納米技術與納米電子學資料PPT課件

1、10.1 概述 納米技術 物理學原理并不排斥通過操縱單個原子來制造物質。這樣做并不違反任何定理，而且原則上是可以實現的。毫無疑問，當我們得以對細微尺度的事物加以操縱的話，將大大擴充我們可能獲得物性的范圍 。 - Richard P.Feynman,1959 1、納米級測量技術 2、納米材料的制備技術 3、納米級加工技術 4、納米組裝技術第1頁/共46頁10.1 概述 納米材料 在某個維度上的尺寸處于納米量級的材料 圖10.1 典型的幾種納米材料 第2頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 1 表面效應 指納米晶粒表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質上的變化 表面原子數占

2、全部原子數的比例和粒徑之間的關系如圖10.2所示。 100 80 60 40 20 0 比例（%） 表面原子數相對總原子數 0 10 20 30 40 50 第3頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 2 小尺寸效應 指隨著顆粒尺寸減小到與光波波長(100nm以下)、德布羅意波長、玻爾半徑(0.1nm)、相干長度(幾nm以下)、穿透深度(100nm)等物理量相當， 甚至更小時，其內部晶體周期性邊界條件將被破壞，導致特征光譜移動、磁序改變、超導相破壞、非熱力學結構相變等，從而引起宏觀電、磁、聲、光、熱等物理性質的變化。 磁性 制備永磁微粉 第4頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 2 小尺

3、寸效應 熱力學性質 隨著顆粒尺寸減小而增大 r/2當顆粒小于某臨界尺寸時，將會在明顯低于塊材的熔點溫度下熔化。圖10.3即為金熔化溫度與顆粒尺寸的關系。 第5頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 2 小尺寸效應 光學性質 金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀?%，對太陽光譜幾乎完全吸收，大約在幾微米的厚度就能完全消光。 考慮置于交變電場小的單個球狀顆粒，在金屬中電子將是在強耦合的作用下做集體運動，這就是表面等離子振蕩。 共振頻率p=(Nq2/m*)1/2 可見光或近紫外光頻段 超微粒子中的電子能級間距隨尺寸減小而增加。通常導致光吸收峰向短波方向位移，稱之為“藍移”。 第6頁/共46頁1

4、0.2 納米材料的基本效應 2 小尺寸效應 超導電性 當顆粒尺寸減小時，低頻的晶振動將受到顆粒尺寸的限制而被截止，從而增加Tc值。 另一方面，隨著顆粒尺寸減小，表面原子分數將顯著增長，表面原子由于近鄰配位數的減少而使表面聲子譜頻率降低，軟聲子模特會導致電子-聲子耦合強度增加，從而增加Tc值。 低溫超導實驗結束表明，對于Al、In等材料，隨著顆粒尺寸變小，Tc的確有所增加。 第7頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 2 小尺寸效應 介電性能 微顆粒的Drude公式介電常數 當1時 等離子共振頻率的線寬與顆粒的直徑成反比，等離子共振頻率將隨顆粒尺寸變小而移向低頻，顆粒的損耗(2)隨尺寸的減小而

5、增大。 dv /2/1/1F0212( )( )/ (/ )pii 23232/2/ppFvd 第8頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 3 量子尺寸效應 納米微粒存在不連續(xù)的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級，使得能隙變寬的現象，被稱為納米材料的量子尺寸效應。 根據Kubo理論 例如，直徑為14nm的銀顆粒，當N61023/cm時，能級間距，故當溫度低于1K時，有可能出現量子尺寸效應。 由于能級的量子化，納米材料的Eg增大，波長減小，即其吸收帶發(fā)生藍移。 處于分離的量子化能級中的電子波動性還如場致發(fā)光、載流子的量子約束和量子輸運、導體變成絕緣體等系列反常 4/3FEN第

6、9頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 4 宏觀量子隧道效應 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。一些宏觀量，例如微粒的磁化強度、量子相干器件中的磁能量也有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產生變化，稱為宏觀量子隧道效應(Macroscopic Quantum Tunneling，MQT)。 實驗結果表明，在低溫時確實存在磁的宏觀量子隧道效應，但現在的理論尚難以解釋全部實驗結果。 它還確立了現存的微電子器件進一步微型化的極限。如電路尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無法工作。 第10頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 5 庫侖堵塞效應 在納米體系中，由于

7、能級分立和勢壘的存在，當有電流通過時，在一定條件下出現電流中斷的現象。 換句話說，就是該體系的充電和放電過程是不連續(xù)的，是量子化的。 此時，充入一個電子所需的能量為庫侖堵塞能，它是電子在進入或離開體系中時前一個電子對后一個電子的庫侖排斥能。 由于庫侖堵塞效應的存在，電流隨電壓的上升不再是直線關系，而是在I-V曲線上呈現鋸齒形狀的臺階。 單電子器件第11頁/共46頁10.2 納米材料的基本效應 6 介電限域效應 介電限域現象指的是納米微粒分散在異質介質中由于界面引起的體系介電增強的現象。當介質的折射率與微粒的折射率相差很大時，產生了折射率邊界，這就導致微粒表面和內部的場強比入射場強明顯增加，這種

8、局域場的增強稱為介電限域。 E(r)為納米微粒的吸收帶隙：第一項Eg(r=)為相體的帶隙，r為粒子半徑；第二項為量子限域能（藍移），第三項表明，介電限域效應導致介電常數增加，同樣引起紅移；第四項為有效里德伯能。RygErerhrErE248. 0/786. 12/)()(2222第12頁/共46頁10.3 納米材料的制備和加工技術圖10.7 納米結構制備的兩種思路 第13頁/共46頁10.3 納米材料的制備和加工技術 1 分子束外延(MBE) 目前，采用外延生長最常見的納米集成電路用硅基半導體材料有絕緣體上硅(SOI)材料和鍺硅(SiGe)異質材料。第14頁/共46頁10.3 納米材料的制備和

9、加工技術 2 化學氣相淀積(CVD) 除上述兩種方法以外，金屬有機化學汽相沉積（MOCVD）、原子層外延（AEE）、化學束外延（BE）等外延技術也能夠滿足設計精度要求，如外延層組分、厚度、摻雜濃度和電學均勻性等，故可用于生長高質量的超晶格量子阱材料。 第15頁/共46頁10.3 納米材料的制備和加工技術 3 自組裝合成技術 自組裝是依賴分子間非共價鍵力自發(fā)結合成穩(wěn)定的聚集體的過程。 自從上世紀80年代提出分子器件的概念至今，人們已從 LB技術發(fā)展到了分子自組裝技術，從雙液態(tài)隔膜（BLM）技術發(fā)展到了SBLM技術，已在分子組裝有序分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集體方面取得了豐碩的成果。 近年

10、來，分子自組裝技術還被用來合成具有特定電子特性的納米結構材料。這些采用分子自組裝合成的納米結構主要包括納米棒、納米管、多層膜和介孔材料。第16頁/共46頁10.3 納米材料的制備和加工技術 4 SPM加工技術 利用SPM探針直接在樣品表面刻劃形成納米圖案或撥動顆粒至指定地方，構造特定的納米電子器件/結構。 第17頁/共46頁10.3 納米材料的制備和加工技術 5 光刻技術 通過掩模、曝光等工藝將設計的器件圖形結構轉移到半導體基片上的IC加工技術即稱為光刻 一般分為光學光刻、電子束光刻與離子束光刻技三種 隨著光刻線寬的不斷減小，光刻技術已在納米CMOS器件、納米集成電路等加工領域表現出了很好的應

11、用前景。 除上述的方法外，還有所謂“自下而上”的制備技術來生長納米半導體材料，主要有：在圖形化襯底和不同取向晶面上選擇外延生長技術。如利用不同晶面生長速度不同的V型槽生長技術，解理面再生長技術。高指數面生長技術；在納米碳管中，通過物理或化學方法制備量子點（線）技術等。第18頁/共46頁10.4 納米電子學 隨著集成電路集成度的不斷提高，特征尺寸的不斷下降，微電子遇到了越來越多的瓶頸。比如短溝道效應，熱載流子效應，源漏寄生串聯電阻等問題。同時，MOS晶體管的柵氧化層厚度和溝道長度一起按比例縮小，除了工藝技術的限制，還存在氧化層的擊穿和可靠性、薄氧化層的隧穿電流對器件和電路性能的影響、多晶硅柵的耗

12、盡和反型層電容引起的器件性能退化等問題。特別是器件尺寸不斷下降后，必須考慮量子效應的影響。這就不得不將我們從微電子領域帶入納米電子領域。 主要新效應有：量子相干效應，A-B效應，即彈性散射不破壞電子相干性，量子霍爾效應，普適電導漲落特性，庫侖阻塞效應，海森堡不確定效應等。 第19頁/共46頁10.4 納米電子學 1 量子電導 *2/mne2/Fnk*/Fm l k h2(/ ) 2Fehk l即滿足量子條件的電導率是(e2/h)因子的函數，在單電子輸運情況中，此因子為量子化的臺階值。 對于一維體系，考慮電子的自洽屏蔽作用，則電導率與躍遷幾率之間關系為 2(/ )/(1)ehCTT第20頁/共4

13、6頁10.4 納米電子學 2 電子的彈道輸運 當電子的彈性散射的平均自由程和體系的尺度相當時，雜質散射一般可以忽略，電子以彈道輸運為主。 2/Teh對于納米電子器件來說，在二維的方向上，其寬度與電子波長可比擬，使得單個二維亞能帶進一步分裂為一系列的一維子能帶，從而電子被限制在一維方向運動。這類器件就稱為電子波導，器件中電荷輸運屬于一維彈道。目前，對碳納米管這種準一維體系的彈道輸運特性已有研究。 第21頁/共46頁10.4 納米電子學 3 量子相干效應 當系統(tǒng)的物理尺度小于相干長度時，電子輸運過程可能經歷很多次彈性散射，其量子相干特性顯著，主要有A-B效應、AAS效應、普適電導漲落等。 圖10.

14、12示出了金屬圓環(huán)中存在散射時電子被量子相干效應的三種典型路徑。其中路徑a（實線）對應AAS效應，路徑b（實箭頭短劃線）對應A-B效應，路徑c、c(空箭頭點劃線)之間的相干對應普適電導漲落。 第22頁/共46頁10.4 納米電子學 3 量子相干效應 A-B效應 電子在磁場中沿路徑L運動時獲得附加相位( / )LeA dL當電子圍繞一個磁通的路徑a運動（即圖10.12路徑b，加、減號角標分別代表環(huán)繞磁通的方向為順時針和逆時針），獲得相位附加為 ( / )2( / )aeeA dLe 如果一束相干電子被分開為兩束，包圍一定磁通，再重新組合成一束時，無論在路徑上有無磁場存在，其疊加后將出現振幅隨磁通

15、量變化的振蕩，振蕩周期為磁通量子0=h/e(即/0為整數)。Aharonov和Bohm的研究結果后來被實驗所證實，稱為A-B效應。 第23頁/共46頁10.4 納米電子學 3 量子相干效應 AAS效應 在觀測A-B效應的實驗中，人們發(fā)現其傅里葉譜上除h/e峰外，還有h/2e峰。這個以h/2e峰所表明的特征，稱為AAS效應。這種周期振蕩與相干背散射有關。其物理圖像是這樣的，當電子波被初始散射體散射后，兩個分波分別沿順時針和逆時針路徑傳播，也就是沿著互為反演的路徑傳播，見圖10.12中的路徑a。盡管每次散射，振幅可能有所削弱，但對于散射體n，彈性散射過程“n”和逆過程“n”的振幅和相位的變化應該是

16、相同的。結果，兩個分波在回到初始散射體時振幅和相位相同，因而發(fā)生相位干涉。這是電子波局域化傾向的表現，導致了樣品電導的降低。當磁通由環(huán)形路徑包圍時，沿順時針方向路徑，磁矢勢的相位改變?yōu)?，而逆時針方向相位改變?yōu)?。兩個波在初始點相遇時的相位差為2于是所產生干涉的相應周期為h/2e，而不是h/e。 第24頁/共46頁10.4 納米電子學 3 量子相干效應 普適電導漲落 由于費米能的變化，載流子可能經過不同的路徑繞道雜質。在這些路徑上費米能略有差異。 stone證明這種量子漲落是介觀系統(tǒng)中相當普通的現象。而且這些漲落是與時間無關的。也就是說，漲落的產生與費米能級的變化相關，在時間上是相當穩(wěn)定的。漲落

17、與散射中心在樣品中精確位置分布有關。所以不同的樣品有不同的漲落。 電導漲落幅值的數量級是e2/h，是一個普適量，與樣品特性無關。理論研究還表明，電導漲落的幅值與樣品的形狀及空間維數只有微弱的依賴關系。由于電導漲落的幅值具有這一普適特性，故稱為普適電導漲落。 第25頁/共46頁10.4 納米電子學 4 量子霍爾效應 2DEG 電子能量的本征值 222201222zznkkEnmm表明：電子在垂直磁場平面內的圓周運動對應一種簡諧運動，以0為園頻率，能量是量子化的，這些量子化的能級稱為朗道能級。 2(1,2,3,)xye iih朗道能級可容納電子的面密度 12leBn若2DEG的面密度為ns，定義

18、2/sslnnneB為朗道能級的填充因子 第26頁/共46頁10.4 納米電子學 4 量子霍爾效應 可以得出，2DEG系統(tǒng)的電子密度/snieB h 填充因子v為整數，表明整數量子霍爾效應是朗道能級被填滿的情況。出現電導平臺，即B或ns變化時，在一定的范圍內，電導保持不變。 因此量子霍耳效應是與因無序而存在的局域態(tài)相關，而與材料無關。 又發(fā)現了分數型量子霍爾效應 ，如1/3，2/3，2/7，5/9，8/3 第27頁/共46頁10.5 納米電子器件 納米電子器件主要有兩類：一是固態(tài)納電子器件，主要包括量子點(QD)器件、諧振隧穿器件(RTD)、單電子晶體管(SET)和單電子存儲器(SEM)等；二

19、是分子器件，主要包括量子效應分子器件和電機械分子電子器件。 也可以簡單劃分為電子波器件和單電子器件。第28頁/共46頁10.5 納米電子器件 1 共振隧穿器件 利用量子力學量子隧道效應 包括諧振隧穿二極管（RTD）和諧振隧穿晶體管（RTT） 諧振隧穿二極管（RTD）基于雙勢壘-量子阱結構的量子力學性質 勢阱中存在電子的分離的束縛態(tài)能級Ei。具有Ei能量的電子有較高幾率出現在勢阱中，以速度 來回振蕩，振蕩周期為 。 對雙勢壘而言，穿透整個雙勢壘-量子阱結構的幾率可達到100%。即可實現諧振隧穿現象。/vk m 2 /L v第29頁/共46頁10.5 納米電子器件第30頁/共46頁10.5 納米電

20、子器件 諧振隧穿二極管（RTD）RTD的I-V特性存在有負阻（如圖10.14(b)所示）。因為當電壓使得發(fā)生諧振隧穿時，通過的電流很大，而逃離諧振時電流即變得很小，從而產生負阻；谷值電流主要來自過剩電路（包括經由勢壘材料高能的隧穿過程和聲子、雜質協助的隧穿過程所形成的電流）；在電壓高于谷值電壓時，電流時熱離子電流（由越過勢壘的熱電子和經過量子阱較高分離能級注入的電子所形成，類似隧道而激光中的熱擴散電流）。此外，TRD的I-V特性還存在有過個峰值和多個谷值的現象，這正好是對應于勢阱中不同能級的諧振情況。第31頁/共46頁10.5 納米電子器件 諧振隧穿二極管（RTD）RTD的工作頻率高達712G

21、Hz （0.3W ）； IMPATT二極管400GHz（0.2W ） ；耿氏二極管193GHz（34mW）易于與其他器件進行集成 表10.1 用不同器件技術實現數字邏輯功能時，所需的有源器件的數目 第32頁/共46頁10.5 納米電子器件 諧振隧穿晶體管（RTT） 包含一個RTD和一個晶體管 考慮將RTD結構引入到BJT晶體管的發(fā)射極，并將該BJT晶體管連接成共發(fā)射極電路 第33頁/共46頁10.5 納米電子器件 共集電極連接的單極RTT的工作原理 第34頁/共46頁10.5 納米電子器件 諧振隧穿晶體管（RTT） 諧振隧穿器件都是電壓控制器件。通過改變柵極電壓來把量子阱相對于源的能級進行調整

22、，使得實現電流開關或放大。因此，用小的柵極電壓可以控制流過器件的大電流。 諧振隧穿器件可用作為開關或（和）放大器。這種納米尺寸的量子效應器件，在開關性能上比MOSFET更為優(yōu)越。 諧振隧穿器件可實現多態(tài)邏輯功能。減少器件數目，降低熱耗散。 第35頁/共46頁10.5 納米電子器件 2 單電子器件 單電子晶體管主要基于納米隧道結的庫侖阻塞效應來工作。它是一個柵控串連雙隧穿結三端開關器件，電子將一個接一個地從源端轉移到漏端。SET的結構與MOSFET的結構幾乎相同，它采用隧穿結代替MOSFET 的pn結，采用島代替M0SFET的溝道區(qū)域。 SET工作必須滿足的基本條件，也是要實現庫侖堵塞需要滿足的基本條件，主要有：（1）源-漏之間的電阻量子電阻h/q226k；（2）量子島的電容要足夠?。ㄊ沟胵2/2CkT）。第36頁/共46頁10.5 納米電子器件圖10.18 SET的基本結構 這種結構可以看成是由兩個隧道結夾有一個量子島而構成的 圖10.19 SET的庫侖阻塞電子的隧穿過程是：若開始量子島中N=0，則隨著電壓的上升，首先結2脫離阻塞而隧穿，然后結1脫離而隧穿，產生隧穿電流。因此量子島的狀態(tài)變化是N=0(-1)0(-1) 第37頁/共46頁10.5 納米電子器件圖10.20 SET的庫侖臺階 臺階的寬度(庫侖間隙對電荷Qp