CN111384233A - 巨磁致电阻器件、磁子场效应晶体管和磁子隧道结 - Google Patents

巨磁致电阻器件、磁子场效应晶体管和磁子隧道结 Download PDF

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Abstract

本发明涉及巨磁致电阻器件、磁子场效应晶体管和磁子隧道结。一种巨磁致电阻器件可包括：第一铁磁绝缘层；设置在所述第一铁磁绝缘层上的非磁导电层；以及设置在所述非磁导电层上的第二铁磁绝缘层。一种磁子场效应晶体管可包括：第一铁磁区域、第二铁磁区域和第三铁磁区域，其每个由铁磁材料形成，其中所述第二铁磁区域由铁磁绝缘材料形成；第一反铁磁区域，位于所述第一铁磁区域和所述第二铁磁区域之间，由反铁磁材料形成；第二反铁磁区域，位于所述第二铁磁区域和所述第三铁磁区域之间，由反铁磁材料形成；以及栅极，覆盖所述第二铁磁区域。铁磁和反铁磁材料都可以由金属、合金、半导体和绝缘体构成。

Description

巨磁致电阻器件、磁子场效应晶体管和磁子隧道结
本申请是申请日为2017年12月25日、题为“巨磁致电阻器件、磁子 场效应晶体管和磁子隧道结”的发明专利申请201711415711.5的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及磁器件领域，更特别地，涉及一种基于铁磁绝缘材料 的巨磁致电阻器件、以及磁子场效应晶体管和磁子隧道结。
背景技术
自1975年在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电阻(TMR)效应以及1988 年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(GMR)以来，自旋电子学中的物理和 材料科学的研究和应用取得了很大进展，尤其是磁性隧道结中自旋相关电子 的隧穿输运性质和隧穿磁电阻效应已成为凝聚态物理中的重要研究领域之 一。1995年Miyazaki等人和Moderola等人分别在“铁磁金属/Al-O绝缘势 垒/铁磁金属”中发现了高的室温隧穿磁电阻效应，再次掀起了磁电阻效应的 研究浪潮。在器件应用方面，1993年Johnson提出了一种由铁磁性金属发射 极、非磁性金属基极和铁磁性金属集电极组成的“铁磁性金属/非磁性金属/ 铁磁性金属”三明治全金属自旋晶体管结构(参见M.Johnson的文章Science 260(1993)320)。这种全金属晶体管的速度可与半导体Si器件相比拟，但能 耗低10-20倍，密度高约50倍，且耐辐射，具有记忆功能，可以应用于未 来量子计算机的各种逻辑电路、处理器等；1994年，IBM研发出利用巨磁 电阻效应的读头，使硬盘存储密度提高17倍，达到3Gb/in2。
传统的GMR自旋阀结构采用了“磁层/间隔层/磁层”的三明治结构， 其中磁层由铁磁导电材料形成，间隔层一般使用诸如Cu、Ru之类的非磁导 电金属层。电流可以垂直或沿面内流过GMR自旋阀结构，利用两个磁层的 磁矩的平行和反平行配置来产生磁致电阻。在该GMR自旋阀结构中，磁层 虽然有调制电子自旋属性的作用，但是其导电性一般不如导电间隔层，因此 当电子在导电磁层中传输时，一定程度上会影响磁致电阻的大小以及噪声属性等。
另一方面，场效应晶体管(Effect-Field Transistor)是现代半导体电子器 件中的核心元件，但基于电荷的传统场效应晶体管的高功耗问题阻碍了电子 器件尺寸的进一步缩小，这限制了半导体行业的未来的发展，所谓的摩尔定 律(即每隔18个月电子器件的集成度会翻一番)也越来越走到了它的尽头。 因此，不管从实际应用还是从科学研究的角度出发，寻找一种超越传统的基 于电荷的场效应晶体管变得越来越吸引人们的关注和研究。虽然Johnson等 人提出的全金属自旋晶体管结构具有一些优异的特性，但是其仍使用电子作 为信号载体，利用磁矩对电子信号进行调制，在信号强度和噪声特性方面仍 有许多不足。
可见，传统的磁电器件仍有许多不足，影响了其实际应用。因此，需要 继续探索新的磁器件，以克服现有技术中的上述或其他不足之处。
发明内容
一示例性实施例提供一种巨磁致电阻器件，包括：第一铁磁绝缘层；设 置在所述第一铁磁绝缘层上的非磁导电层；以及设置在所述非磁导电层上的 第二铁磁绝缘层。
在一些示例中，所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层中的每个包 括以下材料中的一种或多种：R3Fe5O12、MFe2O4、Fe3O4、BaFe12O19、以及 SrFe12O19，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、 Yb或Lu，M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co。
在一些示例中，所述非磁导电层包括以下材料中的一种或多种：Cu、 Ru、Ag、Cr、以及Au。
在一些示例中，所述第一铁磁绝缘层具有固定磁化，所述第二铁磁绝缘 层具有随外磁场而改变的自由磁化。
在一些示例中，所述非磁导电层的厚度小于其自旋扩散长度的三倍。
另一示例性实施例提供一种磁子场效应晶体管，包括：第一铁磁区域、 第二铁磁区域和第三铁磁区域，其每个由铁磁材料形成，其中所述第二铁磁 区域由铁磁绝缘材料形成；第一反铁磁区域，位于所述第一铁磁区域和所述 第二铁磁区域之间，由反铁磁材料形成；第二反铁磁区域，位于所述第二铁 磁区域和所述第三铁磁区域之间，由反铁磁材料形成；以及栅极，覆盖所述 第二铁磁区域。
在一些示例中，所述铁磁材料包括铁磁绝缘材料和铁磁导电材料，且所 述反铁磁材料包括反铁磁绝缘材料和反铁磁导电材料。
在一些示例中，所述铁磁绝缘材料包括以下材料中的一种或多种： R3Fe5O12、MFe2O4、Fe3O4、BaFe12O19、以及SrFe12O19，其中R是Y、Pr、 Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，M是Mn、Zn、Cu、 Ni、Mg或Co。
在一些示例中，所述反铁磁绝缘材料包括以下材料中的一种或多种：NiO、 CoO。
在一些示例中，所述反铁磁导电材料包括以下材料中的一种或多种： IrMn、PtMn、AuMn、FeMn、PdMn、NiMn。
在一些示例中，所述第一铁磁区域、所述第二铁磁区域和所述第三铁磁 区域的磁矩彼此平行。
另一示例性实施例提供一种磁子逻辑器件，包括上述磁子场效应晶体管。
在一些示例中，所述磁子场效应晶体管配置为逻辑“非”门，其中所述 栅极配置为逻辑输入端，所述第一铁磁区域和所述第三铁磁区域中的任一个 配置为逻辑输出端。
另一示例性实施例提供一种磁子隧道结，包括：第一铁磁层，由铁磁材 料形成；第一反铁磁层，位于所述第一铁磁层上，由反铁磁材料形成；以及 第二铁磁层，位于所述第一反铁磁层上，由铁磁材料形成。
在一些示例中，所述铁磁材料包括铁磁绝缘材料和铁磁导电材料，所述 反铁磁材料包括反铁磁绝缘材料和反铁磁导电材料。
在一些示例中，所述第一铁磁层具有固定磁化，所述第二铁磁层具有随 外磁场而改变的自由磁化。
在一些示例中，所述磁子隧道结还包括：第二反铁磁层，位于所述第二 铁磁层上，由反铁磁材料形成；以及第三铁磁层，位于所述第二反铁磁层上， 由铁磁材料形成。
在一些示例中，所述第一铁磁层和所述第三铁磁层的磁矩彼此平行。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的 描述变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明一示例性实施例的巨磁致电阻(GMR)器件的层结构 示意图。
图2A、2B和2C是图1的巨磁致电阻(GMR)器件的一些变型例的示 意图。
图3是根据本发明一示例性实施例的磁子场效应晶体管的结构示意图。
图4是图3的磁子场效应晶体管的能带示意图。
图5是磁子透射系数与磁子频率的关系曲线。
图6是对于处于特定共振隧穿频率的磁子，其透射系数与施加的栅极电 场之间的关系。
图7是根据本发明一示例性实施例的磁子场效应晶体管用作逻辑器件时 的示意图。
图8A和8B是根据本发明一示例性实施例的磁子隧道结的层结构示意 图。
图9A、9B和9C是图8A的磁子单势磊隧道结的一些变型例的示意图。
图10A、10B和10C是图8B的磁子双势磊隧道结的一些变型例的示意 图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。注意，附图可能不是按 比例绘制的。
图1是根据本发明一示例性实施例的巨磁致电阻(GMR)器件100的层 结构示意图。如图1所示，GMR器件100包括第一铁磁绝缘层110、第二铁 磁绝缘层130、以及位于二者之间的非磁导电层120。
第一铁磁绝缘层110和第二铁磁绝缘层130每个都可以由铁磁绝缘材料 形成，其示例包括但不限于：R3Fe5O12，其中R可以是Y、Pr、Nd、Sm、 Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；MFe2O4，其中M可以是Mn、 Zn、Cu、Ni、Mg和Co；以及Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19等。
在一些示例中，第一铁磁绝缘层110可具有运行期间不变的固定磁化方 向，如实线箭头所示；而第二铁磁绝缘层130可具有可随外磁场而改变的自 由磁化方向，如双向虚线箭头所示。第一铁磁绝缘层110的磁化方向可通过 各种方式来固定，例如通过反铁磁钉扎、硬磁钉扎、人工反铁磁结构(SAF)、 自钉扎等，这些方式都是本领域已知的，因此不再对其一一详细描述。
还应注意，虽然图1示出了面内磁化方向，但是第一铁磁绝缘层110和 第二铁磁绝缘层130也可以具有垂直磁化方向。本领域技术人员可以理解的 是，第一铁磁绝缘层110和第二铁磁绝缘层130的磁化方向的设置可以类似 于传统GMR自旋阀结构中的两个铁磁导电层的磁化方向的设置。
非磁导电层120可以由具有较长的自旋扩散长度的导电材料形成，例如 但不限于Cu、Ru、Ag、Cr、Au等。
在GMR器件100中，电流仅可以在非磁导电层120的面内流动，如空 心箭头所示。但是，由于在与第一和第二铁磁绝缘层110、130的界面处的 散射，器件100也能表现出GMR效应，其原理与传统的GMR器件基本相 同。简言之，当第一铁磁绝缘层110和第二铁磁绝缘层130的磁化方向彼此 相同时，与磁矩相同极性的电子受到的散射较小，因此GMR器件100的电 阻较低；当第一铁磁绝缘层110和第二铁磁绝缘层130的磁化方向彼此相反 时，所有电子都受到较大的散射，因此GMR器件100的电阻较高，从而表 现出磁致电阻效应。当与传统GMR器件的最大区别在于，在GMR器件100 中，电子仅在非磁导电层120中流动，而不会在铁磁绝缘层110和130中流 动。这样，由于非磁导电层120具有良好的导电性，因此能够获得改善的信 噪比，而且能够有助于获得更高的磁致电阻。
可以理解，在GMR器件100中，由于第一和第二铁磁绝缘层110、130 不参与电子输运，因此对其厚度无特殊限制，仅需考虑提供合适的磁矩即可。 而对于非磁导电层120，优选地，其厚度小于其自旋扩散长度。
图2A、2B和2C是图1的巨磁致电阻(GMR)器件的一些变型例的示 意图。在图1中，第一和第二铁磁绝缘层110、130每个都具有面内磁化， 并且彼此平行或反平行。在图2A的示例中，第一和第二铁磁绝缘层110、 130可具有彼此平行或反平行的垂直磁化；或者，如图2B所示，第一和第 二铁磁绝缘层110、130可以一个具有面内磁化，另一个具有垂直磁化。虽然图2B示出了第一铁磁绝缘层110具有垂直磁化，但是也可以相反，其具 有面内磁化，而第二铁磁绝缘层130具有垂直磁化。在图2C的例子中，第 一和第二铁磁绝缘层110、130每个都具有面内磁化，但是在没有外磁场时， 自由磁层130的磁矩可以相对于参考磁层110成大约90度角。图2B和2C 的示例尤其适合应用在各种磁传感器器件中。
上面描述了单个非磁导电层120的情况，本领域技术人员可以理解，本 发明的GRM器件100还可以包括在自由磁层130的与第一非磁导电层120 相反的一侧形成的第二非磁导电层(未图示)，以及在第二非磁导电层上形 成的第三铁磁绝缘层。此时，电流在两个非磁导电层内流动。这种结构类似 于传统的以及下面描述的双势垒结构。在这种结构的三个铁磁层中，中间铁 磁层用作共用自由层，上下两个铁磁层用作参考磁层，这三个铁磁层可以具 有面内磁矩，也可以具有垂直磁矩，或者面内磁矩和垂直磁矩的组合，如下 面参照图8B以及图10A-10C描述的那样。
还可以理解，本发明的GRM器件100可以代替传统的GMR器件应用 于各个领域，例如用作磁读头或磁传感器等。
图3是根据本发明一示例性实施例的磁子场效应晶体管200的结构示意 图。如图3所示，磁子场效应晶体管200包括第一铁磁区域210、第二铁磁 区域220、第三铁磁区域230、以及分别位于相邻的铁磁区域之间的第一反 铁磁区域240和第二反铁磁区域250。
第一铁磁区域210、第二铁磁区域220和第三铁磁区域230每个都可以 由铁磁材料形成。铁磁材料包括铁磁导电材料和铁磁绝缘材料，其中第二铁 磁区域220由铁磁绝缘材料形成，第一和第三铁磁区域210、230可由铁磁 导电或绝缘材料形成。铁磁导电材料已经广泛应用于现有的诸如自旋阀、隧 道结之类的磁器件中，因此这里不再赘述。可用于本发明的铁磁绝缘材料的 示例包括但不限于：R3Fe5O12，其中R可以是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、 Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；MFe2O4，其中M可以是Mn、Zn、Cu、 Ni、Mg和Co；以及Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19等。优选地，第一铁磁区 域210、第二铁磁区域220和第三铁磁区域230的磁矩彼此平行。
第一反铁磁区域240和第二反铁磁区域250每个都可以由反铁磁材料形 成，包括反铁磁导电材料和反铁磁绝缘材料。反铁磁导电材料的示例包括但 不限于IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn等，反铁磁绝缘材料的 示例包括但不限于NiO、CoO等。
此外，上面描述的铁磁和反铁磁材料都可以由金属、合金、半导体和绝 缘体等构成。
磁子场效应晶体管200还包括覆盖在中间铁磁区域，即第二铁磁区域220上的栅极260。栅极260可以使用半导体领域常用的栅极材料形成，其 示例包括但不限于金属、金属硅化物、多晶硅等。由于第二铁磁区域220由 铁磁绝缘材料形成，所以栅极260可以与第二铁磁区域220直接接触。当第 一和第二反铁磁区域240、250由导电材料形成时，优选地，栅极260与第 一和第二反铁磁区域240、250电隔离。
下面参照图4来描述磁子场效应晶体管200的工作原理，其中图4是磁 子场效应晶体管200的能带示意图。本发明人发现，磁子在反铁磁层中的带 隙要远大于在铁磁层中的带隙，因此反铁磁层240和250对于磁子而言相当 于一个等效的势垒层，而两层反铁磁层之间的铁磁层构成了磁子的势阱，其 中的磁子能级是量子化的。因此，与电子的共振隧穿类似，当第二铁磁区域 220中的量子化磁子能级处于适当位置时，即可实现磁子的共振隧穿。
栅极260可通过向中间铁磁层220施加电场来诱导DMI (Dzyaloshinsky-MoriyaInteraction)相互作用，以实现对磁子的量子阱能级 的调控，进而实现对共振隧穿的磁子流进行调控，即实现了磁子场效应晶体 管的功能。图4中的右图示出了通过栅极260向中间铁磁绝缘层220施加电 场E之后，铁磁绝缘层220中的磁子能级EL的变化，其中实线示出施加电 场E之前的能级位置，虚线示出施加电场E之后的能级位置。可以看出，施 加电场E后，能级对应的能量降低了。通过栅极260调控中间铁磁绝缘层 220中的量子化能级的位置，即可控制磁子流的共振隧穿，从而实现磁子场 效应晶体管功能。
可以理解，“导电”和“绝缘”是关于电子而言的概念，而在本发明的 磁子场效应晶体管中，代替电子，使用磁子作为信号载体。与电子相对照， 铁磁材料就是磁子的导体，反铁磁材料就是磁子的绝缘体。因此，在上述磁 子场效应晶体管中，第一至第三铁磁区域210、220和230都有铁磁材料形 成，而第二铁磁区域220因为要利用电场来调制其中的磁子能级，所以其由 铁磁绝缘材料形成，而第一和第三铁磁区域210和230仅用于传导磁子，不涉及电场调制，所以可以由铁磁导电或绝缘材料形成。这样，实现了完全以 磁子作为传输信号流的器件。
图5是磁子透射系数与磁子频率之间的关系曲线。从图5的曲线图可以 看出，当施加例如108V/m的电场后，相对于栅极电场为0V/m时磁子的共 振隧穿频率发生了向左(低频)方向移动。
图6是对于处于特定共振隧穿频率的磁子，其透射系数与施加的栅极电 场之间的关系。如图5所示，当初始处于共振隧穿状态时，磁子的透射系数 几乎为1，即所有该频率的磁子都可以通过共振隧穿而穿过两个势磊，晶体 管处于导通状态。随着所施加的电场增大，中间铁磁绝缘层220中的量子能 级发生偏移，共振隧穿现象减弱，磁子的透射率逐渐降低。当所施加的电场 达到一定强度，例如108V/m时，磁子的透射率几乎降低到零，共振隧穿现 象几乎不发生，晶体管处于截止状态。
还应理解的是，当不存在外加电场时，中间铁磁绝缘层220中的量子化 能级的位置取决于势阱宽度，两侧势垒高度等。因此，也可以通过适当地设 置晶体管200中各个层的参数，使得在初始状态，即没有外加磁场时，晶体 管处于截止状态；而在施加适当的电场时，晶体管处于导通状态。
不同于传统的使用电子作为信号载体的半导体或自旋晶体管，本发明的 晶体管完全使用磁子作为信号载体，而在晶体管内不涉及任何电子的传输。 磁子可像电子一样携带角动量，可以作为信息的载体。不同的是，由于不涉 及电荷的运动，这使得磁子在传输的过程中将不会产生焦耳热，因此利用其 进行信息处理和操作将有低功耗的特点。
应理解，本发明的磁子晶体管可以与传统电路一起使用。例如，在晶体 管的一端，可以在自旋霍尔效应(SHE)材料中利用自旋轨道耦合效应来从 电信号生成磁子流，并且将其注入到晶体管的一端；在晶体管的另一端，可 以接收共振隧穿的磁子流，并且将其同样在自旋霍尔效应材料中转换成电压 或电流信号。另一方面，本发明的磁子晶体管也可以使用在将来的纯磁子电 路中。
本发明的磁子晶体管可以代替传统晶体管应用于许多领域，图7示出一 示例，其中本发明的磁子场效应晶体管被用作逻辑器件。
如图7所示，可以将栅极定义为输入端，栅极电压为逻辑输入，透射端 定义为输出端，透射的磁子流为逻辑输出。应理解，本发明的磁子场效应晶 体管具有对称结构，因此第一铁磁区域210和第三铁磁区域230中的任一个 都可以用作磁子流输入端，另一个用作磁子流输出端。因此，第一铁磁区域 210和第三铁磁区域230中的任一个都可以用作逻辑输出端。当不施加栅极 电压时定义为输入“0”，这时对于处于特定共振隧穿的磁子能完全透射过去， 磁子场效应晶体管处于开启(ON)状态，对应输出“1”；而当施加一个合 适大小的栅极电压时定义为输入“1”，这可通过移动共振能级使磁子完全不 能透射，这时磁子场效应晶体管处于关闭(OFF)状态，对应输出“0”。因 此，这样的单个磁子场效应晶体管可实现“非”的逻辑操作。一旦逻辑“非” 操作能够实现，其他的所有逻辑功能，如“与”、“或”等，原则上可以通过 多个这样的磁子场效应晶体管它们之间的级联组合实现。
上面描述了磁子场效应晶体管，本领域技术人员可以理解，其中利用了 磁子双势垒隧道结(由层210-250构成)。本发明的另一些实施例还提供这 样的磁子隧道结，包括图8A所示的单势垒隧道结和图8B所示的双势垒隧 道结。如图8A所示，磁子单势垒隧道结300包括第一和第二铁磁层310和 330，以及位于之间的第一反铁磁层320。第一和第二铁磁层310和330可由 铁磁导电或绝缘材料制成，第一反铁磁层320可由反铁磁导电或绝缘材料制成。第一铁磁层310可用作参考磁层，第二铁磁层330可用作自由磁层，第 一反铁磁层320用作势垒层。第一和第二铁磁层310和330的磁化取向可影 响磁子的隧穿几率。当第一和第二铁磁层310和330的磁化方向彼此平行时， 磁子的隧穿几率高，隧道结的磁阻低；当第一和第二铁磁层310和330的磁 化方向彼此反平行时，磁子的隧穿几率低，隧道结的磁阻高。
图8B示出磁子双势垒隧道结300'，其在单势垒隧道结300的基础上， 还包括第二反铁磁层340和第三铁磁层350，其中第二反铁磁层340位于第 二和第三铁磁层330和350之间。同样，第三铁磁层350可由铁磁导电或绝 缘材料制成，第二反铁磁层340可由反铁磁导电或绝缘材料制成。第三铁磁 层350也具有固定磁矩，其与第一铁磁层310的磁矩彼此平行，第二铁磁层 330用作自由磁层。根据第二铁磁层330的磁化方向处于平行或反平行状态， 磁子隧穿经过第一和第二反铁磁层320和340的几率为高或者低，从而双势 垒隧道结的磁阻为低或者高。虽然上面示出了单势磊和双势磊，但是可理解， 本发明的磁子隧道结可包括三个势磊或更多势磊。
应理解，就磁属性而言，本发明的磁子隧道结与现有技术中使用电子作 为传输流的隧道结相同，因此传统隧道结的许多方面也可以应用到本发明的 磁子隧道结，包括但不限于磁矩的偏置和钉扎、磁化方向配置为面内、垂直 或它们的组合，等等。这里不再对这些方面进行一一赘述。
图9A、9B和9C是图8A的磁子单势磊隧道结的一些变型例的示意图， 图10A、10B和10C是图8B的磁子双势磊隧道结的一些变型例的示意图。 在图9A中，第一和第二铁磁层310和330都具有垂直磁化；在图9B中， 第一和第二铁磁层310和330中的一个具有垂直磁化，一个具有面内磁化； 在图9C中，第一和第二铁磁层310和330都具有面内磁化，但是在没有外磁场时，其磁化方向可彼此成大约90度角。类似地，在图10A中，第一、 第二和第三铁磁层310、330和350都具有垂直磁化；在图10A中，第一、 第二和第三铁磁层310、330和350都具有垂直磁化；在图10B中，第一和 第三铁磁层310和350具有垂直磁化，第二铁磁层330具有面内磁化，或者 第一和第三铁磁层310和350具有面内磁化，第二铁磁层330具有垂直磁化；在图10C中，第一、第二和第三铁磁层310、330和350都具有面内磁化， 但是在没有外磁场时，第一和第三铁磁层310和350的磁化方向与第二铁磁 层330的磁化方向成大约90度角。本领域技术人员可以理解，可以针对不 同的应用场景来配置各个铁磁层的磁化方向。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本 发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和 实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子 组合。

Claims (11)

1.一种磁子场效应晶体管，包括：
第一铁磁区域、第二铁磁区域和第三铁磁区域，其每个由铁磁材料形成，其中所述第二铁磁区域由铁磁绝缘材料形成；
第一反铁磁区域，位于所述第一铁磁区域和所述第二铁磁区域之间，由反铁磁材料形成；
第二反铁磁区域，位于所述第二铁磁区域和所述第三铁磁区域之间，由反铁磁材料形成；以及
栅极，覆盖所述第二铁磁区域。
2.如权利要求1所述的磁子场效应晶体管，其中，所述铁磁材料包括铁磁绝缘材料和铁磁导电材料，且
所述反铁磁材料包括反铁磁绝缘材料和反铁磁导电材料。
3.如权利要求2所述的磁子场效应晶体管，其中，所述铁磁绝缘材料包括以下材料中的一种或多种：R3Fe5O12、MFe2O4、Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19、以及它们的掺杂化合物，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co，
其中，所述反铁磁绝缘材料包括以下材料中的一种或多种：NiO、CoO，且
所述反铁磁导电材料包括以下材料中的一种或多种：IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn。
4.如权利要求1所述的磁子场效应晶体管，其中，所述第一铁磁区域、所述第二铁磁区域和所述第三铁磁区域的磁矩彼此平行。
5.一种磁子逻辑器件，包括权利要求1至4中的任一项所述的磁子场效应晶体管。
6.如权利要求5所述的磁子逻辑器件，其中，所述磁子场效应晶体管配置为逻辑“非”门，其中所述栅极配置为逻辑输入端，所述第一铁磁区域和所述第三铁磁区域中的任一个配置为逻辑输出端。
7.一种磁子隧道结，包括：
第一铁磁层，由铁磁材料形成；
第一反铁磁层，位于所述第一铁磁层上，由反铁磁材料形成；以及
第二铁磁层，位于所述第一反铁磁层上，由铁磁材料形成。
8.如权利要求7所述的磁子隧道结，其中，所述铁磁材料包括铁磁绝缘材料和铁磁导电材料，且
其中，所述反铁磁材料包括反铁磁绝缘材料和反铁磁导电材料。
9.如权利要求7所述的磁子隧道结，其中，所述第一铁磁层具有固定磁化层，所述第二铁磁层具有随外磁场而改变的自由磁化层。
10.如权利要求7所述的磁子隧道结，还包括：
第二反铁磁层，位于所述第二铁磁层上，由反铁磁材料形成；以及
第三铁磁层，位于所述第二反铁磁层上，由铁磁材料形成。
11.如权利要求10所述的磁子隧道结，其中，所述第一铁磁层和所述第三铁磁层的磁矩彼此平行，所述第二铁磁层具有随外磁场而改变的自由磁化层。
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