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纳米电子技术与电子器件 郑丽芬 01/11/10 纳米电子技术与电子器件 纳米技术与纳米电子学 纳米电子器件 纳米电子学中超高密度信息存储 纳米电子学研究的现状发展前景 纳米技术与纳米电子学 发展目标 基础研究 研究中需要解决的课题 发展目标 纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接延伸到原子和分子，其最终目标是直接以原子分子在纳米尺度上制造特定功能的产品。 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其最终目标是将集成电路的几何结构进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的并室温能用的的各种器件（纳米电子器件或量子器件）。 基础研究 自上而下，提高集成度 自下而上，将有机无机材料尺寸逐渐增大加工组装成纳米极器件（投资较少） 研究中需要解决的课题 量子隧穿效应。首先要考虑纳米点的材料和能级特性，还要考虑纳米隙的结构，绝缘材料和缺陷。 载流子的相干性。在微电子器件中不用考虑载流子的相位作用，而在纳米器件中经弹性碰撞后，载流子的相位关系仍保留，因此载流子的振幅与相位都应考虑并加以利用。 多隧道结之间的牵连效应。在某纳米点输入或取出一个电荷时，多隧道结之间会产生牵连影响，这种影响应深入研究并加以利用。 纳米电子器件 也称量子器件，是利用量子效应及其它电 学光学原理，采用纳米硅薄膜及其他材料 制作的量子功能器件。主要通过控制电子 波动的相位来进行工作。量子器件能实现 更高的响应速度和更低的功耗，是一代超 高速，超容量，超微型，低功耗的器件。 纳米电子器件 组成部分 相关原理 加工技术 典型器件 组成部分 纳米点 有两种制作办法，一种是场蒸发，要求粒度在10nm 以上，制作容易但一致性差，制作纳米点阵比较方便； 另一种是电化学方法，粒度大小容易控制，精度比较 一致（Au，CdS） 纳米隙绝缘层 可以在导电基底，纳米点，SPM针尖上制作。 纳米线 场蒸发；考虑采用原子或有机分子操纵方法作少量纳 米线样品 相关原理 各种量子效应：量子隧穿效应，量子相干性，量子波动性，弹道电子运输，量子尺寸效应，库仑阻塞，单电子振荡，布洛赫振荡和奇异导电性等。 超导体－导体－半导体－绝缘体异质界面量子波和异质结量子点的物理效应。 高温铜氧化物超导体正常态的奇异特性，二维导电性导致的电子波，电子对波和磁通线运动效应。 单电子电子学，单电子对电子学和单磁通量子电子学的对偶性。 原子与分子自组装机制。 加工技术 纳米级元器件主要包括两方面： 1）纳米级超细粉料制成的元器件 2）纳米级半导体器件和集成电路 我们主要介绍第二各方面的加工技术 光刻技术 纵向加工技术－分子束外延（MBE），金属有机气象沉积（MOCVD），原子层外延技术（ALE）。现已实现单原子层薄膜生长，材料纵向尺寸控制精度已高达2A。 横向加工技术－高分辨率电子束和聚焦离子束技术。制作出的“纳米印刷机”，用无机抗蚀剂已做出小于10nm的线宽。 STM（SPM）超微细加工技术 具有原子极的极高分辨率。 可实时的得到在实空间中表面的三维图象，用于具有周期性和不具有周期性的表面结构研究，非常有利于对表面反应，扩散等动态过程的研究。 可以得到单个原子层表面的局部结构，而不是对体相的平均性质。因此可以得到局部的表面缺陷和表面吸附体所引起的表面重构。 可在任何条件下工作。非常适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的表征。 在得到样品表面形貌的同时亦可得到扫描隧道谱（STS），可研究表面的电子结构。 针尖可操纵单个分子或原子，可对表面进行纳米尺度上的微细加工，包括刻蚀，阳极氧化。 光刻技术与STM加工技术相结合 典型器件 纳米电子器件及相应原理： 谐振晶体管，电路和系统－共振隧道效应 超高速逻辑开关－电子束高迁移率 极大容量存储器－量子点的可积蓄电子原理 单电子晶体管（包括单电子开关和单电子存储器) －库仑阻塞效应，单电子振荡和隧穿效应 单电子对晶体管，电路和系统－单电子对隧穿效应，布洛赫振荡 单磁通量子晶体管－二维超导体量子面的磁通量子化 无导线集成电路－四个量子点组成一个单元，多个单元连在一起，单元之间的电子运动以耦合方式进行，从而实现信号传递 单原子开关和存储器，分子线，分子开关和存储器 具有量子点结构的硅器件 单电子晶体管 单电子隧穿现象 如果有一纳米微粒尺寸足够小且与其周围外界在电学上是绝缘的，它与外界之间的电容可小到10－16F，在这种情况下，某个电子隧穿进入该微粒，它会阻止第二个电子再进入该微粒，否则会导致系统总能的增加，因而可人为控制电子逐个穿进出该微粒，实现单电子隧穿过程。 单电子晶体管的发现促进了纳米电子学的发展。单电子隧穿可应用于对高频电磁波辐射的灵敏检测，尤其在远红外波