納米電子器件1背景介紹

納米技術(shù)是一門在0.1-100um 尺度空間內(nèi), 對電子、原子和分子的運動規(guī)律和特性進行研究并加以應用的高科技學科, 它的目標是用單原子、分子制造具有特定功能的產(chǎn)品。國內(nèi)外科技界已普遍認為納米技術(shù)已成為當今研究領域中最富有活力、對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要的研究對象。納米科技正在推動人類社會產(chǎn)生巨大的變革, 它不僅將促使人類認識的革命, 而且將引發(fā)一場新的工業(yè)革命。

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

納米電子學是在0. 1~ 100nm的納米結(jié)構(gòu)(量子點) 內(nèi)探測、識別與控制單個量子或量子波的運動規(guī)律, 研究單個原子、分子人工組裝和自組裝技術(shù), 研究在量子點內(nèi), 單個量子或量子波表現(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)及其在信息科學技術(shù)、納米生物學、納米測量學、納米顯微學、納米機械學等應用的學科, 也稱為量子功能電子學。

納米電子學是納米技術(shù)的重要組成部分, 是傳統(tǒng)微電子學發(fā)展的必然結(jié)果, 是納米技術(shù)發(fā)展的主要動力。納米電子學在傳統(tǒng)的固態(tài)電子學基礎上, 借助最新的物理理論和最先進的工藝手段, 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)儲存和處理信息的功能提高百萬倍以上,實現(xiàn)了信息采集和處理能力的革命性突破。納米電子學與光電子學、生物學、機械學等學科結(jié)合, 可以制成納米電子/ 光電子器件、分子器件、納米電子機械系統(tǒng)、納米光電子機械系統(tǒng)、微型機器人等, 將對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生變革性的影響, 納米電子/光電子學將成為21 世紀信息時代的關鍵科學技術(shù)。

按摩爾定律推算， 在未來的10余年里， 繼續(xù)提高計算機的儲存密度和運算能力將面臨嚴峻的挑戰(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時，其中的電子主要呈粒子性。但是當器件的尺寸小到納米量級時，電子則以波動性為主。電子的波動性是一種量子效應，這時電子器件將在一個全新的原理下進行工作;任何多體系統(tǒng)都存在熱的統(tǒng)計起伏，當器件尺寸縮小到納米量級時，這種熱起伏便會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。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;另一方面則要歸功于半個多世紀來微電子學與量子物理學對納米電子器件的制備、特性、機理與表征提供的有力支持。

納米電子器件指利用納米級加工和制備技術(shù)，如光刻、外延、微細加工、自組裝生長及分子合成技術(shù)等[!"#]，設計制備而成的具有納米級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、半導體、納米粒子、單電子靜電計、單電子存儲器、單電子邏輯電路、金屬基單電子晶體管存儲器、半導體 存儲器、硅納米晶體制造的存儲器、納米浮柵存儲器、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，從而實現(xiàn)量子計算機和量子通信系統(tǒng)的信息計算、傳輸與處理的相關技術(shù)，其中，納米電子器件是目前納米電子技術(shù)發(fā)展的關鍵與核心?，F(xiàn)在，納米電子技術(shù)正處在蓬勃發(fā)展時期，其最終目標在于立足最新的物理理論和最先進的工藝手段，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，按照全新的概念設計制造納米器件、構(gòu)造電子系統(tǒng)，使電子系統(tǒng)的儲存和處理信息能力實現(xiàn)革命性的飛躍。

基于目前的發(fā)展和對未來的預測, 如果將主要納米電子器件進一步分類, 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; 量子效應器件包括: 量子干涉器件、量子點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, 諧振隧道場效應晶體管( 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、單原子點接觸器件、單分子開關、分子線、量子效應分子電子器件、電化學分子電子器件等。

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器包括: 超高容量納米存儲器、超高密度數(shù)據(jù)存儲器、隧道型靜態(tài)隨機存儲器、單電子硅基M O S 存儲器、單電子存儲器、單電子量子存儲器; 納米CMOS混合電路包括: 納米CMOS電路和1一V 族化合物半導體共振隧道效應電路, 納米CMOS電路和單電子納米開關電路, 納米CMOS 電路和超導單磁通量子電路, 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, 為納米電子學開創(chuàng)了全新的發(fā)展。納米1`v 族化合物半導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、高頻和光電子領域有強大的潛力, 科學家預測,21 世紀納米電子器件、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、半導體SET、納米粒子SET、多島SET、單電子靜電計、單電子存儲器( 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 ) 存儲器、半導體S E T 存儲器、硅納米晶體制造的存儲器、納米浮柵存儲器、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、短線波導型干涉器件、MachZender干涉計( 靜電干涉器件)、定向禍合器件、衍射器件、量子線溝道場效應晶體管(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。

要制備納米電子器件及實現(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的納米技術(shù)與納米結(jié)構(gòu)的量子效應直接構(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化學汽相沉積、分子束外延、原子層外延、化學束外延等外延技術(shù)、掃描探針顯微鏡技術(shù)、分子自組裝合成技術(shù)以及特種超微細加工技術(shù)等。

光刻技術(shù)

光學光刻、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

計的器件圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到半導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域表現(xiàn)出了很好的應用前景，并開始在一些納米電子器件加工方面取得了應用。

光學光刻技術(shù)

光學光刻是通過光學系統(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。

目前國際微電子領域最引人關注的熱點是新一代光刻技術(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，而減小光源的波長是提高光刻分辨率的最有效途徑?，F(xiàn)在，商品化光刻機的光源波長已經(jīng)從過去的汞燈光源紫外光波段進入到深紫外波段，除此之外，利用光的干涉特性以及電磁理論結(jié)合光刻實際對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光刻膠進行曝光而獲得結(jié)構(gòu)圖形的光刻技術(shù)。

最近，美國朗訊公司開發(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)如同光學光刻那樣對掩模圖形進行縮小投影，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)不可缺少的基礎設施。

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加速及電磁透鏡的聚焦或準直后對光刻膠進行曝光的光刻技術(shù)。其原理與電子束光刻類似，但德布羅意波長更短，且具有無鄰近效應小、曝光場大等優(yōu)點。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)

金屬有機化學汽相淀積、分子束外延、原子層外延與化學束外延技術(shù)統(tǒng)稱外延技術(shù)，是在基體上生長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體材料、納米半導體結(jié)構(gòu): 器件的加工與制備。

束流強度比例噴射到加熱的襯底表面，最終與表面相互作用進行單晶薄膜的外延生長。各噴射爐前的擋板用來改變外延膜的組分和摻雜。根據(jù)設定的程序開關擋板、改變爐溫和控制生長時間，則可生長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。

全書主要分為三個部分:(1) 主要概述納電子學的發(fā)展和基礎理論;(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)成的電路及其應用。

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

電子器件的發(fā)展已經(jīng)將計算機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未來計算機的發(fā)展寄予了很高的期望。計算機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)展受到很大關注, 納米分子器件具有高集成度的優(yōu)勢, 一個指甲蓋上能夠集成一百萬億個分子電子元件, 計算機集成度的提高幫助運算速度大幅提高。納米分子器件還可以大批量合成, 這樣勢必會大幅度縮減生產(chǎn)成本, 從而更具有競爭優(yōu)勢。所以納米分子器件正在成為未來電子器件發(fā)展的一個重要方向。

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

分子電子器件就是采用有機功能分子材料來構(gòu)筑電子線路中的各種元器件, 例如分子導線、分子開關、分子二極管、分子場效應晶體管、分子存儲器件等,測量并解析這些分子尺度元器件的電學特性。其目標是用單個分子、超分子或分子簇代替硅基半導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算機。