第七章纳米电子学

第七章纳米电子学过去半个多世纪的历史表明，电子器件的发展对人类社会起着巨大的推动作用。电子管、晶体管、大规模集成电路的出现都对人类的进步有显著的影响，特别是计算机出现以后，微电子器件被广泛应用于人类社会各个领域。电子学的未来的发展，将以“更小、更快、更冷”为目标，只有在这三方面都得到同步发展，电子技术才能取得新的重大发展。美国国防高等技术研究厅（DARPA），不久前提出的超电子学（ultraelectronics）研发计划，就是根据“更小、更快、更冷”的发展目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5~100倍，速度快10~100倍，功耗则要小于现在器件功耗的2%。最终希望达到“双十二”，即1012位的存储器容量（1Terabit）和每秒1012次的运算速度（1000亿次/秒）而且廉价节能。要实现这一目标，电子器件的尺寸必将进入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。因此，微电子器件过度到纳米电子器件是21世纪的必然。第一节微电子技术发展的限制半个世纪以来，微电子技术领域已经发生了两次重大技术革命，一次是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类一计算机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机和通信技术翻天覆地的变化。集成电路的集成度越高，电路中的晶体管的尺寸就越小。集成电路的制程精度一般用最小线宽来表示。1971年，英特尔的4004芯片，时钟速度为108kHz，内有晶体管2300个，制程精度（最小线宽）为10μm；到1999年，英特尔的PentiumⅢ芯片（奔腾Ⅲ芯片），时钟速度已经高达1GHz，内有晶体管2800万个，制程为0.18µm。Pentium4电脑芯片的时钟速度达1.7GHz，制程首次达到了0.13µm。30年来，计算机芯片的速度和集成度都提高了约13000倍，制程则从10µm缩小到0.13µm（130nm），用于集成电路加工的光刻精度提高了约76倍。按照莫尔定律的发展趋势，到2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100nm,达到现代微电子学光刻技术的极限，现有的光刻技术将无能为力而失败。因为，现行的深紫光光刻技术(deepultravioletlithography)深紫光的波长为240nm，它的光刻理论极限是100nm。现行的光刻技术无法加工小于100nm的最小线宽，这是微电子学技术急待突破的技术限制。芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或关来工作的，而“门”的开或关的状态，取决于有无电流通过。要使微处理器中的逻辑门正常工作需要数百个甚至上千个电子的电流，随着芯片集成度和时钟速度的提高，所需要的电子数还会进一步增加。然而，芯片内线宽的减小会导致单位时间内流过逻辑门的电子数大幅度递减少，当电子数减至数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或“关”时就会处于不确定状态，使逻辑门无法正常工作。这是电子行为对微电子学的技术限制。目前，电子器件功耗过大也是微电子学技术发展的又一个主要限制。当今的微电子器件，即使通过芯片的新设计制作方法（多层芯片设计技术及其芯片中采用的铜线连接技术等）和光刻加工技术的改进（超紫外光刻技术），虽然在一定程度上可以提高电路的集成度，但由于目前的微电子器件的工作电流很大，功耗也很大。特别是随着芯片的集成读和时钟速度大幅度提高，电子在电路中流动的速度越来越快，功耗也会呈级数增加，最终导致芯片不能正常工作。同时由于功耗太大芯片会过热，造成芯片寿命缩短，可靠性降低。总之，目前微电子器件的光刻技术、电子行为和功耗过大是当前微电子技术进一步发展的三大限制。它的突破要依靠纳米电子学技术的发展。第二节纳米电子技术的主要领域纳米电子技术是以在纳米电子学理论为基础，开发下一代微电子器件—纳米电子器件的技术总称。它的研究范围主要是三个方面：纳米电子学理论、纳米电子器件和纳米电子材料及其组装技术。一、纳米电子学纳米电子学是纳米电子器件的理论和技术基础。纳米电子学的发展，将基于纳米尺寸显著的物理特性。目前人们已经认识到，其特性除材料固有的特性外，还与维数和尺寸有密切的关系。在纳米物理长度内，出现的主要新效应有：量子相干效应（Quantuminterferenceeffect），A-B效应（Aharonov-Bohmeffect），即弹性散射不破坏电子相干性，量子霍尔效应（QuantumHalleffect），普适电导涨落（Universalconductanceflutuations）特性，库仑阻塞（Coulumbblockade）效应，海森堡不确定效应（Heisenberguncertainty）等。在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特性，纳米电子学就讨论这些特性的规律和利用其规律制成功能器件的学科。目前人们正在争论的一个问题是：量子计算能否实现？其基础是与信息加工有关的量子系统的基本特性，主要有：（1）叠加性（Superposition），量子计算可以存在经典Boolean态的任意复杂的结合；（2）相干性（interference），在叠加中中的并行计算路径，类似粒子通过干涉仪可能彼此加强或消弱，与它们的相位有关；（3）牵连性（Entanglement），一个完全量子系统的某个定义态与它的部分态不相对应；（4）不确定性（Uncertainty），即使没有干扰，也不能精确地知道一个量子态是否被占据。这样，量子信息加工系统显示了某些与传统情况惊人的不同。量子计算思想先由IBM的C.H.Bennett提出，引起理论和实验科学家的兴趣，做了很多工作。1996年3月又报道了量子计算的逻辑门实验结果，对此也有人怀疑。法国巴黎第六大学的S.Haroche等人认为一些观点是可取的。但是，由于还有许多问题有待解决，实验证明还难以做到，实现量子计算还只是梦想。二、纳米电子器件Moore定律提出以后，曾有相当一部分人认为下一代的器件是分子电子器件，其理论基础是分子电子学。经过几年的工作逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间，有个过渡时期——纳米电子器件，即信息加工的功能元件不是单个分子，而是原子团——有限个原子构成的纳米尺度得体系（含102~109个原子）。这样，实现微电子器件“更小”，走向纳米电子器件的方向就有两个：以Si、GaAs等为主的无机材料的固体电子器件尺寸小下去，与基于化学有机高分子和生物学材料组装功能材料尺度大起来，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件——跨世纪的信息功能器件。这个构想表明在图7-1中，图中固体科技与化学发展的影线带交叠的区域就是21世纪初期的基础科学与高技术研究领域。因此，纳米电子学的理论、材料和加工技术都将与有机/无机材料的组装有关。1、单电子晶体管单电子晶体管（SingleElectronTransistor,SET）是基于库仑堵塞效应（CoulombBlockadeEffect）和单电子隧道效应（Single-ElectronTunnelEffect）的基本物理原理，而出现的一种新型的纳米电子器件。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。单电子晶体管是库仑阻塞效应和单电子隧道效应的直接应用，单电子晶体管具有功耗低、灵敏度高和易于集成等优点，被认为是传统的微电子MOS器件之后最有发展前途的新型纳米器件。单电子晶体管于1994年首先由日本科学家在实验室研制成功，使用的硅和二氧化钛材料的结构尺寸都达到了10nm左右的尺度。单电子晶体管的研制近几年已经走向成熟，成为纳米电子器件研究的热点，不少国家都研制出不同尺度和结构的单电子晶体管基型器件。单电子晶体管的结构原理如图7-2所示。单电子晶体管由两个隧道结串联组成，两个隧道结分别称为源（source）与漏（drain），与其相连接的中间部位称为岛（centralisland），也叫栅极（gate），由置于其旁边的门电极控制，能够实现单电子控制使SET处于开或是关状态。图7-3是纳米尺度单电子晶体管的基本构造。它的两个隧道结有两条纳米尺度的TiO线组成，它们对电子隧穿时构成的势垒（TiO/Ti）高度为285meV。中心岛区域是由TiO围着的金属Ti材料部分组成。晶体管的源极和漏极分别接在金属Ti上，栅极则连接在Si基板上。这种型式的栅极被成为背向式栅极。单电子晶体管的中心岛（栅极）是由几个单分子构成时，其尺度就在分子尺度内。目前用作栅极的材料有液晶分子、C60(碳60分子)和碳纳米管等。图7-4是用C60和碳纳米管构成中心岛的分子尺度的单电子晶体管的实例。其中（a）为C60与Au（金）制备的源极和漏极之间的间隙可达1nm，并形成两个隧道结。在(b)中，碳纳米管生长在具有两个金属电极（如Pt）的表面上，在碳纳米管和金属电极之间的两个接触点处形成两个隧道结。2、纳米尺度的单电子存储器超高密度信息存储器主要是数字0和1的存储，它是纳米电子学的重要内容之一。用制作单电子晶体管的加工方法，也可以加工出利用单电子隧道效应的单电子存储器。图7-5是一种单电子存储器的结构原理图。这种单电子存储器具有一个控制单个电子隧穿的多隧道结Ctt（由5~7个单隧道结组成，每个隧道结的长度和宽度均为15nm）和一个用于电子存储的电容Cgt，电子存储节点通过存储器栅极电容Cg与一个用于检测存储电子数量的单电子晶体管中心岛藕合连接。计算表明，存储电容Cgt和栅极电容Cg分别为410-19F和3.410-21F，Cg和Cgt相比要小两个数量级以上，因而Cg的藕合连接不会对节点处存储的电子数产生影响。在整个器件中，共有4个电极，其中1个电极（VMEM）用于电子的存储控制，另外3个电极分别是测量用单电子晶体管的源极（VS）、漏极（VD）和栅极（VG）。对于某些特定材料的薄膜两边加一电压，当达到一定值时，器件可能由绝缘状态（0态）转为导电状态（1态）。通过某种刺激（如反向电场、电流脉冲、光或热等）又可使器件由0态恢复到1态。这种通过电实现0与1状态转变的器件，称之为点开关器件。当外电场消失时，0或1状态能够稳定存在，即具有记忆特性，称之为存储器件。这种开关记忆特性发现于无机半导体材料的薄膜器件，近20年来，科学家也在探索有机或无机金属复合薄膜制造开关记忆元件。含碳的有机及有机金属化合物由于体积小、重量轻、组成及结构多变、易于裁剪和组装，潜在成本低，更重要的是提供了超快响应的可能性。三、纳米电子材料及其组装技术纳米电子材料是人们积极探索的重要领域，由于它的特性是体积小（109个原子）、纯度更高（杂质缺陷少，10-8）信号功率更低（pJ）、信号的写入读出的响应速度快（ns），吸引不少科学家关注。其中，无机和有机复合膜的结构与特性的研究是热点，不断出现新的研究报道。研究、制造纳米电子材料最重要的问题是工具和手段。目前，扫描探针显微镜（SPM）不仅是表面分析的有力工具，也是进行纳米加工、原子操纵、制造纳米器件的有力武器。近年来，人们在探索超高密度信息的读写方法和有关材料结构性能分析、表征时也借助于SPM。SPM有多种衍生结构，其中用于信息读写研究的主要有：扫描隧道显微镜（STM）、原子电力显微镜（ASM）、扫描隧道谱（STS）、扫描近场光学显微镜（SNOM）、磁力显微镜（MFM）等。用SPM技术可以实现样品的纳米尺度观测、加工，同时可以利用针尖与样品之间的电压、电流、近场光束和磁极作用，进行信号的写入、读出和擦除。第三节纳米电子技术发展概况以微电子器件为基础的计算机和自动化电器进入社会各个领域，成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米技术，这即是微电子器件小型化的必然趋势，也是纳米电子器件的诱人应用前景召唤。目前，研究纳米电子器件有两条途径：一是微电子器件逐渐小下去的方法，称为自上而下路线；二是利用有机/无机分子组装功能器件，称为自下而上路线。现在的研究侧重于后者。考虑到计算机主要机构分为动态随机处理器和永久存储器，因此一般研究包含两个方面：一是单电子现象和单电子功能器件结构