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1、纳米电子技术与电子器 件郑丽芬01/11/10纳米电子技术与电子器件n纳米技术与纳米电子学n纳米电子器件n纳米电子学中超高密度信息存储n纳米电子学研究的现状发展前景纳米技术与纳米电子学n发展目标n基础研究n研究中需要解决的课题发展目标纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接 延伸到原子和分子，其最终目标是直接以原 子分子在纳米尺度上制造特定功能的产品。纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其 最终目标是将集成电路的几何结构进一步减 小，研制出由单原子或单分子构成的并室温 能用的的各种器件（纳米电子器件或量子器 件）。 基础研究自上而下，提高集成度自下而上，将有机无机材料尺寸逐渐增 大加工组装成纳米
2、极器件（投资较少）研究中需要解决的课题量子隧穿效应。首先要考虑纳米点的材 料和能级特性，还要考虑纳米隙的结构 ，绝缘材料和缺陷。载流子的相干性。在微电子器件中不用 考虑载流子的相位作用，而在纳米器件 中经弹性碰撞后，载流子的相位关系仍 保留，因此载流子的振幅与相位都应考 虑并加以利用。多隧道结之间的牵连效应。在某纳米点 输入或取出一个电荷时，多隧道结之间 会产生牵连影响，这种影响应深入研究 并加以利用。纳米电子器件也称量子器件，是利用量子效应及其它电 学光学原理，采用纳米硅薄膜及其他材料 制作的量子功能器件。主要通过控制电子 波动的相位来进行工作。量子器件能实现 更高的响应速度和更低的功耗，是
3、一代超 高速，超容量，超微型，低功耗的器件。纳米电子器件组成部分相关原理加工技术典型器件组成部分n纳米点 有两种制作办法，一种是场蒸发，要求粒度在10nm 以上，制作容易但一致性差，制作纳米点阵比较方 便； 另一种是电化学方法，粒度大小容易控制，精度比 较 一致（Au，CdS）n纳米隙绝缘层 可以在导电基底，纳米点，SPM针尖上制作。n纳米线 场蒸发；考虑采用原子或有机分子操纵方法作少量 纳 米线样品相关原理各种量子效应：量子隧穿效应，量子相 干性，量子波动性，弹道电子运输，量 子尺寸效应，库仑阻塞，单电子振荡， 布洛赫振荡和奇异导电性等。超导体导体半导体绝缘体异质界 面量子波和异质结量子点的
4、物理效应。高温铜氧化物超导体正常态的奇异特性 ，二维导电性导致的电子波，电子对波 和磁通线运动效应。单电子电子学，单电子对电子学和单磁 通量子电子学的对偶性。原子与分子自组装机制。加工技术纳米级元器件主要包括两方面： 1）纳米级超细粉料制成的元器件 2）纳米级半导体器件和集成电路 我们主要介绍第二各方面的加工技术光刻技术l纵向加工技术分子束外延（MBE），金 属有机气象沉积（MOCVD），原子层外 延技术（ALE）。现已实现单原子层薄膜 生长，材料纵向尺寸控制精度已高达2A。l横向加工技术高分辨率电子束和聚焦离 子束技术。制作出的“纳米印刷机”，用无 机抗蚀剂已做出小于10nm的线宽。STM（
5、SPM）超微细加工技术l具有原子极的极高分辨率。l可实时的得到在实空间中表面的三维图象 ，用于具有周期性和不具有周期性的表面 结构研究，非常有利于对表面反应，扩散 等动态过程的研究。l可以得到单个原子层表面的局部结构，而 不是对体相的平均性质。因此可以得到局 部的表面缺陷和表面吸附体所引起的表面 重构。 l可在任何条件下工作。非常适用于研究生 物样品和在不同实验条件下对样品表面的 表征。l在得到样品表面形貌的同时亦可得到扫描 隧道谱（STS），可研究表面的电子结构 。l针尖可操纵单个分子或原子，可对表面进 行纳米尺度上的微细加工，包括刻蚀，阳 极氧化。光刻技术与STM加工技术相结合典型器件纳米
6、电子器件及相应原理：l谐振晶体管，电路和系统共振隧道效应l超高速逻辑开关电子束高迁移率l极大容量存储器量子点的可积蓄电子原 理l单电子晶体管（包括单电子开关和单电子 存储器) 库仑阻塞效应，单电子振荡和 隧穿效应l单电子对晶体管，电路和系统单电子对 隧穿效应，布洛赫振荡l单磁通量子晶体管二维超导体量子面的 磁通量子化l无导线集成电路四个量子点组成一个单 元，多个单元连在一起，单元之间的电子 运动以耦合方式进行，从而实现信号传递l单原子开关和存储器，分子线，分子开关 和存储器具有量子点结构的硅器件将n型csi在1050度干氧中热氧化生长1000A的sio2层，光刻出 4040um的窗口，在窗口区
7、淀积一层200A厚的asi层，再在 800度的N2和o2（8：1）使asi层氧化和晶化形成量子点结构。单电子晶体管l单电子隧穿现象如果有一纳米微粒尺寸足够小且与其周围 外界在电学上是绝缘的，它与外界之间的 电容可小到1016F，在这种情况下，某个 电子隧穿进入该微粒，它会阻止第二个电 子再进入该微粒，否则会导致系统总能的 增加，因而可人为控制电子逐个穿进出该 微粒，实现单电子隧穿过程。l单电子晶体管的发现促进了纳米电子学的 发展。单电子隧穿可应用于对高频电磁波 辐射的灵敏检测，尤其在远红外波段范围 ；单个电子还可作为传递信息的载体；目 前已有标准DC电流源和超灵敏静电计的报 导。高电子迁移率晶
8、体管（HEMT）HEMT结构图纳米电子学中超高密度信息 存储信息科学作为未来新兴高科技产业的先导， 在 世界上的发展已被人们公认，其中电子学是 重 要的组成部分。诺贝尔奖金获得者德国物理 学 家Von Klitzing在1997年预言：2030年将能 实 现纳米电子器件。伴随着这一过程，作为电 子 学主流器件之一的信息存储器件的存储密度 将 达到很高的程度。（1013Bit/cm2 ）面临的基本问题所选用的信息转换与传递机制超高密度信息存储技术国际超高密度信息存储典型成果国内超高密度信息存储典型成果面临的基本问题更高的信息存储密度：即信息点的尺寸 要小更快的写入与读出时间：即薄膜上“1” 和“
9、0”状态的转换时间要快所选用的信息转换与传递机 制基于薄膜中局域内的分子或分子之间的 电荷传递来实现，其转换时间短，稳定 时间长（存储寿命），用更小尺寸的存 储点也能够实现信息存储选用的材料为有机复合薄膜材料薄膜必须是结构稳定的高质量（缺陷少 ，结晶好）的纳米薄膜，用真空蒸发沉 积方法可达到这个目的超高密度信息存储技术激光化学烧孔技术（光吸收带）有机材料的异构变化（反式体顺式体 ）SNOM的磁光效应电子全息图技术纳米区电荷存储技术国际超高密度信息存储典型 成果Stanford大学，R.Barrett等 1991 年硅结构 制 出75nm 的存储点径 Texas大学，A.Bard等 1993光导
10、材料 40nm NEC公司，A.Sato等 1995无机玻璃材料 10nm Canon公司，K.Takimoto等 1996聚酰亚胺 L B膜 10nm 国内超高密度信息存储典型 成果1993在AgTDCN薄膜上得到最小直径 为40cm的点阵 1994年C70 DDMNE 得到最小直径为 13nm的存储点 1995年在AgCPU上得到10nm的点径 1996年在mNBMN和DAB有机复合薄 膜上得到直径为1.3nm的信息点阵存储 密度达到1013Bit/cm2 纳米电子学研究的现状及前 景国际研究动态日本已研制出接近室温工作的单电子晶体管 ，佳能公司用STM在有机薄膜上给出了 3636的信息存
11、储点阵，信息斑点为10nm； 美国普渡大学对室温单电子原型器件进行了 很成功的测量，此外在C60和纳米碳管的各种 组合材料中也观测到了单电子输运现象；其 他国家也在致力于纳米器件的研究并投入了 大量的资金。国内研究动态主要是基础性研究，包括STM用于纳米结构 的加工，SNFOM用于光电信号的特性研究， 单电子器件的组装与测试，纳米尺寸信息存 储的材料，读写技术和机理研究，新型有机 无机组装材料，纳米物性的测试和表征，纳 米电子器件的机理等多项研究，某些研究已 处于国际先进水平。尤其在有机薄膜超高密 度信息存储方面。发展前景纳米电子学的发展目标中除了研制基于 量子效应的量子器件外，还有一个研究方向是发展分子电子器件和生物分子器 件。它们基于分子的自我组装技术（在 平衡条件下，分子自发组合而成为一种 稳定的，结构确定的，非共价键连接的 聚集体）。第一步应用将可能把有特殊电子性质的大 量分子堆积起来而制作大批新的电子学材 料；对于更长远的目标，研究人员希望研 制出由单个分子组成连线和晶体管的分子 电路，最终实现分子电脑。分子机器一旦 制成，它能在1s内完成数十亿个操作，如 果有足够的分子机器，就可以在几秒或几 分钟内完成现在需要几天或几个月才能完 成的工作。
