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Chapter4纳电子学基础•本章提要：•本章主要涉及纳电子学这门新兴学科的入门知识，讲述了纳电子学的基本概念及其器件应用，为以后进一步的学习打下基础。涉及的内容比较笼统，大家的目标主要是了解。纳电子学简介•纳米电子学(也常称为“纳电子学”)是纳米科技的重要分支之一。其主要目标是研究并且制造超小尺寸、低功耗的电子器件及其组成系统。•由于纳米电子学研究的对象(器件、信号、功率、能量等)处于纳米尺度。而电子在这个尺度下其行为将明显不同于在传统电子器件中的运行规律，即必须考虑电子的“量子效应”。也正是因为这些量子效应工作的量子器件，才使得人们可以开发出性能远远优于现在电子器件的新一代产品，带来第三次的电子学革命。信息技术发展的趋势•当前信息技术不断进步主要归功于低价格、高速度、高密度和高可靠的信息表述和处理方式的进步•计算机技术取得成功的关键是固体电子器件小型化和集成度的持续不断提高•先进的多媒体技术和社会对信息处理的需求都要求进一步减小芯片的器件尺寸发展趋势Moore定律Intel创始人之一GordonE.Moore英特尔微处理器的发展规律集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。发展趋势Moore定律如何延续？存储器的发展历程发展趋势硅工业硅技术创造了今天信息技术的神话极限？量子器件是未来的神话纳米电子学是工业发展的必然2005预测(ITRS)—TheInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors特征尺度节点90纳米的Prescott•经典纳米电子学时代开始的标志–2003年下半年英特尔等世界顶级IC公司陆续量产90nm芯片技术的实际发展比国际半导体技术蓝图ITRS2001／2003预测2004年实现90nm工艺的规划提前了一年Prescott所采用的半导体工艺栅极宽度50nm65纳米的Conroe•2005年底、2006年初世界半导体市场“霸主”英特尔量产65nm芯片•比ITRS2003要求2007年实现65nm工艺的规划整整提前了一年65nmConroe的晶体管数目是2亿9100万Conroe的尺寸为143平方毫米45纳米的Penryn2008年上半年，Intel有三座300mm工厂生产45nm处理器。45nmPenryn移动版TDP35W，桌面版TDP65W，服务器以及EE版TDP80W。Intel45nmPenryn双核处理器集成4亿1000万晶体管,四核达到了8.2亿；Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右纳米尺度器件•90nm、65nm、45nm、…MOSFET相继问世，经典IC的特征尺度已经达到亚100纳米的尺度范围。•图为纳米尺度MOSFETIntel发展趋势经典纳米电子学的困难•MOS器件进入纳米尺度遇到：•物理问题•技术上的困难•如何面对技术发展：•–克服困难、解决问题，维持IC进一步小型化——了解问题和困难的实质，研究解决方案——经典纳米电子学的核心问题•–应对即将到来的经典电子学的极限—问题和困难最终会终结经典电子学的寿命—为下一代电子学作技术准备—量子纳米电子学经典纳米电子学物理问题•物理效应–量子效应•量子化效应•隧穿效应•干涉效应•–介观效应•弹道输运•电导涨落•单电子现象•散粒噪声经典纳米电子学量子化效应(a)势阱和量子化能级(b)经典与量子力学电荷密度对比经典纳米电子学隧穿效应热发射FN隧穿直接隧穿束缚态隧穿带－带隧穿漏电流功耗占总功耗的比例变大经典纳米电子学弹道输运弹道极限准弹道输运非弹道电子比例漂移－扩散输运弹道输运需要量子理论经典纳米电子学电导涨落J.H.P.Scott-Thomas,S.B.Field,M.A.Kastner,H.I.Smith,andD.A.Antoniadis（1989）经典纳米电子学技术困难•阻碍半导体器件进一步缩小，集成度进一步提高的具体的技术因素：•–强电场•–热耗散•–材料非均匀性的影响•–氧化层厚度减少和非均匀性•–工艺精度和制造价格•–……强电场•对于尺度非常小的器件，在短距离内加偏置电压，器件中会产生很强的电场。•载流子在强电场加速下，并通过碰撞，使大量电子具有很高的能量，会出现所谓载流子热化现象。•具有很高的能量的电子跑出半导体，引起“雪崩击穿”，电流急剧增加并且器件受到破坏。•这个问题在纳米尺度半导体器件中会很严重热耗散•随着器件尺寸缩小和集成电路密度提高，散热问题会越来越严重•由于过热会引起电路失效，所以必须限制集成电路的热功率热功耗对于任何类型纳米尺度器件的高密度封装都是严重的问题漏电流的功率非均匀性•若MOSFET栅长50nm,栅宽100nm，如果沟道载流子数目为2＊1012/cm2,沟道中平均有100个电子。•如果存在单个杂质涨落，引起沟道电导变化为实际电导的40％。•这是非常显著的涨落介质厚度•氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从栅极漏出而到达漏极•当氧化层不均匀时，通过薄的地方的漏电流会很大，这些漏电流也包括通过氧化层的直接隧穿电流。•总的漏电流达到一定程度就会影响器件的功能精度和价格•现代集成电路生产设备和生产线的价格已高达以亿元为单位•但是它仍然不能满足纳米尺度的工艺精度要求•研制、开发、制备下一代，精度更高的生产设备，其价格将是天文数字。•经济因素也会成为制约现代半导体技术及一步发展的障碍经典纳米电子学极限预测量子纳米电子学•以量子力学现象和效应为工作原理•量子效应器件•–隧穿器件•–单电子器件•–量子点器件•量子信息处理•–量子计算与量子计算机•–量子通讯•–量子密钥共振隧穿晶体管（RTT）横截面和工作原理草图单电子晶体管（SET）•单电子晶体管（Single-electrontransistors）是利用能够通过栅极调节库仑阻塞效应的结构•除了用金属－绝缘体（氧化层）－金属制造单电子晶体管之外，还可利用处于正常态和超导态之间的金属岛制作单电子晶体管，对此已进行了大量研究（1994）提出了各种SET应用方案:包括计量学中的各种应用，例如各种电流标准在内的各种标准半导体单电子晶体管•第一个半导体单电子晶体管是在2DEG中限制出的量子点中制造的（J.H.F.Scott-Thomas,S.B.Field,M.A.Kastner,H.I.Smith,andD.A.Antoniadis,Phys.Rev.Lett.62,5831989）•第二种类型的半导体单电子晶体管是用刻蚀出的量子点制作（U.MeiravandE.B.Foxman,Semicond.Sci.Technol.10,1995)半导体量子点分类(a)横向量子点结构，(b)竖直量子点结构半导体竖直量子点ImagesTEMimageofaquantumdot.不同形状的半导体量子点2DEG加上横向限制量子点共振隧穿量子点两个耦合量子点纳米电子学的三大领域•纳米精度的制造技术•–纳米制造技术•新器件物理•–经典器件量子效应模拟•–量子器件物理•新的信息处理方法•–纳米电路创新•–量子信息技术纳米制造技术•自顶向下（Top-down）:•–去掉多余的材料制造纳米客体•–异质外延生长技术纳米光刻技术•自底向上（Bottom-up）•–用更小的单元（原子、分子）制造纳米客体•–扫描探针技术•–自组织生长技术或自组装技术•–分子电子与化学技术•–有机分子电子与生物技术纳米制造技术自顶向下制造•纵向或竖直方向纳米制造技术•–半导体材料表面异质外延生长•精度可以达到单个原子层•典型技术•–分子束外延（MEB）•–金属有机化学气相沉积（MOCVD）•–化学束外延（CBE）•可制造半导体异质结构选择性生长量子点的图示自底向上制造合成碳纳米管五种不同的碳结构材料：a.石墨b.金刚石c.碳60d.洋葱结构e.碳管自底向上制造分子自组装超分子蘑菇聚合物噻吩线超分子带锯•自组装是指构筑基元在没有人为介入的情况下自发地形成有序结构，它是组装的高级层次。•其构筑基元可以是无机分子，有机小分子，高分子，以及生物大分子等。自底向上制造扫描探针局部氧化制作单电子晶体管新器件物理•纳米结构中电子态•–从能带到能级扩展态与（部分维数）局域态•纳米结构中载流子输运理论—量子输运理论•–载流子的弹道输运理论——兰道尔公式•–电子相干输运理论载流子隧穿输运理论•–介观统计与涨落理论•–自旋输运理论•器件工作原理•–从经典电磁场和经典输运理论到量子力学和量子输运新器件物理纳米结构电子态•低维限制系统中的电子状态密度–二维系统一维系统零维系统新器件物理纳米结构电子态•低维限制系统中的电子状态二维系统（一维限制）——一维量子阱，二维电子气一维系统（两维限制）——一维量子线零维系统（三维限制）——原子、三维箱中粒子、刚性球中的粒子一维量子线电子波函数新器件物理纳米结构电子态•描述方法–包络函数法波包方法•磁场对低维系统电子态的影响–边沿态磁化电子自旋极化电子新器件物理量子输运理论量子点接触电导量子化兰道尔公式相当于电子波通过单缝、双缝、三缝的衍射、干涉新器件物理量子输运理论扩散－漂移输运与弹道输运L—结构的尺度,le—弹性平均自由程,lin—非弹性平均自由程新器件物理纳米量子器件自旋电子器件新器件物理纳米器件进程王中林小组开发出具有高电压输出纳米发电机•当三层竖直氧化锌纳米线阵列交流发电机相互串联连接时，输入电压可提高到0.243伏特。这个值接近二极管的阈门电压，使得输出电荷的储存成为可能。与此同时，运用低温水热分解方法，通过巧妙的实验设计和组装，研究小组在一般的柔性基底上成功合成出700余列生长方向和晶格取向都平行排列的水平氧化锌纳米阵列。这些水平纳米线相互串并联连接在一起，在仅仅0.19%的慢性形变下，就将输出电压提高到了1.26伏特。•王中林说，这种三维设计的多层纳米发电机也为未来大规模实际应用提供了一条可行的实施方案，如收集风能、潮汐能、引擎的转动、空调或其他机器运转时的机械能、人行走时肌肉的伸缩能或脚对地面的压缩能，甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化而产生的机械能等。（a）基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机（(VING）。（b）基于平行于基片多行生长的纳米线所设计的纳米发电机（LING）。（c）基于一行平行于基片生长的氧化锌纳米线所组成的纳米发电机。（d）在微小形变下能产生1.2伏输出电压的纳米发电机的光学照片。NatureNanotechnology5,366-373(2010)