微电子学技术调研报告

微电子前沿技术报告09电信1班张磊微电子学技术调研报告摘要：介绍微电子学的发展历史、产业现状，及未来的发展趋势和必须突破的关键技术，提出了利用纳米技术实现单电子晶体管的设想以延续摩尔定律。引言：微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。微电子技术的核心是集成电路。目前，以集成电路为基础的信息产业已超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统产业，因此，集成电路产业已成为改造传统产业，奔向数字时代的强大引擎。现代经济发展的数据表明，每l～2元的集成电路产值可带动10元左右的电子工业产值，进而能大体带动100元的GDP增长。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年均15%的速度增长，2010年将达到6000～8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉和国际竞争的筹码。然而，摩尔定律发展至今，技术瓶颈开始显现。由于量子隧道效应的影响，集成电路的进一步微型化遇到了挑战。而碳纳米管晶体管技术及进一步的单电子晶体管技术为实现集成电路微型化提供了方向。路技术。有人直接称集成电路技术为微电子技术,也有人称芯片技术为微电子技术。微电子产品的特点是尺寸小、重量轻、耗电少、可靠性高、技术附加值高、功能强、性能优、嵌入式和渗透性强等。目前,集成电路大生产技术的加工尺寸为0.25微米(相当于一根头发直径的千分之2.5)。4GDRAM存贮器的加工精度为0.15微米,芯片尺寸为34毫米×29毫米(相当一块矩形手表的大小),由88亿个元件组成。其存贮容量转换成文字,相当1.6万页报纸,如果是8版的日报,一块这样的存贮器就可存贮5年半的报纸,重量却仅有几克。集成电路的功耗为微瓦级,开关能量(速度×功耗)已达到0.005微微焦耳,这比人脑神经活动一次所需能量还低40倍。由于集成电路是用特殊工艺制造的固体集成产品,其可靠性可达宇航级,失效率可低到10-10ö元件·小时。如果按照绝对值计算,寿命已达112万年。这比人脑神经细胞的平均失效率还低1万倍。说它附加值高,主要体现在两方面:一是由原材料加工到成为产品,价值大幅度提高;二是应用后价值的增加。3.集成电路的发展趋势随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟和不断发展，以及集成技术应用领域的不断扩大，集成电路的发展趋势将呈现小型化、系统化和关联性的态势。3.1器件特征尺寸不断缩小自1965年以来，集成电路持续地按摩尔定律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2～3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，同时促进了其它工艺参数的提高。预计在未来的10～15年，摩尔定律仍将是集成电路发展所遵循的一条定律，按此规律，CMOS器件从亚半微米进入纳米时代，即器件的栅长小于100nm转到小于50nm的时间将在2010年前后。3.2系统集成芯片随着集成电路技术的持续发展，不同类型的集成电路相互镶嵌，已形成了各种嵌入式系统和片上系统(SoC)技术。也就是说，在实现从集成电路到系统集成的过渡中，可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上，从而完成信息的加工与处理功能。SoC作为系统级集成电路，它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上，从而实现一个完整的系统功能。SoC以IP复用为基础，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，从而实现集成电路设计能力的第4次飞跃，并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息产业革命。4.集成电路发展的关键技术按目前情况预测，15年后，半导体上一个实体的栅长将只有9nm，这就需要更微细且精确的技术突破，这首先会集中在生产材料的物理性质以及工艺设计等能力上。在未来，硅芯片已经不能制造得更小，因而必须寻找新的制造计算机芯片的材料，碳纳米晶体管将是很好的选择。碳纳米晶体管阵列所利用的碳纳米晶体管是有碳原子排列而成的微小圆柱体，比现在的硅晶体管小100倍，而且不用对他们逐个处理，即不用从大量的纳米光中去费力的寻找有用的电子属性个体。研究表明，碳纳米晶体管性能上可以和硅一争高低，而且碳纳米晶体管可以制造的更小。碳纳米管是一种新型的碳结构，有独特的电学和力学特性。碳纳米管的结构可以认为是由石墨片卷曲起来成圆筒状，可形成单层结构—单壁碳纳米管或多层结构—多层碳纳米管。碳纳米管晶体管相当于由来自碳纳米管与金电极之间的接触电阻和碳纳米管本身的电阻串联而成，而将会随着栅压而变化。4.1碳纳米管晶体管转移特性在室温下，这种结构的碳纳米管晶体管工作稳定，表现出了良好的电学特性。碳纳米管晶体管的行为与p沟道MOSFET的行为相似：漏电流随着栅压的增大而迅速减小，沟道在负栅压下开启而在正栅压下截止。这表明在单层碳纳米管中起导电作用的是空穴。随着栅压增大，纳米管内的空穴逐渐被耗尽（相当于被正电场排开），纳米管不再导通，变成绝缘体。碳纳米管的导电性在栅压的控制下可以是准金属性或者是绝缘性的。如此优良的开关特性使得碳纳米管足以胜任传统场效应晶体管的角色。4.2碳纳米管晶体管输出特性碳纳米管晶体管完全有能力实现传统的MOS场效应晶体管的功能。由于碳纳米管晶体管也是利用栅压控制导电通道的开启或关闭来实现晶体管的放大或整流作用，所以也应该是一种新型的场效应晶体管。4.3碳纳米管的开关特性对于碳纳米管最重要的发现之一就是其开关特性，即半导体纳米管中的电流能够在外加电场的控制下实现从“开启”到“关闭”或相反的转变。这正是碳纳米管能够作为场效应晶体管沟道的物理基础。传统的MOS场效应晶体管是靠栅压控制三维沟道的夹断或导通来实现开关特性的，显然具有一维结构的碳纳米管不可能采用同样的原理。当所有的通道都参与了导电后，总的电导就无法随栅压的变化进一步提高，这也是作为沟道的碳纳米管的独特性质。早期的碳纳米管晶体管已经表明碳纳米管能够完成传统硅材料MOS场效应晶体管的功能，但是就性能而言显然还不能让人满意，表现在跨导值太低，使得增益不能满足大于1的条件，这些都严重限制了碳纳米管晶体管在逻辑电路中的使用。理论上提高碳纳米管晶体管的性能主要从三方面入手：降低接触电阻，提高栅极电场对碳纳米管的效率和减小沟道长度。总结与展望：综上所述，我们介绍了微电子学的历史，集成电路的发展趋势和未来发展的关键技术。随着集成电路微型化的不断发展，芯片的尺度越来越小以致不得不考虑量子效应，这使得传统半导体工艺面临巨大挑战。纳米技术则是使未来集成电路进一步微型化的重要手段。本文主要介绍了碳纳米晶体管，说明纳米技术是使摩尔定律在二十一世纪继续延续的关键。然而，尽管碳纳米管晶体管已在室温下取得了很好的工作特性，但是