納米電子學(xué)與納米加工

納米電子學(xué)與納米加工第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五

納米電子學(xué)的含義:

在0.1-100nm的納米結(jié)構(gòu)(量子點(diǎn))內(nèi)探測(cè),識(shí)別與控制單個(gè)量子或量子波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,研究單個(gè)原子,分子人工組裝和自組裝技術(shù),研究在量子點(diǎn)內(nèi),單個(gè)量子或量子波所表現(xiàn)出來的特征與功能,用于信息的產(chǎn)生,傳遞和交換的器件,電路和系統(tǒng)及其在信息科學(xué)技術(shù),納米生物學(xué),納米測(cè)量學(xué),納米顯微學(xué),納米機(jī)械學(xué)等中應(yīng)用的學(xué)科。第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五納米電子學(xué)的三個(gè)主要方向：集成微系統(tǒng)。量子或納米器件。在上述基礎(chǔ)上，開發(fā)和建立納米和量子級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算，管理以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)科學(xué)。第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五

納機(jī)電系統(tǒng)（NanoeltctromechanicalSystems,NEMS）研究尺度在1-100nm范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)、元件和系統(tǒng)的性質(zhì)與應(yīng)用。MEMS和NEMS這兩個(gè)前后來到，相互聯(lián)系又不相同的微系統(tǒng)，正代表微米納米技術(shù)的關(guān)系。和硅微電子加工相比，NEMS的材料廣和加工的空間分辨率高。NEMS可能對(duì)傳感、醫(yī)學(xué)診斷、顯示和存儲(chǔ)等應(yīng)用帶來革命性影響。第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五美國(guó)康乃爾大學(xué)的一個(gè)科研組最近研制出可進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)械—由金屬鎳螺旋槳（直徑為150納米、長(zhǎng)為750納米）、生物電機(jī)和鎳柱體（直徑為80納米、高為200納米）三部分組成，是一個(gè)有機(jī)的的和無機(jī)的混合系統(tǒng)，它的大小與病毒微粒（17—1000納米）差不多，將來可以在人體細(xì)胞內(nèi)施放藥物和清除細(xì)胞的缺陷等任務(wù)。電機(jī)的動(dòng)力來自人體的生物“燃料”--一種化學(xué)物質(zhì)ATP（AdenosineTriphosphate腺苷三磷酸鹽），它轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，使得金屬推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速達(dá)到每秒8圈，可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)半小時(shí)。這種設(shè)備的三個(gè)組件放在一起就能進(jìn)行自組裝、維護(hù)和修理。鎳螺旋槳的制作用了電子蒸發(fā)、電子束暴光和各向同性刻蝕，并涂有化學(xué)薄膜。這種新技術(shù)仍處于研制初期，其成功率還不高，約為5/400。在人體細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)的實(shí)驗(yàn)也需幾年的時(shí)間才能完成。第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五未來的system-on-a-chip:第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五納米電子學(xué)發(fā)展的預(yù)測(cè)：第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五分子電子學(xué)：主要是利用共價(jià)鍵分子結(jié)構(gòu)，與本體襯底分子隔離。器件的線和開關(guān)由單個(gè)的分子和納米尺度超分子結(jié)構(gòu)組成。第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五常規(guī)概念的微電子技術(shù)發(fā)展的極限：原理性限制：10nm以下，半導(dǎo)體晶體的原子間距，熱擾動(dòng)，量子擾動(dòng)，電磁擾動(dòng)，量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理和光速等將成為原理性限制的基本因素。技術(shù)性限制：20-25nm，短溝道效應(yīng)，漏電流，導(dǎo)通電阻減小，速度飽和與擴(kuò)散層固溶度等將成為技術(shù)性限制的主要因素。第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五ULSI--〉超集成化，超高集成器件制造成品率下降，特性不均勻和可靠性差等，嚴(yán)重阻礙了集成度的進(jìn)一步提高。工作速度，超細(xì)布線電阻增大，布線增長(zhǎng)導(dǎo)致電阻/電容比增大，雜散電容的增大等抑制了速度的提高。復(fù)雜性限制，設(shè)計(jì)，測(cè)試和檢驗(yàn)時(shí)間的猛增，是復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的必然結(jié)果。經(jīng)濟(jì)性限制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，制作成本上升，工藝復(fù)雜，設(shè)備成本增大。第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五微電子器件的發(fā)展材料：高純硅，鍺，鎵砷工藝：光刻，摻雜，外延技術(shù)理論：半導(dǎo)體物理材料：無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料工藝：分子尺度上的自組裝和剪裁技術(shù)理論：納米器件的量子統(tǒng)計(jì)理論納米電子器件的發(fā)展第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五納米尺度的新效應(yīng)：量子相干效應(yīng)(Quantuminterferenceeffect)A-B效應(yīng)(Aharonov-Bohmeffect)量子霍爾效應(yīng)(QuantumHalleffect)普適電導(dǎo)漲落特性(Universalconductanceflutuations)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)(Coulumbblockade)海森堡不確定效應(yīng)(Heisenberguncertaintyeffect)第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五

當(dāng)電子被限于兩個(gè)空間相距很近的勢(shì)壘之間的島區(qū)時(shí)，所遇到的兩個(gè)基本的量子力學(xué)效應(yīng)是：（1）電子在勢(shì)阱中能量量子化，形成分立的量子態(tài)；（2）勢(shì)壘越薄，占據(jù)低于勢(shì)壘高度能態(tài)的電子有一定的隧穿進(jìn)入島區(qū)或離開島區(qū)的幾率；第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五納米電子器件的分類：第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五共振隧穿效應(yīng)示意圖：第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五共振隧穿：當(dāng)勢(shì)壘中夠薄時(shí)，微觀粒子穿透勢(shì)壘的隧道效應(yīng)十分明顯。對(duì)于多勢(shì)壘的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，當(dāng)鄰近量子勢(shì)阱的子能帶相同時(shí)，隧穿幾率發(fā)生共振，叫共振隧穿。江崎和朱兆祥在1974年首次觀察到在雙勢(shì)壘半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的共振隧穿現(xiàn)象。第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五庫(kù)侖阻塞效應(yīng)示意圖：第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五庫(kù)侖阻塞效應(yīng)

當(dāng)體系的尺度進(jìn)入納米級(jí)，體系是電荷量子化的，即充電放電過程不連續(xù)，充入一個(gè)電子所需的能量為e2/2C,體系越小，能量越大。稱為庫(kù)侖阻塞能，它導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸。第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Singleelectrontunnellingdevices

arepredominantlyaimedathigh-density,low-powermemorymarketsespeciallysinceanumberofthedesignsareaminiatureversionofflashmemorytechnology.ThereareanumberofdesignsforlowpowerSETlogic,butasyetnonehavebeendemonstratedatroomtemperature.第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五Resonanttunnellingdiodes(RTDs)havedemonstratednumerousapplicationsandpotentialmarketsincludingdigitaltoanalogueconverters(DACs),clockquantisers,shiftregistersandultralowpowerSRAM.TheRTDsmaybedesignedformuchhigherspeedsthanCMOSforDACs,etc.typicallyinthespeedrange10to100GHzorformuchlowerpowerthanCMOSsuchastheSRAMtechnology.第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五納米電路美國(guó)Georgia技術(shù)研究所把RTD和CMOS硅電路相結(jié)合制造的納米電路使速度功率和電路復(fù)雜性都比只用CMOS電路有根本改善。一個(gè)帶六個(gè)單元的器件的一位時(shí)鐘比較器相當(dāng)于所有CMOS設(shè)計(jì)電路中的21個(gè)單元。美國(guó)Stanford大學(xué)利用共振隧穿器件研制成單片觸發(fā)電路。第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五SET面臨的主要挑戰(zhàn)和困難:1.Backgroundchargefluctuationsremainthebiggesttechnologicalbottleneck.InordertoreducetheperturbationoftheseeffectsonSETcircuitsthecriticaldimensionmustbeontheorderof2nm.Unlesssignificantprogresscanbemadeincontrollingthebackgroundcharges,itseemsunlikelythatCoulombblockadecircuitscanbeintegratedonalargescale.2.Therequireduniformityofdevicesisextremelydemanding,raisingdoubtsiftheycanbemanufacturedwiththerequiredtolerancesatareasonableprice.第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五3.Evenassumingthatlargescaleintegrationispossible,solutionsmustbefoundonhowtoovercometheelectrostaticinteractionsbetweendevices.4.ErrortoleranceforCoulombblockadedeviceshasnotbeeninvestigatedingreatdetailbutitseemslikelythatinordertohaveadequatetolerancesthedevicemustoperateeitheratlowertemperatureorhighervoltage(andhencepower).第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五RTD面臨的主要挑戰(zhàn)和困難:1.Themajorproblemistheextremesensitivityofdevicecharacteristicstothethicknessofthetunnellingwellasthetunnellingcurrentdependsexponentiallyonthethicknessofthetunnelbarrier.第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五2.operationcanonlyberealisedinIII-Vsemiconductorsatpresentalthoughrecentdemon-strationsofinterbandtunnellinginSi/SiGedeviceshavebeendemonstratedwithpeak-to-valleyratios(PVR)of2.05andapeakcurrentdensityof22kA/cm2[Rommel1998].RTDsinSiGehavealsobeenfabricatedbutwithPVRsof1.2andcurrentdensityof400A/cm2.ThepreferredsystemwouldbeSi/SiO2RTDs[Klimeck1997]whichwouldallowCMOScompatibleprocessingandintegrationofRTDswithCMOScircuitsbutthereareproblemswithgrowingsinglecrystalSibetweenSiO2barriers.第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五3.ForTHzoscillatorapplications,ahighoutputpowerfromtheRTDdeviceisimportant.Atpresenttheoutputpowersarequitelow(μW)andrequireimprovements(>mW).第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五納米加工方法：1.薄膜生長(zhǎng)技術(shù)；（MBE,MOCVD等)2.用于CMOS的加工技術(shù)；3.新興的納米加工技術(shù)；第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五用于CMOS的加工技術(shù):光刻蝕技術(shù)；超紫外線刻蝕技術(shù)；X射線刻蝕技術(shù)；電子束濺射；離子束濺射；第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五新興的納米加工技術(shù)：電子束納米刻蝕；基于SPM的納米加工技術(shù)；Nanoimprint;分子自組裝技術(shù)；第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五不同加工技術(shù)的比較：第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五基于SPM的加工技術(shù)原子操縱；機(jī)械刻劃；電子束誘導(dǎo)沉積；電子束曝光；電場(chǎng)誘導(dǎo)氧化；針尖材料沉積；光效應(yīng)；第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五AFM氧化加工方法：光柵掃描加工方式（探針在進(jìn)行逐行掃描的過程中，SPM系統(tǒng)依據(jù)探針的位置和圖形點(diǎn)陣編碼來