納米電子器件指利用納米級加工和制備技�(shù),如光刻、外延、微�(xì)加工、自組裝生長及分子合成技�(shù)� ,設(shè)計制備而成的具有納米級�1~100nm)尺度和特定功能的電子器件�
納米電子技�(shù)是指在納米尺寸范圍內(nèi)�(gòu)筑納米和量子器件,集成納米電�,從而實�(xiàn)量子計算機和量子通信系統(tǒng)的信息計�、傳輸與處理的相�(guān)技�(shù),其�,納米電子器件是目前納米電子技�(shù)�(fā)展的�(guān)鍵與核心?,F(xiàn)�,納米電子技�(shù)正處在蓬勃發(fā)展時�,其最終目�(biāo)在于立足的物理理論和的工藝手段,突破傳統(tǒng)的物理尺寸與技�(shù)極限,開�(fā)物質(zhì)潛在的信息和�(jié)�(gòu)潛力,按照全新的概念�(shè)計制造納米器件、構(gòu)造電子系�(tǒng),使電子系統(tǒng)的儲存和處理信息能力實現(xiàn)革命性的飛躍�
目前,人們利用納米電子材料和納米光刻技�(shù),已研制出許多納米電子器�,如電子共振隧穿器件(共振二極管 、三極共振隧穿晶體管 、單電子晶體� 、金屬基 、半�(dǎo)� 、納米粒�、單電子靜電計、單電子存儲� 、單電子邏輯電路、金屬基單電子晶體管存儲�、半�(dǎo)� 存儲器、硅納米晶體制造的存儲�、納米浮柵存儲器、納米硅微晶薄膜器件和聚合體電子器件� �
�(guān)于納米電子器件的分類,國�(nèi)外有著不同的看法。根�(jù)納米電子技�(shù)的發(fā)展和對未來的�(yù)�,一種分法把納米電子器件廣義地分為以下類 �
1 納米級CMOS器件,如絕緣層上硅MOSFET� � �(zhì) �(jié)MOSFET � � 溫MOSFET� � 極MOSFET��
2 量子效應(yīng)器件,如量子干涉器件、量子點器件和諧振隧道器件等�
3 單電子器件,如單電子�、電容耦合和電阻耦合單電子晶體管、單電子�(jié)陣列、單電子�、單電子陷阱��
4 單分子器�,如單電子開�(guān)、單原子點接觸器件、單分子開關(guān)、分子線、量子效�(yīng)分子電子器件、電化學(xué)分子電子器件等;
5 納米傳感�,如量子隧道傳感器等�
6 納米集成電路,包括納米電子集成電路和納米光電集成電路�
7 納米存儲�,如超高容量納米存儲�、隧道型靜態(tài)隨機存儲�、單電子硅基 存儲�、單電子存儲�、單電子量子存儲器等�
8 納米CMOS混合電路,包括納米CMOS電路和三-四族化合物半�(dǎo)體共振隧道效�(yīng)電路,納米CMOS電路和單電子納米開關(guān)電路,納米CMOS電路和碳納米管電�,納米CMOS電路和人造原子電路,納米CMOS電路和DNA電路��
在這種分類�,納米級 器件、納米傳感器、納米存儲器、納米集成電路以及納米混合電路等分別被作為一種獨立的納米器件類型。但事實上,這些納米傳感�、納米級的CMOS器件或電路是否應(yīng)該納入納米器件的范疇,目前還存有爭議.
要制備納米電子器件及實現(xiàn)其集成電�,有兩種可能的方式一種是將現(xiàn)有的電子器件、集成電路�(jìn)一步向微型化延�,研究開�(fā)更小線寬的加工技�(shù)來加工尺寸更小的電子器件,即所謂的“由上到下”的方式。另一種方式是利用先�(jìn)的納米技�(shù)與納米結(jié)�(gòu)的量子效�(yīng)直接�(gòu)成全新的量子器件和量子結(jié)�(gòu)體系,即所謂的“由下到上”的方式�
納米電子器件“由上到下”的制備方式主要是指光學(xué)光刻、電子束光刻和離子束光刻等技�(shù)�
“由下到上”的制備方法則包括金屬有機化�(xué)汽相沉積(MOCVD� 、分子束外延(MBE� 、原子層外延(AEE� 、化�(xué)束外延(BE)等外延技�(shù)、掃描探針顯微鏡(SPM)技�(shù)、分子自組裝合成技�(shù)以及特種超微�(xì)加工技�(shù)��
1 光刻技�(shù)
光學(xué)光刻、電子束光刻與離子束光刻技�(shù)�(tǒng)稱三束光刻技�(shù),是通過掩模、曝光等工藝將設(shè)計的器件圖形�(jié)�(gòu)�(zhuǎn)移到半導(dǎo)體基片上� -% 加工技�(shù) 。目前,隨著光刻技�(shù)線寬的不斷減�,光�(xué)光刻、電子束光刻與離子束光刻技�(shù)已在納米cmos器件、納米集成電路、納米cmos混合電路等加工領(lǐng)域表�(xiàn)出了很好的應(yīng)用前�,并開始在一些納米電子器件加工方面取得了�(yīng)��
2 外延技�(shù)
金屬有機化學(xué)汽相淀� 、分子束外延、原子層外延與化�(xué)束外延技�(shù)�(tǒng)稱外延技�(shù),是在基體上生長納米薄膜的一種納米制造技�(shù),可用于納米集成電路用硅基半�(dǎo)體材� 、納米半�(dǎo)體結(jié)�(gòu):器件的加工與制備�
3 分子自組裝合成技�(shù)
自組裝是依賴分子間非共價鍵力自發(fā)�(jié)合成�(wěn)定的聚集體的過程。自�80年代提出分子器件的概念至今,人們已� lb技�(shù)�(fā)展到了分子自組裝技�(shù),從雙液�(tài)隔膜(blm)技�(shù)�(fā)展到了sblm技�(shù),已在分子組裝有序分子薄�、加工具有特定功能的分子聚集體方面取得了豐碩的成果�
4 SPM技�(shù)
自從 1982年臺掃描隧道顯微�(STM)誕生,以及后來各種掃描探針顯微鏡�(fā)明以來,人類對微;納觀世界的認(rèn)識翻開了新的一�。SPM不僅可以�(jìn)行高分辨率的三維成像和測�,還可對材料的不同性質(zhì)�(jìn)行研�。因�,已不僅是一種微觀測量分析的工�,而且是一種重要的微觀加工與操縱工具�
5 特種超微�(xì)加工技�(shù)
還有一些特殊的超微�(xì)加工技�(shù),可用于加工、制備納米電子器�。它們包括機械控制裂隙連接電極技�(shù)制備Au原子線;納米碳管�(gòu)建FET;以DNA分子、納米碳�、介孔材料為模板,制備量子線以及超精密復(fù)合加工、電解射流加�、電火花加工,電化學(xué)加工技�(shù)等�
由于納米器件的特征尺寸處于納米量�,因�,其機理和現(xiàn)有的電子元件截然不同,理論方面有許多量子�(xiàn)象和相關(guān)問題需要解決,如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效�(yīng)機理��
盡管如此,納米電子學(xué)中急需解決的關(guān)鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相�(guān)的納米電子技�(shù)方面,其主要表現(xiàn)在以下幾個方��
?�?)納� Si 基量子異�(zhì)�(jié)加工
要繼�(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度,最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎猛�?、光刻等技�(shù)制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半�(dǎo)體結(jié)�(gòu)�
其中,不同層通常是由不同勢能的半�(dǎo)體材料制成的,構(gòu)建成納米尺度的量子勢�,這種�(jié)�(gòu)稱作“半�(dǎo)體異�(zhì)�(jié)� 。但由目前的工藝水平,在納米尺度上制造出性能�(wěn)�、可靠的半導(dǎo)體異�(zhì)�(jié)通常是很困難�,因�,必須盡快發(fā)展高性能的納� Si基量子異�(zhì)�(jié)加工技�(shù)�
?�?)分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器�
即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)�,但把這些元件組裝成一個可以運�(zhuǎn)的邏輯結(jié)�(gòu)仍是一個非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個平面上;另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管,Purdue University等研究機�(gòu)在這個方向上取得了可喜的�(jìn)� ,但該技�(shù)何時能夠走出實驗室�(jìn)入實�,仍無法斷言�
�3)超高密度量子效�(yīng)存儲�
超高密度存儲量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件,它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統(tǒng)提供海量存儲手段。但�,有了制造納米電子邏輯器件的能力�,如何用這種器件組裝成超高密度存儲的量子效應(yīng)存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學(xué)研究者提出了新的挑戰(zhàn)�
�4)納米計算機的“互連問題�
一臺由�(shù)萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機注定需要巧妙的�(jié)�(gòu)及合理整體布局,而整體結(jié)�(gòu)問題中首�(dāng)其沖需要解決的就是所謂的“互連問題� 。換句話說,就是計算�(jié)�(gòu)中信息的輸入"輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間�(nèi),并極快地使用和�(chǎn)生信�,需要有特殊的結(jié)�(gòu)來控制和�(xié)�(diào)計算機的諸多元件,而納米計算元件之�、計算元件與外部�(huán)境之間需要有大量的連接。就�(xiàn)有傳�(tǒng)計算機設(shè)計的微型化而言,由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線� ,這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限�,連接的數(shù)量不可能無限制地增加。因�,納米計算機�(dǎo)線間的量子隧穿效�(yīng)和導(dǎo)線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決�
?�?)SPM 納米器件加工技�(shù)效率
SPM 技�(shù)為納米電子器件的加工制備提供了新的途徑。納米電子器件最終要變得實用且經(jīng)濟上可行,則要求納米�(jié)�(gòu)能被迅速大量地組裝出來。然而,目前使用 SPM納米器件加工技�(shù)效率極低,因此,僅靠一臺微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡一次組裝一個納米結(jié)�(gòu)是遠(yuǎn)�(yuǎn)不夠�。如果納米電子器件要實現(xiàn)機械化組裝,則需要大量高效的并行顯微“納米操縱器”來完成�
�6)納� "分子電子器件制備、操�、設(shè)�、性能分析模擬�(huán)�
�(dāng)�,分子力�(xué)、量子力�(xué)、多尺度計算、計算機并行技�(shù)、計算機圖形�(xué)已取得快速發(fā)�,利用這些技�(shù)建立一個能夠完成納米電子器件制�、操�、設(shè)計與性能分析的模擬虛擬環(huán)境,并使納米技�(shù)研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于�(xiàn)有計算機的速度、分子力�(xué)與量子力�(xué)算法的效率等問題,目前建立這種迅�、敏�、精�(xì)的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難�
維庫電子�,電子知識,一查百��
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