纳米电子学-课程总结

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1、 纳米电子学纳米电子学 当前信息技术不断发展，个人 PC 机早已进入寻常百姓家，平板电脑和手机以其更加 简单的使用方式和快捷的网络接入成为广大人民群众必不可少的日常生活用品。但是总会 听到有人说“我的手机没电了”，“你的手机太慢了”等等令人扫兴的话题，这些问题也 就是物理学家、计算机专家和电子工程师矢志不渝为之奋斗的科学问题：芯片的计算性能 和功耗。传统微电子工业从 20 世纪 50 年代末发展到现在，特征尺度已下降到 22nm，不 可避免会出现很多量子效应和介观效应，这些新的现象会严重干扰芯片的正常工作，为了 解决这些难题，必须研究纳米尺度的电子学，设计新的器件结构。 一、闻所未闻的几个新现

2、象一、闻所未闻的几个新现象 纳米电子学是讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。 国家科学基金委将纳米技术定义为长度为 1 100 nm 的结构、器件和系统，由于其纳米尺 度而具有新奇的特性。 介观尺度介观尺度下下的的精彩精彩世界世界 固态器件的尺度从微米缩小到纳米尺度会使系统从量变引起物质性质的质变，尺度的 变化导致研究内容和学科的变化。自然界中大到日月星辰，小到分子原子都有其严格遵守 的运动规律，纳米电子学主要研究介观尺度的新现象和新问题。 100nm 尺度下可以清晰看出双螺旋结构的 DNA 是生命信息的携带者，32nm 工艺下 的芯片每秒可以进行 1 亿次浮点运算

3、。 在介观尺度下，涉及一些重要的特征长度：德布罗意波长、平均自由程、相位弛豫长 度。在某些小的纳米结构中，输运既不是弹道的也不是扩散的，而是处于这两种极限情况 之间的情况。对于这些结构，有效相位弛豫长度既不是非弹性平均自由程，也不是相干长 度。对于这些结构的理解更困难，它们对于边界条件相当敏感。 弱局域化弱局域化 电子在固体中扩散运动，受到杂质的散射作用，以一定的概率存在时间反演路径，电 子经过时间反演路径时，相位的移动是相等的。如果电子从 点出发，经过时间反演路径 回到 点，此时电子处于相反动量态，该电子的强度增加一倍，这说明波在经历了漫散射 后仍能产生一定量的回波。这种回波现象在光的漫散射

4、中已经被直接观察到。由于电子波 动性的效应，电子似乎更倾向于呆在原出发点，这就是所谓的“弱局域化现象”。 单电子现象与库仑阻塞单电子现象与库仑阻塞 最早的人工操纵单个电子的半经典实验是 20 世纪初著名的 Millikan 油滴实验。在固 体电路中实现单电子控制是在油滴实验后 80 多年才实现的，过去 20 多年间，出现了可以 实现这一目标的技术。 假设一个很小的导体（专业术语称为岛）最初为电中性，在这种情况下观察不到电场。 一个弱的外力 F 就可以给岛添加一个电子，这样岛中的静电荷 Q 为-e，并产生一个电场 E 排斥其他电子添加到岛上，这种排斥称为库仑阻塞。虽然基本电荷 e 1.610-1

5、9C 的电 场在宏观尺度以外就衰减为很弱的电场，但是在纳米尺度这个电场非常强。例如在真空中， 10nm 带电荷 e 的球体表面电场强度可以达到近 140kV/cm。由于热涨落会抑制单电子效 应，对于 100nm 尺度的器件，只有在 1K 温度下才能观察到单电子效应。 单电子晶体管（Single-electron transistors）：通过栅极调节库仑阻塞效应的结构。 除了用金属绝缘体（氧化层）金属制造单电子晶体管之外，还可利用处于正常态和超 导态之间的金属岛制作单电子晶体管。 纳米器件中的噪声纳米器件中的噪声 开发以量子效应为基础的纳米器件面临严重挑战，噪声对纳米尺度的量子器件的影响 远比

6、对传统器件要大得多。例如现代深亚微米随机存储器每存储一位信息，需要移动 10 万个以上的载流子，而单电子存储器仅需要移动少量（100 以内）的载流子。微弱的噪声， 甚至一个到几个电子电量的起伏都会引起某个特征尺度以下的器件性能明显恶化。 介观系统中的噪声主要有三种： 1) 电阻的平衡噪声或者 Nyquist-Johnson 噪声。 2) 围绕稳态电流流动的多种非平衡噪声或者散粒噪声。 3) 低频噪声，典型的为 1/f 噪声。 二、纳米电子器件输运理论二、纳米电子器件输运理论 电子器件的性能决定于其中电子的输运特性，而电子输运特性与材料的能带结构密切 相关。为计算器件的 I-V 特性，需要建立器

7、件的输运模型，人们已经发展了不同层次的量 子器件输运模型并取得了一定的成功。因为纳米器件具有复杂的材料和结构，所以在研究 理论模型的同时还需要加强计算机模拟和数值求解方法及相应软件的研究。 弹道输运弹道输运 在欧姆型导体中载流子的输运是扩散输运，Bloch-Boltzmann 准经典理论是扩散输运 的理论基础。但是在介观导体中，其尺度小于载流子的平均自由程，在载流子输运过程中 很可能就不会受到散射而通过样品，这种输运机制称为弹道输运，能够产生弹道输运的导 体称为弹道导体。弹道导体的电阻应该为零，可是实验表明当导体的长度 L 远远小于其平 均自由程时，电导并不会无限大，而是趋于一个极限值 Gc。

8、实际上电阻来源于弹道导体与 两端接触盘的接触，称为接触电阻。半导体材料的第一个接触电阻实验是在 1988 年完成 的。 Landauer 公式公式 在弹道输运模式下，欧姆定律失效，需要引入新的机制来处理这些系统中的电流。 1957 年，Landauer 首先针对一维样品推导出两端形式的 Landauer 公式。他设想了一个 理想模型：一维理想导线把被测样品与外电路连接起来，与外电源形成导电回路。 Landauer 公式描述了小导体电阻的特性，结论是： 1) 界面电阻与导体长度无关，却与接触特性有关； 2) 电流的离散台阶与窄导体中横向模式相关。 而对于大导体的极限，Landauer 公式将恢复

9、到欧姆定律的形式。 量子化电导量子化电导 1988 年，Van Wees 等人和 Wharam 等人分别独立给出分裂珊结构中的低温电导实 验结果。电导随珊压变化的曲线出现电导的平台，台阶是 GQ=2e/h2的整数倍。然而在实 验发现电导量子化现象之前，理论并没有预测到这种现象纯在。 在通过光滑点接触势透射的局部绝热模型中，考虑最简单的例子：硬壁边界势，假设 在限制区的外边势是无限的，在低温条件下，该例子的理论分析结果与实验结果一致。 在非零温度，只要热展宽的能量 kBT 远小于子带能隙，就能保持电导的平台结构。反 之，当热展宽的数量级 kBT 与子带能隙同数量级时，电导平台结构将被抹平。实验发

10、现， 在温度为 4.2k 时，电导量子化几乎完全被冲刷掉。 理想的电导量子化要求每一个模式在一个窄的能量范围内具有透射概率为 1，量子点 接触中势的涨落和边界粗糙度会使透射概率减小，使电导降低。边界粗糙度和势的涨落都 会引起背向散射，这一点不同于扩散输运，长距离的扩散输运，许多杂质对于电导平均贡 献是一个常数，仅依赖于杂质的密度，而不依赖杂质的位置。 三、共振隧穿现象与器件三、共振隧穿现象与器件 隧穿理论隧穿理论 通过求解薛定谔方程发现，能量为 E 的粒子可以一定的概率 T 穿过势垒 V0（V0E）， 这种粒子能够穿透比它功能更高的势垒的现象，称为隧穿效应（tunnelling effect）

11、也叫 势垒贯穿，它是粒子具有波动性的表现，概率 T 称为透射系数。这种现象与粒子质量，势 垒宽度以及 V0-E 有关，在一般条件下，透射系数 T 非常小，不容易观察到势垒穿透现象。 隧穿时间、隧穿电流等问题比较难于理解，需要深入研究。 共振隧穿二极管（共振隧穿二极管（RTD）器件器件 在量子论建立不久后就发现了隧穿现象，此后科学家一直不懈的研究这种现象和它的 应用，也提出了各种隧穿器件。1969 年 Tsu 和 Esaki 首先预测到半导体超晶格势垒结构 中能够产生共振现象。 双势垒结构的第一个共振隧穿实验由 IBM 公司完成，他们在低温下，在 MBE 工艺生 长的异质结构中观察到相当微弱的负

12、微分电阻的 I-V 特性。 RTD 基于共振隧穿原理，在已经研究的几种纳米器件中，RTD 可能是数字电路应用 中最有前景的候选者，因为它具有负微分特性，和适合用于数字信号处理。 四、未曾深入学习的内容四、未曾深入学习的内容 单电子器件单电子器件 目前研究的能够产生单电子现象的系统主要有两种类型：一种是金属-绝缘体结构类 型；另外一种是半导体二维电子气结构类型。当前大多数单电子实验室基于第一种类型的 结构。 单电子隧穿（SCT）效应是指，在源漏之间添加岛的结构中，可以研究由栅极电压控 制的单个电子电荷精度的电流，即单个电荷在受控状态下从一个岛到另一个到的传输。产 生单电子隧穿效应的两个条件是：

13、1) 系统必须有一个库仑岛； 2) 岛必须足够小，温度必须足够低，使得给岛添加一个荷电载流子的库仑能 EC 远 超过可以利用的热涨落能。 量子点器件量子点器件 从几何特性上看，金属到与半导体量子点都是 3D 方向受到限制的所谓 0 维电子结构， 都存在单电子现象；从输运特性上看，量子点系统也存在共振隧穿现象。 当 0 维 RTD 结构中孤立量子点与电子库仑之间存在微弱耦合时，电子输运表现出明 显的振荡特性。在量子点的设计和制造过程中可以控制势垒厚度，量子阱的宽度以及横向 限制的尺度等参数。 纳米纳米 CMOS 技术技术 历经多年的发展，CMOS 技术已经成为现代超大规模集成电路（VLSI）的主

14、流技术。 现在 CMOS 工艺已经发展到纳米阶段，与与道路很多挑战。 1) 电源电压和阈值电压 2) 珊氧化层 3) 高场效应 4) 杂质随机分布效应 5) 互连线延迟 针对这些问题可以采用 SOI CMOS、SiGe CMOS、低温 COMS、双珊 CMOS、环 珊 CMOS 和动态阈值 CMOS 等结构来解决。 自旋电子学自旋电子学 传统微电子工业以电子电荷为基础，按照摩尔定律，芯片计算能力每 18 个月提升一 倍，已达到物理理论极限。自旋电子学很有研究前景，主要包括磁致电阻、铁磁材料、 STTRAM 器件等内容。 磁致电阻效应：添加磁场改变材料内部磁结构影响极化电流形成电阻。 1) 与传统微电子 CMOS 工艺不兼容。 2) 应用于信息存储、信息处理、激发可调微波、量子比特。 对于以上四项内容，由于时间有限还未曾深入学习，还有很多不懂得知识，需要继续 学习，继续研究。 结束语结束语 通过一学期的认真学习，我从一个纳米电子学的门外汉，逐步进入到奇妙而美丽的纳 米世界。看到了很多精彩的介观现象和器件，极大地拓展了自己的视野，培养了探索未知 世界的兴趣。