从微电子器件到纳米电子器件

1、从微电子器件到纳米电子器件第1页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心第一次产业革命(1734-1834） 主导技术：蒸汽机 动力变革， 热能、机械能 科学基础: 牛顿力学、热力学、 能量转化原理第2页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心 第二次产业革命（1835-1914） 科学基础：电的发现、 电磁理论 主导技术：电气化技术(发电机和电动 机、电力传输、无线电通讯)第3页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心第三次产业革命（1945-

2、2010？） 科学基础： X射线的发现 放射线的发现 半导体的发现 主导技术：微米技术 微电子技术 第4页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心三次产业革命的启示:1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家；2.主导技术经历了孕育期生长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约50-60年；3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；4.主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，逐渐形成新的产业群。第5页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心节省能源利用资源优化环境新工业革命第6页，共66页，202

3、2年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心存储密度： 106 1011 =10万个磁盘 读写速度：1GB 20GB纳米技术新工业革命的主导技术20世纪第7页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB 计算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍纳米技术21世纪纳米技术是21世纪科技发展的制高点, 是新工业革命的主导技术。第8页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心纳米技术

4、医疗药物环境能源宇航交通生物农业电子器件计算机国家安全新材料制 造传统产业 推动GDP快速增长 对关键问题的影响力第9页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心 信息技术知识爆炸时代 纳米科技技术爆炸时代第10页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日纳米科学的内涵基 础纳米材料制高点纳米电子学纳米加工纳米生物基 础纳米物理纳米化学纳米力学第11页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要的地位，因为纳米电子学是微电子学发展的下一代。第12页，共66页，2022年，5月20日，2

5、0点42分，星期日电子器件的发展与三代电子器件1897年Thomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的事：控制电子在真空中和固体中（固体中电子达1022/cm）的运动状态，产生了电子器件。电子器件的发展已经历了两个时期，真空电子管和固体晶体管。 电子器件主要用于处理光、电信号 光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等信号加工中最基本的是放大，即用小信号控制生成对应的大信号，最关键的元件是放大三极管第13页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日 1. 真空电子管：1906年发明，它是

6、将电子引入真空环境中，用加在珊极上的电压改变发射电子阴极表面附近的电场，来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。第14页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日2. 晶体管：1947年诞生，电子器件发展经历了第一次变革。晶体管基本单元为 p-n（整流特性）结和 p-n-p 结(信号放大），相应的有晶体二极管和晶体三极管。晶体管的体积小（由厘米降到微米），功耗小（从毫安降到微安），制成大（超大）规模集成电路，称为微电子器件。第15页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日4004808080868008P

7、entium486 DX386 Processor286Pentium IIPentium IIIItaniumGoal: Over 1 billion transistors by 2005Pentium 4Itanium 2微电子器件发展的摩尔(moore)定律-芯片上晶体管数量每隔18个月将会增加一倍。第16页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心Moores Second LawPlant costMask costgenerationX 1000$第17页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日微光刻与微纳技术历程和

8、发展趋势1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 201616K1M16M1G16G光刻工艺特征尺寸芯片集成度8.0 um5.0 um3.0 um2.0 um1.3 um0.8 um0.5 um0.35um0.25um0.18um0.13um 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm1986年最细线宽0.5um1995年最细线宽0.18um2004年最细线宽 2250nm1980年最细线宽1.0um346128438一台JBX 3040电子束光掩模制造系统20

9、00万美圆相当一架波音737建设一家45nm技术节点、12英寸集成电路制造厂30-35亿美圆一套180nm工艺节点掩模版25万美圆一套130nm工艺节点掩模版85万美圆一套90nm工艺节点掩模版150万美圆一套65nm工艺节点掩模版300万美圆一套45nm工艺节点掩模版500万美圆一套22nm工艺节点掩模版1500万美圆第18页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日 芯片中三极管的价格随时间的降低$1000$1000$1000$1000Chip Price8088286486奔4$第19页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中

10、心CMOS器件的若干挑战性问题Si-MOSFET极限Gate Length 100 teraflopsNEC Supercomputer:Top-down technologyTons500 kW40 teraflops第37页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日1. 量 子 计 算 机经典计算机： 二进制位存储： 非0即1开或关经典输入信号串行处理经典输出信号量子计算机：实现量子计算的装置，它是建立在量子力学的原理上工作的。利用量子位（qubits）存储信息, 用量子态表示0和1（自旋向上或向下）。量子存储器可以不同的概率同时存储0或1，量子位可以是0和1的叠加。量子叠加

11、态 输入信息并行运算量子叠加态 输出信息第38页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心量子计算机的优点:(1) 计算速度快：计算速度可提高10亿倍,1个400位长的数分解成质数乘积,采用巨型机需10亿年,用量子计算机只要一年；(2) 量子位储存能力大大提高；(3) 可完成一些传统计算机无法完成的计算。高效率模拟、模拟量子系统， 40个自旋1/2粒子体系；(4) 低能耗：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。 第39页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心量子计算机存在的问题受环境影响大，纠错复

12、杂 消相干效应：量子信号与外部环境发生相互作用，导致量子相关性的衰减，使相干性很难维持。 克服消相干效应是量子计算机要克服的主要困难。 消相干还会导致运算结果出错，如何进行量子纠错是量子计算机要克服的另一困难。第40页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日2. DNA 生物计算机： DNA分子上包含大量的遗传密码，它能通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。 DNA计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。第41页，共66页，2022年，5月20日，

13、20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心3. 光子计算机：传统的计算机是利用电流来进行计算，而光子计算机是用光束来进行计算和存储，不同波长的光就代表不同的数据。其优点是信息处理速度快，光子不需要在导线中传播，只要不满足干涉条件，即使光线相交，也不会相互影响，因此能够大大缩小信息通道的空间。第42页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日迎 接 碳 时 代名称时期/年石器时代30000铜器时代3200铁器时代1700硅时代40碳时代？作为微电子的下一代，纳电子器件有自己的理论、技术和材料。微电子的主要材料是硅，下一代电子器件的材料是什么？碳可能是21世纪的时代材料。

14、第43页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日第44页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日C脚手架C60晶体管第45页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日纳米变阻箱第46页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日石墨烯石墨烯是2004年由曼彻斯特大学的科斯提亚诺沃谢夫和安德烈盖姆小组首先发现的。它是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。它的厚度只有0.335nm，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝厚。石墨烯具有原子级的厚度、优异的电学性能、出色的化学稳定性和热力学稳定性： 石墨烯是世界上已知的

15、最为牢固的材料，若用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品。 石墨烯还是目前已知的导电性能最出色的材料（电子通过率几乎达到100%），极有可能取代硅而成为未来的半导体材料第47页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日第48页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理工大学纳米材料与技术研究中心What makes CNTs good ?Easily withstand high current densities of billion A/cm2Made to be conductors or semiconductorsCircumference

16、is inversely proportional to the band gap No clean room required to make themNanoscale diameterStrength 第49页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日How to make metallic and semiconducting CNTsSaturation point after about 1.5 or 1.6 degrees/section 第50页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日第51页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日

17、（4，0）碳管垂直生长在（11，11）碳管上组成的纳电子三极管f = 0.33 nmf = 1 nm门电极源极漏极第52页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日 2001年7月6日出版的美国科学周刊报道，荷兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下有效工作的单电子纳米碳管晶体管。他们使用一个单独的纳米碳管为原材料，利用原子作用力显微镜的尖端在碳管里制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压下通过。 用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1纳米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分一。 纳米碳管晶体管只需一个电子就可实现开关状态 第5

18、3页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日Nanotransistors from CNTs第54页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日 纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪和显示器单个碳纳米管的场发射天津理工大学纳米材料与技术研究中心第55页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日碳纳米管FET显示Field-effect transistor based on a single 1.6 nm diameter carbon nanotube天津理工大学纳米材料与技术研究中心第56页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星

19、期日Carbon Nanotube第57页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日Emission Emitters generate electrons when a small voltage is applied to both row (base layer) and column (top layer). 第58页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日 用纳米碳管制成的的场发射显示面板A display panel only 2.4 nm thick第59页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日第60页，共66页，2022年，5月2

20、0日，20点42分，星期日第61页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日单根纳米线电驱动激光器 (Single-nanowire Electrically Driven Lasers)When the current is big enough, the light is almost a single colour. Incandescent bulbs and diodes produce a broad spread of wavelengths.Nanolaser from 100 nm CdSe nanowire (blue-green light )light-emitting devices using quantum dots第62页，共66页，2022年，5月20日，20点42分，星期日天津理