纳米电子器件

纳米电子器件

学号：M201472157

姓名：张路

指导老师：范桂芬

课程：微纳尺度制造工程

摘要：介绍了纳米电子器件与纳米电子技术的概念以及纳米电子器件的分类；综述了现有的光刻、外延、SPM、特种精细加工等相关的纳米电子器件制备与加工技术：阐述了纳米电子技术中急需解决的若干关键问题。

关键词：纳米电子器件；纳米电子技术；纳米器件加工

Abstract:The concept and classification of nano-electronic component and nano-electonic technology are introduced, and the fabrication technologies of nano-electronic components, such as lithography, epitaxial growth and SPM, are reported. At last some impending problems on nano-electronic technology are listed as well. It should be beneficial for readers to comprehend nano-electronic components and nano-electronic technology.

Key words:nano-electronic components; nano-electronic technology; fabrication of nano-electronic components

1引言

研究的目的及意义

按摩尔定律推算，在未来的10余年里，继续提高计算机的储存密度和运算能力将面临严峻的挑战。这些挑战既有原理性的物理限制，又有技术性的工艺限制。其主要表现为：1电子器件的尺寸处于微米量级时，其中的电子主要呈粒子性。但是当器件的尺寸小到纳米量级时，电子则以波动性为主。电子的波动性是一种量子效应，这时电子器件将在一个全新的原理下进行工作；2任何多体系统都存在热的统计起伏，当器件尺寸缩小到纳米量级时，这种热起伏便会限制器件性能的一致性，以致集成芯片无法正常工作。然而，纳米电子技术、纳米电子器件与纳米电子学的出现为微电子技术的发展提供了新的途径和转机。这一方面可归功于微电子技术与纳米技术的不断发展；另一方面则要归功于半个多世纪来微电子学与量子物理学对纳米电子器件的制备、特性、机理与表征提供的有力支持。本文将对纳米电子器件与纳米电子技术的概念、纳米电子器件的分类以及现有的纳米电子器件制备技术进行剖析和阐述。最后，指出了纳米电子技术中急需解决的若干关键问题。

2纳米电子器件

2.1纳米电子器件与纳米电子技术

纳米电子器件指利用纳米级加工和制备技术，如光刻、外延、微细加工、自组装生长及分子合成技术等，设计制备而成的具有纳米级（1-100nm）尺度和特定功能的电子器件。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RTD、三极共振隧穿晶体管RTT）、单电子晶体管（SET）、金属基SET、半导体SET、纳米粒子SET、单电子静电计、单电子存储器（SEM）、单电子逻辑电路、金属基单电子晶体管（SET）存储器、半导体SET 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。

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，集成纳米电路，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。

2.2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8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MOS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Ⅲ-Ⅴ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。在这种分类中，纳米级CMOS器件、纳米传感器、纳米存储器、纳米集成电路以及纳米CMOS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。

根据David等人对纳米电子器件范畴提出的两个基本条件，即器件的工作原理基于量子效应；具有隧穿势垒包围的“岛”（或势阱）的典型结构。文献［6］认为，纳米传感器、纳米级CMOS等器件虽然尺度为纳米量级，也是用纳米加工技术研制成功的，但它们只能归属在纳米器件的大类而不属于纳米电子器件范畴。基于这种观点，文献［6］认为纳米电子器件可分为固体纳米电子器件，包括共振隧穿器件、量子点（QD）器件和单电子器件（SED）；分子电子器件，主要包括量子效应分子电子器件和电机械分子电子器件。文献［4］根据电子在纳米器件中的量子效应，即电子的波粒二相性，把具有各种量子功能的纳米电子器件分为两类，即1单电子器件，这类器件的电子处于点结构中，其行为以粒子性为侧重，典型的实例有单电子晶体管、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，主要包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧道二极管、晶体管等。此外，考虑到原理和材料结构上的明显差异，文献［4］还将分子电子器件和上述的单电子器件、量子波器件并列，单独作为一类特殊的纳米电子器件。这类器件的研究属于分子电子学范畴，包括分子电子开关、电化学分子器件等。

3纳米电子器件的制备技术

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