納米電子學(xué)與納米加工

1、納米電子學(xué)與納米加工第1頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二 納米電子學(xué)的含義: 在0.1-100nm的納米結(jié)構(gòu)(量子點(diǎn))內(nèi)探測(cè),識(shí)別與控制單個(gè)量子或量子波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,研究單個(gè)原子,分子人工組裝和自組裝技術(shù),研究在量子點(diǎn)內(nèi),單個(gè)量子或量子波所表現(xiàn)出來的特征與功能,用于信息的產(chǎn)生,傳遞和交換的器件,電路和系統(tǒng)及其在信息科學(xué)技術(shù),納米生物學(xué),納米測(cè)量學(xué),納米顯微學(xué),納米機(jī)械學(xué)等中應(yīng)用的學(xué)科。第2頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米電子學(xué)的三個(gè)主要方向：集成微系統(tǒng)。量子或納米器件。在上述基礎(chǔ)上，開發(fā)和建立納米和量子 級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算，管理以及量子通信

2、網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)科學(xué)。第3頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二 納機(jī)電系統(tǒng)（Nanoeltctromechanical Systems, NEMS）研究尺度在1-100nm范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)、元件和系統(tǒng)的性質(zhì)與應(yīng)用。MEMS和NEMS這兩個(gè)前后來到，相互聯(lián)系又不相同的微系統(tǒng)，正代表微米納米技術(shù)的關(guān)系。和硅微電子加工相比，NEMS的材料廣和加工的空間分辨率高。NEMS可能對(duì)傳感、醫(yī)學(xué)診斷、顯示和存儲(chǔ)等應(yīng)用帶來革命性影響。第4頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二 美國(guó)康乃爾大學(xué)的一個(gè)科研組最近研制出可進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)械由金屬鎳螺旋槳（直徑為150納米、長(zhǎng)為7

3、50納米）、生物電機(jī)和鎳柱體（直徑為80納米、高為200納米）三部分組成，是一個(gè)有機(jī)的的和無機(jī)的混合系統(tǒng)，它的大小與病毒微粒（171000納米）差不多，將來可以在人體細(xì)胞內(nèi)施放藥物和清除細(xì)胞的缺陷等任務(wù)。電機(jī)的動(dòng)力來自人體的生物“燃料”-一種化學(xué)物質(zhì)ATP（Adenosine Triphosphate 腺苷三磷酸鹽），它轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，使得金屬推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速達(dá)到每秒8圈，可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)半小時(shí)。這種設(shè)備的三個(gè)組件放在一起就能進(jìn)行自組裝、維護(hù)和修理。鎳螺旋槳的制作用了電子蒸發(fā)、電子束暴光和各向同性刻蝕，并涂有化學(xué)薄膜。這種新技術(shù)仍處于研制初期，其成功率還不高，約為5/400。在人體細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行醫(yī)療任

4、務(wù)的實(shí)驗(yàn)也需幾年的時(shí)間才能完成。第5頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二第6頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二第7頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二未來的system-on-a-chip:第8頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米電子學(xué)發(fā)展的預(yù)測(cè)：第9頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二分子電子學(xué)： 主要是利用共價(jià)鍵分子結(jié)構(gòu)，與本體襯底分子隔離。器件的線和開關(guān)由單個(gè)的分子和納米尺度超分子結(jié)構(gòu)組成。第10頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二第11頁，共50頁，2022年，

5、5月20日，10點(diǎn)5分，星期二第12頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二常規(guī)概念的微電子技術(shù)發(fā)展的極限：原理性限制：10nm以下，半導(dǎo)體晶體的原子間距，熱擾動(dòng)，量子擾動(dòng)，電磁擾動(dòng)，量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理和光速等將成為原理性限制的基本因素。技術(shù)性限制：20-25nm，短溝道效應(yīng)，漏電流，導(dǎo)通電阻減小，速度飽和與擴(kuò)散層固溶度等將成為技術(shù)性限制的主要因素。第13頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二ULSI-超集成化，超高集成器件制造成品率下降，特性不均勻和可靠性差等，嚴(yán)重阻礙了集成度的進(jìn)一步提高。工作速度，超細(xì)布線電阻增大，布線增長(zhǎng)導(dǎo)致電阻/電容比增大，雜散電容的

6、增大等抑制了速度的提高。復(fù)雜性限制，設(shè)計(jì)，測(cè)試和檢驗(yàn)時(shí)間的猛增，是復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的必然結(jié)果。經(jīng)濟(jì)性限制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，制作成本上升，工藝復(fù)雜，設(shè)備成本增大。第14頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二微電子器件的發(fā)展材料：高純硅，鍺，鎵砷工藝：光刻，摻雜，外延技術(shù)理論：半導(dǎo)體物理材料：無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料工藝：分子尺度上的自組裝和剪裁技術(shù)理論：納米器件的量子統(tǒng)計(jì)理論納米電子器件的發(fā)展第15頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米尺度的新效應(yīng)：量子相干效應(yīng)(Quantum interference effect)A-B效應(yīng)(Aharonov-Bohm effect)

7、量子霍爾效應(yīng)(Quantum Hall effect)普適電導(dǎo)漲落特性(Universal conductance flutuations)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)(Coulumb blockade)海森堡不確定效應(yīng)(Heisenberg uncertainty effect)第16頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二 當(dāng)電子被限于兩個(gè)空間相距很近的勢(shì)壘之間的島區(qū)時(shí)，所遇到的兩個(gè)基本的量子力學(xué)效應(yīng)是：（1）電子在勢(shì)阱中能量量子化，形成分立 的量子態(tài)；（2）勢(shì)壘越薄，占據(jù)低于勢(shì)壘高度能態(tài)的 電子有一定的隧穿進(jìn)入島區(qū)或離開島 區(qū)的幾率；第17頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分

8、，星期二納米電子器件的分類：第18頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二共振隧穿效應(yīng)示意圖：第19頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二共振隧穿：當(dāng)勢(shì)壘中夠薄時(shí)，微觀粒子穿透勢(shì)壘的隧道效應(yīng)十分明顯。對(duì)于多勢(shì)壘的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，當(dāng)鄰近量子勢(shì)阱的子能帶相同時(shí)，隧穿幾率發(fā)生共振，叫共振隧穿。江崎和朱兆祥在1974年首次觀察到在雙勢(shì)壘半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的共振隧穿現(xiàn)象。第20頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二庫(kù)侖阻塞效應(yīng)示意圖：第21頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二庫(kù)侖阻塞效應(yīng) 當(dāng)體系的尺度進(jìn)入納米級(jí)，體系是電荷量子化的，即充電放電

9、過程不連續(xù)，充入一個(gè)電子所需的能量為e2/2C,體系越小，能量越大。稱為庫(kù)侖阻塞能，它導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸。第22頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二Single electron tunnelling devices are predominantly aimed at high-density, low-power memory markets especially since a number of the designs are a miniature version of flash memory techno

10、logy. There are a number of designs for low power SET logic, but as yet none have been demonstrated at room temperature.第23頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二Resonant tunnelling diodes (RTDs) have demonstrated numerous applications and potential markets including digital to analogue converters (DACs), cloc

11、k quantisers, shift registers and ultralow power SRAM. The RTDs may be designed for much higher speeds than CMOS for DACs,etc. typically in the speed range 10 to 100 GHz or for much lower power than CMOS such as the SRAM technology.第24頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米電路美國(guó)Georgia技術(shù)研究所把RTD和CMOS硅電路相結(jié)合制造的納

12、米電路使速度功率和電路復(fù)雜性都比只用CMOS電路有根本改善。一個(gè)帶六個(gè)單元的器件的一位時(shí)鐘比較器相當(dāng)于所有CMOS設(shè)計(jì)電路中的21個(gè)單元。美國(guó)Stanford大學(xué)利用共振隧穿器件研制成單片觸發(fā)電路。第25頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二SET面臨的主要挑戰(zhàn)和困難:1. Background charge fluctuations remain the biggest technological bottleneck. In order to reduce the perturbation of these effects on SET circuits the crit

13、ical dimension must be on the order of 2 nm. Unless significant progress can be made in controlling the background charges, it seems unlikely that Coulomb blockade circuits can be integrated on a large scale.2. The required uniformity of devices is extremely demanding, raising doubts if they can be

14、manufactured with the required tolerances at a reasonable price.第26頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二3.Even assuming that large scale integration is possible, solutions must be found on how to overcome the electrostatic interactions between devices.4.Error tolerance for Coulomb blockade devices has not be

15、en investigated in great detail but it seems likely that in order to have adequate tolerances the device must operate either at lower temperature or higher voltage (and hence power).第27頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二RTD面臨的主要挑戰(zhàn)和困難:1. The major problem is the extreme sensitivity of device characteristics

16、 to the thickness of the tunnelling well as the tunnelling current depends exponentially on the thickness of the tunnel barrier. 第28頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二2. operation can only be realised in III-V semiconductors at present although recent demon-strations of interband tunnelling in Si /SiGe dev

17、ices have been demonstrated with peak-to-valley ratios (PVR) of 2.05 and a peak current density of 22 kA/cm 2 Rommel 1998. RTDs in SiGe have also been fabricated but with PVRs of 1.2 and current density of 400 A/cm 2 .The preferred system would be Si/SiO 2 RTDs Klimeck 1997 which would allow CMOS co

18、mpatible processing and integration of RTDs with CMOS circuits but there are problems with growing single crystal Si between SiO 2 barriers.第29頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二3. For THz oscillator applications, a high output power from the RTD device is important. At present the output powers are quite

19、low (W) and require improvements ( mW).第30頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米加工方法：1. 薄膜生長(zhǎng)技術(shù)；（MBE,MOCVD等)2. 用于CMOS的加工技術(shù)；3. 新興的納米加工技術(shù)；第31頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二用于CMOS的加工技術(shù):光刻蝕技術(shù)；超紫外線刻蝕技術(shù)；X射線刻蝕技術(shù)；電子束濺射；離子束濺射；第32頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二新興的納米加工技術(shù)：電子束納米刻蝕；基于SPM的納米加工技術(shù)；Nanoimprint;分子自組裝技術(shù)；第33頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二第34頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二不同加工技術(shù)的比較：第35頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二基于SPM的加工技術(shù)原子操縱；機(jī)械刻劃；電子束誘導(dǎo)沉積；電子束曝光；電場(chǎng)誘導(dǎo)氧化；針尖材料沉積；光效應(yīng)；第36頁，共50頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二AFM氧化加工方法：光柵掃描加工方式 （探針在進(jìn)行逐行掃描的過程中，SPM系統(tǒng)依據(jù)探針的位置和圖形點(diǎn)陣編碼來調(diào)整探針與樣品的作用參數(shù)）矢量加工方式 （要求依據(jù)加工的圖形結(jié)構(gòu)制定出探針的移動(dòng)路徑和相應(yīng)的加工