保护的客体相结合。
本发明的另一方面涉及一种方法，其中通过在基极和发射极之间施加电压(VBE>0)，根据本发明的磁隧道晶体管被打开，即，使电流通过，并且通过降低基极和发射极之间的电压VBE到0，根据本发明的磁隧道晶体管被关闭，其中在基极和集电极之间的电压VCB基本上大于零。因此，可特别简单地实现打开和关闭。
附图说明
显示了：
图1a和1b：分别示意性显示了半金属磁体(HMM，图1a)和自旋无带隙半导体(SGS，图1b)中的电子的态密度(DOS)。
图2：根据本发明具有电端子的可重构磁隧道二极管(RMTD)的层的示意性截面图。
图3a和3b：分别示意性显示了磁隧道二极管的相应电流-电压特征或I-V输出信号函数的磁化方向的反平行取向(图3a)和平性取向(图3b)。
图4a到4f：示意性地显示了图3a的磁隧道二极管在不同的偏压下的反平行构型(4a到4c)中的电子的态密度(DOS)以及图3b的磁隧道二极管的平行构型(4d到4e)中的电子的态密度(DOS)。
图5：示意性显示了图2的可重构磁隧道二极管的基于偏压的隧道磁电阻(TMR)效应。
图6：根据本发明的具有电端子的可重构磁隧道晶体管(RMTT)的示意性截面图。
图7a到7c：根据本发明的可重构隧道晶体管在不同操作模式中的示意性的能带图：在平带状态(图7a)、在截止状态(图7b)和在导通状态(图7c)下的能带排列。
图8a到8c：示意性地显示了可重构磁隧道晶体管在不同操作模式下的电子的态密度(DOS)：在没有外部偏压的平带状态下的能带排列(图8a)，在具有正集电极偏压的截止状态下的能带排列(图8b)，在具有正集电极偏压和正基极偏压的导通状态中的能带排列。
图9a和9b：根据本发明的磁隧道二极管或根据本发明的磁隧道晶体管的FeVZrSi自旋无带隙半导体的电子能带结构(图9a)和态密度(图9b)。
具体实施方式
在磁性材料中，电子态密度(DOS)在自旋向上能带(也称为多数自旋能带)和自旋向下能带(少数自旋能带)之间分离。
在半金属磁体(HMMs)中，多数自旋电子显示出在费米能EF周围的有限能级间隔中的金属行为，同时少数自旋电子显示出归因于带隙GCB和GVB的半导体行为(如图1a所示)，其中，GVB是费米能和价带之间的距离，以及GCB是费米能和导带之间的距离。这导致导电电子在费米能EF处的100％自旋极化。
如图1b所示，用在根据本发明的隧道二极管和隧道晶体管中的自旋无带隙半导体(SGS)具有独特的能带结构，使得多数自旋电子的自旋隙在费米能以上以及少数自旋电子的自旋隙在费米能以下，或反之亦然，这导致价带和导带在各自相反的方向中100％电子自旋极化。这种特别的自旋无带隙半导体也称之为具有间接带隙的半导体。
因此，图1a和1b以及图4、8和9b可以下面方式来理解：多数自旋能带显示在纵轴的左侧，以及少数自旋能带显示在右侧。此外，在水平缩回的费米能EF以下，能带或价带分别通常被占据，同时在费米能EF以上的能带或导带基本上未被占据，并且因此当施加电压时仅可用作中转站(transit station)。
因此，例如图8c所示，发射极E的多数自旋能带的电子(处于费米能水平以下并且因此被占据)可临时迁移到基极的在费米能水平以上未被占据的多数自旋能带中，以立刻到达集电极的也未被占据的多数自旋能带，并且从那里经上电极220离开。
自旋分辨光电子光谱(PES)，也称为光电发射光谱是验证半金属磁体、自旋无带隙半导体或其他磁性材料的非常有效的方法。这是由于PES提供了识别材料的电子结构的直接方法，并且因此其工作通常是可靠的，而且与间接方法(例如自旋极化扫描隧道显微镜或自旋极化正电子湮灭光谱)相比，能提供关于磁性材料的电子结构的更综合的信息。
二极管通常是如下电子部件：具有两个端子用于仅在一个方向中导通电流并且在相反的方向中使电流截止。
图2示意性地显示了根据本发明的可重构的磁隧道二极管100，优选地有如下材料层堆叠的结构：一层处于另一层上和/或稳固地彼此相连。隧道二极管100包括电绝缘衬底层102，在电绝缘衬底层102上设置有底电极104(用于将半金属磁体108特别是与具有电压V的外电路电连接)，在底电极104上的固定层106(用于将与固定层106相邻的层的磁化方向固定)，隧道势垒结160(包括三层或由三层组成)，和/或上电极114(其设置在隧道节160上，用于与在底电极104和上电极114之间的和/或在半金属磁体108之间的磁性自旋无带隙半导体电连接)。
隧道节160包括或其组成为通常具有激发自旋隙的半金属磁体108、设置在半金属磁体108中的隧道势垒110，以及设置在隧道势垒110上的自旋无带隙半导体112，所述自旋无带隙半导体的磁化方向是可重构的，即能再转换或可反转，所述半金属磁体108优选具有由于固定层106而固定的磁化方向，所述隧道势垒110在与隧道势垒110相邻的两层之间作为绝缘体。
在磁隧道二极管的一个实施方案中，半金属磁体层108和自旋无带隙半导体112层是交替的，因此自旋无带隙半导体112的磁化方向就固定了并且半金属磁体的磁化方向可重构。
在一个实施方案中，衬底102包括或其组成为MgO或SiO2。因此，可保证二极管可靠的功能。
在一个实施方案中，底电极104和/或上电极114包括或其组成为Ti、Ru、Rh、Cu、N、Al、Ta、CuN或这些材料中至少两种的结合，特别是多层系统的形式。这保证了底电极和上电极的可靠的功能。
特别地，上电极104和/或底电极114具有平面延伸形状，厚度为至少10nm和/或最多100nm，优选为最多50nm，特别优选为最多30nm。可实现紧凑地设计和可靠的功能。
在一个实施方案中，固定层106包括或其组成为反铁磁材料和/或半金属磁体，优选为FeMn、NiMn、PtMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn。理论上，固定层106可具有在层平面中的磁化方向或与层平面成角度的磁化方向，优选为90°。这样，能够可靠地稳定或固定相邻的磁性层(例如半金属磁体108)中的自旋，即磁化方向。
特别地，固定层106具有平面延伸形状，厚度为至少10nm和/或最多100nm，优选为最多50nm，特别优选为最多30nm。可实现紧凑的设计但可靠的功能。
在一个实施方案中，半金属磁体108和/或自旋无带隙半导体112组成为使得磁化方向或磁性部件可在存在磁场时为固定或不变，即磁化方向或磁性部件的反转可被存在的磁场阻止。特别地，为此目的，半金属磁体108和/或自旋无带隙半导体112是铁磁性或亚铁磁性。
在一个实施方案中，半金属磁体108包括或其组成为具有在室温以上的居里温度和/或具有大的半金属带隙的材料，例如半金属全哈斯勒化合物(Heusler compounds)，如Co2YZ，其中Y＝Ti、V、Cr、Mn、Fe，和Z＝Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、As、Sb，以及反哈斯勒化合物，其具有化学式X2YZ，其中X＝Sc、Ti、V、Cr、Mn和Z＝Al、Si、As和Y＝Ti到Zn，以及半哈斯勒化合物XYSb，其中X＝Fe、Co、Ni和Y＝Mn。
特别地，半金属磁体108具有平面延伸形状，厚度为至少1nm，优选为5nm，特别优选为10nm，和/或最多50nm，优选为最多40nm，特别优选为最多30nm。可实现紧凑地设计但可靠的功能。
在一个实施方案中，隧道势垒110包括或其组成为绝缘材料，特别地其具有至少0.4eV的带隙，优选为MgO或AlOx，但是通常也可以为AlOx、MgAlO、TaOx、SiO2、HfO2、本征半导体例如Si、GaAs，以及二维系统例如六方BN。因此，可保证可靠的势垒功能。
特别地，隧道势垒110具有平面延伸形状，厚度为至少0.5nm，优选为1nm，和/或最多5nm，优选为最多4nm，特别优选为最多2nm。因此，可实现隧道势垒110可靠的势垒功能，其中过厚的层厚度会过强地阻止隧道效应，以及太薄的层厚度在电场中可能失效。
在一个实施方案中，自旋无带隙半导体112包括或其组成为磁性材料，其特别是具有在层平面中的或与层平面成角度的磁化方向。基本上，自旋无带隙半导体112设计为使得自旋无带隙半导体112的磁化方向在存在磁场的情况下可被构造并且在操作隧道二极管期间可被重构，即反转。这使得在操作期间能够改变隧道二极管的电流传导方向。
优选地，自旋无带隙半导体112包括或其组成为四元哈斯勒化合物，例如FeCrXZ、FeVXZ'和MnVXZ"化合物，其中X＝Ti、Zr、Hf，Z＝Al、Ga、In，Z'＝Si、Ge、Sn，以及Z"＝P、As、Sb。通常，具有自旋无带隙半导体性能、优选地具有在室温以上的居里温度的任何材料可被考虑用于自旋无带隙半导体层112。
特别地，自旋无带隙半导体112具有平面延伸形状，厚度为至少1nm，优选为2nm，和/或最多40nm，优选为最多20nm，特别优选为最多8nm。因此可实现可靠的重构，其中使用更厚的层时，最终不再可能实现至少电流感应自旋转移矩重构。对于自旋无带隙半导体112理想的层厚通常恰好为或大约为3nm。因此，这使得能够制造具有可重复性能的自旋无带隙半导体112并且能保证隧道二极管的可靠的功能。
在第一示例性的实施方案中，根据本发明的磁隧道二极管100(图2中示意性地显示)包括MgO衬底102、具有20nm层厚的Ta底电极104、具有10nm层厚的IrMn固定层106、具有20nm层厚的Co2MnSi半金属磁体108、具有1nm层厚的MgO隧道势垒110、具有2nm层厚的无自旋激发隙112的半金属FeVTiSi和/或具有20nm层厚的Ta上电极114。以这种方式构造的磁隧道二极管100显示出非易失性和导通方向的可重构性以及反TMR效应的功能。
FeVTiSi自旋无带隙半金属层212的磁化方向的电流感应切换重构可通过施加大于工作电流、总和达到约107A/cm2的临界电流密度Icr的电流(I，图2)来实现。
在第二个示例性的实施方案中，根据本发明的磁隧道二极管100(在互换了层108和112的图2中进行了示意性显示)包括MgO衬底102、设置在衬底102上具有20nm层厚的Ta底电极104、设置在底电极104上的具有10nm层厚的IrMn固定层106、设置在固定层106上的具有8nm层厚的无自旋激发隙的半金属FeVTiSi、设置在该半金属上的具有3nm层厚的MgO隧道势垒110、设置在隧道势垒110上的具有30nm层厚的Co2FeAl半金属磁体和/或设置在Co2FeAl半金属磁体上的具有20nm层厚的Ta上电极114。以这种方式构造的磁隧道二极管100表现出以下功能：非易失性、导通方向的可重构能力以及反TMR效应。
在第三示例性的实施方案中，根据本发明的磁隧道二极管100(图2示意性地显示)包括MgO衬底102、具有20nm层厚的Ta底电极104、具有10nm层厚的IrMn固定层106、具有10nm层厚的Co2FeAl0.5Si0.5的半金属磁体108、具有1nm层厚的MgO隧道势垒110、具有2nm层厚的无自旋激发隙的FeVZrGe半金属112和/或具有20nm层厚的Ta上电极114。以这种方式构造的磁隧道二极管100也表现出以下功能：非易失性、导通方向的可重构能力以及反TMR效应。
图2的磁隧道二极管100的一个或所有层可通过沉积过程或涂覆技术来制造，例如磁控溅射、射频溅射和/或电子束蒸发。
特别地，图2的磁隧道二极管100的至少两个或所有层通过在超真空腔室中施加磁控溅射和电子束蒸发连续沉积来制造。
在第一示例性的实施方案中，例如，在室温下通过磁控溅射向MgO基材上施加Ta层作为随后的电极，并且IrMn层在室温下以磁控溅射在Ta层上形成为固体层。在固定层上，首先在室温下通过磁控溅射沉积Co2MnSi，接着在约500℃下退火以生成外延生长的Co2MnSi层。理想地是，Co2MnSi层结晶为立方L21型结构并且单位晶胞包括四个相互穿插的fcc次晶格，Co原子的位置为(0,0,0,0)和(0.5,0.5,0.5)，Mn原子的位置为(0.25,0.25,0.25)和Si原子的位置为(0.75,0.75,0.75,0,75)。
接着，可通过在Co2MnSi层上沉积，优选地通过室温下电子束蒸发来产生MgO隧道势垒。FeVTiSi层也可通过下面方式来实施：在室温下有利地通过磁控溅射连同随后的退火，特别是在约500℃的退火以实现FeVTiSi层在下层MgO隧道势垒上的外延生长。与Co2MnSi层类似，因此FeVTiSi层可理想地结晶为立方四元哈斯勒结构，Fe原子的位置为(0,0,0)，Ti原子的位置为(0.25,0.25,0.25)，V原子的位置为(0.5,0.5,0.5)，以及Si原子的位置为(0.75,0.75,0.75)。
Ta层也可优选地通过磁控溅射来沉积以形成随后的电极。
上文描述的隧道二极管的整流性能取决于磁性层108和112的磁化方向的相对取向。当半金属磁体108和自旋无带隙半导体112的磁化为反平行(如图3a所示)时，则隧穿电流可能仅在一个方向中，同时在另一个方向中被截止，因此隧道节160的行为如同二极管。如果自旋无带隙半导体112的磁化方向反转，即如果其平行于半金属磁体108，则二极管的整流性能也反转(如图3b所示)。
如图3a所示，如果在二极管的端子之间存在有正电压V或正电压信号，则二极管仅开始从临界电压或阈值电压Vth传导电流。在阈值电压之后，会发生在电压V以上的电流I指数级增加。但是，如果电流变得过高，通常会有二极管破裂和二极管融化的风险。在负电压的情况中，在相反的方向中没有或几乎没有电流I传导。应注意的是，理论上，非常高的负电压，特别是超过二极管的通常操作范围，仍可导致电流。
在一个实施方案中，隧道二极管设计为使得当自旋无带隙半导体112的磁化方向反转时，则电流-电压曲线(I-V)也反转，即在电压和电流坐标轴中镜像(参见图3a、3b)。二极管可以以这种方式构造。
这意味着隧道二极管可通过外部磁场或通过自旋转移矩机制动态地构造。
在图2的隧道二极管中，半金属磁体108的磁化方向是固定的，并且自旋无带隙半导体112的磁化方向能自由转动。
根据本发明的隧道二极管的一个有益效果是二极管允许电流流过的阈值电压Vth决定于绝缘势垒的厚度和位势高度，并且因此Vth可通过适当地选择这两个参数来调节。
在基于半导体的二极管中，阈值电压Vth通常是固定的，不可改变。例如，对于由锗构成或具有锗的二极管，阈值电压Vth大约为0.3V，对于由硅构成或具有硅的二极管，阈值电压Vth大约为0.7V。
如图4所示，隧道二极管的双向行为可由磁性层108和112(即，半金属磁体108和自旋无带隙半导体112)在正偏压和负偏压下的态密度来解释。
在Simmons模型中，对于偏压V的隧穿电流I(V)由下面表述给出：
，这里，
希
表示具有自旋σ的两个磁性层108和112的态密度，f(E)是费米分布函数。T(V)是隧穿几率并且与
成比例，这里d是隧道势垒110的厚度，φ是势垒高度。
如图4b所示，如果给底电极104施加正偏压且因此施加给自旋无带隙半导体112施加正偏压，则电子从半金属磁体108的被占据的多数自旋价带穿过绝缘的隧道势垒110进入自旋无带隙半导体112的未占据的少数自旋导带。对于其他的自旋通道，电子隧穿是不可能的，这是由于在半金属磁体108处不存在费米能以下的状态以及在自旋无带隙半导体112处不存在费米能以上的状态，除非所施加的偏压很高。
图4中的虚线显示了能够隧穿势垒的这些电子的能量范围。如果给自旋无带隙半导体112施加负电压，这会阻止电子隧穿到半金属磁体108以及因此到上电极114，这是由于HMM-I-SGS隧道节160独特的能带结构。如果电极被平行地磁化，如图4a到4c所示，则电流会在相反的方向中流动，即从底电极104流到上电极114。通过这种方式，可动态地构造HMM-I-SGS隧道二极管，即如下的磁隧道二极管：具有半金属磁体层108、在半金属磁体层108上方的隧道势垒110和在隧道势垒110上方的自旋无带隙半导体层112。
特别地，这种隧道二极管揭示了反隧道磁阻效应(TMR)的特征或设计为能够实现这种特征。TMR效应通常发生在隧道接触件中，其包括例如由薄绝缘体分开的两个铁磁体。如果绝缘体层足够薄，例如在个位数纳米范围中，则电子可从一个铁磁体隧穿绝缘体层到另一个铁磁体。TMR效应是量子力学现象，不能由经典物理学来描述。在隧道节中，一个铁磁体的磁化方向可通过外部磁场或感应电流来转换或反转。如果磁化方向为平行取向，则更可能的是与不平行或相反磁化方向的两个铁磁体相比，电子更易于隧穿绝缘体层。由此，结果这种隧道节通常可在两个电阻状态(一个低电阻和一个高电阻)之间转换。
图5显示了TMR效应依赖关系的两种情况：标记有“A”的是具有隧道节160的隧道二极管100的TMR值的电压依赖关系，隧道节160包括具有固定磁化方向的半金属磁体108和具有自由磁化方向的自旋无带隙半导体112。标记有“B”的是具有隧道接触件160的隧道二极管100的TMR值的电压依赖关系，隧道接触件160包括常规的铁磁材料或亚铁磁材料，作为具有固定磁化方向的磁体层108以及具有自由磁化方向的自旋无带隙半导体112。TMR由下式界定：
这里，RAP和RP是磁体层108和112的不平行取向和平行取向磁化的隧道节的电阻。由于上文描述的具有和不具有激发隙的HMM-I-SGS隧道节160的独特的能带结构(图1a和1b)，可重构的磁隧道二极管具有反TMR效应，即当所施加的偏压的极性变化时，TMR会变化信号。如前提到，这是非常重要的性质，其使得能使用可重构的磁隧道二极管来为例如计算机处理器制造磁逻辑门。
由于HMM-I-SGS隧道接触件160基本上也存在于图6的磁隧道晶体管200中，因此磁隧道晶体管200也表现出反TMR效应。
如果将通常的铁磁体例如Fe、Co、CoFe或CoFeB用在隧道节160中作为具有固定磁化方向的磁性层108来替代半金属磁体，则图2的可重构磁隧道二极管将失去上文描述的整流特征，并且反TMR效应将以至少降低的值而保持。由于上文描述的独特的能带结构，相对于反TMR效应，自旋无带隙半导体112对隧道节160起着重要的作用。
晶体管是具有三个端子的基本电子元件，其用于放大和/或切换电能，优选电信号。施加的电压或电流(施加给晶体管的一对端子对)可改变例如放大，该电流会流过另一对端子-其中一个端子可由两对端子包含。因此，晶体管是集成电路或电气部件的基本部件。
端子通常为电极。
图6显示了可重构的磁隧道晶体管200的材料层的横截面以及相连的外部电路，所述外部电路用于在集电极220和基极213之间施加电压VCB以及在基极213和发射极204之间施加电压VBE。
可重构的磁隧道晶体管200包括或其组成为绝缘衬底层202、发射极204、特别的反铁磁的发射极固定层206、发射极半金属磁性层208、发射极-基极隧道势垒210、自旋无带隙半导体层212、基极-集电极隧道势垒214、集电极半金属磁性层216、集电极固定层218和/或集电极220。基极213以导电方式与自旋无带隙半导体层212相连。
特别地，与可重构的磁隧道二极管100不同，根据本发明的可重构的磁隧道晶体管200不允许自旋无带隙半导体层212与发射极半金属磁性层208和/或集电极半金属磁性层216互换。
总而言之，根据本发明的可重构的磁隧道晶体管200因此恰好和/或直接在发射极-基极隧道势垒210和基极-集电极隧道势垒214之间提供了自旋无带隙半导体层212。
特别地，衬底层202包括或其组成为MgO或SiO2。发射极204和/或集电极220包括或其组成为Ti、Ru、Rh、Cu、N、Al、Ta、CuN或这些材料中至少两种的结合，特别是为多层系统的形式。因此，可保证电极的可靠功能。
特别地，发射极204和/或集电极220具有至少10nm和/或最多100nm，优选最多50nm，特别优选最多30nm的层厚。这样，可实现紧凑的设计和可靠的功能。
在一个实施方案中，发射极固定层206和/或集电极固定层218包括或其组成为反铁磁材料和/或半金属磁体，优选FeMn、NiMn、PtMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn。基本上，发射极固定层206和/或集电极固定层218可具有在层平面中的磁化方向或与层平面成角度，优选90°的磁化方向。因此，可以可靠地探测或固定相邻的发射极或集电极半金属磁性层208、216的磁化方向。
特别地，发射极固定层206和/或集电极固定层218具有至少10nm和/或最多100nm，优选最多50nm，并且特别优选最多30nm的层厚。这样，可实现紧凑的设计和可靠的功能。
在一个实施方案中，仅发射极半金属磁性层208和/或集电极半金属磁性层216设计为特别是通过发射极固定层206或集电极固定层218使得磁化方向可在存在磁场的情况下固定或不变。优选地，发射极半金属磁性层208和/或集电极半金属磁性层216为铁磁性或亚铁磁性和/或包括或其组成为具有在室温以上的居里温度和/或具有大的半金属带隙的材料，例如半金属全哈斯勒化合物例如Co2YZ，这里Y＝Ti、V、Cr、Mn、Fe和Z＝Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、As、Sb，和反哈斯勒化合物，其具有化学式X2YZ，这里X＝Sc、Ti、V、Cr、Mn和Z＝Al、Si、As和Y＝Ti到Zn，以及半哈斯勒化合物XYSb，其中X＝Fe、Co、Ni和Y＝Mn。
特别地，发射极半金属磁性层208和/或集电极半金属磁性层216具有至少1nm、优选5nm、特别优选10nm，和/或最多50nm，优选最多40nm，特别优选最多30nm的层厚。这样，可实现紧凑的设计和可靠的功能。
在一个实施方案中，发射极-基极隧道势垒210和/或基极-集电极隧道势垒214包括或其组成为绝缘材料，其特别地具有至少0.4eV的带隙，优选为MgO或AlOx，但是理论上也可以为AlOx、MgAlO、TaOx、SiO2、HfO2，本征半导体例如Si、GaAs，以及二维系统例如六方BN。因此，可提供具有特别低漏电流的隧道晶体管。
特别地，发射极-基极隧道势垒210和/或基极-集电极隧道势垒214具有至少0.5nm，优选为1nm，和/或最多5nm，优选为最多4nm，特别优选为最多2nm的层厚。因此，可实现可靠的势垒功能，其中过厚的层厚会过强地阻止隧道效应，以及过薄的层厚在电场中可失效。
在一个实施方案中，自旋无带隙半导体212包括或其组成为磁性材料，其特别是具有在层平面中的磁化方向或与层平面成角度的磁化方向。基本上，自旋无带隙半导体212设计为使得自旋无带隙半导体112的磁化方向在存在磁场的情况下可被构造并且在使用隧道晶体管期间也可被重构。这使得在使用期间能够改变隧道晶体管的电流方向。
优选地，自旋无带隙半导体112包括或其组成为四元哈斯勒化合物，例如FeCrXZ、FeVXZ'和MnVXZ"化合物，其中X＝Ti、Zr或Hf，Z＝Al、Ga、In、B或Ti，Z'＝Si、Ge、Sn、C或Pb，以及Z"＝P、As、Sb、N或Bi。通常，具有自旋无带隙半导体性能、优选地具有在室温以上的居里温度的任何材料可被考虑为自旋无带隙半导体层112。
特别地，自旋无带隙半导体层212具有至少1nm，优选为2nm，和/或最多40nm，优选为最多20nm，特别优选为最多8nm的厚度。因此能够可靠的重构，然而具有更厚的层时，至少不再能实现最终的电流感应自旋转移矩重构。对于自旋无带隙半导体层212，理想的层厚通常恰好或大约为3nm。这使得能够制造具有可重复性能的自旋无带隙半导体层212，并且因此能够保证隧道晶体管的可靠的功能。
在第一示例性的实施方案中，根据本发明的磁隧道晶体管200(图6示意性地显示)包括MgO衬底层202、具有20nm层厚的Ta底电极204、具有10nm层厚的IrMn发射极固定层206、具有20nm层厚的Co2MnSi发射极半金属磁体层208、具有1nm层厚的MgO发射极-基极隧道势垒210、具有2nm层厚的FeVTiSi不具有激发隙的半金属层212、具有1nm层厚的MgO基极-集电极隧道势垒214、具有20nm层厚的Co2MnSi集电极半金属磁体层216、具有10nm层厚的IrMn集电极固定层218、和/或具有20nm层厚的Ta集电极220。以这种方式构造的磁隧道晶体管200显示出以下功能：非易失性和导通方向的可重构能力。
FeVTiSi自旋无带隙半金属层212的磁化方向的电流感应反转重构可通过在发射极和基极之间施加电流(IB)和/或在集电极和基极之间施加电流(IE)来实现，所述电流大于工作电流(其量达到约107A/cm2的临界电流密度Icr(图6))。
在第二个示例性的实施方案中，根据本发明的磁隧道晶体管200(图6示意性显示)包括MgO衬底层202、具有20nm层厚的Ta发射极204、具有10nm层厚的IrMn发射极固定层206、具有30nm层厚的Co2FeAl发射极半金属磁性层208、具有3nm层厚的MgO发射极-基极隧道势垒210、具有8nm层厚的FeVZrSi无激发隙的半金属层212、具有2nm层厚的MgO基极-集电极隧道势垒214、具有30nm层厚的Co2FeAl集电极半金属磁体层216、具有10nm层厚的IrMn集电极固定层218和/或具有20nm层厚的Ta集电极220。以这种方式构造的磁隧道晶体管200表现出以下功能：非易失性和导通方向的可重构能力。
在第三示例性的实施方案中，根据本发明的磁隧道晶体管200(图6示意性地显示)包括MgO衬底层202、具有20nm层厚的Ta发射极204、具有10nm层厚的IrMn发射极固定层206、具有10nm层厚的Co2FeAl0.5Si0.5发射极半金属磁性层208、具有3nm层厚的MgO发射极-基极隧道势垒210、具有2nm层厚的FeVZrSi的无激发隙的半金属层212、具有2nm层厚的MgO基极-集电极隧道势垒214、具有10nm层厚的Co2FeAl0.5Si0.5集电极半金属磁体层216、具有10nm层厚的IrMn集电极固定层218和/或具有20nm层厚的Ta集电极220。以这种方式构造的磁隧道晶体管200表现出以下功能：非易失性和导通方向的可重构能力。
图2的磁隧道晶体管200的一个或所有层可通过沉积过程或涂覆技术来制造，例如磁控溅射、射频溅射和/或电子束蒸发。这里可以使用与上文描述的用于磁隧道二极管100的第一示例性实施方案例子的相同的制造步骤。
在一个实施方案中，集电极半金属磁性层216由与发射极半金属磁性层208相同的材料制成。因此，可降低隧道晶体管的制造努力。
在一个实施方案中，基极-集电极隧道势垒214由与发射极-基极隧道势垒210相同的材料组成。因此，可降低隧道晶体管的制造努力。
在一个实施方案中，发射极固定层206由与集电极固定层218相同的材料组成。因此，可降低隧道晶体管的制造努力。
在一个实施方案中，在横截面中，磁隧道晶体管200具有从基极-集电极隧道势垒214到发射极-基极隧道势垒210对称的结构，特别是具有与设置在基极-集电极隧道势垒214和发射极-基极隧道势垒210之间的层相同的层厚度。因此，可实现特别均匀的操作模式和可靠性。
在一个实施方案中，磁性层108、208和/或216具有至少1nm和/或最多40nm的层厚。
在一个实施方案中，磁性层112和/或212具有至少1nm和/或最多40nm的层厚。
在一个实施方案中，在横截面中，磁隧道晶体管200具有从集电极半金属磁性层216到发射极半金属磁性层的对称结构，特别是具有与设置在集电极半金属磁性层216和发射极半金属磁性层之间的层相同的层厚度。因此，可实现特别均匀的操作模式和可靠性。
在一个实施方案中，在横截面中，磁隧道晶体管200具有从发射极固定层206到集电极固定层218的对称结构，特别是具有与设置在发射极固定层206和集电极固定层218之间的层相同的层厚度。因此，可实现特别均匀模式的操作和和可靠性。
图7显示了可重构的磁隧道晶体管200在不同操作模式中的示意性能带图。发射极半金属磁性层208和集电极半金属磁性层216的磁化方向平行对齐，并且与此相比，无自旋激发隙的半金属层212具有相反的磁化方向，如图7a到7c中的箭头所示。
在跨过发射极-基极隧道势垒210无压降，即VBE＝0时，晶体管处于截止状态，与施加给集电极220的任何正偏压无关。在截止状态中，没有或至少可忽略的低电流会从发射极(即，发射极半金属磁性层208)流到集电极(即，集电极半金属磁性层216)。此外，上文描述的自旋无带隙半导体层212的独特的能带结构会阻止基极-集电极漏电流的流动。
这赋予了与常规热载流子隧道晶体管相比特别的优点，在常规热载流子隧道晶体管中，厚的基极-集电极隧道势垒用于降低从发射极到集电极的电流，但是这会导致低的传输速率α。
在图6所示的磁隧道二极管200中，可观测到以下效应。当通过基极213给自旋无带隙半导体层212施加有限的正向截止电压以及通过集电极220给集电极半金属磁性层216施加有限的正向截止电压(VCB>0)时，具有高动能的热电子可通过隧穿绝缘的发射极-基极隧道势垒210从发射极流向基极，因此流向自旋无带隙半导体。热电子分别流过基极区或自旋无带隙半导体212，借此一些电子保持了其高能量并且到达集电极。因此，可重构的磁隧道晶体管的状态可通过向基极213施加电压来控制。
根据本发明的磁隧道晶体管200的特别的优点是，其可在两个方向中传导电流，类似于常规的MOSFETs。常规的热载流子隧道晶体管不可同时在两个方向中传导电流。
图8b说明了在根据本发明的磁隧道晶体管200中可阻止漏电流(即，从基极到集电极的电流)，或至少将其降低到可忽略的程度的原理。在晶体管的图8b所示的状态中，给集电极220施加了有限的偏压(VCB>0)，其在操作中通常是连续的。由于在集电极上没有电压(VBE＝0)，因此磁隧道晶体管200处于截止状态。没有或几乎没有电流流到集电极的截止状态的存在是由于在集电极半金属磁性层216中，不存在少数自旋电子在费米能以上的状态，并且因此基极的在费米能以下被占据的少数自旋价带的热电子(即能量激发的电子)的隧穿可被阻止，或至少被抑制，尽管对于集电极电压VCB>0。
集电极的自旋激发隙GVB(见图1)，即在费米能和少数自旋价带之间的距离，决定了可阻止或几乎阻止基极-集电极漏电流的最大集电极电压。特别地，对于这里使用的发射极半金属磁性层208和/或集电极半金属磁性层216的半金属磁性材料，该值小于1eV。因此，可特别成功地抑制从基极到集电极的电子隧穿。
现在，图8c说明了允许电子从发射极流到集电极，特别是经过基极，即临时存在于基极中或穿过基极的机理。如果给基极213施加正偏压(VBE>0)并且给集电极220施加正偏压(VCB>0)，这为标准情况，由于磁隧道晶体管200的HMM-I-SGS隧道节160的电子结构，热电子可从发射极隧穿绝缘的发射极-基极隧道势垒210到达基极，因此发射极半金属磁体层208、发射极-基极隧道势垒210和自旋无带隙半导体212会允许这种隧穿过程。由于发射极的在费米能以下在纵轴左侧的被占据的多数自旋能带的热电子可迁移到基极的在费米能以上在纵轴左侧的未被占据的多数自旋能带。这些热电子中的一些(其已经通过这种方式到达基极区)则可根据其能量立刻进一步隧穿到集电极并且越过基极-集电极隧道势垒214，这也是由于这里磁隧道晶体管200的HMM-I-SGS隧道节160，因此自旋无带隙半导体层212、基极-集电极隧道势垒214、集电极半金属磁体层2016会允许这种隧穿过程。由于集电极的在费米能以上且在纵轴左侧的多数自旋能带未被占据。这些电子中的一些在基极中被热化并且产生基极电流IB。发射极电流IE是基极电流和集电极电流的和：IE＝IB+IC。
但是，如上文根据图8b的描述，电子从在费米能以下在纵轴右侧的被占据的少数自旋能带仍不可以或几乎不可以从基极迁移或隧穿到集电极，这是由于集电极没有在费米能中的在纵轴右侧的可到达的少数自旋能带。这是由于这里存在带隙GVB、GCB。
对于根据本发明的磁隧道晶体管200和根据本发明的磁隧道二极管100，这使得能够分别选择隧道势垒210、216或隧道势垒110的尽可能小的厚度和高度，以提高部件的性能，这是由于隧道电流会随着势垒厚度和高度的降低而指数地提高。
与根据本发明的磁隧道二极管100类似，根据本发明的磁隧道晶体管200允许通过反转自旋无带隙半导体层212的磁化方向来构造。
这可通过施加外部磁场或通过电流感应自旋转移矩机制(也称为电流感应磁化反转)来实现。为此目的，要施加比工作电流大的电流。
图9a显示了由FeVZrSi合金制成的自旋无带隙半导体层212的沿布里渊区中的高度对称的线的自旋分辨电子能带结构。实线显示了多数自旋电子的能带结构。
虚线显示了少数自旋电子的能带结构。纵轴上的值以下面方式给出：费米能为0eV并且以水平虚线画出。如图9a所示，多数自旋电子的价带在Γ-点(以圆圈标出)处与费米能相邻。
少数自旋电子的最低导带在K和Γ点(也以圆圈标出)之间的点处与费米能相邻。因此，多数自旋电子的价带和少数自旋电子的导带没有间接自旋激发隙。因此，FeVZrSi合金的评价能验证自旋无带隙半导体的存在并且因此能在根据本发明的磁隧道二极管的第二实施方案例子中用作自旋无带隙半导体112以及在根据本发明的磁隧道晶体管的第二实施方案例子中用作自旋无带隙半导体层212。
图9b通过类似于图1的DOS表示方法说明了存在自旋无带隙半导体。在费米能以下在纵轴左侧的多数自旋能带(以水平虚线画出)在纵轴与费米能的交叉点处与少数能带相邻，所述少数能带在费米能以上在纵轴的右侧。
图9b的在自旋之间分辨的态密度(DOS)图是在整个布里渊区中在图9a的特定能量范围内(这里：-6eV到4eV)的所有K点上的积分计算得到的。图9a和9b中的能带结构和态密度是通过使用密度泛函理论在交换关联泛函的广义梯度近似中以20×20×20的密度K点网格来计算的。
根据本发明的隧道二极管和根据本发明的隧道晶体管的具体应用包括磁场传感器、存储元件例如STT-MRAM中的具有逻辑门或自旋逻辑门的模块和开关。
特别地，自旋无带隙半导体112的材料层包括FeCrXZ、FeVXZ'和/或MnVXZ"，这里X＝Ti、Zr或Hf，Z＝B、Al、Ga或In，Z'＝C、Si、Ge、Sn以及Z"＝N、P、As或Sb。这特别适用于磁隧道二极管100和/或磁隧道晶体管200。
磁隧道二极管(图2)和/或磁隧道晶体管(图6)的半金属磁体108和自旋无带隙半导体112不必须为上述实施例中给出的三维化合物或物质的混合物。存在有很多具有半金属磁体性质的像原子那样薄的二维材料，因此是半磁性的，和/或无自旋激发隙的半导体性质，因此为自旋无带隙半导体。这种的实施例(特别是具有半导体性质的无自旋激发隙的化合物)为氢化石墨烯、VX2和/或NbX2(X＝O、S、Se、Te)。这些材料的厚度(特别是二维半金属磁体和/或自旋无带隙半导体)特别为至少0.1nm或至少1nm和/或最多2nm。
特别地，磁隧道二极管100和/或磁隧道晶体管200包括层厚为至少0.1nm的半金属磁体(108)材料层。
特别地，磁隧道二极管100和/或磁隧道晶体管200包括层厚为至少0.1nm的自旋无带隙半导体(112)材料层。
特别地，自旋无带隙半导体(112)材料层包括或其组成为以下材料，其具有仅一个原子层的厚度，基本为二维，即具有二维结构，和/或其像一个原子一样薄。这特别适用于磁隧道二极管100和/或磁隧道晶体管200。
特别地，自旋无带隙半导体(112)材料层包括或其组成为氢化石墨烯，VX2和/或NbX2，这里X＝O、S、Se、Te。
在本发明的涉及构造和/或重构磁隧道二极管和/或磁隧道晶体管的电流导通方向的方法的方面，其中为了反转隧道二极管的自旋无带隙半导体的磁化方向，对隧道二极管的半金属磁体和/或隧道晶体管的自旋无带隙半导体层施加比工作电流大的电流或激活外部磁场，工作电流确定方式如下：
工作电流等于电流密度乘以二极管或晶体管的横截面积。工作电流可标记为“I”。
横截面积是指正交于电流方向而延伸的面积。电流方向是用于构造和/或重构磁隧道二极管和/或磁隧道晶体管的电流路径方向的电流方向。在图2和6中，在观察方向中，电流方向是竖直的和横截面水平地延伸。
特别地，横截面积由长和宽的乘积限定，这里长和/或宽为至少5nm、优选为至少50nm，和/或最多200nm，优选最多150nm。
特别地，长度和宽度为100nm，以及优选地在隧道通道处横截面积为10000nm。
特别地，电流密度为至少107A/cm2。
在一个实施方案中，工作电流为107A/cm2×100nm×100nm×100nm＝10-3A。
Claims (49)
1.一种磁隧道二极管（100），包括用于与电路相连的两个端子以及隧道节（160），所述隧道节（160）具有半金属磁体材料层（108）、隧道势垒材料层（110）和自旋无带隙半导体材料层（112）。
2.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）具有固定的磁化方向，以及所述自旋无带隙半导体材料层（112）具有能重构的磁化方向。
3.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）具有固定的磁化方向，以及所述半金属磁体材料层（108）具有能重构的磁化方向。
4.根据上述权利要求中任一项所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，用于固定所述半金属磁体材料层（108）或自旋无带隙半导体材料层（112）的磁化方向的固定层（104），所述固定层（104）与所述隧道节（160）相邻。
5.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为至少0.1nm。
6.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为最多50nm。
7.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为0.1nm-50nm。
8.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为最多40nm。
9.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为0.1nm-40nm。
10.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为最多30nm。
11.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为0.1nm-30nm。
12.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为至少1nm。
13.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为1nm-50nm。
14.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为1nm-40nm。
15.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为1nm-30nm。
16.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为至少5nm。
17.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为5nm-50nm。
18.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为5nm-40nm。
19.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为5nm-30nm。
20.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为至少10nm。
21.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为10nm-50nm。
22.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为10nm-40nm。
23.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述半金属磁体材料层（108）的层厚为10nm -30nm。
24.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为至少0.1nm 。
25.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为最多40nm。
26.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为0.1nm-40nm。
27.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为最多20nm。
28.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为0.1nm-20nm。
29.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为最多8nm。
30.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为0.1nm-8nm。
31.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为至少1nm。
32.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为1nm-40nm。
33.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为1nm-20nm。
34.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为1nm-8nm。
35.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为至少2nm。
36.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为2nm-40nm。
37.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为2nm-20nm。
38.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）的层厚为2nm-8nm。
39.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）包括FeCrXZ、FeVXZ'和/或MnVXZ"，其中X=Ti、Zr或Hf，Z=B、Al、Ga或In，Z'=C、Si、Ge、Sn，和Z"=N、P、As或Sb。
40.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）包括FeVTiSi、FeVZrSi和/或FeVZrGe。
41.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）包括具有仅一个原子层厚度的材料，或由其组成。
42.根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100），其特征在于，所述自旋无带隙半导体材料层（112）包括氢化石墨烯、VX2和/或NbX2，或由其构成，其中X = O、S、Se、Te。
43.一种磁隧道晶体管（200），包括用于与电路相连的三个端子，以及层结构，具有权利要求1的磁隧道二极管（100）的隧道节（160），包括发射极半金属磁性层（208）、发射极-基极隧道势垒（210）、自旋无带隙半导体层（212）、基极-集电极隧道势垒（214）和集电极半金属磁性层（216）。
44.根据权利要求43所述的磁隧道晶体管（200），其特征在于，所述层结构具有与权利要求1相同的层顺序。
45.一种构造和/或重构根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100）的电流导通方向的方法，其中，为了反转所述自旋无带隙半导体材料层（112）、和/或所述半金属磁体材料层（108）的磁化方向，施加比工作电流更大的电流或激活外部磁场。
46.一种构造和/或重构根据权利要求43所述的磁隧道晶体管（200）的电流导通方向的方法，其中，为了反转所述自旋无带隙半导体层（212）的磁化方向，施加比工作电流更大的电流或激活外部磁场。
47.自旋无带隙半导体材料层（112）在根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100）中的用途，或自旋无带隙半导体层（212）在根据权利要求43所述的磁隧道晶体管（200）中的用途，以获得非易失性和/或电流导通方向的重构能力。
48.自旋无带隙半导体材料层（112）在根据权利要求1所述的磁隧道二极管（100）中的用途，或自旋无带隙半导体层（212）在根据权利要求43所述的磁隧道晶体管（200）中的用途，以获得反隧道磁阻效应。
49.根据权利要求47或48的用途，其特征在于，所述磁隧道二极管（100）的半金属磁体材料层（108）、所述磁隧道晶体管（200）的发射极半金属磁性层（208）或集电极半金属磁性层（216）由铁磁体材料或亚铁磁材料制成。
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