納米電子技術(shù)研究的現(xiàn)狀與展望

納米電子技術(shù)研究的現(xiàn)狀與展望

0納米電子材料、器件和系統(tǒng)的征納米電子技術(shù)是科學(xué)家和科學(xué)家在納米規(guī)模（1.100納米）上研究材料的電子運動規(guī)律、性能和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。這些特點規(guī)律用于生成電子材料、設(shè)備和系統(tǒng)。納米電子器件以其固有的超高速(10-12~10-13s)、超高頻(大于1000GHz)、高集成度(大于1010元器件/cm2)、高效低功耗、極低閾值電流密度(亞毫安)和極高量子效率等特點在信息領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用前景,將可能觸發(fā)新的技術(shù)革命,成為未來信息技術(shù)的核心和支柱。1納米電子技術(shù)的重要地位1.1mems/復(fù)合器件根據(jù)預(yù)測,傳統(tǒng)硅基CMOS技術(shù)在2020年前后將達到其10nm尺寸和性能極限,量子效應(yīng)將表現(xiàn)得越來越明顯,微電子在速度、功耗、集成度、成本、加工均勻性和可靠性等方面將受到一系列基本物理特性、工藝技術(shù)和投資巨大等問題的限制。微電子要超越目前發(fā)展中遇到的物理和工藝極限,并實現(xiàn)“更小(提高集成度)、更快(提高運算和處理速度)、更冷(降低功耗)”的目標(biāo),必須依賴于納米電子技術(shù)。根據(jù)美國國防部高級研究計劃局(DARPA)提出的“超電子學(xué)”(ultraelectronics)研究計劃,未來的電子器件需達到“雙十二”,即1012的存儲器容量(1Terabit)和每秒1012次的運算速度(1000億次/s),且廉價而節(jié)能。要實現(xiàn)這一目標(biāo),電子器件的尺寸將必然進入納米尺度范圍。由此可見,納米電子技術(shù)是微電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,未來將可能取代微電子技術(shù)成為下一代信息技術(shù)的核心。1.2新型信息器件納米電子技術(shù)立足于其特有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、量子相干效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)、高溫超導(dǎo)效應(yīng)等特色效應(yīng),在納米尺度甚至分子、原子層次上開發(fā)物質(zhì)潛在的信息和結(jié)構(gòu)功能,實現(xiàn)信息存儲和處理能力的革命性突破,將使信息領(lǐng)域的電子器件面臨顛覆性變革,催生大批新型信息器件,其意義可能比晶體管取代真空電子管的意義還要大。此外,納米電子因其特有的物理效應(yīng),更易于與光電子、生物、機械等技術(shù)融合發(fā)展,可以制成光電器件、分子器件、納機電系統(tǒng)、納米機器人等,將導(dǎo)致信息領(lǐng)域及整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)重大突破,對人類生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生革命性影響。1.3納米電子系統(tǒng)的主要特點納米電子技術(shù)的發(fā)展有助于構(gòu)筑新型納米量子器件,如單電子晶體管、自旋電子存儲器、單原子開關(guān)等,也可用于量子系統(tǒng)的量子點、量子線和量子阱等,從而為實現(xiàn)量子計算機和量子通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ),量子計算機將成為納米電子時代的重要產(chǎn)品。根據(jù)DARPA《量子信息科學(xué)技術(shù)路線圖》和《歐洲量子信息處理與通信研究現(xiàn)狀、遠景與目標(biāo)戰(zhàn)略報告》,現(xiàn)在確定的主要物理實現(xiàn)系統(tǒng)有半導(dǎo)體量子點、超導(dǎo)電路、離子阱、腔量子電動力學(xué)、線性光學(xué)、液態(tài)核磁共振、固態(tài)量子計算等體系。其中,半導(dǎo)體量子點體系利用半導(dǎo)體量子點所特有的性質(zhì),實現(xiàn)量子比特的制備、存儲、讀取,單比特的旋轉(zhuǎn)、比特間的受控操作,以至于能擴展到幾個比特,實現(xiàn)簡單的量子計算方案,并最終實現(xiàn)量子計算機。這是納米電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向,半導(dǎo)體量子點體系將成為最有前途的量子計算機實現(xiàn)方案之一。2納米器件的制備技術(shù)納米電子技術(shù)主要包括納米電子學(xué)基礎(chǔ)理論、納米電子材料、納米電子器件和納米電子系統(tǒng)等主要技術(shù)方向,以及納米加工與制備、納米電子表征測量等支撐技術(shù)。納米電子學(xué)基礎(chǔ)理論是納米電子技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ),主要為納米電子器件的設(shè)計、制備、集成、測試和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。目前,其主要包括納米結(jié)構(gòu)中載流子輸運理論、納米電子材料特性規(guī)律、納米電子器件性能表征理論、納米電子器件集成設(shè)計基礎(chǔ)理論等研究方向。納米電子材料是納米電子技術(shù)研究的物質(zhì)基礎(chǔ),主要研究零維量子點、一維量子線和二維量子阱材料,特別是GaAs,InP基晶格匹配和應(yīng)變補償材料,硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料以及GaN量子線等低維半導(dǎo)體納米材料的生長與制備;重點探索納米管、納米線、納米帶、納米薄膜等納米材料的制備,特別是碳納米管和石墨烯等碳質(zhì)新材料的制備。納米電子器件是未來構(gòu)成納米集成電路的重要器件,目前,其主要研究方向包括單電子晶體管、共振隧穿電子器件、納米場效應(yīng)晶體管、納米MOS器件、非易失性納米存儲器等固態(tài)納米電子器件,以及分子電子器件、自旋量子器件、單原子開關(guān)等。納米電子系統(tǒng)是納米電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo),主要基于納米電子運算以及存儲元器件的新特性和新機制,研究并建立納米運算與存儲系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu),在納米運算和存儲元器件制備的基礎(chǔ)上,進行納米電子器件的集成方法研究,設(shè)計并實現(xiàn)納米運算原型系統(tǒng)和納米存儲原型系統(tǒng),并探索二者的單芯片集成。主要包括納米電子集成電路、納米電子計算機、納米電子機械系統(tǒng)(NEMS)等研究方向。納米加工技術(shù)是納米電子器件加工和集成實現(xiàn)的技術(shù)路徑,主要包括“自上而下”和“自下而上”兩條技術(shù)途徑?！白陨隙隆钡募{米加工技術(shù)是以無機半導(dǎo)體材料為主,利用薄膜生長和納米光刻技術(shù)制備納米固態(tài)電子器件及其集成電路,目前主要包括紫外光刻、電子束光刻、聚焦離子束/電子束雙束、納米壓印、反應(yīng)離子/等離子體刻蝕等技術(shù)?！白韵露稀奔庸ぜ夹g(shù)是從原子、分子出發(fā),在一定條件下自組織生長出所需要的納米材料,并進一步組裝成納米功能器件,最終形成電路系統(tǒng),目前主要包括分子自組裝、納米粒子自組裝和掃描探針加工等技術(shù)。納米電子表征測試是納米電子技術(shù)發(fā)展的重要支撐,主要包括器件的微觀結(jié)構(gòu)表征和性能測試分析。在微觀結(jié)構(gòu)表征方面,主要采用透射電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及多種光譜儀對納米電子器件的結(jié)構(gòu)進行表征,實現(xiàn)對器件組成部件的精確觀測,提供精確尺寸,為理論建模與制備優(yōu)化提供指導(dǎo)。在電學(xué)信號測試方面,主要采用電學(xué)探針臺、半導(dǎo)體參數(shù)測試儀以及掃描隧道顯微鏡,對不同微結(jié)構(gòu)的納米電子器件的電學(xué)信號進行系統(tǒng)測試。由于涉及到極微弱電流、高頻信號、超低溫環(huán)境等眾多難題,性能測試也是納米電子技術(shù)發(fā)展面臨的難題。3納米電子研究世界主要國家高度重視納米電子技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。美國在“國家納米技術(shù)計劃”(NNI)的重大挑戰(zhàn)項目中,提出重點研究納米電子學(xué);在“國家納米技術(shù)計劃戰(zhàn)略規(guī)劃”報告中,確定了納米尺度的基本現(xiàn)象和過程、納米尺度的器件和系統(tǒng)、納米制造、納米材料、納米技術(shù)儀器研究、大型設(shè)施和儀器、納米技術(shù)和社會的影響等七個重點領(lǐng)域,內(nèi)容大多涉及納米電子研究。歐盟通過框架計劃支持納米電子技術(shù)研發(fā),重點瞄準(zhǔn)信息處理和存儲系統(tǒng)方面的納米電子器件和納米電子材料研究;成立歐洲納米電子行動顧問委員會(ENIAC),推動未來歐洲納米電子的研發(fā);出臺“處于變化中心的納米電子學(xué)2020年展望”報告,建議歐盟每年投資60億歐元進行納米電子研究;提出“新興的納米電子學(xué)”倡議,指出歐洲在納米電子研究方面的需求和機會。日本、韓國以及中國臺灣地區(qū)也紛紛圍繞納米電子制定相應(yīng)的戰(zhàn)略和計劃,不斷加大對納米電子研究的投入,組建新的生產(chǎn)和研發(fā)基地,謀求在未來納米電子技術(shù)發(fā)展中搶占先機。我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》將納米研究部署為四項重大科學(xué)研究規(guī)劃之一,并提出重點研究納米電子學(xué)。中國科學(xué)院《中國至2050年納米科技發(fā)展路線圖》提出納米電子學(xué)是2020年左右能產(chǎn)生重大影響或能實現(xiàn)的納米科技之一。3.1電子晶體的未來近年來,納米電子研究步伐加快,新型電子元器件不斷涌現(xiàn)。2009年10月,美國耶魯大學(xué)與韓國光州科學(xué)技術(shù)研究院合作利用單個苯分子制成世界上首個分子晶體管。2010年2月,美國哈佛大學(xué)和麥特公司研發(fā)出世界首個可編程納米處理器,預(yù)示著研制納米計算機成為可能。2010年5月,美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研制出首個完整的生物電子系統(tǒng)——由三磷酸腺苷(ATP)驅(qū)動和控制的生物納米電子混合晶體管,有望讓義肢與人體神經(jīng)系統(tǒng)直接“連線”,此項技術(shù)可應(yīng)用于未來無縫生物電子界面中,以實現(xiàn)生物體和機器的更好溝通。2010年5月,美國與澳大利亞科學(xué)家利用掃描隧穿顯微鏡技術(shù)操縱單個原子,成功制造出世界上最小的量子點晶體管(由7個原子在單晶硅表面構(gòu)成的一個“量子點”)。這是世界上第一臺用原子人工制造出來的電子設(shè)備,向超高速、超強大信息處理邁出重要一步。2010年11月,美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室和加州大學(xué)將10nm半導(dǎo)體砷化銦層集成在硅襯底上,制造出一塊納米晶體管。2010年12月,美國德克薩斯A&M大學(xué)研制出首個能在高溫下工作的自旋場效應(yīng)晶體管(FET)。2011年4月,美國匹茲堡大學(xué)制造出了核心組件直徑只有1.5nm的超小型單電子晶體管“SketchSET”,將成為制造下一代低功耗、高密度超大規(guī)模集成電路的理想器件。未來10~20年電子元器件技術(shù)將迅猛發(fā)展,新型電子元器件將不斷走向?qū)嵱谩坞娮悠骷?、共振隧穿電子器件、納米場效應(yīng)晶體管、納米尺度MOS器件、分子電子器件、自旋量子器件、單原子開關(guān)等新型信息器件的研究將不斷取得突破,促使納米電子技術(shù)向著延續(xù)、擴展摩爾定律和超越CMOS的方向發(fā)展,大規(guī)模納米集成電路將初步實現(xiàn),對數(shù)據(jù)存儲和計算機發(fā)展等產(chǎn)生重大影響。3.2研究計劃及進展石墨烯研究如火如荼,碳基CMOS將逐漸取代硅基CMOS。石墨烯在2004年由英國科學(xué)家研制成功。石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料,是構(gòu)建其他維度碳質(zhì)材料(如富勒烯、碳納米管、石墨)的基本單元。它是目前已知的世界上最薄和最硬的材料。石墨烯不僅具有載流子遷移率高和禁帶寬度可調(diào)控以及熱導(dǎo)率高等半導(dǎo)體電學(xué)特性,同時其薄膜形態(tài)與當(dāng)前的硅平面工藝兼容且能夠大規(guī)模集成,可能成為超越和取代硅基CMOS的新一代半導(dǎo)體材料之一。英國科學(xué)家安德烈·蓋姆和諾沃·肖羅夫因研制成功石墨烯材料獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎。2011年3月,石墨烯研究入圍歐洲委員會(EC)未來新興技術(shù)(FET)旗艦計劃,有望獲得為期10年的10億歐元研究經(jīng)費。石墨烯材料制備方面,2009年1月,韓國成均館大學(xué)和三星先進技術(shù)研究院的研究人員制備出大尺寸石墨烯薄膜;同年4月,美國萊斯大學(xué)和斯坦福大學(xué)用圓柱狀碳納米管制造出幾十納米寬的石墨烯帶;2010年2月,由英、美、韓研究人員組成的國際小組發(fā)明了利用超聲波脈沖大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的方法。石墨烯性能研究方面,2010年10月,韓國首爾大學(xué)和美國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究院首次揭示了石墨烯的電子結(jié)構(gòu),將有助于熱損耗更小的超高速電子元件開發(fā);2011年4月,美國伊利諾伊大學(xué)首次發(fā)現(xiàn)石墨烯晶體管在納米尺度具有自制冷效應(yīng),未來可制成速度更快、功耗更低的石墨烯芯片;與此同時,英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆又研究發(fā)現(xiàn)石墨烯具備有效傳導(dǎo)電子自旋的特性,有望成為下一代基于電子自旋的電子元件材料。石墨烯器件構(gòu)建方面,2008年4月,英國研究人員用石墨烯材料研制出世界最小的電子晶體管,其厚度為1個原子,直徑為10個原子;2009年1月,美國萊斯大學(xué)開發(fā)出高容量的石墨烯片狀存儲器;2009年3月,美國麻省理工學(xué)院使用石墨烯材料制成只需要單個晶體管的倍頻器,能夠輸出純凈的高倍頻信號,石墨烯倍頻器有望使CPU主頻達到500~1000GHz;2010年2月,美國南安普敦大學(xué)科學(xué)家研制成功石墨烯場效應(yīng)晶體管;2011年4月,IBM研制成功新的石墨烯晶體管,其截止頻率為155GHz,比2010年2月推出的100GHz石墨烯晶體管的速度提高了50%,而且體積更小。加州大學(xué)伯克利分校研制出石墨烯調(diào)制器,其調(diào)制速度目前為1GHz,未來理論調(diào)制速度將達500GHz,可實現(xiàn)超快數(shù)據(jù)通訊。專家預(yù)計,2020年左右將研制成功性能優(yōu)異的石墨烯材料和晶體管,并解決其互連和集成等技術(shù)問題;2030年左右可研制成功石墨烯系統(tǒng)芯片,并形成規(guī)?；a(chǎn)。這將使碳基COMS取代長期占據(jù)集成電路主導(dǎo)地位的硅基CMOS,引發(fā)集成電路領(lǐng)域發(fā)生革命性的變化。3.3納米電子材料的開發(fā)碳納米管于1991年由日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)。由于碳納米管具有獨特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、極高的機械強度、良好的導(dǎo)電性能等眾多優(yōu)異而獨特的光學(xué)、電子特性和機械性能,呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景,成為國際上眾多科學(xué)家關(guān)注和研究的前沿課題。碳納米管在納米電子方面有著非常重要的用途,是場效應(yīng)晶體管和單電子器件的一種具有發(fā)展前途的重要材料。2010年2月,日本和芬蘭科學(xué)家研制出了金屬性和半導(dǎo)體性之間平衡達到最優(yōu)化的新式碳納米管,并使用這種納米管制造出了薄膜晶體管(TFT)以及首個基于碳納米管的順序邏輯集成電路,為計算機電路納米化提供了一線曙光。2010年6月,瑞典哥德堡大學(xué)開發(fā)了一種可控制納米管形成過程的方法,內(nèi)含碳納米管的晶體管尺寸可以變得更小且運行速度更快。制造出電子流動性比現(xiàn)有半導(dǎo)體材料高25%、比硅晶體管高70%的碳納米管晶體管,碳納米管向新一代電子產(chǎn)品邁出了重要一步。碳納米管研究已顯示出廣闊的應(yīng)用前景,通過構(gòu)建基于碳納米管的納米電子器件和連線,實現(xiàn)速度遠快于而功耗遠小于目前集成電路的碳納米管集成電路。3.4算法的主要特點憶阻器(記憶電阻)由美國惠普實驗室于2008年4月研制成功,是繼電阻器、電容器、電感元件之后的第四種電子元件。憶阻器是一種基于模擬信號的非線性動態(tài)納米元件,可以構(gòu)成交叉開關(guān),且其材料可以與CMOS工藝兼容。憶阻器體積小、功率低、不受輻射影響,特別是用憶阻器實現(xiàn)的器件可兼有運算和存儲功能,被認(rèn)為是替代硅芯片、延續(xù)摩爾定律的有力競爭者。自2008年4月美國惠普實驗室研制出世界首個憶阻器以來,憶阻器通過簡單封裝即可提供內(nèi)存與邏輯功能的突出表現(xiàn)受到廣泛關(guān)注,研究日趨活躍。2009年4月,美國密歇根大學(xué)開發(fā)出一種能存儲1kbit信息的納米級憶阻器芯片;2010年4月,惠普公司研究發(fā)現(xiàn)憶阻器可進行布爾邏輯運算;2010年6月,密歇