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2.6 纳米器件工艺概论 在纳米器件领域内采用的主要加工技术是激光、x线、离子束和电子束等技术。 1000 nm 100 nm 10 nm 1 nm 0.1 nm Si ULSI 16Mb 256Mb (1?m) (0.1?m) (10 ?) 细菌 病毒 ST M 点 状 电 子 束 紫外光,激光,x光 聚 焦 离 子 束 纳 米 工 艺 亚微米工艺 原子级工艺 电子 离子 光 4Mb 64Mb 1Gb 血红蛋白分子 胰岛素分子 苯分子 C-C键 单电子晶体管 原子器件 分子器件 介观器件 量子点 微细加工技术的进展 A. 三束离子 ①电子束曝光技术：扫描电子束的直径可达5nm (通过提高电子显微镜的加速能量来实现)；曝光分辨率在采用有机感光胶 时可达10nm, 这已经实用化了。如果采用无机感光胶和STEM系统, 曝光分辨率甚至可以达到1nm。 ②离子束曝光技术：聚焦离子束的直径可达8nm；曝光分辨率可达8nm 。 ③利用STM：细小探针可实现对原子、分子的直接操纵, 可改造和控制表面；分辩率可达到0.1nm (横向) 和0.01nm (纵向)。虽然该技术对器件的制造无太大的实用价值, 但是对人工表面的研究, 对新现象、新器件的研究, 具有重要的意义。 B.采用电子束曝光或电子束刻蚀技术来制作量子结构 Si (110) 衬底 用电子束曝光制作出光刻胶膜图形 Si (110) 衬底 Si (110) 衬底 光刻胶 SiO2膜 等离子体氧化 用有机溶剂去掉光刻胶膜 KOH干法腐蚀的各向异性刻出量子线 Si衬底上量子线的制作 KOH对Si具有较好的各向异性腐蚀性质： 当Si是(110)面时, 对112方向的线条, 可得到垂直的断面。 当Si是(100)面时, 可腐蚀出台形的断面。 Cl2气氛 As4气氛 去掉氧化膜 再生长 Cl2 气腐蚀 MBE生长 O2气氛 O2气氛 外延层 电子束 GaAs衬底 真空 辐照形成 氧化膜 外延层 GaAs衬底 GaAs衬底 GaAs衬底 GaAs衬底 负型电子束刻蚀技术 C.采用聚焦离子束（FIB）加工技术来制作量子结构 2DEG 栅极 栅极 FIB扫描形成的高阻区 GaAs n-AlGaAs 衬 底 FIB扫描形成的高阻区 采用FIB技术来制作量子线 D.采用扫描隧道显微镜 (STM) 技术来制作量子结构 ——应用探针一个一个地提起物理吸附在表面上的原子 (通过原子之间力的作用)。 —— 应用探针 (其上加有脉冲电压) 一个一个地拔取表面层的原子 (基于电场蒸发原理)。 —— 应用探针 (加有脉冲电压) 一个一个地去掉化学吸附在表面上的原子 (基于隧穿电子引起化学反应的腐蚀作用)。 STM单原子操纵和纳米加工技术 STM的针尖可以成像，可以操纵表面上的原子或分子。 （1）针尖下移，使针尖顶部的原子和表面上的原子的“电子云”重叠，有的电子为双方共享，就会产生一种与化学键相似的力，以操纵表面上的原子。 （2）针尖和表面之间加上一定的能量，如电场蒸发，电流激励，光子激励等能量方式来有效地操纵表面原子。 ——STM原子操纵与蚀刻 硅111面7?7原子重构象 STM技术与其他技术结合起来而实现纳米结构 n- Si Ti SiO2 STM 探针 TiOx 5V VDS S D 岛 G n- Si SiO2 Ti TiOx Ti VG 形成TiOx 单电子晶体管的截面 H2O作为电解质，利用阳极氧化技术， STM探针把Ti膜氧化成TiOx，可作出10nm宽的TiOx线。TiOx具有较小于TiO2的?，?较小 （减小电容）。 第二章 作业 1.久保理论包含的内容是什么？为什么在低温下，热的涨落很难改变纳米微粒的电中性？ 2.纳米金属微粒由导体转变为绝缘体的条件是什么？ 3.试比较纳米微粒的量子尺寸效应和小尺寸效应。 4.什么是库仑堵塞效应？观察到库仑堵塞和量子隧穿的条件是什么？为什么隧道结的等效电阻R必须大于量子电阻(26kΩ)? 5.什么是宏观量子隧穿效应?试举例说明。 6.画出单隧道结堵塞与隧穿的I-V曲线、I-t曲线和V-t曲线，标出堵塞区 7.简要说明 “单电子岛-双隧道结”结构的SET器件的Coulomb台阶、 Coulomb振荡的形成过程。