纳米技术在电子器件上的应用与发展

浅谈纳米技术在电子器件中的应用和发展一、纳米技术和纳米电子纳米技术是20世纪末兴起的新科学技术。 美国在1992年把纳米技术列为20世纪末和21世纪初的10大研究项目中的5项。 美国国防部每年为微系统的研究捐赠3500万美元。 日本于1995年宣布该技术作为后10年的4大科技项目之一，10年，费用为2.25亿美元，是26家公司参加的微系统研究项目。 德国在1993年10年内重点发展的9个领域的80个重要技术中，有4个领域的12个项目涉及纳米技术，每年支持6500万美元的系统研究。 欧盟在1995年提交的研究报告显示，未来十年纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业，到2070年纳米技术市场的价值将达到400亿英镑。 在澳大利亚，1993年也把原子检查技术作为21世纪最优先开发的项目。 经过多年的努力，各国专家从原子、分子水平对某些物质的特性有了新的认识，纳米技术的研究取得了一些突破。纳米技术是一个新的高科技学科群，包括纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米技术学等，是基础研究与应用探索相融合的新兴科学技术。纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是传统微电子学发展的必然结果，也是纳米技术发展的主要动力。 纳米电子基于传统的固态电子，利用最新的物理理论和先进的技术手段，按照新概念建立电子器件和系统。 纳米电子在更深的水平上开发了物质潜在的信息和结构，使每单位体积的物质积累和处理能力提高了一百万倍以上，实现了信息采集和处理能力的革命性突破。 纳米电子学可以结合光电子学、生物学、机械学等学科，制造光电子器件、分子器件、微电子机械系统、微型机器人等，对人的生产和生活方式产生了变革性的影响，纳米电子学将成为21世纪信息时代的重要技术。二、纳米电子器件介绍纳米电子技术是在纳米尺寸范围内构建纳米和量子器件，集成纳米，实现量子计算机和量子通信系统信息计算、传输和处理的相关技术，其中纳米电子器件是目前纳米电子技术发展的关键和核心。 目前，纳米电子技术处于蓬勃发展的时期，其最终目标立足于最新的物理理论和先进的技术手段，突破传统物理尺寸和技术界限，开发物质潜在信息和结构潜力，按照新概念设计制造纳米器件，构建电子系统，实现电子系统的存储和处理能力的创新飞跃目前，利用纳米电子材料和纳米光蚀刻技术，在电子谐振隧道器件(谐振二极管、三极谐振隧道、单电子晶体管、金属基、半导体、纳米粒子、单电子静电计、单电子、半导体存储器、硅纳米结晶制造的存储器、纳米流网格三、纳米电子器件的分类对于纳米电子器件的分类，国内外有不同的看法。 根据纳米电子技术的发展和未来的预测，一种分法将纳米电子器件广义地分为以下种类(1)在绝缘层上硅MOSFET、异质结MOSFET、低温MOSFET、双极MOSFET等纳米级CMOS器件；(2)量子干涉元件、量子点元件、谐振隧道元件等量子效应元件(3)单电子盒、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子耦合阵列、单电子泵、单电子陷阱等单电子器件(4)单分子器件，如单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件；(5)量子隧道传感器等纳米传感器(6)包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路的纳米集成电路(7)超高容量纳米存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅存储器、单电子存储器、单电子量子存储器等纳米存储器；(8)纳米CMOS电路和三-四族化合物半导体谐振隧道效应电路、纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路、纳米CMOS电路和碳纳米管电路、纳米CMOS电路和人工原子电路、包含纳米CMOS电路和DNA电路等的纳米CMOS混合电路。四、纳米结构的制备和加工技术1 .光刻技术光学光刻、电子束光刻和离子束光刻技术总称为3种光刻技术，是将通过掩模、曝光等工艺设计的器件图案结构转印到半导体基板上的-%加工技术。 目前，随着光刻技术线宽的减少，光学光刻、电子束光刻和离子束光刻技术在纳米cmos器件、纳米集成电路、纳米cmos混合电路等加工领域显示出了良好的应用前景，开始应用于一些纳米电子器件的加工中2 .外延技术金属有机化学气相生长、分子束外延、原子层外延和化学线外延技术统称为外延技术，是在基体上生长纳米薄膜的纳米制造技术，可用于纳米集成电路用硅系半导体材料、纳米半导体结构：器件的加工和制造。3 .分子自组织合成技术自我组织是依赖分子间的非共价键力自发地结合成稳定的集体的过程。 自80年代提出分子器件概念以来，人们从lb技术发展为分子自组织技术，从双液隔膜(blm )技术发展为sblm技术，组装分子组织有序分子薄膜，在加工具有特定功能的分子集合体方面取得了丰富的成果。4 .SPM技术自从1982年第一台扫描隧道显微镜(STM )诞生以来，各种扫描探针显微镜被发明以来，人们对微观世界的认识揭开了新的一页。 SPM不仅能测量高分辨率的三维图像，还能探讨材料的性质。 因此，不仅是微观测量分析的工具，也是重要的微观加工和操作工具。5 .特殊超细加工技术也有加工、制造纳米电子器件的特殊超细加工技术。 它们包括机械控制裂纹连接电极的技术，制造Au原子线的碳纳米管以构建FET的DNA分子、碳纳米管、介孔材料为模板，制造量子线和超精密复合加工、电解喷射加工、火花加工、电化学加工技术等。五、量化功能器件纳米加工技术的突破和媒体物理研究的发展，以新概念改变了器件的设计思想。 设备研究者利用各种介电效应来改进设备的性能和设计，制造新的量化设备。 例如，利用高迁移率效应制造高频高速器件。 利用隧道效应制作多值逻辑器件。 利用相干电子波干涉、衍射和反射现象设计了高速开关器件和传感器，利用低维有效状态密度的变化制造激光器。 介绍几种主要的量子效应器件。在这种分类中，纳米级器件、纳米传感器、纳米存储器、纳米集成电路、纳米混合电路等是各自独立的纳米器件类型。 然而，实际上，这些纳米传感器、纳米级CMOS器件和电路是否应该落入纳米器件的范畴尚有争议。纳米电子器件的制造技术综述为了制造纳米电子器件并实现其集成电路，可以对现有的电子器件、集成电路进行进一步微细化，开发线宽更小的加工技术，对加工尺寸更小的电子器件的所谓“自上而下”方式进行研究开发。 另一种方法是所谓的“自下而上”方法，其利用先进纳米技术和纳米结构的量化效应直接构成新的量化器件和量化结构体系。纳米电子器件“自上而下”的制造方式主要是指光学光刻、电子束光刻、离子束光刻等技术。“从下向上”的制造方法有有机金属气相生长(MOCVD )、分子束外延(MBE )、原子层外延(AEE )、化学线外延(BE )等外延技术、扫描探针显微镜(SPM )技术、分子自组织合成技术、特殊超微加工技术等。六、纳米电子器件的应用与发展主要研究在电子、信息、智能系统中的应用。纳米电子器件在功能器件上的分类纳米结构中的电子所指示的各种量化效果可用于设计和产生各种量化功能装置。 纳米结构中电子的行为表现为量子力学的波粒二重性，其表现波动性和粒子性取决于其所处的环境。 根据量化状态的特征，各种量化功能装置可分为单电子装置和量化波形装置两种。(1)单电子器件这种器件的电子是点结构，其行为集中在粒子性上。 单电子器件的典型示例是单电子晶体管、单电子开关等。(2)量化波器件这种装置中的电子处于相位干扰结构中，其行为以波动性为主。 这种装置包括量子线晶体管、量子干扰装置、谐振隧道二极管、晶体管等。此外，除了上述基于纳米半导体范畴的量子功能器件即半导体量子效果器件和单电子器件之外，广义上，纳米器件还可以包括基于分子电子学的分子电子器件，分子器件的原理和材料结构与半导体量子器件不同，而且是“年轻”，分子电子器件七、发展现状和趋势随着微电子技术的发展和应用市场的开发，对IC集成密度的要求越来越高，电子器件的小型化以指数率持续变小，特征尺寸从微米级到亚微米级进一步缩小。 纳米电子技术是传统电子技术发展的必然结果。多年来，半导体低维结构系统，特别是量子阱和超晶格、量子线、量子点是半导体物理理论研究和半导体器件开发和应用最活跃的领域。 异质结量子阱和超晶格技术最成熟，从基础研究转变为应用，出现了很多HEMT、RTD、激光等性能优异的量子阱器件，并出现了微波、毫米波放大器、振荡器、混频器、倍频电路和光调制器、用于检测器的移动通信、卫星通信、远程量子点技术相当“年轻”，新的发现和新的应用还没有开发出来，但是量子线在微波、毫米波、亚毫米波传输方面显示出良好的性能，用量子点阵列开发的激光器、光调制器、远红外线检测器等器件已经得到了证实这表明，以理论研究、器件设计、工艺开发和电路开发为内容的纳米半导体学科研究是当前纳米电子学发展的主旋律，需要重点研究发展的现状和趋势。纳米电子器件面临的课题由于纳米器件的特征尺寸为纳米级，其机制与现有的电子元件有很大差异，理论上需要解决许多量化现象和相关问题，如电子在井中隧道的过程、非弹性散射效应的机制等。然而，纳米电子学亟待解决的重要问题在于与纳米电子器件和纳米电子电路相关联的纳米电子技术，其主要表现在于以下几点。(1)纳米Si系量子异质结加工为了将现在的硅系电子器件持续缩小到纳米尺度，使用外延、光刻等技术制作像下一代层状蛋糕一样的纳米半导体结构是最简单的方法。其中，不同的层通常由不同电位的半导体材料形成，制造纳米级量子阱的结构称为“半导体异质结”。 但是，从目前的工艺水平来看，通常很难制造在纳米尺度下性能稳定、可靠的半导体异质结，因此必须迅速发展高性能的纳米Si基量子异质结技术。(2)用分子晶体管和导线组装纳米器件即使知道分子晶体管和分子布线的制造方法，把这些元件组装成能工作的逻辑结构也是非常困难的课题。 一种可能的方法是通过阵列来组装大电子器件的另一种可能的方法是使用扫描隧道显微镜来将分子器件布置在一个平面上。 尽管Purdue University等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展，但是这项技术什么时候离开实验室还不能断言。(3)超高密度量子效应存储器超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具有高速访问能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供大量的存储手段。 但是，一有制造纳米电子逻辑器件的能力，该器件如何组装超高密度记忆的量子效应存储器阵列和芯片就向纳米电子研究者提出了新的挑战。(4)纳米计算机的“互连问题”几兆纳米电子部件要以空前的密度组装纳米计算机，需要巧妙的结构和合理的整体配置，整体结构问题中最先要解决的是“互连问题”。 换言之，是计算结构中的信息的输入输出的问题。 纳米计算机要将大量信息保存在小空间，快速使用信息生成，需要控制和调整计算机的许多部件的特殊结构，纳米计算机的部件之间，计算部件和外部环境之间需要大量连接。 关于以往的计算机设计的微细化，为了隔着电线避免过热和“连接线”，有几何学上的考虑和限制，不能无限制地增加连接数。 因此，必须尽快解决纳米计算机导线之间的量子隧道效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题。(5)SPM纳米器件的加工技术效率SPM技术为纳米电子器件的加工制造提供了新的道路。 由于纳米电子器件最终会实用且经济实现，因此要求迅速大量组装纳米结构。 但是，目前使用SPM纳米器件的加工技术效率非常低，仅靠微扫描隧道显微镜和微原子显微镜一次组装纳米结构是不够的。 为了机械组装纳米电子器件，需要大量高效的并联显微镜“纳米操纵器”。(6)纳米分子电子器件的制造、操作、设计、性能分析模拟环境目前，分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学发展迅速，利用这些技术建立了能够完成纳米电子器件的制造、操作、设计和性能分析的模拟虚拟环境，使纳米技术研究者获得虚拟体验成为可能。 但是，从目前计算机的速度、分子力学和量子力学算法的效率等问题来看，建立这种快速、敏感、细致的量子仿真虚拟环境仍然存在很大的困难。根据美国风险企业泽贝克公司的预测，纳米技术的发展可能会经历五个阶段。第一阶段的发展要点是正确控制原子数为100个以下的纳米结构物质。 这需要计算机设计/制造技术、