纳米技术在电子器件上的应用与发展

浅谈纳米技术在电子器件上的应用与发展

一、纳米技术和纳米电子学

纳米技术是20世纪末期崛起的崭新科学技术。美国早在1992年就把纳米技术列为20世纪末和21世纪初的10大研究项目中的5个项目。美国国防部每年拨款3500万美元用于微系统的研究。日本1995年宣布将这项技术列为后10年的4大科技项目之一，是为期10年、耗资2.25亿美元、有26家公司参加的微系统研究项目。德国在1993年提出10年内重点发展的9个领域的80项关键技术中，有4个领域的12个项目涉及纳米技术，每年拨款6500万美元支持系统研究。欧盟在1995年提出的一项研究报告称，未来10年纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业，到2070年，纳米技术市场的价值将达到400亿英镑。澳大利亚也在1993年将原子测检技术列为21世纪最优先开发的项目。经过多年的努力，各国专家从原子、分子级对一些物质的特性有了新的认识，纳米技术研究取得一些突破。

纳米技术是一个崭新的高科技学科群，它包含纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学等，是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴科学技术。

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是传统微电子学发展的必然结果，是纳米技术发展的主要动力。纳米电子学在传统的固态电子学基础上，借助最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子器件与系统。纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上，实现信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学与光电子学、生物学、机械学等学科结合，可以制成光电器件、分子器件、微电子机械系统、微型机器人等，将对人类的生产和生活方式产生变革性的影响，纳米电子学将成为21世纪信息时代的关键技术。

二、纳米电子器件简介

纳米电子技术是指在纳米尺寸范围内构筑纳米和量子器件，集成纳米，从而实现量子计算机和量子通信系统的信息计算、传输与处理的相关技术，其中，纳米电子器件是目前纳米电子技术发展的关键与核心。现在，纳米电子技术正处在蓬勃发展时期，其最终目标在于立足最新的物理理论和最先进的工艺手段，突破传统的物理尺寸与技术极限，开发物质潜在的信息和结构潜力，按照全新的概念设计制造纳米器件、构造电子系统，使电子系统的储存和处理信息能力实现革命性的飞跃。

目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件（共振二极管、三极共振隧穿、单电子晶体管、金属基、半导体、纳米粒子、单电子静电计、单电子、半导体存储器、硅纳米晶体制造的存储器、纳米浮栅存储器、纳米硅微晶薄膜器件和聚合体电子器件等。

三、纳米电子器件的分类

关于纳米电子器件的分类，国内外有着不同的看法。根据纳米电子技术的发展和对未来的预测，一种分法把纳米电子器件广义地分为以下类：

（1）纳米级CMOS器件，如绝缘层上硅MOSFET、异质结MOSFET 、低

温MOSFET、双极MOSFET等；

（2）量子效应器件，如量子干涉器件、量子点器件和谐振隧道器件等；

（3）单电子器件，如单电子箱、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子结阵列、单电子泵、单电子陷阱等；

（4）单分子器件，如单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等；

（5）纳米传感器，如量子隧道传感器等；

（6）纳米集成电路，包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路；

（7）纳米存储器，如超高容量纳米存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基存储器、单电子存储器、单电子量子存储器等；

（8）纳米CMOS混合电路，包括纳米CMOS电路和三-四族化合物半导体共振隧道效应电路，纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路，纳米CMOS电路和碳纳米管电路，纳米CMOS电路和人造原子电路，纳米CMOS电路和DNA电路等。

四、纳米结构制备和加工技术

1.光刻技术

光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术统称三束光刻技术，是通过掩模、曝光等工艺将设计的器件图形结构转移到半导体基片上的-% 加工技术。目前，随着光刻技术线宽的不断减小，光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术已在纳米cmos器件、纳米集成电路、纳米cmos混合电路等加工领域表现出了很好的应用前景，并开始在一些纳米电子器件加工方面取得了应用。

2.外延技术

金属有机化学汽相淀积、分子束外延、原子层外延与化学束外延技术统称外延技术，是在基体上生长纳米薄膜的一种纳米制造技术，可用于纳米集成电路用硅基半导体材料、纳米半导体结构:器件的加工与制备。

3.分子自组装合成技术

自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的过程。自从80年代提出分子器件的概念至今，人们已从lb技术发展到了分子自组装技术，从双液态隔膜（blm）技术发展到了sblm技术，已在分子组装有序分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。

4 .SPM技术

自从1982年第一台扫描隧道显微镜(STM)诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微;纳观世界的认识翻开了新的一页。SPM不仅可以进行高分辨率的三维成像和测量，还可对材料的不同性质进行研究。因此，已不仅是一种微观测量分析的工具，而且是一种重要的微观加工与操纵工具。

5.特种超微细加工技术

还有一些特殊的超微细加工技术，可用于加工、制备纳米电子器件。它们包括机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；纳米碳管构建FET；以DNA分子、纳米碳管、介孔材料为模板，制备量子线以及超精密复合加工、电解射流加工、电火花加工，电化学加工技术等。

五、量子功能器件

纳米加工技术的突破和介观物理研究的发展，以全新的概念改变了器件的设

计思想。器件研究者利用各种介观效应来改进器件的性能和设计制造新型量子器件。例如利用高迁移率效应制备高频高速器件。利用隧道效应制作多值逻辑器件。利用相干电子波干涉、衍射和反射现象设计高速开关器件和传感器、利用低维度下有效状态密度的变化制造激光器。下面介绍几种主要的量子效应器件。

在这种分类中，纳米级器件、纳米传感器、纳米存储器、纳米集成电路以及纳米混合电路等分别被作为一种独立的纳米器件类型。但事实上，这些纳米传感器、纳米级的CMOS器件或电路是否应该纳入纳米器件的范畴，目前还存有争议.

纳米电子器件的制备技术简介

要制备纳米电子器件及实现其集成电路，有两种可能的方式一种是将现有的电子器件、集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件，即所谓的“由上到下”的方式。另一种方式是利用先进的纳米技术与纳米结构的量子效应直接构成全新的量子器件和量子结构体系，即所谓的“由下到上”的方式。

纳米电子器件“由上到下”的制备方式主要是指光学光刻、电子束光刻和离子束光刻等技术。

“由下到上”的制备方法则包括金属有机化学汽相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、原子层外延（AEE）、化学束外延（BE）等外延技术、扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及特种超微细加工技术等。

六、纳米电子器件的应用与发展

主要研究在电子、信息、智能系统中的应用。

纳米电子器件在功能器件上的分类

利用纳米结构中电子所呈现的各种量子化效应，可以设计和制作各种量子功能器件。电子在纳米结构中的行为表现为量子力学的波粒二重性，其表现波动性或粒子性取决于它所处的环境。从量子的状态特征考虑，可以把各种量子功能器件分为二大类，即单电子器件和量子波器件。

（1）单电子器件

这类器件的电子处于点结构，而且其行为以粒子性为侧重。单电子器件的典型实例如单电子晶体管、单电子开关等。

（2）量子波器件

这类器件中的电子处于相位相干结构中，其行为以波动性为主。这类器件包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧道二极管、晶体管等。

此外，除了上述基于纳米半导体范畴的量子功能器件即半导体量子效应器件和单电子器件外，从广义上讲，纳米器件还可包括基于分子电子学的分子电子器件，分子器件在原理和材料结构上都与半导体量子器件不同，而且更为"年轻"，它们包括分子电子开关、电化学分子器件等。

七、发展现状和趋势

随着微电子技术的发展和应用市场的开发，对IC的集成密度的要求越来越高，电子器件的小型化以指数率持续变小，特征尺寸从微米级到亚微米级再缩小至纳米级。纳米电子技术是传统电子技术发展的必然结果。

多年来，半导体低维结构系统，特别是量子阱和超晶格、量子线、量子点，是半导体物理理论研究和半导体器件开发与应用最为活跃的领域。异质结量子阱和超晶格技术最为成熟，并开始从基础研究转向应用，出现了大量性能优异的量子阱器件，如HEMT、RTD、激光器等，并用于研制微波、毫米波放大器、振荡器、