1、Chapter 4 納電子學(xué)根底本章提要：本章主要涉及納電子學(xué)這門新興學(xué)科的入門知識(shí),講述了納電子學(xué)的根本概念及其器件應(yīng)用,為以后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下根底。涉及的內(nèi)容比較籠統(tǒng),大家的目標(biāo)主要是了解。1納電子學(xué)簡(jiǎn)介納米電子學(xué)(也常稱為“納電子學(xué))是納米科技的重要分支之一。其主要目標(biāo)是研究并且制造超小尺寸、低功耗的電子器件及其組成系統(tǒng)。由于納米電子學(xué)研究的對(duì)象(器件、信號(hào)、功率、能量等)處于納米尺度。而電子在這個(gè)尺度下其行為將明顯不同于在傳統(tǒng)電子器件中的運(yùn)行規(guī)律,即必須考慮電子的“量子效應(yīng)。也正是因?yàn)檫@些量子效應(yīng)工作的量子器件,才使得人們可以開(kāi)發(fā)出性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)在電子器件的新一代產(chǎn)品,帶來(lái)第三次的電子

2、學(xué)革命。2信息技術(shù)開(kāi)展的趨勢(shì) 當(dāng)前信息技術(shù)不斷進(jìn)步主要?dú)w功于低價(jià)格、高速度、高密度和高可靠的信息表述和處理方式的進(jìn)步 計(jì)算機(jī)技術(shù)取得成功的關(guān)鍵是固體電子器件小型化和集成度的持續(xù)不斷提高 先進(jìn)的多媒體技術(shù)和社會(huì)對(duì)信息處理的需求都要求進(jìn)一步減小芯片的器件尺寸3開(kāi)展趨勢(shì) Moore定律Intel 創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore英特爾微處理器的開(kāi)展規(guī)律集成電路上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。 4開(kāi)展趨勢(shì) Moore定律如何延續(xù)？存儲(chǔ)器的開(kāi)展歷程5開(kāi)展趨勢(shì) 硅工業(yè)硅技術(shù)創(chuàng)造了今天信息技術(shù)的神話極限？量子器件是未來(lái)的神話6納米電子學(xué)是工業(yè)開(kāi)展的必然2005預(yù)測(cè)

3、 (ITRS)The International Technology Roadmap for Semiconductors7特征尺度節(jié)點(diǎn)890納米的Prescott經(jīng)典納米電子學(xué)時(shí)代開(kāi)始的標(biāo)志2003年下半年英特爾等世界頂級(jí)IC公司陸續(xù)量產(chǎn)90nm芯片技術(shù)的實(shí)際開(kāi)展比國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖ITRS20012003預(yù)測(cè)2004年實(shí)現(xiàn)90nm工藝的規(guī)劃提前了一年P(guān)rescott所采用的半導(dǎo)體工藝柵極寬度50nm965納米的Conroe2005年底、2006年初世界半導(dǎo)體市場(chǎng)“霸主英特爾量產(chǎn)65nm芯片比ITRS2003要求2007年實(shí)現(xiàn)65nm工藝的規(guī)劃整整提前了一年65nm Conroe的晶體管數(shù)

4、目是2億9100萬(wàn)Conroe的尺寸為143平方毫米1045納米的Penryn2008年上半年,Intel有三座300mm工廠生產(chǎn)45nm處理器。45nm Penryn移動(dòng)版TDP 35W,桌面版TDP 65W,效勞器以及EE版TDP 80W。Intel 45nm Penryn雙核處理器集成4億1000萬(wàn)晶體管,四核到達(dá)了8.2億； Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右11納米尺度器件90nm、65nm、45nm、MOSFET相繼問(wèn)世,經(jīng)典IC的特征尺度已經(jīng)到達(dá)亞100納米的尺度范圍。圖為納米尺度MOSFET1213Intel開(kāi)展趨勢(shì)14經(jīng)典納米電子學(xué)的困難MOS器件進(jìn)入納米尺度遇到：

5、物理問(wèn)題 技術(shù)上的困難如何面對(duì)技術(shù)開(kāi)展：克服困難、解決問(wèn)題,維持IC進(jìn)一步小型化了解問(wèn)題和困難的實(shí)質(zhì),研究解決方案經(jīng)典納米電子學(xué)的核心問(wèn)題應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的經(jīng)典電子學(xué)的極限問(wèn)題和困難最終會(huì)終結(jié)經(jīng)典電子學(xué)的壽命為下一代電子學(xué)作技術(shù)準(zhǔn)備量子納米電子學(xué)15經(jīng)典納米電子學(xué) 物理問(wèn)題物理效應(yīng) 量子效應(yīng) 量子化效應(yīng) 隧穿效應(yīng) 干預(yù)效應(yīng)介觀效應(yīng) 彈道輸運(yùn) 電導(dǎo)漲落 單電子現(xiàn)象 散粒噪聲16經(jīng)典納米電子學(xué) 量子化效應(yīng)(a) 勢(shì)阱和量子化能級(jí)(b) 經(jīng)典與量子力學(xué)電荷密度比照17經(jīng)典納米電子學(xué) 隧穿效應(yīng)熱發(fā)射 FN隧穿 直接隧穿束縛態(tài)隧穿 帶帶隧穿漏電流功耗占總功耗的比例變大18經(jīng)典納米電子學(xué) 彈道輸運(yùn)彈道極限準(zhǔn)彈

6、道輸運(yùn)非彈道電子比例漂移擴(kuò)散輸運(yùn)彈道輸運(yùn)需要量子理論19經(jīng)典納米電子學(xué) 電導(dǎo)漲落J.H.P. Scott-Thomas, S.B. Field, M.A. Kastner, H.I. Smith, and D.A. Antoniadis（1989）20經(jīng)典納米電子學(xué) 技術(shù)困難阻礙半導(dǎo)體器件進(jìn)一步縮小,集成度進(jìn)一步提高的具體的技術(shù)因素：強(qiáng)電場(chǎng)熱耗散材料非均勻性的影響氧化層厚度減少和非均勻性工藝精度和制造價(jià)格21強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)于尺度非常小的器件,在短距離內(nèi)加偏置電壓,器件中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)。載流子在強(qiáng)電場(chǎng)加速下,并通過(guò)碰撞,使大量電子具有很高的能量,會(huì)出現(xiàn)所謂載流子熱化現(xiàn)象。具有很高的能量的電子跑出半導(dǎo)

7、體,引起“雪崩擊穿,電流急劇增加并且器件受到破壞。這個(gè)問(wèn)題在納米尺度半導(dǎo)體器件中會(huì)很嚴(yán)重22熱耗散隨著器件尺寸縮小和集成電路密度提高,散熱問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重由于過(guò)熱會(huì)引起電路失效,所以必須限制集成電路的熱功率熱功耗對(duì)于任何類型納米尺度器件的高密度封裝都是嚴(yán)重的問(wèn)題23漏電流的功率24非均勻性假設(shè)MOSFET柵長(zhǎng)50nm,柵寬100nm,如果溝道載流子數(shù)目為21012/cm2,溝道中平均有100個(gè)電子。如果存在單個(gè)雜質(zhì)漲落,引起溝道電導(dǎo)變化為實(shí)際電導(dǎo)的40。這是非常顯著的漲落25介質(zhì)厚度氧化層薄到一定尺度就不能阻止電子從柵極漏出而到達(dá)漏極當(dāng)氧化層不均勻時(shí),通過(guò)薄的地方的漏電流會(huì)很大,這些漏電流也包

8、括通過(guò)氧化層的直接隧穿電流。總的漏電流到達(dá)一定程度就會(huì)影響器件的功能26精度和價(jià)格現(xiàn)代集成電路生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線的價(jià)格已高達(dá)以億元為單位但是它仍然不能滿足納米尺度的工藝精度要求研制、開(kāi)發(fā)、制備下一代,精度更高的生產(chǎn)設(shè)備,其價(jià)格將是天文數(shù)字。經(jīng)濟(jì)因素也會(huì)成為制約現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)及一步開(kāi)展的障礙27經(jīng)典納米電子學(xué)極限預(yù)測(cè)28量子納米電子學(xué)以量子力學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)為工作原理量子效應(yīng)器件隧穿器件單電子器件量子點(diǎn)器件量子信息處理量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)量子通訊量子密鑰29共振隧穿晶體管（RTT）橫截面和工作原理草圖30單電子晶體管（SET）單電子晶體管（Single-electron transistors）是利用

9、能夠通過(guò)柵極調(diào)節(jié)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)的結(jié)構(gòu)除了用金屬絕緣體（氧化層）金屬制造單電子晶體管之外,還可利用處于正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)之間的金屬島制作單電子晶體管,對(duì)此已進(jìn)行了大量研究（1994）提出了各種SET應(yīng)用方案:包括計(jì)量學(xué)中的各種應(yīng)用,例如各種電流標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的各種標(biāo)準(zhǔn)31半導(dǎo)體單電子晶體管第一個(gè)半導(dǎo)體單電子晶體管是在2DEG中限制出的量子點(diǎn)中制造的（J. H. F. Scott-Thomas, S. B. Field, M. A. Kastner, H. I. Smith, andD. A. Antoniadis, Phys. Rev. Lett. 62, 583 1989）第二種類型的半導(dǎo)體單電子晶體管是

10、用刻蝕出的量子點(diǎn)制作（U. Meiravand E. B. Foxman, Semicond. Sci. Technol. 10, 1995)32半導(dǎo)體量子點(diǎn)分類(a)橫向量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),(b)豎直量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)33半導(dǎo)體豎直量子點(diǎn)Images TEM image of a quantum dot.不同形狀的半導(dǎo)體量子點(diǎn)342DEG加上橫向限制量子點(diǎn)共振隧穿量子點(diǎn)兩個(gè)耦合量子點(diǎn)35納米電子學(xué)的三大領(lǐng)域納米精度的制造技術(shù)納米制造技術(shù)新器件物理經(jīng)典器件量子效應(yīng)模擬量子器件物理新的信息處理方法納米電路創(chuàng)新量子信息技術(shù)36納米制造技術(shù)自頂向下（Top-down）: 去掉多余的材料制造納米客體異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)納

11、米光刻技術(shù)自底向上（Bottom-up）用更小的單元（原子、分子）制造納米客體掃描探針技術(shù)自組織生長(zhǎng)技術(shù)或自組裝技術(shù)分子電子與化學(xué)技術(shù)有機(jī)分子電子與生物技術(shù)37納米制造技術(shù) 自頂向下制造縱向或豎直方向納米制造技術(shù)半導(dǎo)體材料外表異質(zhì)外延生長(zhǎng)精度可以到達(dá)單個(gè)原子層典型技術(shù)分子束外延（MEB）金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）化學(xué)束外延（CBE）可制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)38選擇性生長(zhǎng)量子點(diǎn)的圖示39自底向上制造 合成碳納米管五種不同的碳結(jié)構(gòu)材料：a.石墨 b.金剛石 c.碳60 d.洋蔥結(jié)構(gòu) e.碳管40自底向上制造 分子自組裝超分子蘑菇聚合物噻吩線超分子帶鋸自組裝是指構(gòu)筑基元在沒(méi)有人為介入的情況下自發(fā)

12、地形成有序結(jié)構(gòu),它是組裝的高級(jí)層次。其構(gòu)筑基元可以是無(wú)機(jī)分子,有機(jī)小分子,高分子,以及生物大分子等。41自底向上制造 掃描探針局部氧化制作單電子晶體管42新器件物理納米結(jié)構(gòu)中電子態(tài)從能帶到能級(jí)擴(kuò)展態(tài)與（局部維數(shù)）局域態(tài)納米結(jié)構(gòu)中載流子輸運(yùn)理論量子輸運(yùn)理論載流子的彈道輸運(yùn)理論蘭道爾公式電子相干輸運(yùn)理論載流子隧穿輸運(yùn)理論介觀統(tǒng)計(jì)與漲落理論自旋輸運(yùn)理論器件工作原理從經(jīng)典電磁場(chǎng)和經(jīng)典輸運(yùn)理論到量子力學(xué)和量子輸運(yùn)43新器件物理 納米結(jié)構(gòu)電子態(tài)低維限制系統(tǒng)中的電子狀態(tài)密度二維系統(tǒng) 一維系統(tǒng) 零維系統(tǒng)44新器件物理 納米結(jié)構(gòu)電子態(tài)低維限制系統(tǒng)中的電子狀態(tài)二維系統(tǒng)（一維限制）一維量子阱,二維電子氣一維系統(tǒng)（兩

13、維限制）一維量子線零維系統(tǒng)（三維限制）原子、三維箱中粒子、剛性球中的粒子一維量子線電子波函數(shù)45新器件物理 納米結(jié)構(gòu)電子態(tài)描述方法包絡(luò)函數(shù)法波包方法磁場(chǎng)對(duì)低維系統(tǒng)電子態(tài)的影響邊沿態(tài)磁化電子自旋極化電子46新器件物理 量子輸運(yùn)理論量子點(diǎn)接觸 電導(dǎo)量子化 蘭道爾公式相當(dāng)于電子波通過(guò)單縫、雙縫、三縫的衍射、干預(yù)47新器件物理 量子輸運(yùn)理論擴(kuò)散漂移輸運(yùn)與彈道輸運(yùn)L 結(jié)構(gòu)的尺度, le彈性平均自由程, lin非彈性平均自由程48新器件物理 納米量子器件自旋電子器件49新器件物理 納米器件進(jìn)程50王中林小組開(kāi)發(fā)出具有高電壓輸出納米發(fā)電機(jī) 當(dāng)三層豎直氧化鋅納米線陣列交流發(fā)電機(jī)相互串聯(lián)連接時(shí),輸入電壓可提高到0.243伏特。這個(gè)值接近二極管的閾門電壓,使得輸出電荷的儲(chǔ)存成為可能。與此同時(shí),運(yùn)用低溫水熱分解方法,通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和組裝,研究小組在一般的柔性基底上成功合成出700余列生長(zhǎng)方向和晶格取向都平行排列的水平氧化鋅納米陣列。這些水平納米線相互串并聯(lián)連接在一起,在僅僅0.19%的慢性形變下,就將輸出電壓提高到了1.26伏特。王中林說(shuō),這種三維設(shè)計(jì)的多層納米發(fā)電機(jī)也為未來(lái)大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用提供了一條可行的實(shí)施方案,如收集風(fēng)能、潮汐能、引擎的轉(zhuǎn)動(dòng)、空調(diào)或其他機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械能、人行走時(shí)肌肉的伸縮能或腳對(duì)地面的壓縮