DE102021206526A1

DE102021206526A1 - Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102021206526A1
Application number: DE102021206526.0A
Authority: DE
Inventors: Ersoy Şaşioǧlu; Ingrid Mertig
Original assignee: Martin Luther Univ Halle Wittenberg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Current assignee: Martin Luther Univ Halle Wittenberg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2022-12-29
Also published as: WO2022268467A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand, die zwei Anschlüsse (112, 114, 212, 214) zum Anschließen an eine elektrische Schaltung sowie einen Tunnelkontakt (160, 260) mit einer ersten Materialschicht (106, 206) aus einem Kaltmetall, einer isolierenden Materialschicht einer Tunnelbarriere (108, 208) und einer zweiten Materialschicht (110, 210) aus einem Kaltmetall umfasst. Dadurch kann ein hohes Verhältnis von Spitzenstrom IPzu Talstrom Iverreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand und ein Herstellungsverfahren.
Tunneldioden in Form einer Esaki-Diode oder einer resonanten Tunneldiode sind als herkömmliche Tunneldioden mit negativem differentiellen Widerstand (NDR) bekannt. Die Esaki-Diode ist eine stark dotierte (entartete) Diode mit p-n-Übergang (siehe z. B. US3033714A ), bei der der Elektronentransport im Kontaktbereich durch quantenmechanisches Tunneln unter Vorwärtsspannung erfolgt und die einen negativen differentiellen Widerstand (NDR) aufweist, d. h. der elektrische Strom nimmt mit steigender Vorspannung ab. 1a zeigt schematisch die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V) einer Esaki-Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand. Das Verhältnis von Spitzenstrom I_P zu Talstrom Iv (siehe 1), im Folgenden als PVCR abgekürzt, ist ein Leistungsmaß für solche NDR-Bauelemente. Konventionelle Esaki-NDR-Tunneldioden aus Si, Ge oder Verbindungshalbleitem wie GaAs, GaSb besitzen kleine PVCR-Werte von weniger als 20. Die I-V-Charakteristik und die PVCR-Werte der Esaki-NDR-Tunneldioden werden hauptsächlich durch die Bandstruktur der Bulk-Halbleiter bestimmt. Resonante NDR-Tunneldioden können mehr als einen negativen differentiellen Widerstandsbereich aufweisen, der typischerweise von der Anzahl der Barrieren abhängt. Derzeitige typische Anwendungen für Tunneldioden mit negativem differentiellen Widerstand sind Schaltkreisanwendungen, die einen Mindest-PVCR von nur etwa 3 benötigen. Es gibt NDR-Resonanztunneldioden auf der Basis von Si/SiGe- oder III-V-Halbleitermaterialien wie InAlAs/lnGaAs, die größere PVCR-Werte von etwa 70 aufweisen.
Da das Quantentunneln ein extrem schneller Prozess ist, können herkömmliche Bauelemente, die auf Tunneldioden basieren, mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeiten, d.h. im Terahertz-Frequenzbereich. Speicheranwendungen erfordern einen PVCR-Wert von z.B. mehr als 10⁴ (siehe z.B. Proceedings of the IEEE 87, 571-595 (1999)). Herkömmliche NDR-Tunneldioden können jedoch keinen so großen PVCR-Wert liefern.
Im Bereich der Tunneldioden haben sich viele Entwicklungen auf p- oder n-dotierte Materialien für Metall-Isolator-Metall (MIM)-Dioden konzentriert, wie in US20150014630A1 , EP3734669A1 oder WO2019233481A1. Andere Tunneldioden sind z. B. in US20170110564A1 und US20160155829A1 offengelegt.
Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale können allein oder in beliebiger Kombination mit einem der nachfolgend beschriebenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden.
Ziel ist es, eine weiterentwickelte Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand bereitzustellen.
Das Problem wird durch die Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand nach Anspruch 1 und das Verfahren nach dem anderen unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zur Lösung des Problems wird eine Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand bereitgestellt, die im Folgenden auch als NDR-Tunneldiode bezeichnet wird. Die NDR-Tunneldiode umfasst zwei Anschlüsse zum Anschließen an eine elektrische Schaltung sowie einen Tunnelkontakt mit einer ersten Materialschicht aus einem Kaltmetall, einer isolierenden Materialschicht aus einer Tunnelbarriere und einer zweiten Materialschicht aus einem Kaltmetall. Das Kaltmetallmaterial der ersten und zweiten Materialschicht kann dasselbe Kaltmetallmaterial oder unterschiedliche Kaltmetallmaterialien sein.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine neue Art von NDR-Tunneldiode zur Verfügung.
Dieser neue Typ von NDR-Tunneldioden auf Kaltmetallbasis weist große PVCR-Werte zwischen 10² und 10¹⁰ auf. Speicher- und Logikanwendungen werden dadurch durch diesen neuen Typ von NDR-Tunneldioden auf Kaltmetallbasis ermöglicht. Darüber hinaus benötigt dieser neue Typ von NDR-Tunneldioden kein halbleitendes Material und auch kein dotiertes Material in der ersten und zweiten Materialschicht, was dazu beiträgt, damit zusammenhängende Probleme zu vermeiden, die später im Detail beschrieben werden.
Eine Diode ist im Allgemeinen ein elektronisches Bauteil mit zwei Elektroden, die mit Anschlüssen verbunden sind, um einen elektrischen Stromfluss nur in einer Richtung durchzulassen und einen Stromfluss in der entgegengesetzten Richtung zu sperren. Eine Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand (NDR) ist eine Diode, bei der der elektrische Strom mit steigender Vorspannung abnimmt. Das Verhältnis von Spitzenstrom I_P zu Talstrom I_v (PVCR) ist ein Leistungsindikator.
In einer Ausführungsform sind die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht aus demselben Kaltmetallmaterial. Dadurch lassen sich hohe PVCR-Werte zuverlässig und mit geringem Fertigungsaufwand erreichen.
In einer Ausführungsform ist neben dem Tunnelkontakt mindestens eine dielektrische Schicht, insbesondere eine dielektrische Substratschicht, zum Aufbringen der ersten Materialschicht, der isolierenden Materialschicht - einer Tunnelbarriere und/oder der zweiten Materialschicht vorgesehen. Dadurch kann eine zuverlässige Funktion mit hohen PVCR-Werten erreicht werden. Bei der dielektrischen Schicht kann es sich um eine untere und/oder obere Abdeckschicht handeln. Die dielektrische Schicht isoliert den aktiven Bauelementbereich elektrisch. Vorzugsweise ermöglicht eine erste dielektrische Substratschicht die Abscheidung der ersten Materialschicht und der beiden Anschlüsse. Vorzugsweise schützt eine zweite dielektrische Abdeckschicht den Tunnelkontakt und die Anschlüsse. Insbesondere befinden sich die erste und die zweite dielektrische Schicht auf gegenüberliegenden Seiten des Tunnelkontakts, vorzugsweise senkrecht zu einer Längsachse der ersten Materialschicht. In einer Ausführungsform sind die langen Achsen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht parallel zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise ist eine Längsachse der Tunnelbarriere oder der Isolationsschicht parallel zur ersten dielektrischen Schicht und/oder zur zweiten dielektrischen Deckschicht ausgerichtet. Insbesondere sind die Längsachsen der mindestens einen dielektrischen Schicht, vorzugsweise zweier dielektrischer Schichten, und/oder einer Substratschicht parallel zu der ersten dielektrischen Schicht und/oder der zweiten dielektrischen Schicht ausgerichtet.
In diesem Dokument wird der Begriff „lange Achse“ verwendet, um die Richtung zu beschreiben, in der sich eine Schicht erstreckt. Mit anderen Worten, eine „lange Achse“ ist senkrecht zu einer kurzen Achse orientiert, die in Richtung der Dicke einer Schicht ausgerichtet ist. Eine lange Achse einer Schicht ist parallel zur größten Oberfläche der Schicht ausgerichtet. Insbesondere kann eine lange Achse einen Querschnitt (wie z. B. in den 5 und 6 gezeigt) zusammen mit einer kurzen Achse definieren, die senkrecht zur langen Achse steht, wobei ein solcher Querschnitt beide Anschlüsse und/oder alle Schichten eines Tunnelkontakts oder der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand kreuzt (zeigt).
In einer Ausführungsform kann das Kaltmetall dadurch identifiziert werden, dass es in einer Darstellung der Zustandsdichte (DOS) der Elektronen des Kaltmetalls (in Abhängigkeit von der Energie E) eine Leitungsbandbreite (CBW) ausgehend von einem Fermi-Energie-Niveau (E_F) in Richtung höherer Energie (E), eine Valenzbandbreite (VBW) ausgehend vom Fermi-Energie-Niveau (E_F) in Richtung niedrigerer Energie (E), eine Leitungsbandlücke (CBG) angrenzend an die Leitungsbandbreite (CBW) in Richtung höherer Energie (E) und eine Valenzbandlücke (VBG) angrenzend an die Valenzbandbreite (VBW) in Richtung niedrigerer Energie (E) aufweist. Somit gilt die Breite von CBW > 0 und VBW > 0. Dadurch können erhöhte PVCR-Werte ermöglicht werden, d.h. es können erhöhte PVCR-Werte mit einer Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand erreicht werden, indem für die erste und/oder zweite Materialschicht ein Kaltmetallmaterial entsprechend ausgewählt wird, das die jeweilige Charakteristik von CBW, VBW, CBG und/oder VBG aufweist.
In einem Diagramm mit DOS [Einheit ist willkürlich; sie kann als Anzahl verschiedener Zustände bei einer bestimmten Energie E interpretiert werden, die Elektronen einnehmen dürfen, d.h. die Anzahl der Elektronenzustände pro Volumeneinheit bei einer bestimmten Energie E] auf einer horizontalen Achse und der Energie E [in eV] auf einer vertikalen Achse wie z. B. in 2 gezeigt, liegt die in dieser Ausführungsform beschriebene Konfiguration von CBW, VBW, CBG und VBG mindestens auf der linken Seite (Majoritätsspin) oder auf der rechten Seite (Minoritätsspin) einer vertikalen Achse vor. Das heißt, dass diese Konfiguration von CBW, VBW, CBG und VBG nur auf einer Seite der vertikalen Achse liegen kann (wie in 2a). Es ist auch möglich, dass CBW und VBW nur auf einer Seite der vertikalen Achse um das Fermi-Energieniveau liegen (also nur für einen Majoritäts- oder Minoritätsspin) und im gesamten Energiebereich von CBW, VBW, CBG und VBG kein Leitungs- oder Valenzband auf der anderen Seite der vertikalen Achse vorhanden ist (wie in 2c). Es ist auch möglich, dass die CBW und VBW, vorzugsweise auch CBG oder VBG, auf beiden Seiten der vertikalen Achse im Wesentlichen symmetrisch zur vertikalen Achse sind (wie in 2d). Es ist auch möglich, dass das Leitungsband und/oder das Valenzband um das Fermi-Energie-Niveau herum zu höherer oder niedrigerer Energie verschoben sind, wenn man beide Seiten der vertikalen Achse vergleicht (wie in 2b).
Vorzugsweise ist VBG > (CBW + VBW). Dadurch können erhöhte PVCR-Werte ermöglicht werden.
Vorzugsweise ist CBG > CBW+VBW. Dadurch können erhöhte PVCR-Werte ermöglicht werden.
Vorzugsweise erstreckt sich die CBW von 0 eV bis zu einer Energie, die größer als Null und kleiner als 1 eV ist. Vorzugsweise erstreckt sich die VBW von 0 eV bis zu einer Energie, die kleiner als Null und größer als -1 eV ist. Dadurch können erhöhte PVCR-Werte ermöglicht werden.
Insbesondere handelt es sich bei dem Kaltmetall nicht um einen Halbleiter und/oder nicht um ein dotiertes Material. Insbesondere wird das Kaltmetall nicht in Metall-Isolator-Metall (MIM)-Materialien oder MIM-Dioden verwendet.
In einer Ausführungsform beträgt eine Schichtdicke der ersten Materialschicht und/oder eine Schichtdicke der zweiten Materialschicht höchstens 20 nm, vorzugsweise höchstens 1 nm, besonders bevorzugt etwa 0,6 nm. Vorzugsweise sind die erste Materialschicht und/oder die zweite Materialschichtmenge als eine einzige Monolage oder höchstens 50 Atomlagen vorgesehen.
In einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Isolierstoffschicht einer Tunnelbarriere höchstens 5 nm, vorzugsweise höchstens 1 nm, besonders bevorzugt etwa 0,3 nm.
In einer Ausführungsform ist das Kaltmetall ein Material mit spinpolarisiertem Grundzustand, insbesondere ein magnetisches Kaltmetall, vorzugsweise ein ferromagnetisches Kaltmetall, ein halbmetallisches ferromagnetisches Kaltmetall oder ein antiferromagnetisches Kaltmetall. Alternativ kann das Kaltmetall auch ein paramagnetisches Kaltmetall sein. Dadurch können erhöhte PVCR-Werte ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform ist das Kaltmetall TaX₂, mit X = S, Se oder Te. Dadurch können erhöhte PVCR-Werte ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform ist der Tunnelkontakt ein planarer Tunnelkontakt, bei dem die erste Materialschicht, die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere und die zweite Materialschicht in einer Ebene angeordnet sind und/oder jeweils die Dicke von vorzugsweise nur einer Monolage haben. So kann der Tunnelkontakt an den zur Verfügung stehenden Raum angepasst werden und trotzdem erhöhte PVCR-Werte liefern. insbesondere sind die erste Materialschicht, die Isoliermaterialschicht und die zweite Materialschicht in genau dieser Reihenfolge in Längsachsenrichtung hintereinander angeordnet, wobei sich vorzugsweise alle drei Schichten in der gleichen oder im Wesentlichen der gleichen Längsachsenrichtung erstrecken. In einer Ausführungsform besteht der gesamte planare Tunnelkontakt (oder die NDR-Vorrichtung) aus einer Monoschicht, die ein mit der isolierenden Tunnelbarriere verbundenes einlagiges Kaltmetallmaterial (eine Monolage) und ein zweites einlagiges Kaltmetallmaterial umfasst. Insbesondere sind die angestrebten Dicken aller drei Schichten gleich, was in der Realität - je nach Genauigkeit des Herstellungsverfahrens - zu Abweichungen von 20 % bis 100 % führen kann, insbesondere im Falle einer Dicke von nur einer Monolage. Eine Dicke von z.B. fünf oder zehn Monolagen kann typischerweise recht genau hergestellt werden. Insbesondere bei der Herstellung von Schichten mit einer idealerweise rechteckigen Form mit aneinanderstoßenden Rändern kann es in der Praxis je nach Genauigkeit des Herstellungsverfahrens zu einer Überlappung im Bereich von höchstens 10 % oder 20 % der Fläche in Längsrichtung kommen.
Insbesondere werden alle drei Schichten auf der gesamten Unterseite durch dieselbe erste dielektrische Schicht abgedeckt. Von der Oberseite her deckt die zweite dielektrische Deckschicht ebenfalls alle drei Schichten ab, aber das Ende der ersten Materialschicht, das nicht an die Isolierschicht stößt, und das Ende der zweiten Materialschicht, das ebenfalls nicht an die Isolierschicht stößt, werden durch den ersten bzw. zweiten Anschluss abgedeckt und fixiert.
In einer Ausführungsform werden die erste Materialschicht, die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere und die zweite Materialschicht auf einer Oberfläche der mindestens einen dielektrischen Substratschicht aufgebracht, die an den planaren Tunnelkontakt angrenzt.
In einer Ausführungsform ist der Tunnelkontakt ein vertikaler Tunnelkontakt. Die erste Materialschicht, die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere und die zweite Materialschicht sind in diesem Fall gestapelt angeordnet. Alle drei Schichten sind dann in Richtung der kurzen Achse, d.h. der Dickenrichtung, übereinander angeordnet. Alle drei Schichten, vorzugsweise auch die dielektrische Boden- und/oder Abdeckschicht, sind parallel zueinander angeordnet. Die langen Achsen der parallelen Schichten liegen parallel zueinander.
In einer Ausführungsform sind die erste Materialschicht, die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere und/oder die zweite Materialschicht in einem versetzten Winkel zueinander verdreht. Dadurch kann eine erhöhte Leitfähigkeit erreicht werden. Verdrehte (engl. twisted) Schichten sind mit einem Versatzwinkel relativ zueinander angeordnet. Der Versatzwinkel misst eine Drehung einer Schicht in der Schichtebene, d. h. um eine Achse, die orthogonal zu den Schichten ausgerichtet ist. Die Schichten sind parallel zueinander angeordnet. Eine parallele Anordnung oder eine Anordnung unter einem Versatzwinkel beruht auf der atomaren Struktur der Schichten, die ein sich wiederholendes Muster von angeordneten Atomen bildet. Wenn beispielsweise eine Schicht aus mehreren parallelen und/oder linearen Reihen von Atomen besteht, kann die Ausrichtung einer solchen Reihe als Nullwinkel angenommen werden. Wenn eine andere Schicht parallel zu der Schicht angeordnet ist, die den Nullwinkel definiert, und die Ausrichtung ihrer Atomreihen mit dem Nullwinkel übereinstimmt, ist der Versatzwinkel Null. Und wenn die andere Schicht so gedreht wird, dass ihre Atomreihen einen Winkel relativ zu den Atomreihen der Schicht bilden, die den Nullwinkel definiert, ist dieser gebildete Winkel der Versatzwinkel.
In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Materialschicht verdreht und/oder die erste Materialschicht ist in einem versetzten Winkel zur zweiten Materialschicht angeordnet. Dadurch kann eine erhöhte Leitfähigkeit erreicht werden. Wenn die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht im Tunnelkontakt (vertikaler Tunnelkontakt) übereinander angeordnet sind, sind die erste und die zweite Materialschicht vorzugsweise verdreht (relativ zueinander). Die Schichten werden verdreht, indem sie in einer Position angeordnet werden, in der die erste Materialschicht eine andere rotative Orientierung als die zweite Schicht hat. Das heißt, die erste und die zweite Materialschicht haben einen Rotationsversatz. Diese Drehung erfolgt um eine Achse, die orthogonal zu den ersten und zweiten Materialschichten verläuft. Vorzugsweise beträgt der Versatzwinkel mindestens 0,5° und/oder höchstens 10°, besonders bevorzugt sind etwa 1,1 °. Dadurch kann eine erhöhte Leitfähigkeit erreicht werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Versatzwinkel zwischen 11° und 365° liegen. In einer Ausführungsform sind die erste Materialschicht und die Tunnelbarriere verdreht und/oder die erste Materialschicht ist mit einem Versatzwinkel relativ zur Tunnelbarriere angeordnet. In einer Ausführungsform sind die zweite Materialschicht und die Tunnelbarriere verdreht und/oder die zweite Materialschicht ist relativ zur Tunnelbarriere winkelversetzt angeordnet. In einer Ausführungsform ist die Tunnelbarrierenschicht gegenüber der ersten und zweiten Materialschicht verdreht und/oder alle drei Schichten (Tunnelbarriere, erste und zweite Materialschicht) sind gegeneinander verdreht.
In einer Ausführungsform, insbesondere bei einer vertikalen Tunnelverbindung, ragt die erste Materialschicht in horizontaler Richtung, d. h. in Längsrichtung, aus der Isoliermaterialschicht der Tunnelbarriere heraus, um mit dem ersten Anschluss verbunden zu werden. Alternativ oder zusätzlich ragt die zweite Materialschicht in einer entgegengesetzten horizontalen Richtung aus der Isoliermaterialschicht der Tunnelbarriere heraus, um mit dem zweiten Anschluss verbunden zu werden.
In einer Ausführungsform füllt die mindestens eine dielektrische Schicht einen horizontalen Raum zwischen einem der Anschlüsse und der Tunnelbarriere aus. Wenn sich beispielsweise die erste Materialschicht am Boden der Tunnelbarriere befindet und die Isolierschicht nach links vorsteht, erreicht das vorstehende Ende den ersten Anschluss. Die Dicke des Anschlusses ist vorzugsweise doppelt oder dreifach so groß wie die Dicke der ersten Materialschicht. Insbesondere erstreckt sich ein vertikaler (rechter) Rand des ersten Anschlusses vertikal, vorzugsweise ausgehend von der Oberseite der ersten Materialschicht, insbesondere deren vorstehendem Teil. Der erste Anschluss wird vorzugsweise auf den Endabschnitt des vorstehenden Endes der ersten Materialschicht und auf die erste dielektrische Schicht vor diesem Ende der ersten Materialschicht aufgebracht. Insbesondere bildet der vertikale Rand des Anschlusses eine L-Form mit dem vorstehenden Abschnitt der ersten Materialschicht, der nicht von dem Anschluss und nicht von der Isolierschicht bedeckt ist. Vorzugsweise bildet diese L-Form zusammen mit den gegenüberliegenden Enden der Isolierschicht und der zweiten Materialschicht eine U-Form. In einer Ausführungsform wird ein U-förmiger Raum zwischen dem Anschluss und der Verbindungsstelle gebildet. Dieser Raum wird insbesondere durch eine dielektrische Schicht ausgefüllt, die somit eine T-Form hat.
In einer Ausführungsform ist der Tunnelkontakt zwischen den beiden Anschlüssen in Richtung der Längsachsen der ersten und zweiten Materialschicht angeordnet, die parallel zueinander verlaufen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand, das die folgenden Schritte umfasst:

- Abscheiden einer ersten Materialschicht aus einem Kaltmetall, insbesondere auf einem dielektrischen Substrat, einer isolierenden Materialschicht aus einer Tunnelbarriere und einer zweiten Materialschicht aus einem Kaltmetall; und
- Aufbringen eines ersten Anschlusses auf die erste Materialschicht und des zweiten Anschlusses auf die zweite Materialschicht.

In einer Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt eine dielektrische Schicht, vorzugsweise eine Deckschicht, auf den Tunnelkontakt und die Anschlusselektroden aufgebracht.
Dadurch kann eine Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand mit den oben im Zusammenhang mit dem jeweiligen Aspekt der Offenbarung beschriebenen Vorteilen, deren Definitionen und Ausführungsformen auch für diesen Aspekt der Offenbarung gelten, erreicht werden.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft die Verwendung der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand aus einem der vorhergehenden Aspekte der Offenbarung, um einen negativen differentellen Widerstand zu erhalten, oder für Speicher- und/oder Logikanwendungen. Auch für diesen Aspekt der Offenbarung gelten die obigen Definitionen und Ausführungsformen.
Weitere Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der folgenden Abbildungen beschrieben:

1a ist eine schematische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V) herkömmlicher Dioden mit negativem Widerstand wie Esaki-Dioden;
1b ist eine schematische Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V) herkömmlicher Dioden mit negativem differentiellen Widerstand und Resonanztunnel.
2 (a) ist eine schematische Darstellung der Zustandsdichte (DOS) der Elektronen in einem paramagnetischen Kaltmetall;
2 (b) ist eine schematische Darstellung der spinaufgelösten Zustandsdichte (DOS) der Elektronen in einem ferromagnetischen Kaltmetall;
2 (c) ist eine schematische Darstellung der spinaufgelösten Zustandsdichte (DOS) der Elektronen in einem ferromagnetischen halbmetallischen Kaltmetall;
2 (d) ist eine schematische Darstellung der spinaufgelösten Zustandsdichte (DOS) der Elektronen in einem antiferromagnetischen Kaltmetall;
3a ist eine schematische Seitenansicht einer atomaren Struktur einer Monolage aus z. B. TaSe₂ oder NbSe₂ einer NDR-Tunneldiode gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3b ist eine schematische Draufsicht auf die Monolage aus 3a;
4a ist ein Diagramm, das die elektronische Bandstruktur eines einlagigen Kaltmetalls einer NDR-Tunneldiode gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
4b ist ein Diagramm, das die Zustandsdichte des monolagigen Kaltmetalls der NDR-Tunneldiode von 4a zeigt;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht der Schichten einer vertikalen NDR-Tunneldiode gemäß der vorliegenden Offenbarung mit elektrischen Anschlüssen;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht der Schichten einer planaren NDR-Tunneldiode gemäß der vorliegenden Offenbarung mit elektrischen Anschlüssen;
7a ist eine schematische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V), der NDR-Tunneldiode z.B. aus 5;
7b ist eine schematische Darstellung des Energiebanddiagramms der NDR-Tunneldiode für verschiedene angelegte Vorspannungen;
8a bis 8c: Schematische Querschnittsdarstellungen der Schichten einer vertikalen NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Einzel- ( 8a), Doppel- (8b) oder Dreifachbarrieren-Tunnelübergängen (8c);
9a bis 9c: Schematischer Querschnitt durch die Schichten einer planaren NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Einzel- ( 9a), Doppel- (9b) oder Dreifachbarrieren-Tunnelübergängen (9c).

1a zeigt schematisch die I-V-Charakteristik der Esaki-Tunneldiode, bei der der Tunnelstrom durch den Übergang mit zunehmender Spannung auf einen Spitzenwert I_P ansteigt und dann auf einen charakteristischen Talwert I_v abfällt, d. h. die I-V-Charakteristik der Tunneldiode nimmt die Form eines N an. In der Festkörperelektronik ist der NDR-Effekt eine Eigenschaft einiger Tunneldioden, bei der ein Anstieg der Spannung an den Elektroden der Diode zu einem Rückgang des Stroms durch die Diode führt. Die Entdeckung des quantenmechanischen Tunnelns durch Esaki (siehe Dokument US3033714A ) in stark dotierten Ge-p-n-Übergängen hat das erste Festkörperbauelement mit NDR-Eigenschaften hervorgebracht. In einer Ausführungsform kann auch die Tunneldiode der vorliegenden Offenbarung eine N-Form annehmen. Der erste Abschnitt der I-V-Kurve, in dem das Tunneln stattfindet, hat eine positive Steigung, während der Bereich mit negativer Steigung das Tunneln beendet. Allgemein gesprochen ist es also das Fehlen des Tunnelns, das den NDR-Effekt hervorruft.
Die PVCR-Werte bekannter Esaki-Tunneldioden sind in der Regel klein, zwischen 2 und 20, was sie für Speicheranwendungen ungeeignet macht. Die I-V-Charakteristik der Esaki-Tunneldioden wird z. B. durch die Bandstruktur der Bulk-Halbleiter bestimmt, und es gibt im Allgemeinen drei verschiedene Mechanismen, die zur Stromdichte unter Vorwärtsspannung beitragen: i) Interband-Tunneln, ii) Überschussstrom durch defektunterstütztes Tunneln und iii) Diffusionsstrom. Der zweite Mechanismus, d. h. das defektunterstützte Tunneln, kann Probleme verursachen (siehe z. B. IEEE Transactions on Electron Devices, 57, 11, (2010)). Ein weiteres Problem bei halbleiterbasierten Tunneldioden ist die Kontrolle der Dotierung an der Grenzfläche des Übergangkontakts. Ein nicht unterbrochener Dotierungsübergang zwischen dem n-Typ-Bereich und dem p-Typ-Bereich kann die Leistung dieser Bauelemente verringern. Da die Abmessungen der Bauelemente jedoch immer kleiner werden, wird die präzise Kontrolle der Dotierung auf atomarer Ebene schwierig oder sogar unmöglich. Esaki-Dioden, die auf halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogeniden basieren, weisen bei Raumtemperatur einen PVCR von etwa 1,8 auf [siehe Nano Lett. 15, 5791 (2015)].
1b zeigt schematisch die I-V-Kennlinie einer herkömmlichen resonanten Tunneldiode (RTD), die einen NDR-Effekt aufweisen kann. RTDs werden typischerweise in III-V- (wie InAlAs/lnGaAs) und II-VI-Verbindungshalbleitersystemen realisiert, wobei Heteroübergänge aus verschiedenen III-V- (II-VI-) Verbindungshalbleitern verwendet werden, um die doppelten, dreifachen oder mehrfachen Potenzialbarrieren im Leitungs- oder Valenzband zu erzeugen. Je nach Anzahl der Barrieren können die RTDs mehrere NDR-Bereiche aufweisen. Ein Nachteil von III-V-RTDs ist die Verwendung von III-V-Verbindungshalbleitern, deren Verarbeitung mit der derzeitigen Siliziumverarbeitungstechnologie nicht kompatibel ist und deren Kosten recht hoch sind. Bei RTDs sind die gemessenen PVCR-Werte durch einen Wert von etwa 70 bei Raumtemperatur begrenzt.
In einer Ausführungsform der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung ermöglicht der NDR-Effekt Anwendungen in Speicher- und Logikschaltungen. Da das Quantentunneln ein extrem schneller Prozess ist, kann ein Bauelement, das auf einer solchen Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung basiert, bei sehr hohen Frequenzen, d. h. im Terahertz-Bereich, arbeiten. In einigen Ausführungsformen, die später ausführlicher beschrieben werden, sind in den I-V-Kennlinien der RTDs mehrere NDR-Bereiche vorhanden, was stabile Zustände ermöglicht, die die Anzahl der Bauelemente und die Komplexität der Schaltungen bei erhöhter Funktionalität pro Bauelement verringern und den Stromverbrauch für Schaltvorgänge in Logik- und Speicheranwendungen senken.
Für typische Schaltungsanwendungen wie Oszillatoren, Verstärker usw. ist ein Mindest-PCR-Wert von etwa 3 erforderlich. Für Speicher- und Logikanwendungen beispielsweise ist jedoch ein weitaus höherer PVCR-Wert erforderlich, den herkömmliche NDR-Dioden nicht bieten können, so dass sie derzeit nicht für Speicher- und Logikanwendungen verwendet werden können.
Die Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung überwindet das Problem des niedrigen PVCR-Werts herkömmlicher Tunneldioden und kann PVCR-Werte von mindestens 10² und/oder höchstens 10⁶ oder sogar höchstens 10¹⁰ erreichen, insbesondere bei Raumtemperatur. In einer Ausführungsform ist eine Verwendung der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung eine Logikanwendung, vorzugsweise ein schneller Schalter, ein Hochfrequenzoszillator oder eine neuromorphe Rechenvorrichtung. insbesondere ist eine Verwendung der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung eine Speicheranwendung, vorzugsweise SRAM.
Die vorgesehene Tunneldiode kommt insbesondere ohne Halbleiterelement und/oder Dotierung aus. Sie hat insbesondere eine einfache Struktur mit zwei Kaltmetallmaterialschichten (Elektroden), die jeweils mit einem Anschluss verbunden sind, und/oder einer dünnen Tunnelbarriere. Insbesondere kann eine Betriebsfrequenz im THz-Bereich erreicht werden. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz in der Ultra-Hochgeschwindigkeitselektronik. Die I-V-Charakteristik und die PVCR-Werte der neuartigen Kaltmetall-Tunneldiode der vorliegenden Offenbarung können durch eine Bandbreite um das Fermi-Niveau und Energielücken über und unter dem Fermi-Niveau der konstituierenden Kaltmetalle bestimmt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der neue Typ der NDR-Tunneldiode der vorliegenden Offenbarung einen sehr hohen PVCR-Wert ermöglicht, der für Logik- und/oder Speicheranwendungen, wie SRAM, geeignet ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der neue Typ der NDR-Tunneldiode der vorliegenden Offenbarung halbleiterfrei hergestellt werden kann, wodurch der Herstellungsaufwand und die Kosten reduziert werden, insbesondere auf der Nanometerebene. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Gegensatz zu herkömmlichen NDR-Bauelementen, die auf Halbleitern mit gleichmäßiger p- und n-Dotierung basieren, was bei immer kleineren Bauelementabmessungen immer schwieriger wird, die neuartige NDR-Tunneldiode der vorliegenden Offenbarung auf sehr kleine Größen, insbesondere im Nanometerbereich, skalierbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei herkömmlichen NDR-Bauelementen der Bereich des negativen differentiellen Widerstands auf sehr niedrige Spannungen, in der Regel zwischen 0,1 V und 0,6 V, begrenzt ist und sie sich daher nicht für Hochleistungsanwendungen eignen, während dieser Bereich bei der neuen Art von NDR-Tunneldiode der vorliegenden Offenlegung über die Materialauswahl abgestimmt werden kann. Kaltmetalle sind die Schlüsselkomponenten des neuen Typs der NDR-Tunneldiode der vorliegenden Offenbarung. In einer Ausführungsform ist das Kaltmetall ein zweidimensionales Material oder wird in der Diode der vorliegenden Offenbarung als zweidimensionales Material bereitgestellt. Insbesondere sind zweidimensionale Materialien in einer Richtung begrenzt und haben eine blattähnliche Morphologie, die z. B. durch mikroskopische Techniken identifiziert werden kann. Zweidimensionale Materialien erstrecken sich in zwei Dimensionen (Blattebene) bis über die Nanoskala hinaus und/oder in einer Dimension (Dickenrichtung) nur in einer oder wenigen Atomschichten.
Die Breite des Bandes unterhalb des Fermi-Niveaus E_F wird hier mit „VBW“, oberhalb des Fermi-Niveaus E_F mit „CBW“, die Lücken im Valenzband mit „VBG“ und die Lücken im Leitungsband mit „CBG“ bezeichnet. Dabei stehen VBW und VBG für Valenzbandbreite bzw. Valenzbandlücke.
2 zeigt ein schematisches Bild der Zustandsdichte (DOS) verschiedener Arten von kaltem Metall. 2 (a) zeigt ein schematisches DOS-Bild eines paramagnetischen Kaltmetalls. Bei dem Kaltmetall handelt es sich um ein paramagnetisches Kaltmetall, d. h. es ist nicht spinpolarisiert. Wie man sieht, besitzt ein Kaltmetall Zustände (schmales Band) um das Fermi-Niveau E_F und Lücken im Valenz- und Leitungsband (siehe auch 4). Insbesondere ist das Kaltmetall ein zweidimensionales Material. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform ist das Kaltmetall 1H TaX₂, 2H TaX₂, 1H NbX₂ oder 2H NbX₂ (X = S, Se oder Te). „H“ steht für hexagonale Symmetrie. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Kaltmetall um ein Kaltmetall aus Übergangsmetalldichalkogeniden handeln.
2 (b), 2 (c) und 2 (d) zeigen DOS-Darstellungen, bei denen die Majoritätsspinbänder auf der linken Seite der vertikalen Achse und die Minoritätsspinbänder auf der rechten Seite dargestellt sind. In einer Ausführungsform (siehe z. B. 2 (b), 2 (c) und/oder 2 (d)) ist das Kaltmetall ein Material mit spinpolarisiertem Grundzustand, das kaltmetallisches Verhalten zeigt. 2 (b) zeigt die DOS eines ferromagnetischen Kaltmetalls mit einer kleinen Austauschaufspaltung. CBW und VBW sind um bis zu 30 % in Richtung höherer oder niedrigerer Energie verschoben, wenn man beide Seiten der vertikalen Achse vergleicht, also für Minoritäts- und Majoritätsspins. 2 (c) zeigt die DOS eines halbmetallischen Kaltmetalls, insbesondere bei einem zweidimensionalen Material. CBW und VBW sind nur für einen der beiden Spins (Majoritäts- und Minoritätsspin) vorhanden, insbesondere nur für den Majoritätsspin. In einer Ausführungsform ist das halbmetallische Kaltmetall eines von AgF₂, CoCl₂, DySBr, DySI, FeBr₂, Fel₂, NdOBr, SmOBr und V₂I₆. 2 (d) zeigt die schematische DOS eines antiferromagnetischen Kaltmetalls. Das Valenz- und das Leitungsband (CBW, VBW) sind für Majoritäts- und Minoritätsspin ähnlich oder gleich. Bei dem antiferromagnetischen Kaltmetall handelt es sich um ein zweidimensionales Material wie Fe₂I₆, V₂ClO₂, V₂BrO₂ und Cr₂P₂S₆.
Mit Hilfe der Photoemissions- und der inversen Photoemissionsspektroskopie lassen sich die Eigenschaften eines Kaltmetalls nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen messen. Auf diese Weise kann die elektronische Struktur eines Materials und damit die Eigenschaften eines Kaltmetalls ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die spinaufgelöste Photoemissionsspektroskopie zur direkten Identifizierung der elektronischen Struktur von magnetischen Materialien verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie zur indirekten Identifizierung der elektronischen Struktur von magnetischen Materialien verwendet werden, die jedoch nur begrenzte Informationen über die elektronische Struktur von magnetischen Materialien liefert.
3 zeigt die atomare Struktur eines schichtförmigen Kaltmetalls wie NbSe₂ oder TaSe₂, bei dem eine Ebene aus Nb- oder Ta-Atomen von Ebenen aus Se-Ionen umschlossen wird. Diese drei Schichten bilden eine Monolage aus NbSe₂. Massives NbSe₂ besteht aus gestapelten Monolagen, die durch schwache van-der-Waals-Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Kristallines NbSe₂ kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor, darunter 1H, 2H und 4H. „H“ steht für hexagonale Symmetrie.
4a zeigt eine elektronische Bandstruktur der NbSe₂-Verbindung, insbesondere der Verbindung aus 3, entlang der hohen Symmetrielinien in der Brillouin-Zone. Das Kaltmetall weist insbesondere eine H-Struktur auf. 4a zeigt ein Kaltmetall mit einer H-Struktur. Die gestrichelte Linie kennzeichnet das Fermi-Niveau E_F, das auf die Energie Null gesetzt ist. Wie in 4a zu sehen ist, ist ein einzelnes Band, das das Fermi-Niveau kreuzt, von den übrigen Bändern entkoppelt, was zu einem kaltmetallischen Verhalten führt. Die Valenzbandlücke (VBG) liegt insbesondere bei etwa 1 eV, während die Leitungsbandlücke (CBG) etwas größer ist, vorzugsweise mindestens 10 % oder 20 % größer, was auch aus 4b ersichtlich ist.
veranschaulicht das Vorhandensein eines Kaltmetalls mit Hilfe der DOS-Darstellung in Analogie zu 2, indem eine Leitungsbandbreite (CBW) ausgehend von einem Fermi-Energie-Niveau (E_F) zu höherer Energie (E), eine Valenzbandbreite (VBW) ausgehend vom Fermi-Energie-Niveau (E_F) zu niedrigerer Energie (E), eine an die Leitungsbandbreite (CBW) angrenzende Leitungsbandlücke (CBG) zu höherer Energie (E) und eine an die Valenzbandbreite (VBW) angrenzende Valenzbandlücke (VBG) zu niedrigerer Energie (E) gezeigt werden.
4b zeigt insbesondere eine Zustandsdichte (DOS) der NbSe₂-Verbindung aus 4a. Die relativen Größen der VBG, CBG sowie die Valenz- und Leitungsbandbreite können zur Bestimmung der I-V-Eigenschaften der NDR-Tunneldiode verwendet werden. Die in den und gezeigte Bandstruktur und Zustandsdichte können mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie im Rahmen der verallgemeinerten Gradientenapproximation (GGA-1/2) für das Austausch-Korrelations-Funktional mit einem dichten k-Punkt-Gitter von 40 × 40 × 1 berechnet werden.
5 zeigt eine vertikale NDR-Tunneldiode 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Sie hat vorzugsweise einen Aufbau in Form eines Materialschichtstapels mit übereinander angeordneten und/oder fest miteinander verbundenen Schichten. Die Tunneldiode 100 umfasst vorzugsweise eine Trägerschicht bzw. ein Substrat 102, wie z.B. einen Siliziumwafer, eine dielektrische Schicht 104, darauf angeordnete Elektroden in Form von Kaltmetallmaterialschichten 106, 110 und die Tunnelbarriere 108. Die Kaltmetallschichten 106 und 110 sind jeweils mit Anschlüssen 114 und 112 verbunden, um den vertikalen NDR-Tunneldiodenkontakt 160 mit einem externen Stromkreis, insbesondere mit der Spannung V, elektrisch zu verbinden. Vorzugsweise ist auf dem vertikalen Tunnelkontakt 160 und/oder den Anschlüssen 112 und 114 eine weitere dielektrische Deckschicht 116 ausgebildet. Der vertikale Tunnelbarrierenkontakt 160 umfasst oder besteht aus drei Schichten, nämlich einer Kaltmetallmaterialschicht 106, einer isolierenden Tunnelbarriere 108 und einer weiteren Kaltmetallmaterialschicht 112. In dem Tunnelbarrierenkontakt 160 findet der elektrische Transport in vertikaler Richtung statt. Zusätzlich zu der in 5 gezeigten vertikalen NDR-Tunneldiode kann auch eine planare Diode unter Verwendung von Kaltmetallen realisiert werden.
6 zeigt eine planare NDR-Tunneldiode 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die NDR-Tunneldiode umfasst eine Trägerschicht oder ein Substrat 202, z. B. einen Siliziumwafer, eine dielektrische Schicht 204, darauf angeordnete Elektroden in Form von Kaltmetallmaterialschichten 206, 210 und eine Tunnelbarriere 208. Die Kaltmetallschichten 206 und 210 sind jeweils mit Anschlüssen 214 und 212 verbunden, um den planaren NDR-Tunneldiodenkontakt 260 mit einer externen elektrischen Schaltung zu verbinden, vorzugsweise mit der Spannung V. Eine weitere dielektrische Abdeckschicht 216 ist auf dem planaren Tunnelkontakt 260 und den Anschlüssen 212 und 214 ausgebildet. Der planare Tunnelbarrierenkontakt 260 besteht aus drei Schichten, einer Kaltmetallschicht 206, einer isolierenden Tunnelbarriere 208 und einer weiteren Kaltmetallschicht 210. In der Tunnelbarrierenschicht 260 findet der elektrische Transport innerhalb der Ebene statt.
Die Tunnelbarriere 108, 208 ist vorzugsweise aus einem Isolator gefertigt. Insbesondere weist die Tunnelbarriere 108, 208 eine Bandlücke von mindestens 1 eV auf. Die Tunnelbarriere 108, 208 besteht zum Beispiel aus hexagonalem BN, MgO, MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂, WTe₂, HfS₂ PtS₂, PtSe₂, GaS, oder GaSe. Nicht bevorzugt, aber generell möglich ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke zur Verwendung als Tunnelbarriere. Die Kaltmetalle 106, 206, 110, 210 sind vorzugsweise zweidimensionale paramagnetische Van-der-Waals-Materialien und/oder NbX₂, TaX₂ (X=S, Se, Te), NbSSe, NbSTe, NbSeTe, TaSSe, TaSTe, TaSeTe. Die Kaltmetalle 106, 206, 110, 210 können nicht-stöchiometrische zweidimensionale Van-der-Waals-Materialien sein, die durch die Formel X_1-mX'_mZ_2-2nZ'_2n ausgedrückt werden können, wobei 0 ≤ m < 1 und 0 ≤ n < 1 ist. X und X' sind zwei verschiedene Übergangsmetallelemente wie Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta oder W. Z und Z' sind zwei verschiedene Chalkogenelemente wie O, S, Se oder Te. Die Kaltmetalle 106, 206, 110, 210 können zweidimensionale magnetische Materialien und/oder AgF₂, CoCl₂, DySBr, DySI, FeBr₂, FeI₂, NdOBr, SmOBr, V₂I₆, Fe₂I₆, V₂ClO₂, V₂BrO₂ und Cr₂P₂S₆ sein. Die dielektrische Schicht 104, 204 und die dielektrische Abdeckschicht 116, 216 können aus SiO₂, HfO₂, hexagonalem BN oder ZrO₂ bestehen. Die Anschlüsse 114, 214, 112, 212 können aus verschiedenen Materialien bestehen, wie Graphen, Sc, Ti, Ni, Ru, Rh, Cu, Pt, Au, Ag, Pd, AI, Ta oder CuN.
Ein erstes Beispiel für eine Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand 100, 200 der vorliegenden Offenlegung, insbesondere die gestapelte Kaltmetall-NDR-Tunneldiode 100 von 5, hat den folgenden Aufbau (bevorzugter Dickenbereich in eckigen Klammem): Si als Substrat 102 - SiO₂ [Dicke 200-300 nm] als dielektrische Schicht 104 - Au als Anschluss 112 [5-30 nm] - TaSe₂ oder NbS₂ als Kaltmetallmaterialschicht 104 [0,6-20 nm] - h-BN als Tunnelbarriere 108 [0,3-5 nm] - TaSe₂ oder NbS₂ als die andere Kaltmetallmaterialschicht 110 [0,6-20 nm] - Au [5-30 nm] als Anschluss 114 - HfO₂ [2-10 nm] als dielektrische Abdeckschicht 116.
Ein zweites Beispiel für eine Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand 100, 200 der vorliegenden Offenbarung, insbesondere die gestapelte Kaltmetall-NDR-Tunneldiode 100 von 5, hat den folgenden Aufbau (bevorzugter Dickenbereich in eckigen Klammern): Si als Substrat 102 - SiO₂ [Dicke 200-300 nm] als dielektrische Schicht 104 - Pt als Anschluss 112 [5-30 nm] - TaS₂ als Kaltmetallmaterialschicht 104 [0,6-20 nm] - h-BN als Tunnelbarriere 108 [0,3-5 nm] - NbS₂ als die andere Kaltmetallmaterialschicht 110 [0,6-20 nm] - Pt [5-30 nm] als Anschluss 114 - HfO₂ [2-10 nm] als dielektrische Abdeckschicht 116.
Ein drittes Beispiel der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand 100, 200 der vorliegenden Offenbarung, insbesondere die Kaltmetall-NDR-Tunneldiode 200 von 6, hat folgenden Aufbau (bevorzugter Dickenbereich in eckigen Klammern): Si als Substrat 202 - SiO₂ [Dicke 200-300 nm] als dielektrische Schicht 204 - Au als Anschluss 212 [5-30 nm] - TaSe₂ oder NbSe₂ als Kaltmetallmaterialschicht 204 [0,6 nm] - HfS₂ als Tunnelbarriere 208 [0,6 nm] - TaSe₂ oder NbSe₂ als Kaltmetallmaterialschicht 210 [0,6 nm bzw. eine Monolage] - Au [5-30 nm] als Anschluss 214. - HfO₂ [2-10 nm] als oberste dielektrische Abdeckschicht 216. Die Tunnelbarriere HfS₂ kann mit einer Dicke von 0,6 nm in vertikaler Richtung und/oder 1-4 nm entlang der horizontalen Richtung (Längsachse) versehen werden.
Die Vorrichtung, insbesondere die Vorrichtung des ersten Beispiels oder von 5, kann vorzugsweise mit dem Scotch-Tape-Verfahren hergestellt werden. In einem bevorzugten ersten Schritt des Herstellungsverfahrens können Flocken des Kaltmetallmaterials, insbesondere TaSe₂, NbS₂ und/oder hexagonales BN (h-BN), mechanisch aus einem Volumenkristall abgeschält werden. Ein bevorzugter nächster Schritt besteht darin, die Flocken auf einem Substrat, vorzugsweise einem 300 nm dicken, mit SiO₂ beschichteten Siliziumsubstrat, anzubringen. Da die Scotch-Tape-Methode keine gut skalierbare und gut kontrollierbare Methode ist, kann die Dicke der Plättchen oder der Kaltmetallschicht von einer Monolage bis zu mehreren Atomlagen variieren. In einem bevorzugten nächsten Schritt können Anschlüsse, z. B. aus Au [20 nm], sequenziell mit einem DC-Magnetron-Sputter-System abgeschieden und/oder bei Raumtemperatur strukturiert werden, vorzugsweise mit Hilfe von Elektronenstrahllithographie und/oder Lift-off-Verfahren. Neben der Scotch-Tape-Methode können mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) ultradünne (eine Monolage dicke) Kaltmetallplättchen oder -schichten, insbesondere TaSe₂, NbS₂ und h-BN, hergestellt werden. Im Gegensatz zur Scotch-Tape-Methode ist die CVD eine gut kontrollierbare Methode für die schichtweise Herstellung von Bauelementen auf der Basis von halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) wie MoS₂ oder WSe₂ auf verschiedenen Substraten. Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) kann auch verwendet werden, um z. B. TaSe₂, NbS₂ oder h-BN im Ultrahochvakuum zu erzeugen. Die MBE erfordert jedoch spezielle Substrate wie h-BN und Graphen.
In der in 5 und/oder 6 gezeigten NDR-Tunneldiode 100 können die Kaltmetall-Materialschichten aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform mit gleichen Materialien sind TaSe₂ oder NbS₂. In der in 5 und/oder 6 gezeigten NDR-Tunneldiode 100 können die Kaltmetall-Materialschichten aus einem magnetischen Material bestehen. In der in 5 gezeigten NDR-Tunneldiode 100 kann die Dicke der Kaltmetallschichten 106 und 110 zwischen einer Monoschicht (0,6 nm) und mehreren Schichten (20 nm) variieren. Bei der in 5 gezeigten NDR-Tunneldiode 100 kann die Dicke der Tunnelbarrierenschicht 108 von einer Monolage (0,3 nm) bis zu mehreren Lagen (5 nm) variieren. Mit zunehmender Dicke der Tunnelbarriere nimmt der Tunnelstrom exponentiell ab. In der in 6 gezeigten NDR-Tunneldiode 200 kann die Dicke der Kaltmetallschichten 206 und 210 und der Tunnelbarrierenschicht 208 von einer Monolage (0,6 nm) bis zu mehreren Lagen (20 nm) in vertikaler Richtung variieren. Die Dicke der Tunnelbarriere 208 kann in horizontaler Richtung zwischen 1 nm und 5 nm variieren.
7a ist eine schematische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V) der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung für verschiedene angelegte Vorspannungen, insbesondere der Diode mit der in 5 dargestellten Struktur. 7a wird im Zusammenhang mit 7b im Folgenden näher beschrieben.
7b zeigt Energiebanddiagramme der Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung, insbesondere der Diode mit der in 5 dargestellten Struktur. Das Energiebanddiagramm der isolierenden Tunnelbarriere ist rechteckig, wenn an einem Anschluss keine Vorspannung angelegt ist, und trapezförmig, wenn an einen der Anschlüsse eine geringe Vorspannung angelegt ist. In Feld 1 (Diagramm mit dem Index „1“ in einem Zyklus) von 7b stehen VBW und VBG für Valenzbandbreite und Valenzbandlücke sowie CBW und CBG für Leitungsbandbreite und Leitungsbandlücke. E_F,L und E_F,R bezeichnen die Fermi-Niveaus für die linke und rechte Kaltmetallmaterialschicht (Elektroden). Für eine einfache Tunnelbarriere ist der Tunnelstrom I(V) für eine Vorspannung V gegeben durch den Ausdruck $I (V) \sim \sum_{σ} \int_{- \infty}^{+ \infty} ρ_{CM,L} (E + e V) ρ_{CM,R} (E) {| T (V) |}^{2} ƒ (E) [1 - ƒ (E + e V)] d E,$
wobei ρ_CM,L(E+eV) und ρ_CM,R(E) die DOS der linken und rechten Kaltmetallmaterialschicht (Elektrode) bezeichnen und f(E) die Fermi-Verteilungsfunktion ist. T(V) ist die Transmissionswahrscheinlichkeit und ist proportional zu
$e^{- d \sqrt{ϕ - V}},$
, wobei d die Dicke der Tunnelbarriere und Φ die Höhe der Barriere ist. Es ist zu beachten, dass in der NDR-Tunneldiode die Stromrichtung der Elektronenbewegung entgegengesetzt ist.
Wie in Feld 2 von 7b gezeigt, tunneln Elektronen aus dem besetzten Valenzband der rechten Kaltmetallschicht (Elektrode) durch die isolierende Barriere in das unbesetzte Leitungsband der linken Kaltmetallschicht (Elektrode), wenn eine positive Vorspannung an die linke Kaltmetallschicht (Elektrode) angelegt wird. Mit zunehmender Vorspannung V steigt der Strom I bis zu einem Spitzenwert I₁ an, beginnt dann zu sinken und geht schließlich bei einem bestimmten Wert der Vorspannung V₂ gegen Null. Dies liegt daran, dass das Leitungsband der linken Kaltmetallschicht (Elektrode) eine Energielücke (CBG) aufweist und somit innerhalb des angelegten Potenzialfensters keine Zustände für die Elektronen zum Tunneln vorhanden sind, was zu einem Nullstrom führt (siehe Tafel 4 in 7b). Bei einer Temperatur von Null ist dieser Strom genau Null, während bei einer endlichen Temperatur nur sehr wenige thermisch angeregte hochenergetische Elektronen, die sich am Ende der Fermi-Dirac-Verteilung der rechten Kaltmetallmaterialschicht (Elektrode) befinden, in die linke Kaltmetallmaterialschicht (Elektrode) tunneln können, was zu einem extrem kleinen Strom führt, so dass der PVCR einen endlichen Wert statt eines unendlichen Wertes bei Nulltemperatur annimmt. Zwischen dem Vorspannungspotential V₂ und V₃ bleibt der Strom gleich Null, und nach V₃ beginnt der Strom wieder anzusteigen. Der Bereich zwischen dem Vorspannungspotential V₁ und V₂ ist der NDR-Bereich. Die in 7a gezeigte I-V-Kennlinie einer Kaltmetalltunneldiode mit den gleichen linken und rechten Kaltmetallschichten (Elektroden) kann durch einen oder mehrere der folgenden vier Parameter bestimmt werden. Dabei handelt es sich um die Bandbreite und die Lücke der Valenz- und Leitungsbandelektronen (VBW, CBW, VBG und CBG). Besonders hohe PVCR-Werte lassen sich erzielen, wenn eine oder mehrere der folgenden drei Bedingungen zutreffen:

Eine erste Bedingung ist insbesondere: VBW>0, CBW>0 und insbesondere VBG>0, CBG>0
Eine zweite Bedingung ist insbesondere: VBG>CBW+VBW
Eine dritte Bedingung ist insbesondere: CBG>CBW+VBW

Die Vorspannungen V₁, V₂ und V₃ in 7a sind ungefähr gegeben durch
im Einzelnen: V₁ = max{VBW/2, CBW/2}
im Einzelnen: V₂ = VBW + CBW
im Einzelnen: V₃ = min{VBG, CBG}
Die erste Bedingung führt - unabhängig von der zweiten und/oder dritten Bedingung - zu erhöhten PVCR-Werten. Der PCVR-Wert kann noch deutlich weiter erhöht werden, wenn die zweite und/oder dritte Bedingung in Kombination mit der ersten Bedingung erfüllt ist. In den obigen Ausführungen wurde der Schwerpunkt auf die Vorwärtsspannung und den NDR-Effekt gelegt. Natürlich kann man den gleichen NDR-Effekt auch bei einer Rückwärtsspannung beobachten, d. h. die I-V-Kennlinie der Kaltmetalltunneldiode erweist sich als antisymmetrisch, wenn die linke und die rechte Kaltmetallmaterialschicht (Elektroden) gleich sind. Eine Auswahl des Kaltmetallmaterials nach den oben beschriebenen Bedingungen auf der Grundlage von VBW, CBW, VBG und CBG ermöglicht es, die gewünschten I-V-Kennlinien für eine verbesserte Diodenleistung zu erreichen, insbesondere im Hinblick auf den PVCR-Wert. So kann beispielsweise der NDR-Bereich (V₁-V₂-Intervall) durch Abstimmung der VBW-, CBW-, VBG- und CBG-Parameter eingestellt werden. Insbesondere zweidimensionale van-der-Waals-Materialien bieten die Möglichkeit, diese elektronischen Strukturparameter mit einfachen Mitteln abzustimmen, d. h. durch Erhöhung der Anzahl der Schichten in den Kaltmetallmaterialschichten (Elektroden) der Tunneldiode. Beispielsweise erfüllt einlagiges NbSe₂ oder TaSe₂ alle drei oben genannten Bedingungen (siehe 4) als Elektrodenmaterial für eine oder beide Kaltmetallschichten 106, 206, 110, 210. In einer Ausführungsform, insbesondere bei Verwendung von NbSe₂ als Kaltmetall, gelten die folgenden Bereiche:

VBW beträgt insbesondere mindestens 0,2 eV und/oder höchstens 0,4 eV, vorzugsweise etwa 0,24 eV;
CBW beträgt insbesondere mindestens 0,55 eV und/oder höchstens 0,75 eV, vorzugsweise etwa 0,65 eV;
VBG beträgt insbesondere mindestens 1,00 eV und/oder höchstens 1,18 eV, vorzugsweise etwa 1,08 eV;
CBG beträgt insbesondere mindestens 1,19 eV und/oder höchstens 1,39 eV, vorzugsweise etwa 1,29 eV.

In einer Ausführungsform ermöglicht die Tunneldiode mit negativem Kaltmetallwiderstand einen NDR-Effekt sowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsspannung.
In einer Ausführungsform weist die Kaltmetall-Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand antisymmetrische I-V-Kurven auf, wenn die linke und die rechte Kaltmetallmaterialschicht (Elektroden) aus denselben Materialien bestehen.
In einer Ausführungsform kann die Kaltmetall-Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand auf ein gewünschtes Spannungsfenster für eine bestimmte Anwendung abgestimmt werden, und zwar durch Auswahl des Kaltmetallmaterials auf der Grundlage einer oder mehrerer der oben beschriebenen ersten, zweiten oder dritten Bedingung(en), die von VBW, CBW, VBG und/oder CBG abhängt (abhängen), um die gewünschten I-V-Eigenschaften zu erzielen. Beispielsweise können Tunneldioden, die bei kleinen Vorspannungen einen NDR-Bereich aufweisen, für Speicher- und/oder Logikanwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden. Tunneldioden mit einem NDR-Bereich bei großen Vorspannungen können beispielsweise für Speicher- und/oder Logikanwendungen mit hoher Leistung verwendet werden.
In einer Ausführungsform hat die Kaltmetall-Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand im Vergleich zu herkömmlichen NDR-Dioden eine viel höhere Stromtreiberfähigkeit und einen niedrigen Widerstand.
Vorzugsweise sind in den I-V-Kennlinien der resonanten Tunneldioden mehrere NDR-Bereiche vorhanden, wodurch stabile Zustände erreicht werden können, die die Anzahl der Bauelemente und die Komplexität der Schaltkreise verringern, die Funktionalität pro Bauelement erhöhen und den Stromverbrauch beim Schalten in Logik- und Speicheranwendungen senken.
In einer Ausführungsform hat die Kaltmetall-Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand der vorliegenden Offenbarung Doppelbarrieren-Tunnelübergänge oder Dreifachbarrieren-Tunnelübergänge. Doppelbarrieren- oder Dreifachbarrieren-Tunnelübergänge ermöglichen weitere Anwendungen, etwa in der Spintronik. Insbesondere ist es möglich, die Spitzen- und Talstromdichten sowie die Spitzen- und Talspannungen leicht abzustimmen. Die Schaffung mehrerer NDR-Bereiche erleichtert auch die neuromorphe Datenverarbeitung.
8a zeigt eine vertikale NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren und einem Einzelbarrieren-Tunnelkontakt. In dieser Ausführungsform hat der Tunnelkontakt 160 eine erste Materialschicht 106 aus einem Kaltmetall, eine isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 108 und eine zweite Materialschicht 110 aus einem Kaltmetall. Diese Schichten sind übereinander angeordnet oder gestapelt.
8b zeigt eine vertikale NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren und Doppelbarriere-Tunnelübergängen. In dieser Ausführungsform hat der Tunnelkontakt 162 eine erste Materialschicht 106 aus einem Kaltmetall, eine isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 108, eine zweite Materialschicht 110 aus einem Kaltmetall, eine weitere isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 118 und eine weitere Materialschicht 120 aus einem Kaltmetall. Diese Schichten sind in genau dieser Reihenfolge übereinander angeordnet oder gestapelt. In einer Ausführungsform sind alle Kaltmetallschichten aus demselben Material und/oder alle Tunnelbarrieren aus demselben Material. In einer Ausführungsform bestehen alle Kaltmetallschichten aus unterschiedlichen Kaltmetallmaterialien und/oder alle Tunnelbarrieren aus unterschiedlichen Materialien. Insbesondere werden für die Kaltmetallschichten und die Tunnelbarrierenschichten unterschiedliche Materialien verwendet.
8c zeigt eine vertikale NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren und Dreifachbarrieren-Tunnelübergängen. In dieser Ausführungsform hat der Tunnelkontakt 164 eine erste Materialschicht 106 aus einem Kaltmetall, eine isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 108, eine zweite Materialschicht 110 aus einem Kaltmetall, eine weitere isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 118, eine weitere Materialschicht 120 aus einem Kaltmetall, eine weitere isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 128 und eine weitere Materialschicht 130 aus einem Kaltmetall. Diese Schichten sind genau in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet oder gestapelt. Alle Kaltmetallschichten können aus dem gleichen Material bestehen und/oder alle Tunnelbarrieren können aus dem gleichen Material bestehen. In einer Ausführungsform bestehen alle Kaltmetallschichten aus unterschiedlichen Kaltmetallmaterialien und/oder alle Tunnelbarrieren aus unterschiedlichen Materialien. Insbesondere werden für die Kaltmetallschichten und die Tunnelbarrierenschichten unterschiedliche Materialien verwendet.
9a zeigt eine planare NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren und einem Einzelbarrieren-Tunnelkontakt. In dieser Ausführungsform hat der Tunnelkontakt 260 eine erste Materialschicht 206 aus einem Kaltmetall, eine isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 208 und eine zweite Materialschicht 210 aus einem Kaltmetall. Diese Schichten sind in genau dieser Reihenfolge nacheinander in einer Ebene angeordnet.
9b zeigt eine planare NDR-Tunneldiode mit mehreren Barrieren und Doppelbarriere-Tunnelübergängen. In dieser Ausführungsform hat der Tunnelkontakt 262 eine erste Materialschicht 206 aus einem Kaltmetall, eine isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 208, eine zweite Materialschicht 210 aus einem Kaltmetall, eine weitere isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 218 und eine weitere Materialschicht 220 aus einem Kaltmetall. Diese Schichten sind in genau dieser Reihenfolge nacheinander in einer Ebene angeordnet. Alle Kaltmetallschichten können aus dem gleichen Material bestehen und/oder alle Tunnelbarrieren können aus dem gleichen Material bestehen. In einer Ausführungsform bestehen alle Kaltmetallschichten aus unterschiedlichen Kaltmetallmaterialien und/oder alle Tunnelbarrieren aus unterschiedlichen Materialien. Insbesondere werden unterschiedliche Materialien für die Kaltmetallschichten und die Tunnelbarriereschichten verwendet.
9c zeigt eine planare NDR-Tunneldiode mit Mehrfachbarrieren und Dreifachbarrieren-Tunnelübergängen. In dieser Ausführungsform hat der Tunnelkontakt 264 eine erste Materialschicht 206 aus einem Kaltmetall, eine isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 208, eine zweite Materialschicht 210 aus einem Kaltmetall, eine weitere isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 218, eine weitere Materialschicht 220 aus einem Kaltmetall, eine weitere isolierende Materialschicht einer Tunnelbarriere 228 und eine weitere Materialschicht 230 aus einem Kaltmetall. Diese Schichten sind in genau dieser Reihenfolge nacheinander in einer Ebene ausgerichtet angeordnet. Alle Kaltmetallschichten können aus dem gleichen Material bestehen und/oder alle Tunnelbarrieren können aus dem gleichen Material bestehen. In einer Ausführungsform bestehen alle Kaltmetallschichten aus unterschiedlichen Kaltmetallmaterialien und/oder alle Tunnelbarrieren aus unterschiedlichen Materialien. Insbesondere werden unterschiedliche Materialien für die Kaltmetallschichten und die Tunnelbarriereschichten verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3033714 A [0002, 0039]
US 20150014630 A1 [0004]
EP 3734669 A1 [0004]
US 20170110564 A1 [0004]
US 20160155829 A1 [0004]

Claims

Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand, die zwei Anschlüsse (112, 114, 212, 214) zum Anschließen an einen elektrischen Stromkreis sowie einen Tunnelkontakt (160, 260) mit einer ersten Materialschicht (106, 206) aus einem Kaltmetall, einer isolierenden Materialschicht einer Tunnelbarriere (108, 208) und einer zweiten Materialschicht (110, 210) aus einem Kaltmetall aufweist.
Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand nach Anspruch 1, wobei die erste Materialschicht (106, 206) und die zweite Materialschicht (110, 210) aus demselben Kaltmetallmaterial bestehen.
Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei neben dem Tunnelkontakt (160) mindestens eine dielektrische Schicht (104, 204, 116, 216) zum Aufbringen der ersten Materialschicht (106, 206), der isolierenden Materialschicht einer Tunnelbarriere (108, 208) und/oder der zweiten Materialschicht (110, 210) vorgesehen ist.
Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kaltmetall dadurch identifiziert werden kann, dass es in einer Zustandsdichtedarstellung (DOS) von Elektronen des Kaltmetalls gibt: eine Leitungsbandbreite (CBW) ausgehend von einem Fermi-Energie-Niveau (E_F) in Richtung höherer Energie (E), eine Valenzbandbreite (VBW) ausgehend vom Fermi-Energie-Niveau (_EF) in Richtung niedrigerer Energie (E), eine an die Leitungsbandbreite (CBW) angrenzende Leitungsbandlücke (CBG) in Richtung höherer Energie (E), und eine an die Valenzbandbreite (VBW) angrenzende Valenzbandlücke (VBG) in Richtung niedrigerer Energie (E).
Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kaltmetall ein Material mit spinpolarisiertem Grundzustand oder ein paramagnetisches Kaltmetall ist.
Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kaltmetall TaX₂ ist, wobei X = S, Se oder Te.
Tunneldiode (200) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tunnelkontakt ein planarer Tunnelkontakt (206) ist, bei dem die erste Materialschicht (206), die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere (208) und die zweite Materialschicht (210) in einer Ebene angeordnet sind.
Tunneldiode (200) mit negativem differentiellen Widerstand nach Anspruch 3 und dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Materialschicht (206), die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere (208) und die zweite Materialschicht (210) auf einer Oberfläche der mindestens einen dielektrischen Schicht (204, 216) abgeschieden sind, die dem planaren Tunnelkontakt (260) benachbart ist.
Tunneldiode (100) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei der Tunnelkontakt ein vertikaler Tunnelkontakt (160) ist, wobei die erste Materialschicht (106), die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere (108) und die zweite Materialschicht (110) in einer gestapelten Weise angeordnet sind.
Tunneldiode (100) mit negativem differentiellen Widerstand nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Materialschicht (106) die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere (108) in einer horizontalen Richtung zur Verbindung mit dem ersten Anschluss (114) überragt und/oder die zweite Materialschicht (110) die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere (108) in einer entgegengesetzten horizontalen Richtung zur Verbindung mit dem zweiten Anschluss (112) überragt.
Tunneldiode (100) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Materialschicht (106), die isolierende Materialschicht der Tunnelbarriere (108) und/oder die zweite Materialschicht (110) in einem versetzten Winkel zueinander verdreht sind.
Tunneldiode (100) mit negativem differentiellen Widerstand nach Anspruch 3 und dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine dielektrische Schicht (104, 116) einen horizontalen Raum zwischen einem der Anschlüsse (112, 114) und der Tunnelbarriere (108) ausfüllt.
Tunneldiode (100) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tunnelkontakt (160, 260) zwischen den beiden Anschlüssen (112, 114) in Richtung der Längsachsen der ersten und zweiten Materialschicht (110, 210, 106, 206) angeordnet ist, die parallel zueinander verlaufen.
Verwendung der Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Speicher- und/oder Logikanwendungen.
Verfahren zur Herstellung einer Tunneldiode (100, 200) mit negativem differentiellen Widerstand, das die folgenden Schritte umfasst: - Aufbringen einer ersten Materialschicht (106, 206) aus einem Kaltmetall, einer isolierenden Materialschicht einer Tunnelbarriere (108, 208) und einer zweiten Materialschicht (110, 210) aus einem Kaltmetall; - Aufbringen eines ersten Anschlusses (114) auf die erste Materialschicht (106, 206) und des zweiten Anschlusses (112) auf die zweite Materialschicht (110, 210).