Ch 4 纳米电子学简介N
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• 第二种类型的半导体单电 子晶体管是用刻蚀出的量 子点制作（U. Meiravand E. B. Foxman, Semicond. Sci. Technol. 10, 1995)
半导体量子点分类
(a)横向量子点结构，(b)竖直量子点结构
半导体竖直量子点
Images TEM image of a quantum dot.
特征尺度节点
90纳米的Prescott
•经典纳米电子学时 代开始的标志
–2003年下半年英特尔等世 界顶级IC公司陆续量产 90nm芯片
Prescott 所采用的 半导体工 艺
栅极宽度 50nm
技术的实际发展比国际半导体 技术蓝图ITRS2001／2003预 测2004年实现90nm工艺的规 划提前了一年
• 由于纳米电子学研究的对象(器件、信号、功 率、能量等)处于纳米尺度。而电子在这个尺 度下其行为将明显不同于在传统电子器件中的 运行规律，即必须考虑电子的“量子效应”。 也正是因为这些量子效应工作的量子器件，才 使得人们可以开发出性能远远优于现在电子器 件的新一代产品，带来第三次的电子学革命。
信息技术发展的趋势
Nature Nanotechnology 5, 366 - 373 (2010)
• 当三层竖直氧化锌纳米线阵列交流 发电机相互串联连接时，输入电压 可提高到0.243伏特。这个值接近二 极管的阈门电压，使得输出电荷的 储存成为可能。与此同时，运用低 温水热分解方法，通过巧妙的实验 设计和组装，研究小组在一般的柔 性基底上成功合成出700余列生长方 向和晶格取向都平行排列的水平氧 化锌纳米阵列。这些水平纳米线相 互串并联连接在一起，在仅仅0.19% 的慢性形变下，就将输出电压提高 到了1.26伏特。
• 除了用金属－绝缘体 （氧化层）－金属制造 单电子晶体管之外，还 可利用处于正常态和超 导态之间的金属岛制作 单电子晶体管，对此已 进行了大量研究（1994）提出了各种SET应用方案:包
括计量学中的各种应用，例 如各种电流标准在内的各种 标准
半导体单电子晶体管
• 第一个半导体单电子晶体 管是在2DEG中限制出的量 子点中制造的（J. H. F. Scott-Thomas, S. B. Field, M. A. Kastner, H. I. Smith, andD. A. Antoniadis, Phys. Rev. Lett. 62, 583 1989）
经典纳米电子学的困难
• MOS器件进入纳米尺度遇到： • 物理问题 • 技术上的困难 • 如何面对技术发展： • –克服困难、解决问题，维持IC进一步小型化——
了解问题和困难的实质，研究解决方案——经典 纳米电子学的核心问题 • –应对即将到来的经典电子学的极限—问题和困难 最终会终结经典电子学的寿命—为下一代电子学 作技术准备—量子纳米电子学
漏电流功耗占总功 耗的比例变大
经典纳米电子学 弹道输运
弹道极限
准弹道输运 非弹道电子比例
漂移－扩散输运
弹道输运需要量子理论
经典纳米电子学 电导涨落
J.H.P. Scott-Thomas, S.B. Field, M.A. Kastner, H.I. Smith, and D.A. Antoniadis（1989）
65纳米的Conroe
•2005年底、 2006年初世界 半导体市场“霸 主”英特尔量产 65nm芯片
•比ITRS2003要
求2007年实现
65nm工艺的规
划整整提前了一 65nm Conroe的晶体管数目是2亿
年
9100万
Conroe的尺寸为143平方毫米
45纳米的Penryn
2008年上半年， Intel有三座 300mm工厂生产 45nm处理器。 45nm Penryn移动 版TDP 35W，桌 面版TDP 65W， 服务器以及EE版 TDP 80W。
•
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。2 1:37:24 21:37:24 21:3710/21/202 0 9:37:24 PM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.1 0.2121: 37:2421: 37Oct-2 021-Oct-20
•
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。21: 37:2421: 37:2421 :37Wed nesday, October 21,2020
经典纳米电子学 物理问题
• 物理效应 –量子效应 •量子化效应 •隧穿效应 •干涉效应
• –介观效应 •弹道输运 •电导涨落 •单电子现象 •散粒噪声
经典纳米电子学 量子化效应
(a) 势阱和量子化能级
(b) 经典与量子力 学电荷密度对比
经典纳米电子学 隧穿效应
热发射 FN隧穿 直接隧穿 束缚态隧穿 带－带隧穿
经典纳米电子学 技术困难
• 阻碍半导体器件进一步缩小，集成度进一步提 高的具体的技术因素：
• –强电场 • –热耗散 • –材料非均匀性的影响 • –氧化层厚度减少和非均匀性 • –工艺精度和制造价格 • –……
强电场
• 对于尺度非常小的器件，在短距离内加偏置电 压，器件中会产生很强的电场。
• 载流子在强电场加速下，并通过碰撞，使大量 电子具有很高的能量，会出现所谓载流子热化 现象。
新器件物理
纳米结构电子态
•低维限制系统中的电子状态密度
–二维系统 一维系统 零维系统
新器件物理
纳米结构电子态
•低维限制系统中的电子状态
二维系统（一维限制）——一维量子阱，二维 电子气
一维系统（两维限制） ——一维量子线 零维系统（三维限 制）——原子、三维箱 中粒子、刚性球中的粒 子
一维量子线电子波函数
•当前信息技术不断进步主要 归功于低价格、高速度、高密 度和高可靠的信息表述和处理 方式的进步 •计算机技术取得成功的关键是 固体电子器件小型化和集成度 的持续不断提高 •先进的多媒体技术和社会对信 息处理的需求都要求进一步减 小芯片的器件尺寸
发展趋势 Moore定律
英特尔微处理器的发展规律
Intel 创始人之一 Gordon E. Moore
Chapter 4 纳电子学基础
• 本章提要： • 本章主要涉及纳电子学这门新兴学科的
入门知识，讲述了纳电子学的基本概念 及其器件应用，为以后进一步的学习打 下基础。涉及的内容比较笼统，大家的 目标主要是了解。
纳电子学简介
• 纳米电子学(也常称为“纳电子学”)是纳米科 技的重要分支之一。其主要目标是研究并且制 造超小尺寸、低功耗的电子器件及其组成系统。
集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个 月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
发展趋势 Moore定律如何延续？
存储器的发展历程
发展趋势 硅工业
硅技术创 造了今天 信息技术 的神话
极限？
量子器件 是未来的 神话
纳米电子学是工业发展的必然
2005预测 (ITRS)—The International Technology Roadmap for Semiconductors
扫描探针
局部氧化制作 单电子晶体管
新器件物理
• 纳米结构中电子态 • –从能带到能级扩展态与（部分维数）局域态 • 纳米结构中载流子输运理论—量子输运理论 • –载流子的弹道输运理论——兰道尔公式 • –电子相干输运理论载流子隧穿输运理论 • –介观统计与涨落理论 • –自旋输运理论 • 器件工作原理 • –从经典电磁场和经典输运理论到量子力学和量子输运
量子纳米电子学
• 以量子力学现象和效应为工作原理 • 量子效应器件 • –隧穿器件 • –单电子器件 • –量子点器件 • 量子信息处理 • –量子计算与量子计算机 • –量子通讯 • –量子密钥
共振隧穿晶体 管（RTT）横 截面和工作原 理草图
单电子晶体管（SET）
• 单电子晶体管（Singleelectron transistors）是 利用能够通过栅极调节 库仑阻塞效应的结构
新器件物理
纳米量子器件
自旋电子器件
新器件物理
纳米器件进程
王中林小组开发出具有高电压输出纳米发电机
（a）基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机 （(VING）。（b）基于平行于基片多行生长的纳米线所设计 的纳米发电机（LING）。（c）基于一行平行于基片生长的氧 化锌纳米线所组成的纳米发电机。（d）在微小形变下能产生 1.2伏输出电压的纳米发电机的光学照片。
Intel 45nm Penryn双核处理器集成4亿1000万晶体管,四 核达到了8.2亿； Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右
纳米尺度器件
•90nm、65nm、45nm、…MOSFET相继问世，经 典IC的特征尺度已经达到亚100纳米的尺度范围。 •图为纳米尺度MOSFET
Intel发展趋势
漏电流的功率
非均匀性
• 若MOSFET栅长50nm,栅宽100nm，如果 沟道载流子数目为2＊1012/cm2,沟道中平 均有100个电子。
• 如果存在单个杂质涨落，引起沟道电导 变化为实际电导的40％。
• 这是非常显著的涨落
介质厚度
• 氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从栅极漏 出而到达漏极
•当氧化层不均 匀时，通过薄的 地方的漏电流会 很大，这些漏电 流也包括通过氧 化层的直接隧穿 电流。
五种不同的碳结构材料：a.石墨 b. 金刚石 c.碳60 d.洋葱结构 e.碳管
自底向上制造 分子自组装
超分子蘑菇
聚合物噻吩线
超分子带锯
•自组装是指构筑基元在没有人为介入的情况下自发 地形成有序结构，它是组装的高级层次。 •其构筑基元可以是无机分子，有机小分子，高分子， 以及生物大分子等。
自底向上制造
•总的漏电流达 到一定程度就会 影响器件的功能
精度和价格
• 现代集成电路生产设备和生产线的价格 已高达以亿元为单位
• 但是它仍然不能满足纳米尺度的工艺精 度要求
• 研制、开发、制备下一代，精度更高的 生产设备，其价格将是天文数字。
• 经济因素也会成为制约现代半导体技术 及一步发展的障碍
经典纳米电子学极限预测
纳米制造技术 自顶向下制造
• 纵向或竖直方向纳米制造技术 • –半导体材料表面异质外延生长 • 精度可以达到单个原子层 • 典型技术 • –分子束外延（MEB） • –金属有机化学气相沉积（MOCVD） • –化学束外延（CBE） • 可制造半导体异质结构
选择性生 长量子点 的图示
自底向上制造 合成碳纳米管
• 王中林说，这种三维设计的多层纳 米发电机也为未来大规模实际应用 提供了一条可行的实施方案，如收 集风能、潮汐能、引擎的转动、空 调或其他机器运转时的机械能、人 行走时肌肉的伸缩能或脚对地面的 压缩能，甚至在人体内由于呼吸、 心跳或血液流动带来的体内某处压 力的细微变化而产生的机械能等。
•
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.1 0.2120.1 0.21We dnesda y, October 21,2020
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
新器件物理 纳米结构电子态
•描述方法 –包络函数法波包方法 •磁场对低维系统电子态的影响 –边沿态磁化电子自旋极化电子
新器件物理
量子输运理论
量子点接触 电导量子化
兰道尔公式
相当于电子 波通过单缝、 双缝、三缝 的衍射、干 涉
新器件物理
量子输运理论
扩散－漂移输运与弹道输运
L —结构的尺度, le—弹性平均自由程, lin—非弹性平均自由程
• 具有很高的能量的电子跑出半导体，引起“雪 崩击穿”，电流急剧增加并且器件受到破坏。
• 这个问题在纳米尺度半导体器件中会很严重
热耗散
• 随着器件尺寸缩小和集成电路密度提高，散热问题 会越来越严重
• 由于过热会引起电路失效，所以必须限制集成电路 的热功率
热功耗对 于任何类 型纳米尺 度器件的 高密度封 装都是严 重的问题
不同形状的半导体量子点
2DEG加上横向限制量子点
共振隧穿量子点 两个耦合量子点
纳米电子学的三大领域
• 纳米精度的制造技术 • –纳米制造技术 • 新器件物理 • –经典器件量子效应模拟 • –量子器件物理 • 新的信息处理方法 • –纳米电路创新 • –量子信息技术
纳米制造技术
• 自顶向下（Top-down）: • –去掉多余的材料制造纳米客体 • –异质外延生长技术纳米光刻技术 • 自底向上（Bottom-up） • –用更小的单元（原子、分子）制造纳米客体 • –扫描探针技术 • –自组织生长技术或自组装技术 • –分子电子与化学技术 • –有机分子电子与生物技术
半导体量子点分类
(a)横向量子点结构，(b)竖直量子点结构
半导体竖直量子点
Images TEM image of a quantum dot.
特征尺度节点
90纳米的Prescott
•经典纳米电子学时 代开始的标志
–2003年下半年英特尔等世 界顶级IC公司陆续量产 90nm芯片
Prescott 所采用的 半导体工 艺
栅极宽度 50nm
技术的实际发展比国际半导体 技术蓝图ITRS2001／2003预 测2004年实现90nm工艺的规 划提前了一年
• 由于纳米电子学研究的对象(器件、信号、功 率、能量等)处于纳米尺度。而电子在这个尺 度下其行为将明显不同于在传统电子器件中的 运行规律，即必须考虑电子的“量子效应”。 也正是因为这些量子效应工作的量子器件，才 使得人们可以开发出性能远远优于现在电子器 件的新一代产品，带来第三次的电子学革命。
信息技术发展的趋势
Nature Nanotechnology 5, 366 - 373 (2010)
• 当三层竖直氧化锌纳米线阵列交流 发电机相互串联连接时，输入电压 可提高到0.243伏特。这个值接近二 极管的阈门电压，使得输出电荷的 储存成为可能。与此同时，运用低 温水热分解方法，通过巧妙的实验 设计和组装，研究小组在一般的柔 性基底上成功合成出700余列生长方 向和晶格取向都平行排列的水平氧 化锌纳米阵列。这些水平纳米线相 互串并联连接在一起，在仅仅0.19% 的慢性形变下，就将输出电压提高 到了1.26伏特。
• 除了用金属－绝缘体 （氧化层）－金属制造 单电子晶体管之外，还 可利用处于正常态和超 导态之间的金属岛制作 单电子晶体管，对此已 进行了大量研究（1994）提出了各种SET应用方案:包
括计量学中的各种应用，例 如各种电流标准在内的各种 标准
半导体单电子晶体管
• 第一个半导体单电子晶体 管是在2DEG中限制出的量 子点中制造的（J. H. F. Scott-Thomas, S. B. Field, M. A. Kastner, H. I. Smith, andD. A. Antoniadis, Phys. Rev. Lett. 62, 583 1989）
经典纳米电子学的困难
• MOS器件进入纳米尺度遇到： • 物理问题 • 技术上的困难 • 如何面对技术发展： • –克服困难、解决问题，维持IC进一步小型化——
了解问题和困难的实质，研究解决方案——经典 纳米电子学的核心问题 • –应对即将到来的经典电子学的极限—问题和困难 最终会终结经典电子学的寿命—为下一代电子学 作技术准备—量子纳米电子学
漏电流功耗占总功 耗的比例变大
经典纳米电子学 弹道输运
弹道极限
准弹道输运 非弹道电子比例
漂移－扩散输运
弹道输运需要量子理论
经典纳米电子学 电导涨落
J.H.P. Scott-Thomas, S.B. Field, M.A. Kastner, H.I. Smith, and D.A. Antoniadis（1989）
65纳米的Conroe
•2005年底、 2006年初世界 半导体市场“霸 主”英特尔量产 65nm芯片
•比ITRS2003要
求2007年实现
65nm工艺的规
划整整提前了一 65nm Conroe的晶体管数目是2亿
年
9100万
Conroe的尺寸为143平方毫米
45纳米的Penryn
2008年上半年， Intel有三座 300mm工厂生产 45nm处理器。 45nm Penryn移动 版TDP 35W，桌 面版TDP 65W， 服务器以及EE版 TDP 80W。
•
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。2 1:37:24 21:37:24 21:3710/21/202 0 9:37:24 PM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.1 0.2121: 37:2421: 37Oct-2 021-Oct-20
•
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。21: 37:2421: 37:2421 :37Wed nesday, October 21,2020
经典纳米电子学 物理问题
• 物理效应 –量子效应 •量子化效应 •隧穿效应 •干涉效应
• –介观效应 •弹道输运 •电导涨落 •单电子现象 •散粒噪声
经典纳米电子学 量子化效应
(a) 势阱和量子化能级
(b) 经典与量子力 学电荷密度对比
经典纳米电子学 隧穿效应
热发射 FN隧穿 直接隧穿 束缚态隧穿 带－带隧穿
经典纳米电子学 技术困难
• 阻碍半导体器件进一步缩小，集成度进一步提 高的具体的技术因素：
• –强电场 • –热耗散 • –材料非均匀性的影响 • –氧化层厚度减少和非均匀性 • –工艺精度和制造价格 • –……
强电场
• 对于尺度非常小的器件，在短距离内加偏置电 压，器件中会产生很强的电场。
• 载流子在强电场加速下，并通过碰撞，使大量 电子具有很高的能量，会出现所谓载流子热化 现象。
新器件物理
纳米结构电子态
•低维限制系统中的电子状态密度
–二维系统 一维系统 零维系统
新器件物理
纳米结构电子态
•低维限制系统中的电子状态
二维系统（一维限制）——一维量子阱，二维 电子气
一维系统（两维限制） ——一维量子线 零维系统（三维限 制）——原子、三维箱 中粒子、刚性球中的粒 子
一维量子线电子波函数
•当前信息技术不断进步主要 归功于低价格、高速度、高密 度和高可靠的信息表述和处理 方式的进步 •计算机技术取得成功的关键是 固体电子器件小型化和集成度 的持续不断提高 •先进的多媒体技术和社会对信 息处理的需求都要求进一步减 小芯片的器件尺寸
发展趋势 Moore定律
英特尔微处理器的发展规律
Intel 创始人之一 Gordon E. Moore
Chapter 4 纳电子学基础
• 本章提要： • 本章主要涉及纳电子学这门新兴学科的
入门知识，讲述了纳电子学的基本概念 及其器件应用，为以后进一步的学习打 下基础。涉及的内容比较笼统，大家的 目标主要是了解。
纳电子学简介
• 纳米电子学(也常称为“纳电子学”)是纳米科 技的重要分支之一。其主要目标是研究并且制 造超小尺寸、低功耗的电子器件及其组成系统。
集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个 月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
发展趋势 Moore定律如何延续？
存储器的发展历程
发展趋势 硅工业
硅技术创 造了今天 信息技术 的神话
极限？
量子器件 是未来的 神话
纳米电子学是工业发展的必然
2005预测 (ITRS)—The International Technology Roadmap for Semiconductors
扫描探针
局部氧化制作 单电子晶体管
新器件物理
• 纳米结构中电子态 • –从能带到能级扩展态与（部分维数）局域态 • 纳米结构中载流子输运理论—量子输运理论 • –载流子的弹道输运理论——兰道尔公式 • –电子相干输运理论载流子隧穿输运理论 • –介观统计与涨落理论 • –自旋输运理论 • 器件工作原理 • –从经典电磁场和经典输运理论到量子力学和量子输运
量子纳米电子学
• 以量子力学现象和效应为工作原理 • 量子效应器件 • –隧穿器件 • –单电子器件 • –量子点器件 • 量子信息处理 • –量子计算与量子计算机 • –量子通讯 • –量子密钥
共振隧穿晶体 管（RTT）横 截面和工作原 理草图
单电子晶体管（SET）
• 单电子晶体管（Singleelectron transistors）是 利用能够通过栅极调节 库仑阻塞效应的结构
新器件物理
纳米量子器件
自旋电子器件
新器件物理
纳米器件进程
王中林小组开发出具有高电压输出纳米发电机
（a）基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机 （(VING）。（b）基于平行于基片多行生长的纳米线所设计 的纳米发电机（LING）。（c）基于一行平行于基片生长的氧 化锌纳米线所组成的纳米发电机。（d）在微小形变下能产生 1.2伏输出电压的纳米发电机的光学照片。
Intel 45nm Penryn双核处理器集成4亿1000万晶体管,四 核达到了8.2亿； Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右
纳米尺度器件
•90nm、65nm、45nm、…MOSFET相继问世，经 典IC的特征尺度已经达到亚100纳米的尺度范围。 •图为纳米尺度MOSFET
Intel发展趋势
漏电流的功率
非均匀性
• 若MOSFET栅长50nm,栅宽100nm，如果 沟道载流子数目为2＊1012/cm2,沟道中平 均有100个电子。
• 如果存在单个杂质涨落，引起沟道电导 变化为实际电导的40％。
• 这是非常显著的涨落
介质厚度
• 氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从栅极漏 出而到达漏极
•当氧化层不均 匀时，通过薄的 地方的漏电流会 很大，这些漏电 流也包括通过氧 化层的直接隧穿 电流。
五种不同的碳结构材料：a.石墨 b. 金刚石 c.碳60 d.洋葱结构 e.碳管
自底向上制造 分子自组装
超分子蘑菇
聚合物噻吩线
超分子带锯
•自组装是指构筑基元在没有人为介入的情况下自发 地形成有序结构，它是组装的高级层次。 •其构筑基元可以是无机分子，有机小分子，高分子， 以及生物大分子等。
自底向上制造
•总的漏电流达 到一定程度就会 影响器件的功能
精度和价格
• 现代集成电路生产设备和生产线的价格 已高达以亿元为单位
• 但是它仍然不能满足纳米尺度的工艺精 度要求
• 研制、开发、制备下一代，精度更高的 生产设备，其价格将是天文数字。
• 经济因素也会成为制约现代半导体技术 及一步发展的障碍
经典纳米电子学极限预测
纳米制造技术 自顶向下制造
• 纵向或竖直方向纳米制造技术 • –半导体材料表面异质外延生长 • 精度可以达到单个原子层 • 典型技术 • –分子束外延（MEB） • –金属有机化学气相沉积（MOCVD） • –化学束外延（CBE） • 可制造半导体异质结构
选择性生 长量子点 的图示
自底向上制造 合成碳纳米管
• 王中林说，这种三维设计的多层纳 米发电机也为未来大规模实际应用 提供了一条可行的实施方案，如收 集风能、潮汐能、引擎的转动、空 调或其他机器运转时的机械能、人 行走时肌肉的伸缩能或脚对地面的 压缩能，甚至在人体内由于呼吸、 心跳或血液流动带来的体内某处压 力的细微变化而产生的机械能等。
•
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.1 0.2120.1 0.21We dnesda y, October 21,2020
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
新器件物理 纳米结构电子态
•描述方法 –包络函数法波包方法 •磁场对低维系统电子态的影响 –边沿态磁化电子自旋极化电子
新器件物理
量子输运理论
量子点接触 电导量子化
兰道尔公式
相当于电子 波通过单缝、 双缝、三缝 的衍射、干 涉
新器件物理
量子输运理论
扩散－漂移输运与弹道输运
L —结构的尺度, le—弹性平均自由程, lin—非弹性平均自由程
• 具有很高的能量的电子跑出半导体，引起“雪 崩击穿”，电流急剧增加并且器件受到破坏。
• 这个问题在纳米尺度半导体器件中会很严重
热耗散
• 随着器件尺寸缩小和集成电路密度提高，散热问题 会越来越严重
• 由于过热会引起电路失效，所以必须限制集成电路 的热功率
热功耗对 于任何类 型纳米尺 度器件的 高密度封 装都是严 重的问题
不同形状的半导体量子点
2DEG加上横向限制量子点
共振隧穿量子点 两个耦合量子点
纳米电子学的三大领域
• 纳米精度的制造技术 • –纳米制造技术 • 新器件物理 • –经典器件量子效应模拟 • –量子器件物理 • 新的信息处理方法 • –纳米电路创新 • –量子信息技术
纳米制造技术
• 自顶向下（Top-down）: • –去掉多余的材料制造纳米客体 • –异质外延生长技术纳米光刻技术 • 自底向上（Bottom-up） • –用更小的单元（原子、分子）制造纳米客体 • –扫描探针技术 • –自组织生长技术或自组装技术 • –分子电子与化学技术 • –有机分子电子与生物技术