纳米电子技术
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纳米电子器件及相应原理：
谐振晶体管，电路和系统－共振隧道效应 超高速逻辑开关－电子束高迁移率 极大容量存储器－量子点的可积蓄电子原 理 单电子晶体管（包括单电子开关和单电子 存储器) －库仑阻塞效应，单电子振荡和 隧穿效应
单电子对晶体管，电路和系统－单电子对隧 穿效应，布洛赫振荡 单磁通量子晶体管－二维超导体量子面的磁 通量子化 无导线集成电路－四个量子点组成一个单元， 多个单元连在一起，单元之间的电子运动以 耦合方式进行，从而实现信号传递 单原子开关和存储器，分子线，分子开关和 存储器
可在任何条件下工作。非常适用于研究生物 样品和在不同实验条件下对样品表面的表征。 在得到样品表面形貌的同时亦可得到扫描隧 道谱（STS），可研究表面的电子结构。 针尖可操纵单个分子或原子，可对表面进行 纳米尺度上的微细加工，包括刻蚀，阳极氧 化。
光刻技术与STM加工技术相结合
典型器件
单电子晶体管的发现促进了纳米电子学的发 展。单电子隧穿可应用于对高频电磁波辐射 的灵敏检测，尤其在远红外波段范围；单个 电子还可作为传递信息的载体；目前已有标 准DC电流源和超灵敏静电计的报导。
高电子迁移率晶体管（HEMT）
HEMT结构图
纳米电子学中超高密度信息存 储
信息科学作为未来新兴高科技产业的先导，在 世界上的发展已被人们公认，其中电子学是重 要的组成部分。诺贝尔奖金获得者德国物理学 家Von Klitzing在1997年预言：2030年将能实 现纳米电子器件。伴随着这一过程，作为电子 学主流器件之一的信息存储器件的存储密度将 达到很高的程度。（1013Bit/cm2 ）
相关原理
各种量子效应：量子隧穿效应，量子相 干性，量子波动性，弹道电子运输，量 子尺寸效应，库仑阻塞，单电子振荡， 布洛赫振荡和奇异导电性等。 超导体－导体－半导体－绝缘体异质界 面量子波和异质结量子点的物理效应。
高温铜氧化物超导体正常态的奇异特性， 二维导电性导致的电子波，电子对波和 磁通线运动效应。 单电子电子学，单电子对电子学和单磁 通量子电子学的对偶性。 原子与分子自组装机制。
面临的基本问题 所选用的信息转换与传递机制 超高密度信息存储技术 国际超高密度信息存储典型成果 国内超高密度信息存储典型成果
面临的基本问题
更高的信息存储密度：即信息点的尺寸 要小 更快的写入与读出时间：即薄膜上“1” 和“0”状态的转换时间要快
所选用的信息转换与传递机制
基础研究
自上而下，提高集成度 自下而上，将有机无机材料尺寸逐渐增 大加工组装成纳米极器件（投资较少）
研究中需要解决的课题
量子隧穿效应。首先要考虑纳米点的材 料和能级特性，还要考虑纳米隙的结构， 绝缘材料和缺陷。 载流子的相干性。在微电子器件中不用 考虑载流子的相位作用，而在纳米器件 中经弹性碰撞后，载流子的相位关系仍 保留，因此载流子的振幅与相位都应考 虑并加以利用。
纳米电子技术与电子器件
郑丽芬 01/11/10
纳米电子技术与电子器件
1. 纳米技术与纳米电子学
2. 纳米电子器件
3. 纳米电子学中超高密度信息存储
4. 纳米电子学研究的现状发展前景
需要解决的课题
发展目标
纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接延 伸到原子和分子，其最终目标是直接以原子分 子在纳米尺度上制造特定功能的产品。 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其最 终目标是将集成电路的几何结构进一步减小， 研制出由单原子或单分子构成的并室温能用的 的各种器件（纳米电子器件或量子器件）。
多隧道结之间的牵连效应。在某纳米点 输入或取出一个电荷时，多隧道结之间 会产生牵连影响，这种影响应深入研究 并加以利用。
纳米电子器件
也称量子器件，是利用量子效应及其它电 学光学原理，采用纳米硅薄膜及其他材料 制作的量子功能器件。主要通过控制电子 波动的相位来进行工作。量子器件能实现 更高的响应速度和更低的功耗，是一代超 高速，超容量，超微型，低功耗的器件。
具有量子点结构的硅器件
将n型c－si在1050度干氧中热氧化生长1000A的sio2层，光刻出 40×40um的窗口，在窗口区淀积一层200A厚的a－si层，再在 800度的N2和o2（8：1）使a－si层氧化和晶化形成量子点结构。
单电子晶体管
单电子隧穿现象 如果有一纳米微粒尺寸足够小且与其周围外 界在电学上是绝缘的，它与外界之间的电容 可小到10－16F，在这种情况下，某个电子隧 穿进入该微粒，它会阻止第二个电子再进入 该微粒，否则会导致系统总能的增加，因而 可人为控制电子逐个穿进出该微粒，实现单 电子隧穿过程。
纳米电子器件
组成部分 相关原理 加工技术 典型器件
组成部分
1. 纳米点 有两种制作办法，一种是场蒸发，要求粒度在10nm 以上，制作容易但一致性差，制作纳米点阵比较方便； 另一种是电化学方法，粒度大小容易控制，精度比较 一致（Au，CdS） 2. 纳米隙绝缘层 可以在导电基底，纳米点，SPM针尖上制作。 3. 纳米线 场蒸发；考虑采用原子或有机分子操纵方法作少量纳 米线样品
加工技术
纳米级元器件主要包括两方面： 1）纳米级超细粉料制成的元器件 2）纳米级半导体器件和集成电路 我们主要介绍第二各方面的加工技术
光刻技术
纵向加工技术－分子束外延（MBE），金 属有机气象沉积（MOCVD），原子层外 延技术（ALE）。现已实现单原子层薄膜 生长，材料纵向尺寸控制精度已高达2A。 横向加工技术－高分辨率电子束和聚焦离 子束技术。制作出的“纳米印刷机”，用 无机抗蚀剂已做出小于10nm的线宽。
STM（SPM）超微细加工技术
具有原子极的极高分辨率。 可实时的得到在实空间中表面的三维图象， 用于具有周期性和不具有周期性的表面结构 研究，非常有利于对表面反应，扩散等动态 过程的研究。 可以得到单个原子层表面的局部结构，而不 是对体相的平均性质。因此可以得到局部的 表面缺陷和表面吸附体所引起的表面重构。
谐振晶体管，电路和系统－共振隧道效应 超高速逻辑开关－电子束高迁移率 极大容量存储器－量子点的可积蓄电子原 理 单电子晶体管（包括单电子开关和单电子 存储器) －库仑阻塞效应，单电子振荡和 隧穿效应
单电子对晶体管，电路和系统－单电子对隧 穿效应，布洛赫振荡 单磁通量子晶体管－二维超导体量子面的磁 通量子化 无导线集成电路－四个量子点组成一个单元， 多个单元连在一起，单元之间的电子运动以 耦合方式进行，从而实现信号传递 单原子开关和存储器，分子线，分子开关和 存储器
可在任何条件下工作。非常适用于研究生物 样品和在不同实验条件下对样品表面的表征。 在得到样品表面形貌的同时亦可得到扫描隧 道谱（STS），可研究表面的电子结构。 针尖可操纵单个分子或原子，可对表面进行 纳米尺度上的微细加工，包括刻蚀，阳极氧 化。
光刻技术与STM加工技术相结合
典型器件
单电子晶体管的发现促进了纳米电子学的发 展。单电子隧穿可应用于对高频电磁波辐射 的灵敏检测，尤其在远红外波段范围；单个 电子还可作为传递信息的载体；目前已有标 准DC电流源和超灵敏静电计的报导。
高电子迁移率晶体管（HEMT）
HEMT结构图
纳米电子学中超高密度信息存 储
信息科学作为未来新兴高科技产业的先导，在 世界上的发展已被人们公认，其中电子学是重 要的组成部分。诺贝尔奖金获得者德国物理学 家Von Klitzing在1997年预言：2030年将能实 现纳米电子器件。伴随着这一过程，作为电子 学主流器件之一的信息存储器件的存储密度将 达到很高的程度。（1013Bit/cm2 ）
相关原理
各种量子效应：量子隧穿效应，量子相 干性，量子波动性，弹道电子运输，量 子尺寸效应，库仑阻塞，单电子振荡， 布洛赫振荡和奇异导电性等。 超导体－导体－半导体－绝缘体异质界 面量子波和异质结量子点的物理效应。
高温铜氧化物超导体正常态的奇异特性， 二维导电性导致的电子波，电子对波和 磁通线运动效应。 单电子电子学，单电子对电子学和单磁 通量子电子学的对偶性。 原子与分子自组装机制。
面临的基本问题 所选用的信息转换与传递机制 超高密度信息存储技术 国际超高密度信息存储典型成果 国内超高密度信息存储典型成果
面临的基本问题
更高的信息存储密度：即信息点的尺寸 要小 更快的写入与读出时间：即薄膜上“1” 和“0”状态的转换时间要快
所选用的信息转换与传递机制
基础研究
自上而下，提高集成度 自下而上，将有机无机材料尺寸逐渐增 大加工组装成纳米极器件（投资较少）
研究中需要解决的课题
量子隧穿效应。首先要考虑纳米点的材 料和能级特性，还要考虑纳米隙的结构， 绝缘材料和缺陷。 载流子的相干性。在微电子器件中不用 考虑载流子的相位作用，而在纳米器件 中经弹性碰撞后，载流子的相位关系仍 保留，因此载流子的振幅与相位都应考 虑并加以利用。
纳米电子技术与电子器件
郑丽芬 01/11/10
纳米电子技术与电子器件
1. 纳米技术与纳米电子学
2. 纳米电子器件
3. 纳米电子学中超高密度信息存储
4. 纳米电子学研究的现状发展前景
需要解决的课题
发展目标
纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接延 伸到原子和分子，其最终目标是直接以原子分 子在纳米尺度上制造特定功能的产品。 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其最 终目标是将集成电路的几何结构进一步减小， 研制出由单原子或单分子构成的并室温能用的 的各种器件（纳米电子器件或量子器件）。
多隧道结之间的牵连效应。在某纳米点 输入或取出一个电荷时，多隧道结之间 会产生牵连影响，这种影响应深入研究 并加以利用。
纳米电子器件
也称量子器件，是利用量子效应及其它电 学光学原理，采用纳米硅薄膜及其他材料 制作的量子功能器件。主要通过控制电子 波动的相位来进行工作。量子器件能实现 更高的响应速度和更低的功耗，是一代超 高速，超容量，超微型，低功耗的器件。
具有量子点结构的硅器件
将n型c－si在1050度干氧中热氧化生长1000A的sio2层，光刻出 40×40um的窗口，在窗口区淀积一层200A厚的a－si层，再在 800度的N2和o2（8：1）使a－si层氧化和晶化形成量子点结构。
单电子晶体管
单电子隧穿现象 如果有一纳米微粒尺寸足够小且与其周围外 界在电学上是绝缘的，它与外界之间的电容 可小到10－16F，在这种情况下，某个电子隧 穿进入该微粒，它会阻止第二个电子再进入 该微粒，否则会导致系统总能的增加，因而 可人为控制电子逐个穿进出该微粒，实现单 电子隧穿过程。
纳米电子器件
组成部分 相关原理 加工技术 典型器件
组成部分
1. 纳米点 有两种制作办法，一种是场蒸发，要求粒度在10nm 以上，制作容易但一致性差，制作纳米点阵比较方便； 另一种是电化学方法，粒度大小容易控制，精度比较 一致（Au，CdS） 2. 纳米隙绝缘层 可以在导电基底，纳米点，SPM针尖上制作。 3. 纳米线 场蒸发；考虑采用原子或有机分子操纵方法作少量纳 米线样品
加工技术
纳米级元器件主要包括两方面： 1）纳米级超细粉料制成的元器件 2）纳米级半导体器件和集成电路 我们主要介绍第二各方面的加工技术
光刻技术
纵向加工技术－分子束外延（MBE），金 属有机气象沉积（MOCVD），原子层外 延技术（ALE）。现已实现单原子层薄膜 生长，材料纵向尺寸控制精度已高达2A。 横向加工技术－高分辨率电子束和聚焦离 子束技术。制作出的“纳米印刷机”，用 无机抗蚀剂已做出小于10nm的线宽。
STM（SPM）超微细加工技术
具有原子极的极高分辨率。 可实时的得到在实空间中表面的三维图象， 用于具有周期性和不具有周期性的表面结构 研究，非常有利于对表面反应，扩散等动态 过程的研究。 可以得到单个原子层表面的局部结构，而不 是对体相的平均性质。因此可以得到局部的 表面缺陷和表面吸附体所引起的表面重构。