半導體納米技術的發(fā)展與應用

1、 半導體納米技術的發(fā)展歷史半導體納米技術的發(fā)展歷史 經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)今半導體器件在其組件的特征尺寸在不斷減小，小到納米尺寸將引起質變。集成度不斷提高的發(fā)展趨勢，將電子器件逼進了納米電子器件的領域。 其中納米半導體的制備技術經(jīng)歷了三個階段：第一階段：單一材料和單相材料。第二階段：納米復合材料。第三階段：納米組裝體系、納米尺度的圖案材料。半導體納米技術的發(fā)展歷史半導體納米技術的發(fā)展歷史 現(xiàn)在我們著重來講第三階段。它的基本內涵是納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維及三維空間之中組裝排列成具有納米結構的體系（如右圖）。其中包括納米陣列體系、介空組裝體系、薄膜鑲嵌體系。納米顆粒、絲、管可以

2、有序的排列而不同于第一、第二階段中帶有一定程度的隨機性質。半導體納米技術的發(fā)展現(xiàn)狀半導體納米技術的發(fā)展現(xiàn)狀 半導體納米科技是指把納米技術應用到半導體材料上面，并通過物理法，化學法，綜合法這三種制備方法制造出的有特定的聲、光、電、磁、熱性能的特殊材料。當半導體材料的尺度縮小到納米范圍時，其物理、化學性質將發(fā)生顯著變化，并呈現(xiàn)出由高表面積或量子效應引起的獨特性能。它們在多個領域的應用已呈現(xiàn)出誘人的前景。半導體納米技術目前存在的問題半導體納米技術目前存在的問題1、苛刻的工作條件2、苛刻的材料要求3、納米Si基量子異質結加工4、分子晶體管和導線組裝納米器件5、超高密度量子效應存儲器6、SPM納米器件加

3、工技術效率7、納米半導體器件的制備、操縱、設計、性能分析模擬環(huán)境納米半導體的制備技術納米半導體的制備技術1、物理制備方法2、化學制備方法3、物理化學方法納米半導體的制備技術納米半導體的制備技術1、物理制備方法 早期的物理制備方法是將較粗的物質粉碎，如低溫粉碎法、超聲波粉碎法、沖擊波粉碎法、蒸氣快速冷卻法、蒸氣快速油面法、分子束外延法等等 。分子束外延法分子束外延法分子束外延的英文縮寫為這是一種在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜的新技術。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產生的蒸氣，經(jīng)小孔準直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子

4、或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。 分子束外延法分子束外延法優(yōu)點：1、源和襯底分別進行加熱和控制，生長溫度低；2、生長速度低，可以利用快門精密的控制摻雜、組合和厚度，是一種原子級的生長技術，有利于生長多層異質結構；3、MBE生長是一個動力學過程，因此可以生長一般熱平衡生長難以得到的晶體；4、生長過程中，表面處于真空中，可以進行即時觀測，分析、研究生長過程、組分、表面狀態(tài)等。缺點：1、分子束外延設備昂貴而且真空度要求很高，所以需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費用；2、MBE能對半導體異質結進行選擇摻雜，擴展了摻雜半導體所能達到的性能和現(xiàn)象的范圍。但同樣對與平滑度、穩(wěn)定性和純度有

5、關的晶體生長參數(shù)提出了嚴格的要求； 3、生長異質結時，由于大量的原子臺階的界面呈原子級粗糙，因而容易導致器件的性能惡化；納米半導體的制備技術納米半導體的制備技術2、化學制備方法 其中化學制備方法又包括固相法、氣相法和液相法。 氣相法氣相法 氣相法在納米微粒制造技術中占有重要地位 ，利用此法可以制造出純度高、顆粒分布性好、粒徑分布窄而細的納米超微粒 。該法主要包括 ： (1) 真空蒸發(fā)(冷凝法)：在高純惰性氣氛下 (Ar、He) ，對蒸發(fā)物質進行真空加熱蒸發(fā)，蒸氣在氣體介質中冷凝形成超細微粒。 (2) 高壓氣體霧化法：利用高壓氣體霧化器將-20 40的氫氣和氬氣以3倍于音速的速度射入熔融材料的液

6、體內 ，熔體被破碎成極細顆粒的射流然后急劇驟冷得到超微粒。采用此法可得到粒度分布窄的納米材料。 (3)高頻感應加熱法：以高頻感應線圈作熱源 ,使坩堝內的物質在低壓 惰性氣體中蒸發(fā) ,蒸發(fā)后的金屬原子與惰性氣體原子相碰撞 ,冷卻凝聚成顆粒。該法的優(yōu)點是產品純度高 ,粒度分布窄 ,保存性好 ,但成本較高 ,難以蒸發(fā)高沸點的金屬 。納米半導體的制備技術納米半導體的制備技術3、物理化學方法 物理化學方法又包括熱等離子體法、激光加熱蒸氣法、電解法和輻射合成法等。 硅納米結構硅納米結構 近年來，以硅量子點和硅納米線為代表的硅納米結構及相關技術的研究受到了廣泛重視，并成為當今半導體納米科技最活躍的研究領域之

7、一。這一領域研究受到廣泛重視的原因主要在于：（1）現(xiàn)代信息技術的基礎是基于硅基器件的微電子技術。（2）正如目前的單晶硅片，硅納米結構被認為是未來構成納/微電子器件的基本單元。（3）硅納米結構的尺寸小到一定范圍時，將會出現(xiàn)量子限域效應、尺寸效應及表面效應等許多新的效應，從而使它呈現(xiàn)出諸多新穎性質。 硅納米結構硅納米結構 硅納米結構已經(jīng)在作為檢測各種不同物質的納米傳感器、納米晶體管和集成電路元件方面獲得了一系列進展。隨著器件尺寸的減小,量子限制效應、庫侖阻塞效應等新穎性能就會越來越明顯,將會從更深層次揭示納米半導體材料的新現(xiàn)象、新性能,為實現(xiàn)納米器件的應用打下基礎。C納米管納米管 C納米管是由碳原子形成的石墨烯片層圍成的一種管狀結構，它們的直徑很小，基本都在納米尺度。在理想情況下，僅僅包含一層石墨烯的納米管稱為單壁納米碳管；包含兩層以上的石墨烯片層的納米碳管稱為多壁碳納米管，片層之間的距離為0.340.36nm。C納米管納米管 碳納米管具有獨特的金屬或