纳米电子器件发展
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科学基础：电的发现、 电磁理论 主导技术：电气化技术(发电机和电动 机、电力传输、无线电通讯)
第三次产业革命（1945-2010？）
科学基础： X射线的发现
放射线的发现 半导体的发现
主导技术：微米技术
微电子技术
三次产业革命的启示:
1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家； 2. 主导技术经历了孕育期 → 生长期、高速发展 期、稳定期，主导技术周期约50-60年；
• 信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号 的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等 • 信号加工中最基本的是放大，即用小信号控制生成对应 的大信号，最关键的元件是放大三极管
1. 真空电子管：1906年发明，它是将电子引入真空环境中， 用加在珊极上的电压改变发射电子阴极表面附近的电场， 来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有 真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。
• 量子相干效应（quantum interference effect）：由于在纳 米尺寸中，载流子不仅具有振幅信息，而且还保持信号相 位，所以具有相干性。如A-B效应，即弹性散射不破坏电 子相干性；量子霍尔效应；海森堡不确定效应等。
微电子和纳米电子器件的比较 材料 工艺 理论 半导体 物理 纳米 电子学
纳电子器件中的四个基本现象
• 电导量子化：即电导或电阻是 量子化的，不再遵循欧姆定律
G
电导量子化 子隧穿，而隧穿前后隙两侧的电位发生变化。 I U 库仑堵塞
V
• 库仑堵塞现象：导体中纳米隙小于电子自由程时，会发生电
• 普适电导涨落：在电导与电压关系测量中，发现存在与时 间无关的非周期涨落，但它不是热噪声引起的，而是样品 固有的，每一特定的用品有自身特有的涨落图。
1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
1968
芯片中三极管的价格随时间的降低
Chip Price $1000 $1000 $1000 $1000
$
10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001
2. 晶体管：1947年诞生，电子器件发展经历了第一次变革。 晶体管基本单元为 p-n（整流特性）结和 p-n-p 结(信号 放大），相应的有晶体二极管和晶体三极管。晶体管的体 积小（由厘米降到微米），功耗小（从毫安降到微安）， 制成大（超大）规模集成电路，称为微电子器件。
微电子器件发展的摩尔 (moore) 定律 ----- 芯片上晶体管数 量每隔18个月将会增加一倍。
微电子器件 高纯硅、锗、 光刻、掺杂、外
砷化镓
延技术
纳电子器件 无机/有机复 分子尺度上的自
合材料？
组装和剪裁技术
微电子和纳电子三级管的结构示意图和符号
b e
µm p c s
g
nm d
p
n
未 来 的 三 种 计 算 机
1946 年 摩 尔 电 子 工程学院制造的 第一台计算机
1947年美国制造的实用计算机：30t ,174kW，170m2
Prophecies, A Risky Endeavor
There is no reason anyone would want a computer in their home. --- Ken Olson I think there is a world market for maybe five computers. --- T. J. Watson
纳米电子学，又叫纳电子学 (nanoelectronics)
纳米尺寸、纳秒时间和纳焦能量现象超 出了现有科学体系,构成了严重挑战
研究对象是纳米尺度
信号处理时间是纳秒
信号功率是纳焦
纳 电 子 器 件
真空电子器件和微电子器件的共同点都是强调电 子的粒子性，即都是通过控制数以千计的成群电 子的集体运动状态的，来实现特定的功能。
1,000,000,000 100,000,000 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 1,000 2010
1970
1980
1990
2000
Moore’s Second Law
X 1000$
generation
Plant cost
Mask cost
微光刻与微纳技术历程和发展趋势
640K ought to be enough for everybody. --- Bill Gates
There is not the slightest indication that nuclear energy will ever be obtainable. --- Albert Einstein
光 刻 工 艺 特 征 尺 寸 建设一家 8.0 um 45nm技术节点、12英寸 3〞 5.0 um 集成电路制造厂 4 〞 3 〞 3.0 um 30-35亿美圆 2.0 um 16G 4〞 1.3 um 一台 工艺节点掩模版 0.8 um 一套 1G 6〞 1980180nm 年最细线宽 JBX 3040电子束光掩模 0.5 um 1.0um 25万美圆 ◆ 8〞 8〞 制造系统2000万美圆 一套1986 130nm 工艺节点掩模版 0.35um 年最细线宽 相当一架波音737 85万美圆 0.25um 0.5um 16M ◆ 一套 90nm 工艺节点掩模版 0.18um 12〞 150万美圆 芯 0.13um 1M 片 一套65nm 工艺节点掩模版 90 nm 1995年最细线宽 集 300万美圆 0.18um 65 nm 成 一套45nm工艺节点掩模版 45 nm 16K 度 500万美圆 32 nm 2004年最细线宽 一套22nm工艺节点掩模版 22～50nm 22 nm 1500源自文库美圆
热和量子涨落误差 介质层中高电场 强度，可靠性问题 纳米器件的集成和 与微电子系统的联结
按摩尔定律，以硅材料为主的微电子到2011年的最小尺 寸，将达到物理极限，进入纳电子器件时期，面临电子器件 发展的第二次变革。
2020 年 NANOELECTRONICS at the centre of change
高集成、高空间分辨率， 存储密度：1000GB 计 算速度 提高 100~1000 倍、功率增加 1000倍，能 耗降低一百万倍，芯片尺 寸降低100~1000倍
纳米技术
• 对关键问题的影响力
医疗药物 环境能源 宇航交通
电子器件 计算机
纳米技术
生物农业
国家安全 新材料 制 造
传统产业
推动GDP快速增长
Goal: Over 1 billion transistors by 2005
10,000,000,000
Itanium® 2 Itanium® Pentium III Pentium Pentium II 386™ Processor 8086 4004 8080 8008 286 486™ DX Pentium 4
8088
286
486 奔4
0.0000001
'68 '70 '72 '74 '76 '78 '80 '82 '84 '86 '88 '90 '92 '94 '96 '98 '00 '02
CMOS器件的若干挑战性问题
电子隧穿引起误差 线路电容的延迟 热积累引起性能恶化
Si-MOSFET极限 Gate Length <10nm
3. 光子计算机：传统的计算机是利用电流来进行计 算，而光子计算机是用光束来进行计算和存储，不 同波长的光就代表不同的数据。其优点是信息处理 速度快，光子不需要在导线中传播，只要不满足干 涉条件，即使光线相交，也不会相互影响，因此能 够大大缩小信息通道的空间。
迎
名称
接
碳
时
代
时期/年 30000 3200 1700 40 ？
First Personal Computer
计算机小型化
NEC Supercomputer: Top-down technology Tons >500 kW 40 teraflops
Brain: Bottom-up (self-assembly based) 1.3 kg 10 W >100 teraflops
3. 主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术； 逐渐形成新的产业群。
4. 主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，
新工业革命
节省能源 利用资源 优化环境
纳米技术—新工业革命的主导技术
20世纪
存储密度： 106 读写速度：1GB 1011 =10万个磁盘 20GB
21世纪
纳米技术是21世纪科技 发展的制高点, 是新工 业革命的主导技术。
石器时代 铜器时代 铁器时代 硅时代 碳时代
作为微电子的下一代，纳电子器件有自己的理论、技术和材 料。微电子的主要材料是硅，下一代电子器件的材料是什么？ 碳可能是21世纪的时代材料。
1. 量 子 计 算 机
经典计算机： 二进制位存储： 非0即1<－>开或关
串行处理
量子计算机 ： 实现量子计算的装置，它是建立在量 子力学的原理上工作的。 利用量子位（qubits）存储信
息, 用量子态表示0和1（自旋向上或向下）。量子存储器可 以不同的概率同时存储0或1，量子位可以是0和1的叠加。
量子计算机存在的问题
(1) (2)
受环境影响大，纠错复杂 消相干效应：量子信号与外部环境发生相 互作用，导致量子相关性的衰减，使相干性 很难维持。 克服消相干效应是量子计算机要克服的主 要困难。 消相干还会导致运算结果出错，如何进行 量子纠错是量子计算机要克服的另一困难。
(3)
(4)
2. DNA 生物计算机： DNA分子上包含大量的遗传密码，它能 通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。 DNA 计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应 前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算 结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。
从微电子器件到纳电子器件
什么是主导技术？
工业革命以来已经 历了三次主导技术 ，引发了三次工业 革命
科学革命
技术革命
产业革命
第一次产业革命(1734-1834）
主导技术：蒸汽机 动力变革，
热能、机械能 能量转化原理
科学基础 : 牛顿力学、热力学、
第二次产业革命（1835-1914）
量子计算机的优点:
(1) 计算速度快：计算速度可提高10亿倍,1个400位长的数分 解成质数乘积,采用巨型机需10亿年,用量子计算机只要 一年； (2) 量子位储存能力大大提高； (3) 可完成一些传统计算机无法完成的计算。高效率模拟、 模拟量子系统， 40个自旋1/2粒子体系； (4) 低能耗：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。
信息技术
知识 爆炸 时代 技术 爆炸 时代
纳米科技
纳米科学的内涵
制高点
纳米电子学 纳米加工 纳米生物
基 础
纳米材料
基 础
纳米物理
纳米化学
纳米力学
在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要的地位， 因为纳米电子学是微电子学发展的下一代。
电子器件的发展与三代电子器件
1897年 Thomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的 事：控制电子在真空中和固体中（固体中电子达 1022/cm ） 的运动状态，产生了电子器件。电子器件的发展已经历了两个 时期，真空电子管和固体晶体管。 • 电子器件主要用于处理光、电信号 • 光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位
电子
•电
子 s g d
0
开关一次只要几个电子 电子自由程与器件的物理长度相比拟
纳电子器件的主要特征
纳电子器件的元件尺寸的与物理长度相比拟，失去了统计平均 性，以量子效应和统计涨落为主要特性，与信息加工有关的量 子系统主要有以下几个基本特性： • 叠加性 (superposition) • 相干性 (interference) • 牵连性 (entanglement)：一个系统的某个定义态与它的部分 态的牵扯 • 不确定性 (uncertainty): 即使没有干扰，也不能准确知道一 个量子态是否被占据
当电路的集成度达到1012bit/cm2 时，每个元件 的尺寸小于 10nm ，会受到两个主要限制：量子 效应和波动性
• 功耗：若功耗小于3W/in2，每开关一次的电子数必须少于 10个，逼近了单电子行为，具有更显著的量子效应 • 电子的自由程与物理长度相比拟。当电子作为信号在器件 中传输时，不仅具有振幅信息，还保留相位信息 1
第三次产业革命（1945-2010？）
科学基础： X射线的发现
放射线的发现 半导体的发现
主导技术：微米技术
微电子技术
三次产业革命的启示:
1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家； 2. 主导技术经历了孕育期 → 生长期、高速发展 期、稳定期，主导技术周期约50-60年；
• 信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号 的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等 • 信号加工中最基本的是放大，即用小信号控制生成对应 的大信号，最关键的元件是放大三极管
1. 真空电子管：1906年发明，它是将电子引入真空环境中， 用加在珊极上的电压改变发射电子阴极表面附近的电场， 来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有 真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。
• 量子相干效应（quantum interference effect）：由于在纳 米尺寸中，载流子不仅具有振幅信息，而且还保持信号相 位，所以具有相干性。如A-B效应，即弹性散射不破坏电 子相干性；量子霍尔效应；海森堡不确定效应等。
微电子和纳米电子器件的比较 材料 工艺 理论 半导体 物理 纳米 电子学
纳电子器件中的四个基本现象
• 电导量子化：即电导或电阻是 量子化的，不再遵循欧姆定律
G
电导量子化 子隧穿，而隧穿前后隙两侧的电位发生变化。 I U 库仑堵塞
V
• 库仑堵塞现象：导体中纳米隙小于电子自由程时，会发生电
• 普适电导涨落：在电导与电压关系测量中，发现存在与时 间无关的非周期涨落，但它不是热噪声引起的，而是样品 固有的，每一特定的用品有自身特有的涨落图。
1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
1968
芯片中三极管的价格随时间的降低
Chip Price $1000 $1000 $1000 $1000
$
10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001
2. 晶体管：1947年诞生，电子器件发展经历了第一次变革。 晶体管基本单元为 p-n（整流特性）结和 p-n-p 结(信号 放大），相应的有晶体二极管和晶体三极管。晶体管的体 积小（由厘米降到微米），功耗小（从毫安降到微安）， 制成大（超大）规模集成电路，称为微电子器件。
微电子器件发展的摩尔 (moore) 定律 ----- 芯片上晶体管数 量每隔18个月将会增加一倍。
微电子器件 高纯硅、锗、 光刻、掺杂、外
砷化镓
延技术
纳电子器件 无机/有机复 分子尺度上的自
合材料？
组装和剪裁技术
微电子和纳电子三级管的结构示意图和符号
b e
µm p c s
g
nm d
p
n
未 来 的 三 种 计 算 机
1946 年 摩 尔 电 子 工程学院制造的 第一台计算机
1947年美国制造的实用计算机：30t ,174kW，170m2
Prophecies, A Risky Endeavor
There is no reason anyone would want a computer in their home. --- Ken Olson I think there is a world market for maybe five computers. --- T. J. Watson
纳米电子学，又叫纳电子学 (nanoelectronics)
纳米尺寸、纳秒时间和纳焦能量现象超 出了现有科学体系,构成了严重挑战
研究对象是纳米尺度
信号处理时间是纳秒
信号功率是纳焦
纳 电 子 器 件
真空电子器件和微电子器件的共同点都是强调电 子的粒子性，即都是通过控制数以千计的成群电 子的集体运动状态的，来实现特定的功能。
1,000,000,000 100,000,000 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 1,000 2010
1970
1980
1990
2000
Moore’s Second Law
X 1000$
generation
Plant cost
Mask cost
微光刻与微纳技术历程和发展趋势
640K ought to be enough for everybody. --- Bill Gates
There is not the slightest indication that nuclear energy will ever be obtainable. --- Albert Einstein
光 刻 工 艺 特 征 尺 寸 建设一家 8.0 um 45nm技术节点、12英寸 3〞 5.0 um 集成电路制造厂 4 〞 3 〞 3.0 um 30-35亿美圆 2.0 um 16G 4〞 1.3 um 一台 工艺节点掩模版 0.8 um 一套 1G 6〞 1980180nm 年最细线宽 JBX 3040电子束光掩模 0.5 um 1.0um 25万美圆 ◆ 8〞 8〞 制造系统2000万美圆 一套1986 130nm 工艺节点掩模版 0.35um 年最细线宽 相当一架波音737 85万美圆 0.25um 0.5um 16M ◆ 一套 90nm 工艺节点掩模版 0.18um 12〞 150万美圆 芯 0.13um 1M 片 一套65nm 工艺节点掩模版 90 nm 1995年最细线宽 集 300万美圆 0.18um 65 nm 成 一套45nm工艺节点掩模版 45 nm 16K 度 500万美圆 32 nm 2004年最细线宽 一套22nm工艺节点掩模版 22～50nm 22 nm 1500源自文库美圆
热和量子涨落误差 介质层中高电场 强度，可靠性问题 纳米器件的集成和 与微电子系统的联结
按摩尔定律，以硅材料为主的微电子到2011年的最小尺 寸，将达到物理极限，进入纳电子器件时期，面临电子器件 发展的第二次变革。
2020 年 NANOELECTRONICS at the centre of change
高集成、高空间分辨率， 存储密度：1000GB 计 算速度 提高 100~1000 倍、功率增加 1000倍，能 耗降低一百万倍，芯片尺 寸降低100~1000倍
纳米技术
• 对关键问题的影响力
医疗药物 环境能源 宇航交通
电子器件 计算机
纳米技术
生物农业
国家安全 新材料 制 造
传统产业
推动GDP快速增长
Goal: Over 1 billion transistors by 2005
10,000,000,000
Itanium® 2 Itanium® Pentium III Pentium Pentium II 386™ Processor 8086 4004 8080 8008 286 486™ DX Pentium 4
8088
286
486 奔4
0.0000001
'68 '70 '72 '74 '76 '78 '80 '82 '84 '86 '88 '90 '92 '94 '96 '98 '00 '02
CMOS器件的若干挑战性问题
电子隧穿引起误差 线路电容的延迟 热积累引起性能恶化
Si-MOSFET极限 Gate Length <10nm
3. 光子计算机：传统的计算机是利用电流来进行计 算，而光子计算机是用光束来进行计算和存储，不 同波长的光就代表不同的数据。其优点是信息处理 速度快，光子不需要在导线中传播，只要不满足干 涉条件，即使光线相交，也不会相互影响，因此能 够大大缩小信息通道的空间。
迎
名称
接
碳
时
代
时期/年 30000 3200 1700 40 ？
First Personal Computer
计算机小型化
NEC Supercomputer: Top-down technology Tons >500 kW 40 teraflops
Brain: Bottom-up (self-assembly based) 1.3 kg 10 W >100 teraflops
3. 主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术； 逐渐形成新的产业群。
4. 主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，
新工业革命
节省能源 利用资源 优化环境
纳米技术—新工业革命的主导技术
20世纪
存储密度： 106 读写速度：1GB 1011 =10万个磁盘 20GB
21世纪
纳米技术是21世纪科技 发展的制高点, 是新工 业革命的主导技术。
石器时代 铜器时代 铁器时代 硅时代 碳时代
作为微电子的下一代，纳电子器件有自己的理论、技术和材 料。微电子的主要材料是硅，下一代电子器件的材料是什么？ 碳可能是21世纪的时代材料。
1. 量 子 计 算 机
经典计算机： 二进制位存储： 非0即1<－>开或关
串行处理
量子计算机 ： 实现量子计算的装置，它是建立在量 子力学的原理上工作的。 利用量子位（qubits）存储信
息, 用量子态表示0和1（自旋向上或向下）。量子存储器可 以不同的概率同时存储0或1，量子位可以是0和1的叠加。
量子计算机存在的问题
(1) (2)
受环境影响大，纠错复杂 消相干效应：量子信号与外部环境发生相 互作用，导致量子相关性的衰减，使相干性 很难维持。 克服消相干效应是量子计算机要克服的主 要困难。 消相干还会导致运算结果出错，如何进行 量子纠错是量子计算机要克服的另一困难。
(3)
(4)
2. DNA 生物计算机： DNA分子上包含大量的遗传密码，它能 通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。 DNA 计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应 前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算 结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。
从微电子器件到纳电子器件
什么是主导技术？
工业革命以来已经 历了三次主导技术 ，引发了三次工业 革命
科学革命
技术革命
产业革命
第一次产业革命(1734-1834）
主导技术：蒸汽机 动力变革，
热能、机械能 能量转化原理
科学基础 : 牛顿力学、热力学、
第二次产业革命（1835-1914）
量子计算机的优点:
(1) 计算速度快：计算速度可提高10亿倍,1个400位长的数分 解成质数乘积,采用巨型机需10亿年,用量子计算机只要 一年； (2) 量子位储存能力大大提高； (3) 可完成一些传统计算机无法完成的计算。高效率模拟、 模拟量子系统， 40个自旋1/2粒子体系； (4) 低能耗：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。
信息技术
知识 爆炸 时代 技术 爆炸 时代
纳米科技
纳米科学的内涵
制高点
纳米电子学 纳米加工 纳米生物
基 础
纳米材料
基 础
纳米物理
纳米化学
纳米力学
在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要的地位， 因为纳米电子学是微电子学发展的下一代。
电子器件的发展与三代电子器件
1897年 Thomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的 事：控制电子在真空中和固体中（固体中电子达 1022/cm ） 的运动状态，产生了电子器件。电子器件的发展已经历了两个 时期，真空电子管和固体晶体管。 • 电子器件主要用于处理光、电信号 • 光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位
电子
•电
子 s g d
0
开关一次只要几个电子 电子自由程与器件的物理长度相比拟
纳电子器件的主要特征
纳电子器件的元件尺寸的与物理长度相比拟，失去了统计平均 性，以量子效应和统计涨落为主要特性，与信息加工有关的量 子系统主要有以下几个基本特性： • 叠加性 (superposition) • 相干性 (interference) • 牵连性 (entanglement)：一个系统的某个定义态与它的部分 态的牵扯 • 不确定性 (uncertainty): 即使没有干扰，也不能准确知道一 个量子态是否被占据
当电路的集成度达到1012bit/cm2 时，每个元件 的尺寸小于 10nm ，会受到两个主要限制：量子 效应和波动性
• 功耗：若功耗小于3W/in2，每开关一次的电子数必须少于 10个，逼近了单电子行为，具有更显著的量子效应 • 电子的自由程与物理长度相比拟。当电子作为信号在器件 中传输时，不仅具有振幅信息，还保留相位信息 1