納米技術(shù)在電子器件上的應(yīng)用與發(fā)展(共5頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淺談納米技術(shù)在電子器件上的應(yīng)用與發(fā)展一、納米技術(shù)和納米電子學(xué) 納米技術(shù)是20世紀(jì)末期崛起的嶄新科學(xué)技術(shù)。美國(guó)早在1992年就把納米技術(shù)列為20世紀(jì)末和21世紀(jì)初的10大研究項(xiàng)目中的5個(gè)項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)防部每年撥款3500萬(wàn)美元用于微系統(tǒng)的研究。日本1995年宣布將這項(xiàng)技術(shù)列為后10年的4大科技項(xiàng)目之一，是為期10年、耗資2.25億美元、有26家公司參加的微系統(tǒng)研究項(xiàng)目。德國(guó)在1993年提出10年內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的9個(gè)領(lǐng)域的80項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，有4個(gè)領(lǐng)域的12個(gè)項(xiàng)目涉及納米技術(shù)，每年撥款6500萬(wàn)美元支持系統(tǒng)研究。歐盟在1995年提出的一項(xiàng)研究報(bào)告稱(chēng)，未來(lái)10年納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)將成為

2、僅次于芯片制造的世界第二大制造業(yè)，到2070年，納米技術(shù)市場(chǎng)的價(jià)值將達(dá)到400億英鎊。澳大利亞也在1993年將原子測(cè)檢技術(shù)列為21世紀(jì)最優(yōu)先開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)多年的努力，各國(guó)專(zhuān)家從原子、分子級(jí)對(duì)一些物質(zhì)的特性有了新的認(rèn)識(shí)，納米技術(shù)研究取得一些突破。 納米技術(shù)是一個(gè)嶄新的高科技學(xué)科群，它包含納米電子學(xué)、納米物理學(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)等，是一門(mén)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索相互融合的新興科學(xué)技術(shù)。 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

3、概念來(lái)構(gòu)造電子器件與系統(tǒng)。納米電子學(xué)在更深層次上開(kāi)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)存和處理信息的能力提高百萬(wàn)倍以上，實(shí)現(xiàn)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，可以制成光電器件、分子器件、微電子機(jī)械系統(tǒng)、微型機(jī)器人等，將對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生變革性的影響，納米電子學(xué)將成為21世紀(jì)信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)。 二、納米電子器件簡(jiǎn)介 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，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。現(xiàn)在，納米電子技術(shù)正處在蓬勃發(fā)展時(shí)期

4、，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(kāi)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。 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 、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、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。三、納米電子器件的分類(lèi) 關(guān)于納米電子器件的分類(lèi)，國(guó)內(nèi)外有著不同的看法。根據(jù)納米電子技術(shù)的發(fā)展和對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)，一

5、種分法把納米電子器件廣義地分為以下類(lèi) ：（1）納米級(jí)CMOS器件，如絕緣層上硅MOSFET、 異 質(zhì) 結(jié)MOSFET 、 低 溫MOSFET、 雙 極MOSFET等；（2）量子效應(yīng)器件，如量子干涉器件、量子點(diǎn)器件和諧振隧道器件等；（3）單電子器件，如單電子箱、電容耦合和電阻耦合單電子晶體管、單電子結(jié)陣列、單電子泵、單電子陷阱等；（4）單分子器件，如單電子開(kāi)關(guān)、單原子點(diǎn)接觸器件、單分子開(kāi)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；（5）納米傳感器，如量子隧道傳感器等；（6）納米集成電路，包括納米電子集成電路和納米光電集成電路；（7）納米存儲(chǔ)器，如超高容量納米存儲(chǔ)器、隧道型靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)

6、器、單電子硅基 存儲(chǔ)器、單電子存儲(chǔ)器、單電子量子存儲(chǔ)器等；（8）納米CMOS混合電路，包括納米CMOS電路和三-四族化合物半導(dǎo)體共振隧道效應(yīng)電路，納米CMOS電路和單電子納米開(kāi)關(guān)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，納米CMOS電路和DNA電路等。四、納米結(jié)構(gòu)制備和加工技術(shù) 1.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(chēng)三束光刻技術(shù)，是通過(guò)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cmos器件、納米集成電路、納米cmos混合電路等加工領(lǐng)域表現(xiàn)出

7、了很好的應(yīng)用前景，并開(kāi)始在一些納米電子器件加工方面取得了應(yīng)用。2.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(chēng)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。3.分子自組裝合成技術(shù) 自組裝是依賴分子間非共價(jià)鍵力自發(fā)結(jié)合成穩(wěn)定的聚集體的過(guò)程。自從80年代提出分子器件的概念至今，人們已從 lb技術(shù)發(fā)展到了分子自組裝技術(shù)，從雙液態(tài)隔膜（blm）技術(shù)發(fā)展到了sblm技術(shù)，已在分子組裝有序分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集體方面取得了豐碩的成果。4 .SPM技術(shù) 自從 1982年第一臺(tái)掃描隧道顯

8、微鏡(STM)誕生，以及后來(lái)各種掃描探針顯微鏡發(fā)明以來(lái)，人類(lèi)對(duì)微;納觀世界的認(rèn)識(shí)翻開(kāi)了新的一頁(yè)。SPM不僅可以進(jìn)行高分辨率的三維成像和測(cè)量，還可對(duì)材料的不同性質(zhì)進(jìn)行研究。因此，已不僅是一種微觀測(cè)量分析的工具，而且是一種重要的微觀加工與操縱工具。5.特種超微細(xì)加工技術(shù) 還有一些特殊的超微細(xì)加工技術(shù)，可用于加工、制備納米電子器件。它們包括機(jī)械控制裂隙連接電極技術(shù)制備Au原子線；納米碳管構(gòu)建FET；以DNA分子、納米碳管、介孔材料為模板，制備量子線以及超精密復(fù)合加工、電解射流加工、電火花加工，電化學(xué)加工技術(shù)等。五、量子功能器件 納米加工技術(shù)的突破和介觀物理研究的發(fā)展，以全新的概念改變了器件的設(shè)計(jì)思想

9、。器件研究者利用各種介觀效應(yīng)來(lái)改進(jìn)器件的性能和設(shè)計(jì)制造新型量子器件。例如利用高遷移率效應(yīng)制備高頻高速器件。利用隧道效應(yīng)制作多值邏輯器件。利用相干電子波干涉、衍射和反射現(xiàn)象設(shè)計(jì)高速開(kāi)關(guān)器件和傳感器、利用低維度下有效狀態(tài)密度的變化制造激光器。下面介紹幾種主要的量子效應(yīng)器件。 在這種分類(lèi)中，納米級(jí) 器件、納米傳感器、納米存儲(chǔ)器、納米集成電路以及納米混合電路等分別被作為一種獨(dú)立的納米器件類(lèi)型。但事實(shí)上，這些納米傳感器、納米級(jí)的CMOS器件或電路是否應(yīng)該納入納米器件的范疇，目前還存有爭(zhēng)議.納米電子器件的制備技術(shù)簡(jiǎn)介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

10、向微型化延伸，研究開(kāi)發(fā)更小線寬的加工技術(shù)來(lái)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（MOCVD） 、分子束外延（MBE） 、原子層外延（AEE） 、化學(xué)束外延（BE）等外延技術(shù)、掃描探針顯微鏡（SPM）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。六、納米電子器件的應(yīng)用與發(fā)展 主要研究在電子、信息、智能系統(tǒng)中的應(yīng)用。 納米電子器件在功能

11、器件上的分類(lèi) 利用納米結(jié)構(gòu)中電子所呈現(xiàn)的各種量子化效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)和制作各種量子功能器件。電子在納米結(jié)構(gòu)中的行為表現(xiàn)為量子力學(xué)的波粒二重性，其表現(xiàn)波動(dòng)性或粒子性取決于它所處的環(huán)境。從量子的狀態(tài)特征考慮，可以把各種量子功能器件分為二大類(lèi)，即單電子器件和量子波器件。 （1）單電子器件 這類(lèi)器件的電子處于點(diǎn)結(jié)構(gòu)，而且其行為以粒子性為側(cè)重。單電子器件的典型實(shí)例如單電子晶體管、單電子開(kāi)關(guān)等。 （2）量子波器件 這類(lèi)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(lèi)器件包括量子線晶體管、量子干涉器件、諧振隧道二極管、晶體管等。 此外，除了上述基于納米半導(dǎo)體范疇的量子功能器件即半導(dǎo)體量子效應(yīng)器件和單電子

12、器件外，從廣義上講，納米器件還可包括基于分子電子學(xué)的分子電子器件，分子器件在原理和材料結(jié)構(gòu)上都與半導(dǎo)體量子器件不同，而且更為"年輕"，它們包括分子電子開(kāi)關(guān)、電化學(xué)分子器件等。 七、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)IC的集成密度的要求越來(lái)越高，電子器件的小型化以指數(shù)率持續(xù)變小，特征尺寸從微米級(jí)到亞微米級(jí)再縮小至納米級(jí)。納米電子技術(shù)是傳統(tǒng)電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。 多年來(lái)，半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，特別是量子阱和超晶格、量子線、量子點(diǎn)，是半導(dǎo)體物理理論研究和半導(dǎo)體器件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域。異質(zhì)結(jié)量子阱和超晶格技術(shù)最為成熟，并開(kāi)始從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用，出現(xiàn)了大量

13、性能優(yōu)異的量子阱器件，如HEMT、RTD、激光器等，并用于研制微波、毫米波放大器、振蕩器、混頻器、倍頻器及光調(diào)制器、探測(cè)器；在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、遙感、醫(yī)療設(shè)備以至消費(fèi)類(lèi)等許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。雖然，量子線和量子點(diǎn)技術(shù)仍相對(duì)相當(dāng)“年輕”，新的發(fā)現(xiàn)和新的應(yīng)用仍有待開(kāi)發(fā)，但量子線在微波、毫米波、亞毫米波傳輸方面已顯示良好性能，用量子點(diǎn)陣列研制的激光器、光調(diào)制器、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器等器件已經(jīng)驗(yàn)證演示。這一切表明，以理論研究、器件設(shè)計(jì)、工藝開(kāi)發(fā)和電路研制為內(nèi)容的納米半導(dǎo)體學(xué)科的研究是當(dāng)前納米電子學(xué)發(fā)展的主旋律，有必要著重討論其發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。 納米電子器件面臨的挑戰(zhàn)由于納米器件的特征尺寸處于納米量級(jí)，因此，其

14、機(jī)理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關(guān)問(wèn)題需要解決，如電子在勢(shì)阱中的隧穿過(guò)程、非彈性散射效應(yīng)機(jī)理等。 盡管如此，納米電子學(xué)中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關(guān)的納米電子技術(shù)方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）納米 Si 基量子異質(zhì)結(jié)加工 要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋?、光刻等技術(shù)制造新一代的類(lèi)似層狀蛋糕的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢(shì)能的半導(dǎo)體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢(shì)阱，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)作“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)” 。但由目前的工藝水平，在納米尺度上制造出性能穩(wěn)定、可靠的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)通常是很困難的，因此，

15、必須盡快發(fā)展高性能的納米 Si基量子異質(zhì)結(jié)加工技術(shù)。（2）分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器件 即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線，但把這些元件組裝成一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個(gè)平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過(guò)陣列的自組裝。盡管，Purdue University等研究機(jī)構(gòu)在這個(gè)方向上取得了可喜的進(jìn)展 ，但該技術(shù)何時(shí)能夠走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用，仍無(wú)法斷言。（3）超高密度量子效應(yīng)存儲(chǔ)器 超高密度存儲(chǔ)量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來(lái)納米計(jì)算機(jī)的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒(méi)有可動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲(chǔ)手段

16、。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲(chǔ)的量子效應(yīng)存儲(chǔ)器陣列或芯片同樣給納米電子學(xué)研究者提出了新的挑戰(zhàn)。（4）納米計(jì)算機(jī)的“互連問(wèn)題” 一臺(tái)由數(shù)萬(wàn)億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計(jì)算機(jī)注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問(wèn)題中首當(dāng)其沖需要解決的就是所謂的“互連問(wèn)題” 。換句話說(shuō)，就是計(jì)算結(jié)構(gòu)中信息的輸入"輸出問(wèn)題。納米計(jì)算機(jī)要把海量信息存儲(chǔ)在一個(gè)很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的諸多元件，而納米計(jì)算元件之間、計(jì)算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的微型化而言，由于電線之

17、間要相互隔開(kāi)以避免過(guò)熱或“串線” ，這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無(wú)限制地增加。因此，納米計(jì)算機(jī)導(dǎo)線間的量子隧穿效應(yīng)和導(dǎo)線與納米電子器件之間的“連接”問(wèn)題急需解決。（5）SPM 納米器件加工技術(shù)效率 SPM 技術(shù)為納米電子器件的加工制備提供了新的途徑。納米電子器件最終要變得實(shí)用且經(jīng)濟(jì)上可行，則要求納米結(jié)構(gòu)能被迅速大量地組裝出來(lái)。然而，目前使用 SPM納米器件加工技術(shù)效率極低，因此，僅靠一臺(tái)微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡一次組裝一個(gè)納米結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果納米電子器件要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化組裝，則需要大量高效的并行顯微“納米操縱器”來(lái)完成。（6）納米 "分子電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)、性能分析模擬環(huán)境 當(dāng)前，分子力學(xué)、量子力學(xué)、多尺度計(jì)算、計(jì)算機(jī)并行技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已取得快速發(fā)展，利用這些技術(shù)建立一個(gè)能夠完成納米電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術(shù)研究人員獲得虛擬的體驗(yàn)已成為可能。但由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的速度、分子力學(xué)與量子力學(xué)算法的效率等問(wèn)題，目前建立這種迅速、敏感、精細(xì)的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。 美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)宰貝克斯公司的一項(xiàng)預(yù)測(cè)認(rèn)為，納米技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)經(jīng)歷五個(gè)階段。 第一個(gè)階段的發(fā)展重點(diǎn)，是要準(zhǔn)確地控制原子數(shù)量在100個(gè)以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。這需要使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)/制造技術(shù)和現(xiàn)有工廠的設(shè)備和超精密電