奈米电子学简介

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1、5. 5. 奈米電子學簡介奈米電子學簡介l在現今的微加工技術上，已能夠製造出尺寸 很小的固體電子通道，可透過控制電壓操縱電 子一個接一個地進行運動。l電導將呈現以 為臺階式的變化特徵。這 種變化是由於單一電子進出通道所造成的，因 此稱為單電子效應。1l單電子效應最有希望的應用方向，是利用具 有特導電子特徵的材料，如碳奈米管、碳60 (C60)、金屬或半導體量子點，製造出分子電子 學中的單電子元件，以作為單電子電晶體 、單電子開關、單電子線路和單電子邏輯器等 用途。l因此產生了一門全新的學科分子電子學。25.1 5.1 量子導線量子導線l量子導線的研究，主要集中在各種碳奈米管 上。這種較大尺寸分

2、子的導電性已被廣泛的研 究。l不同的碳奈米管可以構成各種非線性特徵的 電子裝置，藉由特定的幾何參數可以決定碳奈 米管所呈現的是導體還是半導體特性。l藉由不同的局部缺陷，例如五元環和六元環 的存在，亦可以影響其電子性能。35.1.1 5.1.1 單根單壁碳奈米管的導電性單根單壁碳奈米管的導電性l低溫時，單壁碳奈米管兩端之間的電阻約為 1 M ，不同電壓時的典型電流電壓曲線 表現出明顯的二極體整流效應：單向導通，且 在較高偏壓時曲線呈現出高度非線性。l在不同的電極間施加電壓時，可以發現同一 根碳奈米管在不同位置上的電子學行為並不相 同。45.1.2 5.1.2 單根多壁碳奈米管的導電性單根多壁碳奈

3、米管的導電性l單壁碳奈米管的電導值為2G0 ，與直徑和長度 無關。l多壁碳奈米管的電導應該隨層數增加而增加； 但是實驗中發現多壁碳奈米管之電導值也只有 1 G0，因為只有一層碳奈米管對所測量到的電導有 貢獻。l導體性的多壁碳奈米管，其第一層必定是導電 性的。如果第二層是絕緣的，此時沿管徑方向的 電阻非常大，那麼此層和下面幾層對於導電性將 不會產生貢獻。55.1.3 5.1.3 特定碳奈米管的導電性特定碳奈米管的導電性l結合原子力顯微鏡的高分辨成像能力以及導 電原子力針尖，可進行特定單根碳奈米管的導 電性研究。l碳奈米管其直徑和螺旋特性決定了其導電性 是導體還是半導體。6圖二十九圖二十九、利用、

4、利用導電導電AFMAFM測量測量單根碳奈米管導電性的示意圖單根碳奈米管導電性的示意圖75.1.4 5.1.4 銅奈米導線銅奈米導線l碳奈米管並不是構成分子導線的唯一選擇 ，其他方法也可以用於形成分子導線。l例如採用電化學生長的方法，將兩個金屬 微粒用奈米尺寸的金屬銅導線加以連接。8圖三十圖三十、溶液中兩個銅微、溶液中兩個銅微 粒之間形成銅導線的電化粒之間形成銅導線的電化 學示意圖學示意圖95.2 5.2 奈米電子元件之雛形奈米電子元件之雛形5.2.1 5.2.1 單電子電晶體單電子電晶體l電晶體是現代電子工業中的核心元件之一。l在單電子隧穿效應的基礎上可以形成單電子 電晶體。l將直徑為 5.5

5、 nm的砷化鎘半導體粒子分散在 兩個金屬電極中央，在連續改變電極電壓的情 況下，將會引起系統中能量的變化。10圖三十一圖三十一 、測量單個奈米導電性的示意圖、測量單個奈米導電性的示意圖115.2.2 5.2.2 單電子邏輯器單電子邏輯器l將單電子電晶體的邏輯和記憶元件，採用單 個電子效應來取代，可稱為單電子邏輯器。圖三十二圖三十二 、單電子邏輯器的示意圖、單電子邏輯器的示意圖125.2.3 5.2.3 碳奈米管整流器碳奈米管整流器l利用類似掃描隧道顯微鏡的工作方式，可使 單根碳奈米管成為一個奈米尺度的整流器。l其方法是將STM的針尖沿著碳奈米管簇的長 度方向進行滑動，而有下列四種操作程序及碳

6、奈米管在不同階段的取向：(a)隧穿(b)接蝕與黏附(c)撤出(d)滑動接蝕13圖三十三圖三十三 、STMSTM操縱單根碳奈米管的示意圖操縱單根碳奈米管的示意圖和不同階段碳奈米管的取向和不同階段碳奈米管的取向145.2.4 5.2.4 電子開關電子開關l碳奈米管將有可能製造出一種完全由碳組成 的電子開關。它一端的行為像金屬，而另一端 則像半導體，中間的接觸部分則類似節點，可 以控制電子的流動。圖三十四圖三十四 、碳奈米管構成的電子開關結構示意圖、碳奈米管構成的電子開關結構示意圖155.3 5.3 奈米電子學技術之限制奈米電子學技術之限制5.3.1 5.3.1 奈米電子學奈米電子學l奈米技術中最重

7、要的一個分支領域是奈米 電子學技術(nanoelectronics)。l電子學未來的發展，將以 “ 更小、更快、 更冷 ” 為目標。只有在這三方面都得到同步 的發展，電子學技術才能取得新的重大突破 。16若要將奈米電子元件及其積體電路實現化， 將有下列兩種可能的方式：將現有的積體電路近一步向微型化延伸，開 發出更小的最小線寬加工技術，以加工尺寸更 小的電子元件。但是，這種方法只是尺度上的 縮小，電子元件的構造並不發生根本上的改變 。另一種方式則是研製與現代積體電路完全不 同、利用奈米結構的量子效應而構成的全新量 子結構體系。175.3.1 5.3.1 奈米電子學奈米電子學l Intel的創始人

8、Gordon Moore在1965年曾對 電腦晶片未來的發展趨勢做了一個重要的預 測。lMoore 認為 “ 每隔18個月新晶片的電晶體 容量要比先前的增加一倍，同時性能也會提 昇一倍 ” 。這就是著名的莫爾定律 (Moores Low)。18l事實已經證明，在過去的30多年裡，莫爾定 律準確的代表著晶片技術的發展趨勢。l隨著積體電路的集成度越來越高，電晶體的 尺寸和積體電路的最小線寬越來越小，莫爾定 律受到了極大的挑戰。l按照莫爾定律的發展趨勢，至2010年微電子 元件的尺寸和積體電路的最小線寬都將小於100 nm，達到現代微電子學微影加工技術的極限（ 物理限制），使現行的半導體工藝很難再有

9、所 作為。19l可藉由縮小電晶體的尺寸和線寬的基本方法 改進微影技術(Photolithography) ，也就是使用 更短波長的曝光光源，經過曝光後把蝕刻在矽 片上的電晶體做的更小、連接電晶體的導線做 的更細來實現。l當對積體電路最小線寬的要求達到100 nm時 ，現行的微影技術將無能為力，而面臨失敗。20l在微影加工技術中，最小線寬的加工取決於 所選用光波的波長。l目前，微影中使用的光波是深紫外光(Deep Ultraviolet)，所以現行的微影技術也被稱為深 紫外光微影技術。l深紫外光波長為240 nm，它的微影理論極限 是100 nm。也就是說，以現行的微影技術將 無法加工小於100

10、 nm的最小線寬。奈米電子學的發展極限21l為了提高微影的精度，人們在不斷探索和開 發具有更短波長的穩定光源。l美國和日本的多家晶片製造公司和國立研究 所正在開發使用超紫外光雷射光源的微影技術 (Extreme Ultraviolet Lithography)。超紫外光的 波長越短，便越有可能使微影技術的最小線寬 達到70nm以下。l隨著微影精度的提高，亦需同時提高基板和 光罩之間的表面平整度與平行度。這些十分苛 刻的條件，也將成為提高微影精度的另一個瓶 頸。22l電子束蝕刻技術( Electron-Beam Lithography ) 的束斑直徑可以做得非常小，其蝕刻精度可滿 足 10 nm

11、 最小線寬的要求。l電子束蝕刻的致命缺陷是蝕刻速度太慢，無 法滿足大規模生產的需要。l沒有束斑直徑和平行度要求的STM和AFM奈 米加工技術，將極有可能為未來超大型積體電 路加工的首選工具。23l為了進一步提高晶片的性能，目前製作晶 片的關鍵材料也進行了改進，例如美國IBM 公司提倡的以銅代鋁技術，即在線路中用銅 線代替鋁線來連接電晶體。l銅比鋁導電性更好，不但可以提高元件間 的傳輸速率，並可使晶片體積更小，造價更 低。24微電子學技術除了在微影加工技術上存在 著急待突破的技術限制以外，它還受到了元 件內電子行為的限制和元件功率消耗過大的 限制。微電子學技術上的限制25l首先以晶片微處理器為例

12、來討論電子行為對 微電子學技術限制。晶片微處理器是通過邏輯“ 閘”的開或關來工作的，而“閘” 的開或關狀態 ，取決於有無電流流過。l但是，晶片內線寬的減小卻會導致單位時間 內流過邏輯閘的電子數大幅的減少，當電子數 減至數十個數量時，邏輯閘在判斷 “開”或“關” 時就會處於不確定狀態，而無法正常工作。26l元件功率消耗過大是另一個微電子學技術發 展的主要限制。l晶片重新設計和製造以及微影加工技術的改 進，可以在一定程度上提高積體電路的集成度 ，但由於目前的微電子元件工作電流很大，功 耗也相對很大。l隨著晶片的集成度和時間速度大幅提高後， 電子在電路中流動的速度越來越快，功耗也會 成倍增大，並最終

13、導致晶片不能正常工作。27l具有量子效應的奈米電子元件的工作電流為 1 10個電子，因此其工作能耗極小。與目前 的超大規模積體電路中微電子元件相比，其功 耗將會大幅降低。l奈米電子元件的另一個顯著優點，即是工作 時間頻率也可以大幅度提高。285.4 5.4 單電子電晶體和單電子儲存器單電子電晶體和單電子儲存器單電子電晶體( Single Electron Transistor, SET)是基於庫倫堵塞效應( Coulomb Blockade Effect ) 和單電子隧道效應( Single - Electron Tunnel Effect ) 的基本物理原理，所產生的一 種新型奈米電子元件。

14、29l早在20世紀50年代初期，人們就發現了庫倫 堵塞效應和單電子隧道效應。但直到20世紀80 年代後期，人們才成功地實現了利用這些效應 的電子電路。l實踐晚於理論的長達幾十年的主要原因是： 在此之前，人們無法加工出非常微小的電極以 及對這些電極進行精確定位。30l庫倫堵塞效應和單電子隧道效應的直接應用 就是設計和製造單電子電晶體元件。l單電子電晶體元件具有能耗低，高熱敏度和 易於集成等突出優點，因此被認為是傳統的微 電子MOS元件之後，最有發展前途的新型奈米 元件之一。31l近幾年來，單電子電晶體的研製已逐步走向 成熟，成為奈米電子學元件研究的重點。l隨著奈米加工技術的快速發展，單電子電晶

15、體不僅在尺寸上已經達到了數奈米的尺度，其 工作溫度也達到了室溫的條件。325.4.15.4.1 庫倫堵塞和量子遂穿庫倫堵塞和量子遂穿l庫倫堵塞效應是1980年代固體物理所觀測到 的重要物理現象之一。當一個物理體系的尺寸 達到奈米量級時，這個體系的充電和放電過程 是不連續的，也就是說，是量子化的。l充入一個電子所需的能量Ec為e/2C (Charging Energy)，其中e 為一個電子的電荷，C 為該物 理體系的電容。體系越小，電容C 越小，能量 Ec 越大。所以把這個能量稱為庫倫堵塞能。33l在一個奈米體系的充放電過程中，電子無法 進行連續的集體傳輸，而是一個一個單電子 的傳輸。l這種在奈

16、米體系中電子的單個輸送特性，稱 為庫倫堵塞效應。34l如果兩個量子點通過一個隧道結(Tunnel Junction)連接起來，單個電子從一個量子點穿 過勢壘(Tunnel Barrier)到另一個量子點的過程 ，稱為量子隧穿。l為了使單個電子從一個量子點隧穿到另一個 量子點，這個電子的能量 eV 必需克服電子 的庫倫堵塞能 Ec，亦即V e/2C ，此處C 為 兩個量子點之間隧道結的電容。355.4.2 5.4.2 單個電晶體的基本結構單個電晶體的基本結構單電子電晶體的結構十分類似於當今積 體電路中廣泛應用的MOSFET(Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor)元件，它 們都有源極、汲極和閘極。36圖三十五圖三十五 、單電子電晶體的基本結構、單電子電晶體的基本結構( (a)a)和它的等效電路和它的等效電路( (b)b)單電子電晶體的結構37lMOSFET元件是透過兩個背對背的pn截 來控制通道(Channel)內載流子的擴散漂移運 動，因此由大量電子流動所形成的電流是連 續的。l單電子電晶體是