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1、纳米电子学及纳米加工,2001.11,纳米电子学的含义:在0.1-100nm的纳米结构(量子点)内探测,识别与控制单个量子或量子波的运动规律,研究单个原子,分子人工组装和自组装技术,研究在量子点内,单个量子或量子波所表现出来的特征与功能,用于信息的产生,传递和交换的器件,电路和系统及其在信息科学技术,纳米生物学,纳米测量学,纳米显微学,纳米机械学等中应用的学科。,纳米电子学的三个主要方向：,集成微系统。量子或纳米器件。在上述基础上，开发和建立纳米和量子 级系统的数据处理，计算，管理以及量子通信网络的基础理论和基础科学。,纳机电系统（Nanoeltctromechanical Systems,N
2、EMS）研究尺度在1-100nm范围内结构、元件和系统的性质与应用。MEMS和NEMS这两个前后来到，相互联系又不相同的微系统，正代表微米纳米技术的关系。和硅微电子加工相比，NEMS的材料广和加工的空间分辨率高。NEMS可能对传感、医学诊断、显示和存储等应用带来革命性影响。,美国康乃尔大学的一个科研组最近研制出可进入人体细胞的纳米机械由金属镍螺旋桨（直径为150纳米、长为750纳米）、生物电机和镍柱体（直径为80纳米、高为200纳米）三部分组成，是一个有机的的和无机的混合系统，它的大小与病毒微粒（171000纳米）差不多，将来可以在人体细胞内施放药物和清除细胞的缺陷等任务。电机的动力来自人体的
3、生物“燃料”-一种化学物质ATP（Adenosine Triphosphate 腺苷三磷酸盐），它转化为机械能量，使得金属推进器的转速达到每秒8圈，可以连续运转两个半小时。这种设备的三个组件放在一起就能进行自组装、维护和修理。镍螺旋桨的制作用了电子蒸发、电子束暴光和各向同性刻蚀，并涂有化学薄膜。这种新技术仍处于研制初期，其成功率还不高，约为5/400。在人体细胞内执行医疗任务的实验也需几年的时间才能完成。,未来的system-on-a-chip:,纳米电子学发展的预测：,分子电子学：,主要是利用共价键分子结构，与本体衬底分子隔离。器件的线和开关由单个的分子和纳米尺度超分子结构组成。,常规概念的
4、微电子技术发展的极限：,原理性限制：10nm以下，半导体晶体的原子间距，热扰动，量子扰动，电磁扰动，量子力学测不准原理和光速等将成为原理性限制的基本因素。技术性限制：20-25nm，短沟道效应，漏电流，导通电阻减小，速度饱和与扩散层固溶度等将成为技术性限制的主要因素。,ULSI-超集成化，超高集成器件制造成品率下降，特性不均匀和可靠性差等，严重阻碍了集成度的进一步提高。工作速度，超细布线电阻增大，布线增长导致电阻/电容比增大，杂散电容的增大等抑制了速度的提高。复杂性限制，设计，测试和检验时间的猛增，是复杂性结构的必然结果。经济性限制，结构复杂化，制作成本上升，工艺复杂，设备成本增大。,微电子器
5、件的发展,材料：高纯硅，锗，镓砷工艺：光刻，掺杂，外延技术理论：半导体物理,材料：无机/有机复合材料工艺：分子尺度上的自组装和剪裁技术理论：纳米器件的量子统计理论,纳米电子器件的发展,纳米尺度的新效应：,量子相干效应(Quantum interference effect)A-B效应(Aharonov-Bohm effect)量子霍尔效应(Quantum Hall effect)普适电导涨落特性(Universal conductance flutuations)库仑阻塞效应(Coulumb blockade)海森堡不确定效应(Heisenberg uncertainty effect),当电
6、子被限于两个空间相距很近的势垒之间的岛区时，所遇到的两个基本的量子力学效应是：（1）电子在势阱中能量量子化，形成分立 的量子态；（2）势垒越薄，占据低于势垒高度能态的 电子有一定的隧穿进入岛区或离开岛 区的几率；,纳米电子器件的分类：,共振隧穿效应示意图：,共振隧穿：,当势垒中够薄时，微观粒子穿透势垒的隧道效应十分明显。对于多势垒的半导体结构，当邻近量子势阱的子能带相同时，隧穿几率发生共振，叫共振隧穿。江崎和朱兆祥在1974年首次观察到在双势垒半导体结构中的共振隧穿现象。,库仑阻塞效应示意图：,库仑阻塞效应 当体系的尺度进入纳米级，体系是电荷量子化的，即充电放电过程不连续，充入一个电子所需的能
7、量为e2/2C,体系越小，能量越大。称为库仑阻塞能，它导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。,Single electron tunnelling devices are predominantly aimed at high-density,low-power memory markets especially since a number of the designs are a miniature version of flash memory technology.There are a number of designs for low powe
8、r SET logic,but as yet none have been demonstrated at room temperature.,Resonant tunnelling diodes(RTDs)have demonstrated numerous applications and potential markets including digital to analogue converters(DACs),clock quantisers,shift registers and ultralow power SRAM.The RTDs may be designed for m
9、uch higher speeds than CMOS for DACs,etc.typically in the speed range 10 to 100 GHz or for much lower power than CMOS such as the SRAM technology.,纳米电路,美国Georgia技术研究所把RTD和CMOS硅电路相结合制造的纳米电路使速度功率和电路复杂性都比只用CMOS电路有根本改善。一个带六个单元的器件的一位时钟比较器相当于所有CMOS设计电路中的21个单元。美国Stanford大学利用共振隧穿器件研制成单片触发电路。,SET面临的主要挑战和困难:,
10、1.Background charge fluctuations remain the biggest technological bottleneck.In order to reduce the perturbation of these effects on SET circuits the critical dimension must be on the order of 2 nm.Unless significant progress can be made in controlling the background charges,it seems unlikely that C
11、oulomb blockade circuits can be integrated on a large scale.2.The required uniformity of devices is extremely demanding,raising doubts if they can be manufactured with the required tolerances at a reasonable price.,3.Even assuming that large scale integration is possible,solutions must be found on h
12、ow to overcome the electrostatic interactions between devices.4.Error tolerance for Coulomb blockade devices has not been investigated in great detail but it seems likely that in order to have adequate tolerances the device must operate either at lower temperature or higher voltage(and hence power).
13、,RTD面临的主要挑战和困难:,1.The major problem is the extreme sensitivity of device characteristics to the thickness of the tunnelling well as the tunnelling current depends exponentially on the thickness of the tunnel barrier.,2.operation can only be realised in III-V semiconductors at present although recent
14、 demon-strations of interband tunnelling in Si/SiGe devices have been demonstrated with peak-to-valley ratios(PVR)of 2.05 and a peak current density of 22 kA/cm 2 Rommel 1998.RTDs in SiGe have also been fabricated but with PVRs of 1.2 and current density of 400 A/cm 2.The preferred system would be S
15、i/SiO 2 RTDs Klimeck 1997 which would allow CMOS compatible processing and integration of RTDs with CMOS circuits but there are problems with growing single crystal Si between SiO 2 barriers.,3.For THz oscillator applications,a high output power from the RTD device is important.At present the output
16、 powers are quite low(W)and require improvements(mW).,纳米加工方法：,1.薄膜生长技术；（MBE,MOCVD等)2.用于CMOS的加工技术；3.新兴的纳米加工技术；,用于CMOS的加工技术:,光刻蚀技术；超紫外线刻蚀技术；X射线刻蚀技术；电子束溅射；离子束溅射；,新兴的纳米加工技术：,电子束纳米刻蚀；基于SPM的纳米加工技术；Nanoimprint;分子自组装技术；,不同加工技术的比较：,基于SPM的加工技术,原子操纵；机械刻划；电子束诱导沉积；电子束曝光；电场诱导氧化；针尖材料沉积；光效应；,AFM氧化加工方法：,光栅扫描加工方式（探针在
17、进行逐行扫描的过程中，SPM系统依据探针的位置和图形点阵编码来调整探针与样品的作用参数）矢量加工方式（要求依据加工的图形结构制定出探针的移动路径和相应的加工参数）,纳米加工系统：,AFM诱导氧化加工示意图：,AFM纳米氧化在纳米器件加工中的应用,作为电子的能量势垒；用作掩膜；用作表面加工的牺牲层；,SET能够在室温工作的条件：SET的岛结构要足够小，小到10nm，以减小SET的总电容和克服热振动的问题。E2/2CKBT,存在的问题：,加工的重复性差；加工范围小；加工效率低；,解决的方案：,采用并行加工；提高SPM本身的工作速度和范围（改进反馈系统和图像处理系统）；寻求最优的加工路径；研究样品-探针尖的最短作用时间的机理；,
