[发明专利]磁隧道二极管和磁隧道晶体管

说明书

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。

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V_th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(I_c/I_e))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。