納米電子器件

納米電子器件指利用納米級(jí)加工和制備技術(shù)，如光刻、外延、微細(xì)加工、自組裝生長(zhǎng)及分子合成技術(shù)等[!"#]，設(shè)計(jì)制備而成的具有納米級(jí)尺度和特定功能的電子器件。目前，人們利用納米電子材料和納米光刻技術(shù)，已研制出許多納米電子器件，如電子共振隧穿器件共振二極管、三極共振隧穿晶體管、單電子晶體管、金屬基、半導(dǎo)體、納米粒子、單電子靜電計(jì)、單電子存儲(chǔ)器、單電子邏輯電路、金屬基單電子晶體管存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體 存儲(chǔ)器、硅納米晶體制造的存儲(chǔ)器、納米浮柵存儲(chǔ)器、納米硅微晶薄膜器件和聚合體電子器件等。

納米電子技術(shù)是指在納米尺寸范圍內(nèi)構(gòu)筑納米和量子器件，集成納米電路，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)和量子通信系統(tǒng)的信息計(jì)算、傳輸與處理的相關(guān)技術(shù)，其中，納米電子器件是目前納米電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵與核心?，F(xiàn)在，納米電子技術(shù)正處在蓬勃發(fā)展時(shí)期，其最終目標(biāo)在于立足最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，突破傳統(tǒng)的物理尺寸與技術(shù)極限，開發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)潛力，按照全新的概念設(shè)計(jì)制造納米器件、構(gòu)造電子系統(tǒng)，使電子系統(tǒng)的儲(chǔ)存和處理信息能力實(shí)現(xiàn)革命性的飛躍。

要制備納米電子器件及實(shí)現(xiàn)其集成電路，有兩種可能的方式。一種是將現(xiàn)有的電子器件、集成電路進(jìn)一步向微型化延伸，研究開發(fā)更小線寬的加工技術(shù)來加工尺寸更小的電子器件，即所謂的"由上到下"的方式。另一種方式是利用先進(jìn)的納米技術(shù)與納米結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)直接構(gòu)成全新的量子器件和量子結(jié)構(gòu)體系，即所謂的"由下到上"的方式。

納米電子器件"由上到下"的制備方式主要是指光學(xué)光刻、電子束光刻和離子束光刻等技術(shù)。

"由下到上"的制備方法則包括金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積、分子束外延、原子層外延、化學(xué)束外延等外延技術(shù)、掃描探針顯微鏡技術(shù)、分子自組裝合成技術(shù)以及特種超微細(xì)加工技術(shù)等。

光刻技術(shù)

光學(xué)光刻、電子束光刻與離子束光刻技術(shù)統(tǒng)稱三束光刻技術(shù)，是通過掩模、曝光等工藝將設(shè)

計(jì)的器件圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體基片上的加工技術(shù)。目前， 隨著光刻技術(shù)線寬的不斷減小，光學(xué)光刻、電子束光刻與離子束光刻技術(shù)已在納米器件、納米集成電路、納米混合電路等加工領(lǐng)域表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景，并開始在一些納米電子器件加工方面取得了應(yīng)用。

光學(xué)光刻技術(shù)

光學(xué)光刻是通過光學(xué)系統(tǒng)以投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件結(jié)構(gòu)圖形"刻"在涂有光刻膠硅片上的技術(shù)。它是現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)半導(dǎo)體加工的主流技術(shù)。在這種技術(shù)中，通常甲基丙烯酸酯聚合物被用作抗蝕涂層，甲基異丁酮和異丙醇合劑被用作顯像劑。

目前國(guó)際微電子領(lǐng)域最引人關(guān)注的熱點(diǎn)是新一代光刻技術(shù)。限制光刻所能獲得的最小線寬與光刻系統(tǒng)的分辨率直接相關(guān)，而減小光源的波長(zhǎng)是提高光刻分辨率的最有效途徑?，F(xiàn)在，商品化光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)已經(jīng)從過去的汞燈光源紫外光波段進(jìn)入到深紫外波段，除此之外，利用光的干涉特性以及電磁理論結(jié)合光刻實(shí)際對(duì)曝光成像的深入分析，采用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高光刻分辨率的重要手段。

電子束光刻技術(shù)

電子束光刻是采用高能電子束對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光而獲得結(jié)構(gòu)圖形的光刻技術(shù)。

最近，美國(guó)朗訊公司開發(fā)的角度限制散射投影電子束光刻技術(shù)令人矚目，該技術(shù)如同光學(xué)光刻那樣對(duì)掩模圖形進(jìn)行縮小投影，并采用特殊濾波技術(shù)去除掩模吸收體產(chǎn)生的散射電子，從而在保證分辨率條件下提高產(chǎn)出效率。應(yīng)該指出，無論未來光刻采用何種技術(shù)，都將是集成電路研究與生產(chǎn)不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施。

離子束光刻

離子束光刻是采用液態(tài)原子或氣態(tài)原子電離后形成的離子通過電磁場(chǎng)加速及電磁透鏡的聚焦或準(zhǔn)直后對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光的光刻技術(shù)。其原理與電子束光刻類似，但德布羅意波長(zhǎng)更短，且具有無鄰近效應(yīng)小、曝光場(chǎng)大等優(yōu)點(diǎn)。離子束光刻主要包括聚焦離子束光刻、離子投影光刻等。外延技術(shù)

金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積、分子束外延、原子層外延與化學(xué)束外延技術(shù)統(tǒng)稱外延技術(shù)，是在基體上生長(zhǎng)納米薄膜的一種納米制造技術(shù)，可用于納米集成電路用硅基半導(dǎo)體材料、納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu): 器件的加工與制備。

束流強(qiáng)度比例噴射到加熱的襯底表面，最終與表面相互作用進(jìn)行單晶薄膜的外延生長(zhǎng)。各噴射爐前的擋板用來改變外延膜的組分和摻雜。根據(jù)設(shè)定的程序開關(guān)擋板、改變爐溫和控制生長(zhǎng)時(shí)間，則可生長(zhǎng)出不同厚度的化合物或不同組分比的三元、四元固溶體以及它們的異質(zhì)結(jié)，從而制備出各種超薄微結(jié)構(gòu)材料。

納米技術(shù)是一門在0.1-100um 尺度空間內(nèi), 對(duì)電子、原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性進(jìn)行研究并加以應(yīng)用的高科技學(xué)科, 它的目標(biāo)是用單原子、分子制造具有特定功能的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外科技界已普遍認(rèn)為納米技術(shù)已成為當(dāng)今研究領(lǐng)域中最富有活力、對(duì)未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著十分重要的研究對(duì)象。納米科技正在推動(dòng)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大的變革, 它不僅將促使人類認(rèn)識(shí)的革命, 而且將引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命。

納米技術(shù)是2 0 世紀(jì)末期崛起的嶄新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域, 是一個(gè)全新的高科技學(xué)科群, 它包括納米電子學(xué)、納米光電子學(xué)、納米光子學(xué)、納米物理學(xué)、納米光學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米測(cè)量學(xué)、納米工藝學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米顯微學(xué)、納米信息技術(shù)、納米環(huán)境工程和納米制造等。是一門基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索相互融合的新興技術(shù)。

納米電子學(xué)是在0. 1~ 100nm的納米結(jié)構(gòu)(量子點(diǎn)) 內(nèi)探測(cè)、識(shí)別與控制單個(gè)量子或量子波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 研究單個(gè)原子、分子人工組裝和自組裝技術(shù), 研究在量子點(diǎn)內(nèi), 單個(gè)量子或量子波表現(xiàn)出來的特征和功能用于信息的產(chǎn)生、傳遞和交換的器件、電路和系統(tǒng)及其在信息科學(xué)技術(shù)、納米生物學(xué)、納米測(cè)量學(xué)、納米顯微學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等應(yīng)用的學(xué)科, 也稱為量子功能電子學(xué)。

納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分, 是傳統(tǒng)微電子學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果, 是納米技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。納米電子學(xué)在傳統(tǒng)的固態(tài)電子學(xué)基礎(chǔ)上, 借助最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段, 按照全新的概念來構(gòu)造電子器件與系統(tǒng)。納米電子學(xué)在更深層次上開發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)的能力, 使單位體積物質(zhì)儲(chǔ)存和處理信息的功能提高百萬倍以上,實(shí)現(xiàn)了信息采集和處理能力的革命性突破。納米電子學(xué)與光電子學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械學(xué)等學(xué)科結(jié)合, 可以制成納米電子/ 光電子器件、分子器件、納米電子機(jī)械系統(tǒng)、納米光電子機(jī)械系統(tǒng)、微型機(jī)器人等, 將對(duì)人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生變革性的影響, 納米電子/光電子學(xué)將成為21 世紀(jì)信息時(shí)代的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。

按摩爾定律推算， 在未來的10余年里， 繼續(xù)提高計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存密度和運(yùn)算能力將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)既有原理性的物理限制，又有技術(shù)性的工藝限制 。其主要表現(xiàn)為:電子器件的尺寸處于微米量級(jí)時(shí)，其中的電子主要呈粒子性。但是當(dāng)器件的尺寸小到納米量級(jí)時(shí)，電子則以波動(dòng)性為主。電子的波動(dòng)性是一種量子效應(yīng)，這時(shí)電子器件將在一個(gè)全新的原理下進(jìn)行工作;任何多體系統(tǒng)都存在熱的統(tǒng)計(jì)起伏，當(dāng)器件尺寸縮小到納米量級(jí)時(shí)，這種熱起伏便會(huì)限制器件性能的一致性， 以致集成芯片無法正常工作。

然而，納米電子技術(shù)、納米電子器件與納米電子學(xué)的出現(xiàn)為微電子技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑和轉(zhuǎn)機(jī)。這一方面可歸功于微電子技術(shù)與納米技術(shù)的不斷發(fā)展;另一方面則要?dú)w功于半個(gè)多世紀(jì)來微電子學(xué)與量子物理學(xué)對(duì)納米電子器件的制備、特性、機(jī)理與表征提供的有力支持。

基于目前的發(fā)展和對(duì)未來的預(yù)測(cè), 如果將主要納米電子器件進(jìn)一步分類, 納米CMOS 器件主要有: 絕緣層上硅MOSFET、硅一鍺異質(zhì)MOSFET、低溫MOSFET、雙極MOSFE T、本征硅溝道隧道型MOSFET等; 量子效應(yīng)器件包括: 量子干涉器件、量子點(diǎn)器件和諧振隧道器件, 而諧振隧道器件又包括: 橫向諧振遂道器件、諧振隧道晶體管, 諧振隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管( RTEET)、雙極量子諧振隧道晶體管、諧振隧道熱電子晶體管、縱向諧振隧道器件和隧道勢(shì)壘調(diào)制晶體管等; 單電子器件主要包括: 單電子箱、電容禍合和電阻禍合單電子晶體管、單電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)晶體管、單電子結(jié)陣列、單電子泵浦、單電子陷阱和單電子旋轉(zhuǎn)門等; 單原子器件和單分子器件包括: 單電子開關(guān)、單原子點(diǎn)接觸器件、單分子開關(guān)、分子線、量子效應(yīng)分子電子器件、電化學(xué)分子電子器件等。

納米傳感器將包括:

量子隧道傳感器和納米生物傳感器; 納米集成電路包撬納米電子集成電路和納米光電集成電路納米存儲(chǔ)器包括: 超高容量納米存儲(chǔ)器、超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、隧道型靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、單電子硅基M O S 存儲(chǔ)器、單電子存儲(chǔ)器、單電子量子存儲(chǔ)器; 納米CMOS混合電路包括: 納米CMOS電路和1一V 族化合物半導(dǎo)體共振隧道效應(yīng)電路, 納米CMOS電路和單電子納米開關(guān)電路, 納米CMOS 電路和超導(dǎo)單磁通量子電路, 納米CMOS電路和碳納米管電路, 納米CMOS電路和人造原子電路與人造分子電路, 納米CMOS電路和DNA電路, 納米CMOS 電路和納米金屬基自旋電路等主流電路的聯(lián)姻, 為納米電子學(xué)開創(chuàng)了全新的發(fā)展。納米1`v 族化合物半導(dǎo)體器件和電路是指諧振隧道二極管和諧振隧道晶體管與電路, 它在高速、高頻和光電子領(lǐng)域有強(qiáng)大的潛力, 科學(xué)家預(yù)測(cè),21 世紀(jì)納米電子器件、納米光電子器件、納米集成電路、納米光電子集成電路是最有發(fā)展前途的。

納米單電子器件

利用納米電子學(xué)采用納米電子材料和納米光刻技術(shù)已研制出了許多納米電子器件, 如: 電子共振隧穿器件、電子諧振隧穿器件、共振二極管( R T D )、三端的共振隧穿晶體管( RTT )、單電子晶體管( SET )、單島單電子晶體管( SET )、金屬基SET、半導(dǎo)體SET、納米粒子SET、多島SET、單電子靜電計(jì)、單電子存儲(chǔ)器( SEM )、單電子邏輯電路、單電子c M o s 電路、金屬基單電子晶體管( s E T ) 存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體S E T 存儲(chǔ)器、硅納米晶體制造的存儲(chǔ)器、納米浮柵存儲(chǔ)器、單電子數(shù)字集成電路、單電子晶體管( s ET ) 邏輯集成電路、納米硅微晶薄膜器件( 如諧振隧穿二極管( RTD ) ) 和聚合體電子器件等。

電子波器件

電子波干涉器件、短線波導(dǎo)型干涉器件、MachZender干涉計(jì)( 靜電干涉器件)、定向禍合器件、衍射器件、量子線溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、平面超晶格FET、電子速度調(diào)制FET諧振隧穿器件等。

量子波器件這類器件中的電子處于相位相干結(jié)構(gòu)中, 其行為以波動(dòng)性為主, 這類器件包括量子線晶體管、量子干涉器件、諧振隧穿二極管晶體管等。

全書主要分為三個(gè)部分:(1) 主要概述納電子學(xué)的發(fā)展和基礎(chǔ)理論;(2) 主要介紹納電子器件(包括:共振隧穿器件、單電子器件、量子點(diǎn)電子器件、納米CMOS器件和碳納米管器件等);(3) 由納電子器件構(gòu)成的電路及其應(yīng)用。

全書共分八章，包括:納米電子學(xué)和納電子器件發(fā)展概述;納電子學(xué)基礎(chǔ)理論;共振隧穿器件;單電子器件;量子點(diǎn)電子器件;SET/MOS混合器件;碳納米管器件;納電子電路及應(yīng)用中的問題。

電子器件的發(fā)展已經(jīng)將計(jì)算機(jī)從幾間房子大小的龐然大物縮小為可以裝入口袋的小型筆記本, 這種翻天覆地的變化使人們對(duì)未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展寄予了很高的期望。計(jì)算機(jī)的高性能和小體積化主要取決于構(gòu)成它的電子器件, 近年來納米分子器件的發(fā)展受到很大關(guān)注, 納米分子器件具有高集成度的優(yōu)勢(shì), 一個(gè)指甲蓋上能夠集成一百萬億個(gè)分子電子元件, 計(jì)算機(jī)集成度的提高幫助運(yùn)算速度大幅提高。納米分子器件還可以大批量合成, 這樣勢(shì)必會(huì)大幅度縮減生產(chǎn)成本, 從而更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。所以納米分子器件正在成為未來電子器件發(fā)展的一個(gè)重要方向。

分子電子學(xué)的概念不同于前一個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的有機(jī)微型晶體管或電子在"體"材料中傳輸和"體"效應(yīng)制成的有機(jī)器件。分子電子學(xué)也稱"分子內(nèi)電子學(xué)"，它是由與"體"襯底電隔離的共價(jià)鍵分子結(jié)構(gòu)組成，或者是將分立分子和納米量級(jí)的超分子結(jié)構(gòu)組成的分子導(dǎo)線和分子開關(guān)連接而成。從制備工藝方面看，分子電子學(xué)比固體納米電子器件更容易制作出成本較低的億萬個(gè)幾乎完全等同的納米量級(jí)的結(jié)構(gòu)。這主要?dú)w因于納米加工和納米操作新方法的出現(xiàn)，即納米量級(jí)結(jié)構(gòu)的機(jī)械合成和化學(xué)合成技術(shù)。機(jī)械合成是指用掃描隧穿顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)和新的微電機(jī)械系統(tǒng)來控制、操作分子進(jìn)行合成。化學(xué)合成包括納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)自組裝生長(zhǎng)，從生物化學(xué)和分子遺傳學(xué)借用過來的方法等。用化學(xué)合成的方法可以在有機(jī)分子中合成分子電子器件。

分子電子器件就是采用有機(jī)功能分子材料來構(gòu)筑電子線路中的各種元器件, 例如分子導(dǎo)線、分子開關(guān)、分子二極管、分子場(chǎng)效應(yīng)晶體管、分子存儲(chǔ)器件等,測(cè)量并解析這些分子尺度元器件的電學(xué)特性。其目標(biāo)是用單個(gè)分子、超分子或分子簇代替硅基半導(dǎo)體晶體管等固體電子元件組裝邏輯電路, 乃至組裝完整的分子計(jì)算機(jī)。