第一章_绪论1_引言

Scaled-down Devices —Scaled-up performance
XIDIAN5 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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历史的必然
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
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历史的必然 Intel发展趋势
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历史的必然 Intel发展趋势
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经典纳米电子学
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
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漏电流的功率
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经典纳米电子学
物理效应
– 量子效应
• 量子化效应 • 隧穿效应 • 干涉效应
物理问题
– 介观效应
• • • • 弹道输运 电导涨落 单电子现象 散粒噪声
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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
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经典纳米电子学
困难和态度
• 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
Peter M. Kogge，McCourtney Prof. of CS & Engr, Assoc. Dean for
Research, University of Notre Dame， IBM Fellow (ret)
XIDIAN506LAB Michael T. Niemier，Univ. of Notre Dame, (soon to be Georgia Tech)
经典纳米电子学极限预测
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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
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共振隧穿晶体 管（RTT）横 截面和工作原 理草图
《纳米电子学》
第一章 绪论
技术物理学院 杜 磊
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第一章
1.1 引言 纳米科技
绪论
纳米电子学是历史的必然
1.2 纳米结构中的介观现象
纳米结构中物质运动的新现象和新效 应
1.3 空间与时间特征尺度
XIDIAN506LAB 与纳米电子学相关的特征时、空尺度
1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
经典纳米电子学
– 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 – ……
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：
• 哪一种因素还是综合因素最终会终止微电子步伐?
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经典纳米电子学
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。 • 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
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纳米电子学是历史的必然
2005预测* (ITRS)— The International Technology Roadmap for Semiconductors
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历史的必然
特征尺度节点
2007 2005 2003
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历史的必然
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信息技术发展的趋势
• 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
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经典纳米电子学
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
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经典纳米电子学
•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。 •总的漏电流达到一 定程度就会影响器 件的功能
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经典纳米电子学 习题与问题
• 1.MOS器件进入纳米尺度会遇到哪些物理 问题？ • 2. MOS器件进入纳米尺度会遇到哪些技术 上的困难？ • 3.就一项困难提出解决方案。
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1.1 引言
• 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
历史的必然
45纳米的Penryn
2008年上半年， Intel将有三座 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。
• 据称Intel 45nm Penryn处理器将集成4亿1000万 晶体管, Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右
——National Nanotechnology Initiative ttp://
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纳米科技的分支
纳米 材料学 纳米 电子学 纳米 生物学
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对纳米科技定义的说明
• 为了排除像薄膜这样的传统技术研究的对 象，需要要求系统的两个维尺度都限制在1100nm范围内。 • 定义的关键是产生新现象
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经典纳米电子学 是否有极限？
• 信息技术的需求推动发展更小的器件 • 面对集成电路不断发展，必须要考虑这样的问 题： • 传统器件的工作原理是否可以外推到更小空间 和时间尺度的器件？ • 量子效应或技术障碍是否阻止目前工作原理的 器件尺度进一步下降？
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经典纳米电子学
从业要求
经典电子学的困难和问题涉及范围很广需要综合 考虑各方面因素。要解决这些问题，需要： •采用新材料和新结构
– 高k介质、应变硅沟道、金属栅 – 铜互连、低k介质 – 双栅、环栅结构
•充满创新机遇、知识基础转变
– – – – 需要更多的量子力学知识(量子化、隧穿) 需要介观物理的知识（弹道、噪声） 需要更强的计算、模拟、仿真能力 更先进的检测方法和技术
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
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经典纳米电子学
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
发展趋势
Moore定律
Intel Co-Founder Gordon E. Moore
英特尔微处理器的发展规律
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发展趋势
Moore定律如何延续？
五 到 十 年 以 后 将 会 怎 样 ？
存储器的发展历程
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发展趋势
The Si Story
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
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
漏电流功耗占总 功耗的比例变大
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经典纳米电子学
弹道极限
弹道输运
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 XIDIAN506LAB
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）
– 这些新现象主要由界面和量子力学效应引起的 – 这些新的现象可以用于改进材料、器件和系统 的性能
——Is Nanoelectronics the Future of Microelectronics?
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
经典纳米电子学极限预测
• Silicon 2016:
– 22 nm gate lengths, – 28 GHz clocks, – 310 sq.mm die
• Roadblocks:
– Smaller devices won’t work – Significant changes in key design ratios
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 XIDIAN506LAB 前了一年
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纳米科技的定义
• 国家科学基金将纳米技术定义为长度尺 度为 1 – 100 nm的结构、器件和系统， 由于其纳米尺度而具有新奇的特性 。 • The National Science Foundation defines nanotechnology as work at the 1 – 100 nm length scale to produce structures, devices, and systems that have novel properties because of their nanoscale dimensions.
历史的必然
•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 了一年
65纳米的Conroe
65nm Conroe的晶体管数目是2亿9100万 XIDIAN506LAB Conroe的尺寸为143平方毫米
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We also face a physics problem
New physics can arise as the linear device sizes become smaller and smaller
Nano-electronics
国外文献分析面临的新物理问题
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历史的必然
三星闪存
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习题与问题
• 1.何为纳米科技？介绍其主要领域和分支。 • 2.说明电子学发展历史及当前现状。 • 3.为什么说纳米电子学是电子学发展的必 然趋势？
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向