纳米电子学与纳米加工

纳米电子学的含义:在0.1-100nm的纳米结构(量子点)内探测,识别与控制单个量子或量子波的运动规律,

研究单个原子,分子人工组装和自组装技术,研究在量子点内,单个量子或量子波所表现

出来的特征与功能,用于信息的产生,传递和交换的器件,电路和系统及其在信息科学技

术,纳米生物学,纳米测量学,纳米显微学,纳米机械学等中应用的学科。纳米电子学的三个主要方向:集成微系统。量子或纳米器件。在上述基础上,开发和建立纳米和量子级系统的数据处理,计算,管理以及量子通信网络的基础理论和基础科学。纳机电系统（NanoeltctromechanicalSystems,NEMS）研究尺度在1-100nm范围内结构、元件和系统的性质与应用。MEMS和NEMS这两个前后来到,相互联系又不相同的微系统,正代表微米纳米技术的关系。和硅微电子加工相比,NEMS的材料广和加工的空间分辨率高。NEMS可能对传感、医学诊断、显示和存储等应用带来革命性影响。美国康乃尔大学的一个科研组最近研制出可进入人体细胞的纳米机械—由金属镍螺旋桨（直径为150纳米、长为750纳米）、生物电机和镍柱体（直径为80纳米、高为200纳米）三部分组成,是一个有机的的和无机的混合系统,它的大小与病毒微粒（17—1000纳米）差不多,将来可以在人体细胞内施放药物和清除细胞的缺陷等任务。电机的动力来自人体的生物“燃料”--一种化学物质ATP（AdenosineTriphosphate腺苷三磷酸盐）,它转化为机械能量,使得金属推进器的转速达到每秒8圈,可以连续运转两个半小时。这种设备的三个组件放在一起就能进行自组装、维护和修理。镍螺旋桨的制作用了电子蒸发、电子束暴光和各向同性刻蚀,并涂有化学薄膜。这种新技术仍处于研制初期,其成功率还不高,约为5/400。在人体细胞内执行医疗任务的实验也需几年的时间才能完成。未来的system-on-a-chip:纳米电子学发展的预测:分子电子学:主要是利用共价键分子结构,与本体衬底分子隔离。器件的线和开关由单个的分子和纳米尺度超分子结构组成。常规概念的微电子技术发展的极限:原理性限制:10nm以下，半导体晶体的原子间距，热扰动，量子扰动，电磁扰动，量子力学测不准原理和光速等将成为原理性限制的基本因素。技术性限制:20-25nm，短沟道效应，漏电流，导通电阻减小，速度饱和与扩散层固溶度等将成为技术性限制的主要因素。ULSI--〉超集成化,超高集成器件制造成品率下降,特性不均匀和可靠性差等,严重阻碍了集成度的进一步提高。工作速度,超细布线电阻增大,布线增长导致电阻/电容比增大,杂散电容的增大等抑制了速度的提高。复杂性限制,设计,测试和检验时间的猛增,是复杂性结构的必然结果。经济性限制,结构复杂化,制作成本上升,工艺复杂,设备成本增大。微电子器件的发展材料:高纯硅，锗，镓砷工艺:光刻，掺杂，外延技术理论:半导体物理纳米电子器件的发展材料:无机/有机复合材料工艺:分子尺度上的自组装和剪裁技术理论:纳米器件的量子统计理论纳米尺度的新效应:量子相干效应(Quantum

interference

effect)A-B效应(Aharonov-Bohm

effect)量子霍尔效应(Quantum

Hall

effect)普适电导涨落特性(Universal

conductanceflutuations)库仑阻塞效应(Coulumb

blockade)海森堡不确定效应(Heisenberg

uncertaintyeffect)当电子被限于两个空间相距很近的势垒之间的岛区时，所遇到的两个基本的量子力学效应是:电子在势阱中能量量子化，形成分立的量子态；势垒越薄，占据低于势垒高度能态的电子有一定的隧穿进入岛区或离开岛区的几率；纳米电子器件的分类:共振隧穿效应示意图:共振隧穿:当势垒中够薄时,微观粒子穿透势垒的隧道效应十分明显。对于多势垒的半导体结构,当邻近量子势阱的子能带相同时,隧穿几率发生共振,叫共振隧穿。江崎和朱兆祥在1974年首次观察到在双势垒半导体结构中的共振隧穿现象。库仑阻塞效应示意图:库仑阻塞效应当体系的尺度进入纳米级,体系是电荷量子化的,即充电放电过程不连续,充入一个电子所需的能量为e2/2C,体系越小,能量越大。称为库仑阻塞能,它导致了对一个小体系的充放电过程,电子不能集体传输,而是一个一个单电子的传输。Single electron

tunnelling

devicesarepredominantlyaimedathigh-density,low-powermemorymarketsespeciallysinceanumberofthedesignsareaminiatureversionofflashmemorytechnology.ThereareanumberofdesignsforlowpowerSETlogic,butasyetnonehavebeendemonstratedatroomtemperature.Resonanttunnelling

diodes

(RTDs)havedemonstratednumerousapplicationsandpotentialmarketsincludingdigitaltoanalogconverters(DACs),clockquantisers,shiftregistersandultralowpowerSRAM.TheRTDsmaybedesignedformuchhigherspeedsthanCMOSforDACs,etc.typicallyinthespeedrange10to100GHzorformuchlowerpowerthanCMOSsuchastheSRAMtechnology.纳米电路美国Georgia技术研究所把RTD和CMOS硅电路相结合制造的纳米电路使速度功率和电路复杂性都比只用CMOS电路有

根本改善。一个带六个单元的器件的一位时钟比较器相当于所有CMOS设计电

路中的21个单元。美国Stanford大学利用共振隧穿器件研制成单片触发电路。SET面临的主要挑战和困难:Backgroundchargefluctuationsremainthebiggesttechnologicalbottleneck.InordertoreducetheperturbationoftheseeffectsonSETcircuitsthecriticaldimensionmustbeontheorderof2nm.Unlesssignificantprogresscanbemadeincontrollingthebackgroundcharges,itseemsunlikethatCoulombblockadecircuitscanbeintegratedonalargescale.Therequireduniformityofdevicesisextremelydemanding,raisingdoubtsiftheycanbemanufacturedwiththerequiredtolerancesatareasonableprice.Even

assuming

that

large

scale

integrationpossible,

solutions

must

be

found

on

how

toovercome

the

electrostatic

interactionsbetween

devices.Error

tolerance

for

Coulomb

blockadedevices

has

not

been

investigated

in

greatdetail

but

it

seems

likely

that

in

order

tohave

adequate

tolerances

the

device

mustoperate

either

at

lower

temperature

orhigher

voltage

(and

hence

power).RTD面临的主要挑战和困难:1.Themajorproblemistheextremesensitivityofdevicecharacteristicstoththicknessofthetunnellingwellasthetunnellingcurrentdependsexponentiallyothethicknessofthetunnelbarrier.2.operationcanonlyberealisedinIII-Vsemiconductorsatpresentalthoughrecentdemon-strationsofinterbandtunnellinginSi/SiGedeviceshavebeendemonstratedwithpeak-to-valleyratios(PVR)of2.05andapeakcurrentdensityof22kA/cm2[Rommel1998].RTDsinSiGehavealsobeenfabricatedbutwithPVRsof1.2andcurrentdensityof400A/cm2.ThepreferredsystemwouldbeSi/SiO2RTDs[Klimeck1997]whichwouldallowCMOScompatibleprocessingandintegrationofRTDswithCMOScircuitsbutthereareproblemswithgrowingsinglecrystalSibetweenSiO2barriers.3.ForTHzoscillatorapplications,ahighoutputpowerfromtheRTDdeviceisimportant.Atpresenttheoutputpowersarequitelow(µW)andrequireimprovements(>mW).纳米加工方法:薄膜生长技术；（MBE,MOCVD等)用于CMOS的加工技术；新兴的纳米加工技术；用于CMOS的加工技术:光刻蚀技术；超紫外线刻蚀技术；

X射线刻蚀技术；

电子束溅射；离子束溅射；新兴的纳米加工技术:电子束纳米刻蚀；基于SPM的纳米加工技术；

Nanoimprint;分子自组装技术；不同加工技术的比较:基于SPM的加工技术原子操纵；机械刻划；电子束诱导沉积；电子束曝光；电场诱导氧化；针尖材料沉积；光效应；AFM氧化加工方法:光栅扫描加工方式（探针在进行逐行扫描的过程中,SPM系统依据探针的位置和图形点阵编码来调整探针与样品的作用参数）矢量加工方式（要求依据加工的图形结构制定出探针