纳米科技概论(7-2) 20140409(纳米电子学).ppt

纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）纳米材料与器件主讲教师：杨辉、郭兴忠纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）纳米电子学一、微电子技术发展的限制二、纳米电子器件基础三、常用的纳米电子器件四、纳米电器件的集成五、纳米电子技术的主要领域（自学）六、纳米电子技术发展概况（自学）纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（1）n1）代表性的电子器件n发展时间：20世纪50年代n代表器件：电子管、晶体管、大规模集成电路等n重要影响：微电子技术、信息技术等n2）微电子学发展方向n总体目标： “更小、更快、更冷”的超电子学 n技术指标：n具体指标：存储密度提高5-100倍、速度快10-100倍、功耗降低到2%左右n宏观指标：“双十二”水平，即1012的存储容量、1012次/秒n对电子器件尺寸的要求n小于100纳米，进入到纳米电子器件的水平n1、电子器件与微电子学纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（2）n1、电子器件与微电子学1947年12月16日，威廉肖克莱(William Shockley)、约翰巴顿(John Bardeen)和沃特布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，1956年，三人因发明晶体管荣获诺贝尔物理学奖 晶体管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。

它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛 晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和等的发明相提并论 纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（3）n1、电子器件与微电子学第一代电子计算机：真空管计算机第二代电子计算机：晶体管计算机第三代电子计算机：集成电路计算机1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（），装有800个晶体管1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生这部机器使用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺， 占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大，六只大象重），耗资100万美元它的计算速度快，每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久由于吃电很凶，据传ENIAC每一次开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色另外，真空管损耗率相当高，几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，使用上极不方便纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（4）n2、微电子技术简况n1）、微电子技术的两次技术突破nA、晶体管取代真空电子管：nB、集成电路取代传统的导线连接电路：n集成电路集成度与晶体管尺寸成反比，集成度越高、晶体管尺寸越小、制造技术的难度越大、功能越强。

n制造技术水平用最小线宽来表示n2）、集成电路技术水平n1974年：4004芯片的时钟速度为108khz,集成晶体管2300个，线宽10微米n1999年：奔3芯片的时钟速度为1000mhz,集成晶体管2800万个，线宽0.18微米随后奔4芯片为1700mhz，线宽0.13微米n30年来，芯片的计算速度与集成度提高了13000倍，线宽从10微米到0.13微米，光刻精度提高了近80倍纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（5）n2、微电子技术简况1971年， Intel发布了4004处理器：10微米工艺，包含2300多个晶体管，时钟频率为108KHz 1989年，Intel发布了486处理器 1微米工艺，集成了125万个晶体管，主频25MHz-66MHz P4处理器采用0.18微米工艺 Intel首款采用45nm工艺的 Penryn处理器，Penryn双核心版本内建 4.1 亿个晶体管，四核心则有8.2亿个晶体管 纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（6）n2、微电子技术简况n3）、摩尔定律nA、Intel公司创始人和1975-1979年总裁（G.Moore ）于 1965 年提出摩饵定律：每18个月计算机芯片的晶体管数将要比原来增加1倍nB、意义：描述了微电子期间的发展规律，尺寸越来越小，集成度越来越高，芯片的功能越来越强。

反应了微电子器件的集成与小型化对带动整个微电子科技产业的影响，以及电子学进入纳米水平的必然趋势 nC、按照摩尔定律，微电子器件的发展是有限度的目前即将面临发展的极限：2011年芯片线宽缩小到0.08微米，即达到了80纳米的物理极限，以后将是纳米电子学的时代纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（7）n2、微电子技术简况n3）、摩尔定律巨额投资和先进、复杂的生产技术纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（8）n2、微电子技术简况n4）、微电子技术的发展特点n摩尔定律描绘的芯片工业的科学技术发展规律，以及微电子相关产业的经济特点：在产业高速发展、技术迅速更新的同时，产品性能价格比不断提高，这也是高科技推动的新经济发展特点纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（9）n3、微电子技术的发展限制n1）、100纳米线宽的技术问题nA、100纳米线宽达到了微电子光刻技术的极限，nB、现有的光刻技术将无能为力n深紫光光刻技术波长为240纳米，光刻理论极限是100纳米超紫外光刻技术理论线宽可达70纳米，但是需要真空条件，不易实现大规模生产。

n这成为微电子学集成电路器件制造工艺的技术手段限制nC、其他刻蚀方法也都存在问题n电子束刻蚀（Electro-beam Lithography，线宽10纳米）nSTM和AFM纳米加工技术（更高精度）n2）、100纳米线宽的器件问题nA、逻辑门电路无法正常工作n门电路正常工作需要数百上千个电子的电流n100纳米线宽时，单位时间内流过逻辑门的电子数量将仅为几十个，无法正常工作nB、电子的隧道效应行为的干扰n线宽在纳米时，部分电子可以直接穿过阻挡层，使器件的电子行为无法预测 加工效率低等问题纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）一、微电子技术发展的限制（10）n3、微电子技术的限制n3）、100纳米线宽的功耗与芯片发热问题n微电子器件工作电流较大，功耗随集成度增加而呈级数增加，100纳米水平的电子器件功耗过大，带来两方面的问题：n问题一：过热的芯片不能正常工作，n问题二：过热的芯片寿命缩短、可靠性降低n4）、技术瓶颈概括n光刻加工技术的限制n80纳米尺寸器件的电子行为问题n不再遵从微电子器件传统的运行规律，n纳米水平器件的功耗过大n5）、可能的解决技术n纳米电子器件和纳米电子学纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（1）n1、纳米电子器件的尺度范围n1）、纳米电子器件概念nA、尺寸特征n器件的尺寸在1-100纳米范围内的器件，在空间尺寸上介于微观体系和宏观体系之间（介观体系）nB、工作特性：n与传统意义上的微电子器件有根本差别。

纳米电子器件的电子运动遵从量子力学原理纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（2）n1、纳米电子器件的尺度范围n1）、纳米电子器件概念纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（3）n2、纳米电子器件的发展途径n1）、发展微电子技术同时，探索新一代的纳米电子器件nA、最初设想是一种分子电器件nB、实际情况表明：器件尺寸小于80纳米时，器件工作原理和行为已经于微电子器件不同纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（4）n2、纳米电子器件的发展途径n2）纳米电子器件的发展方向nA、微电子器件尺寸的不断缩小及纳米电子器件设计nB、基于有机高分子、生物技术等的分子自组装材料和器件n如图所示，芯片制造技术与分子自组装技术发展的交叠区域，就是下一代的纳米电子学的研究领域纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（5）n3、量子电器件的主要特征n1）量子电器件nA、电子运动服从量子效应规律n当电子器件的物理长度和自由电子的德布罗意波长为同一数量级时，电子器件的运行遵从量子效应规律nB、量子电器件包括纳米电器件，还包括尺度范围更小的分子电器件和原子电器件nC、量子电器件具有高速、低功耗、高度集成等优点n在运行速度、功能和数据处理等方面会产生质的重大飞跃，n将引发一次新的电子学和电子器件的革命。

纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（6）n3、量子电器件的主要特征n2）电子的平均自由行程和器件尺寸nA、自由电子的德布罗意波长n2（h2/2mE)1/2n半导体接近导带底的电子，E小于100mV，m0.1m0（m0为自由电子质量），德布罗意波长在10-100纳米，这正好是纳米电子器件的尺寸nB、可能出现的多种量子效应n量子相干效应n库仑阻塞效应n量子霍尔效应n电导涨落效应纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（7）n3、量子电器件的主要特征n3）量子比特n与经典的0和1两个态对应，存在包含光子的偏转、粒子的自旋以及相对相位等量子信息的量子比特（qubit）n量子比特比经典比特含有更大量的信息，具有极强的信息传递和加工能力n4）量子电导和量子电阻n量子电导率是e2/h的（整数）函数（量子电导），n是保持不同费米能级电子库间的电子跃迁纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（8）n3、量子电器件的主要特征n5）库仑阻塞效应n当一个电体系的尺寸小到纳米量级时，该体系的充电和放电过程将不能连续进行n这时充入一个电子的能量EC和该体系电容C的关系为EC=e2/2C，电体系越小，电容C越小，充电的能量EC越大，nEC被称为库仑阻塞能，是电子在进入与离开这个电体系时，前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。

n具体作用例：对一个纳米电体系，电子只能单个地传输，而不能连续地、集体地传输这种只能单个地传输电子的特性，被称为库仑阻塞效应n6）量子隧穿效应n单个电子的能量eV必须大于电子的库仑阻塞能EC时，才能发生纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（9）n3、量子电器件的主要特征n7）信号载流子中的孤子n纳米电器件传输的信号载流子：电子/空穴，光子，极化子，也可以是孤子n孤子的特性n产生和传输：是晶格畸变的一种能量形式，是一种准粒子；激发能量低于电子/空穴，更容易产生n电特性：中性，或者带电荷n传输特性：可携带信号进行传输，并且具有n孤子的相干性：即在特定的一个空间内不可能存在两个相同的孤子；体系注入一个孤子，在它没有被移去前，第二个孤子不可能被注入n孤子的时空相关性：在二维空间内，孤子传输方向可以不同，情况复杂；如果带电荷，则孤子之间存在电相互作用n利用孤子进行信号的加工和传输纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）二、纳米电子器件基础（10）n3、量子电器件的主要特征n8）电导涨落n电导涨落谱是量子化体系的指纹特征纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）三、常用的纳米电子器件（1）n1、纳米电子系统的基础元件n1）、量子基础元件n量子电系统是遵循量子效应规律的电子系统n要求由遵循量子效应规律的电子元件构成：n量子点、量子线、量子阱、n以及相应元件构成的晶体管等器件。

n2）量子点n定义与特性：金属或者半导体的粒子尺寸足够小时称为量子点，这时粒子中的电荷和能量是量子化的n基本要求：尺寸、量子点和基体绝缘n加工方式：利用电化学方法、半导体加工技术、以及化学合成方法均可加工成具有量子点的结构和器件纳米科技概论（纳米电子学，2013学年春学期）三、常用的纳米电子器件（2）n1、纳米电子系统的基础元件n3）量子线n特性：。