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奈米光電 主講人 : 許信儀 中華民國 95 年 3 月 21 日 綱 要 一、奈米電子學 二、奈米光材料 三、奈米磁性材料 四、結語 一、奈米電子學 ( 一). 概述 20世紀誕生了真空管(vacuum tube)1947年發明了電晶體(transistor)，以後發展為超大型積體電路(VLSI,very large scale integrated circuit)，出現了個人計算機和高性能計算機。 由真空管到微電子元件(microelectronic device)，這是電子元件發展的第一次變革。一些發達國家以微電子元件為基礎的電子工業，逐漸超過了鋼鐵、能源、化工、交通、，成為國家經濟基礎的主要支柱。 電子元件的發展已經經歷了兩個時期，即真空管和固態(solid state)電晶體。它們的發展趨勢是尺寸不斷減小，如電晶體尺寸小到微米量級，形成大型積體電路(LSI,large scale integrated circuit)，稱為微電子元件。 尺寸進一步減小，將進入奈米電子元件時期，這就是我們面臨的電子元件發展的第二次變革。 國際奈米科學與技術常設委員會將奈米科技劃分為6個主要部分：奈米電子學、奈米物理學(nano hphysics)、奈米化學(nano chemistry)、奈米生物學、奈米機械學(nano mechanics)和奈米表徵測量學(nano characterization metrology)。 微電子元件是計算機和自動化儀器的基礎，它發展的下一代就是奈米電子元件。 電子學未來的發展，將以「更小、更快、更冷」為目標。 美國國防高等技術研究廳，要求未來的電子元件要比現有的微電子元件的存儲密度高5~100倍，速度快10~100倍，而功率則要小於現在元件功率的2%。 最終希望達到「雙十二」，即1012位的記憶體容量(1 Tera , 太tera=1012bit)和每秒1012次的運算器速度(1000億次/秒)，且廉價而節能。 奈米電子學是奈米電子元件的理論和技術的基礎。 微電子元件(microelectronic device)發展為奈米電子元件(nano electronic device)，包括材料、技術和理論3個方面，材料由高純矽、鍺、鎵、砷等半體材料向無機/有機複合材料發展；技術由微影照像(photo lithography)、摻雜、磊晶技術等發展為分子尺度上的自組裝和裁剪技術；理論由半導體物理向奈米元件的量子統計(quantum statistics)理論發展。 在奈米電子元件中，載子的波動性顯著，呈現相位相干性， I-V特性不尊從歐姆定律(Ohm,s law)。 現行的微電子元件(如場效應電晶體,(field effect transistor FET)功率較大，它無法滿足未來對元件「更冷」的要求。 目前的微影照像技術能夠加工的最小線寬為130nm，也不能滿足奈米電子元件的加工要求。傳統的微影照像技術正面臨著它的物理極限的限制，使得它必將被更先進的加工技術所取代，如STM和AFM奈米加工技術等。 另一種方式是研製與當代積體電路完全不同的，利用奈米結構的量子效應(quantum effect)而構成的全新量子結構(quantum structure)體系，它包括新型的量子元件(quantum device)，如單電子電晶體(SET single electron transistor)，單電子記憶體(single electron memory)，單原子開關(single electron switch )等，以及可能用於量子系統的零維的量子點(quantum dot)，一維的量子線(quantum wire)和二維量子井(quantum well)等。 奈米電子學技術的主要研究內容應該包括奈米結構的加工技術和具有量子效應的電子元件的開發。 (二). 奈米加工技術 奈米製造方法可分為兩大類，即「從上到下」法和「從下到上」法，前者是在一個表面上刻出奈米結構或向該表加入大團分子，後者則是將原子或分子組裝成奈米結構。 (1)「從上到下」法 1.微影照像術 微影照像術基本上就是攝影術的發展。這一過程分為兩步，第一步是製造罩幕(這是一個一次性的過程，可能比較緩慢而且費錢)，第二步是利用罩幕進行複製(這一過程必定十分快捷而省錢) 縮小電晶體的尺寸和線寬的基本方法在於改進微影照像技術(photolithography)，也就是使用更短波長的曝光光源，經罩幕曝光，把刻蝕在矽片上的電晶體做得更小，連接電晶體的導線做得更細來實現。 當對積體電路最小線寬要求達到100nm時，現行的微影照像技術無能為力而面臨失敗。現行的微影照像技術也被稱為深紫外光微影照像技術。深紫外光