微电子学概论ch纳电子器件.pptx

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1、什么是纳米科技什么是纳米科技 纳米科学是研究在纳米科学是研究在千万分之一米千万分之一米到到亿分之一米亿分之一米(10(10-9-9米米)内，原子、分内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的规子和其它类型物质的运动和变化的规律；律；利用这些规律，在这一尺度范围利用这些规律，在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工被称内对原子、分子进行操纵和加工被称为纳米技术。为纳米技术。第1页/共48页0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm知识上的裂缝，一边是以原子、分子为主体的微观世界，另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而简单的联结，存在一个过渡区-纳米世界第2页/共48页

2、纳米体系：量子世界波 粒 二 象 性不确定 原 理第3页/共48页隧穿几率不可不可穿越穿越势垒势垒可隧可隧穿势穿势垒垒经典力学量子力学dEV0第4页/共48页不确定原理经典概念在微观世界可以应用到什么程度经典概念在微观世界可以应用到什么程度第5页/共48页纳米技术研究内容纳米技术研究内容纳米科技主要包含三个重要的支撑技术：纳米科技主要包含三个重要的支撑技术：纳米材料纳米材料:无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳米无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳米材料等；材料等；纳米加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工技纳米加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工技术，分子组装技术等；术，分子组装技术等；纳

3、米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探针纳米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探针显微技术，单分子检测技术等。显微技术，单分子检测技术等。纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形成各类纳米科技研发领域成各类纳米科技研发领域.第6页/共48页OUTLINE纳米技术概述纳米技术概述纳米半导体材料纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线量子点和量子线纳电子器件纳电子器件单电子晶体管单电子晶体管分子结器件分子结器件场效应晶

4、体管场效应晶体管逻辑器件及其电路逻辑器件及其电路第14页/共48页纳米碳管第15页/共48页碳纳米管（碳纳米管（Carbon nanotubeCarbon nanotube）19911991年才被发现的一种碳结构。由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层。第16页/共48页碳纳米管（碳纳米管（Carbon nanotubeCarbon nanotube）含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single(Single walled carbon nanotube,SWNT)walled carbon nanotube

5、,SWNT)，直径一般为，直径一般为1 16 nm6 nm，最小直径大约为，最小直径大约为0.4 nm0.4 nm，SWNTSWNT的直径大于的直径大于6nm6nm以后特别不稳定，会发生以后特别不稳定，会发生SWNTSWNT管的塌陷，长度则可达管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为几百纳米到几个微米。因为SWNTSWNT的最小直径与富勒烯的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。多于一层的则称为多壁纳米碳管多于一层的则称为多壁纳米碳管(Multi-walled(Multi-walled carbon nanotube,MWNT)ca

6、rbon nanotube,MWNT)。SWNTSWNT的的MWNTMWNT的层间距约的层间距约为为0.340.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。在微米量级，最长者可达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。为准一维纳米材料。第17页/共48页碳纳米管和半导体纳米线一维纳米材料n碳纳米管碳纳米管因直径、手性不同而呈现不同的电学特性，因直径、手性不同而呈现不同的电学特性，即金属性或半导体性即金属性或半导体性单壁碳纳米管：单壁碳纳米管：由于单

7、壁纳米管间存在较强由于单壁纳米管间存在较强的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束，且的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束，且C-CC-C共共价键很强，其管壁结构几乎理想价键很强，其管壁结构几乎理想第18页/共48页碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封闭管，其结构可用螺旋矢量闭管，其结构可用螺旋矢量C Ch h和螺旋角和螺旋角来表征来表征其中其中C Ch h可表示为可表示为C Ch h=na=na1 1+ma+ma2 2，其中，其中a a1 1,a,a2 2为基本矢量，因此具有螺旋为基本矢量，因此具有螺旋矢量矢量C Ch h的碳纳米管也就可以用一组整数（的碳纳米管也就可以用

8、一组整数（n,mn,m）表示，）表示，其称为碳纳米管的指数其称为碳纳米管的指数碳纳米管的指数碳纳米管的指数第19页/共48页第20页/共48页-镜面12橙子味柠檬味第21页/共48页n碳纳米管组装器件的局限碳纳米管组装器件的局限金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离n半导体纳米线半导体纳米线总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控，总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控，纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合成过程中合理控制成

9、过程中合理控制一维纳米材料一维纳米材料第22页/共48页n半导体纳米线半导体纳米线 由于硅纳米线表面易氧化，通过氧化层由于硅纳米线表面易氧化，通过氧化层保护保护第23页/共48页量子点和量子线量子点和量子线n量子线量子线碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向形成量子线形成量子线n量子点量子点自由电子在自由电子在x，y方向都加以限制，形成量子点方向都加以限制，形成量子点含有含有11000个可控制的电子个可控制的电子P307 图10.7第24页/共48页纳米材料的四大效应纳米材料的四大效应小尺寸效应小尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应表面效应表面效应宏观量子

10、隧道效应宏观量子隧道效应第25页/共48页 当超细微粒的尺寸与光波波长等物当超细微粒的尺寸与光波波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声声、光光、电电、磁磁、热热、力学等特性呈现力学等特性呈现新的效应。新的效应。小尺寸效应小尺寸效应v光吸收显著增加光吸收显著增加v出现吸收峰的等离子共振频移出现吸收峰的等离子共振频移v磁有序态变为磁无序态磁有序态变为磁无序态v超导相变为正常相超导相变为正常相第26页/共48页 当金属粒子尺寸

11、下降到某一值时，当金属粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，并且纳米半导体变为离散能级的现象，并且纳米半导体微粒存在不连续的被占据分子最高轨道微粒存在不连续的被占据分子最高轨道和未被占据的分子最低轨道能级。和未被占据的分子最低轨道能级。能隙变宽现象称为量子尺寸效应。能隙变宽现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应量子尺寸效应第27页/共48页 纳米微粒尺寸小，表面能高，纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能

12、，使这些表面原子足及高的表面能，使这些表面原子具有高的化学活性、催化活性、吸具有高的化学活性、催化活性、吸附活性附活性表面效应表面效应第28页/共48页 微观粒子具有贯穿势垒的能力微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量，例如称为隧道效应。一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，成中的磁通量等亦具有隧道效应，成为宏观的为宏观的量子隧道效应。量子隧道效应。宏观量子隧道效应第29页/共48页OUTLINE纳米技术概述纳米技术概述纳米半导体材料纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线量子点和量

13、子线纳电子器件纳电子器件单电子晶体管单电子晶体管分子结器件分子结器件场效应晶体管场效应晶体管逻辑器件及其电路逻辑器件及其电路第30页/共48页Nano Science and TechnologyInsect1 m1 mm1 m1 nm 1 MolecularAtomMACRO-MICRO-Condensed Matter PhysicsMeso-physicsbig barrierVacuum TubeSemiconductor DevicesSingle Electron DevicesNANOELECTRONICSAnimal第31页/共48页三代电子器件三代电子器件真空电子管主要是将电

14、子引入真空环境，成为真空电子管主要是将电子引入真空环境，成为自由电子，它具有较长的自由程。自由电子，它具有较长的自由程。晶体管是利用固体中自由载流子通过相对的两晶体管是利用固体中自由载流子通过相对的两个个pnpn结，同时由基极注入结中的少数载流子与结，同时由基极注入结中的少数载流子与多数载流子复合来实现信号放大；多数载流子复合来实现信号放大；MOSMOS管是利管是利用门（用门（g g）电压来控制（）电压来控制（s s）和（）和（d d）极间的电）极间的电流实现信号放大。流实现信号放大。纳电子器件主要为单电子器件，量子效应是信纳电子器件主要为单电子器件，量子效应是信号加工的基础。号加工的基础。第

15、32页/共48页纳电子学纳电子学电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快和更冷，即集成度更高、响应和操作更快和更冷，即集成度更高、响应和操作速度更快、功耗更底。速度更快、功耗更底。在硅上，目前已经生产最小线宽为在硅上，目前已经生产最小线宽为130nm130nm的的电路，再进一步发展到线宽小于电路，再进一步发展到线宽小于100nm100nm时，时，将会遇到两大难题：将会遇到两大难题：1.1.光刻技术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光束光刻技术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光束波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及两者之间

16、的平行度已经成为工艺方面的不可逾两者之间的平行度已经成为工艺方面的不可逾越的障碍。越的障碍。2.2.工艺设备和研发的投资可能远远大于产品的回工艺设备和研发的投资可能远远大于产品的回报。报。第33页/共48页解决的思路解决的思路目前可分为两种类型：目前可分为两种类型：1.1.一是研究开发最小线宽为一是研究开发最小线宽为20-50nm20-50nm的器件，作的器件，作为现有集成电路的进一步微型化延伸，大体延为现有集成电路的进一步微型化延伸，大体延用目前的基本设计思想，但不能使用目前常用用目前的基本设计思想，但不能使用目前常用的光刻、参杂工艺，在材料上需要有新的突破，的光刻、参杂工艺，在材料上需要有

17、新的突破，如使用有机物或聚合物，属于塑料电子学范畴，如使用有机物或聚合物，属于塑料电子学范畴，或称有机纳米电子器件。或称有机纳米电子器件。2.2.另一种是与经典集成电路完全不同的、利用量另一种是与经典集成电路完全不同的、利用量子效应构成的全新的量子结构系统，简称量子子效应构成的全新的量子结构系统，简称量子器件，可能的器件模式有量子点、量子线、量器件，可能的器件模式有量子点、量子线、量子阱、单电子晶体管、单原子开关、自旋电子子阱、单电子晶体管、单原子开关、自旋电子器件、共振隧道器件等，目前还都处于了解基器件、共振隧道器件等，目前还都处于了解基本现象的原理阶段。本现象的原理阶段。第34页/共48页

18、纳电子器件纳电子器件分类分子电子器件：基于碳纳米管或单个C分子固体纳电子器件：基于半导体材料，单电子等特点电导的量子化库仑阻塞和单电子隧穿量子的相干特性显著第35页/共48页电导量子化电导量子化电导是在保持不同费米能级的电子之间的电电导是在保持不同费米能级的电子之间的电子跃迁，对一维体系，子跃迁，对一维体系，考虑电子的自屏蔽作考虑电子的自屏蔽作用用，导出电导率与跃迁几率之间的关系的公，导出电导率与跃迁几率之间的关系的公式：式：C C为与系统结构和特性有关的常数，为与系统结构和特性有关的常数，T T为电子为电子的穿透几率。当的穿透几率。当T T=1=1时，电阻为时，电阻为0 0。电导量子化，是量

19、子点接触和单电子器件的电导量子化，是量子点接触和单电子器件的基础。基础。第36页/共48页电导量子化电导量子化满足量子条件的电满足量子条件的电导率是因子导率是因子（e e2 2/h/h）的函数，）的函数，e e2 2/h/h为电导量子。为电导量子。在单电子输运情况在单电子输运情况下，此因子为量子下，此因子为量子化台阶值。化台阶值。第37页/共48页库仑堵塞现象库仑堵塞现象当体系的尺寸进入到纳米级，体系是电荷量子化的，当体系的尺寸进入到纳米级，体系是电荷量子化的，即充放电过程是不连续的。即充放电过程是不连续的。充入一个电子的所需要的能量为：充入一个电子的所需要的能量为：E EC C=e=e2 2

20、/2C/2C e e为电子电荷，为电子电荷，C C为小体系的电容。体系越小，为小体系的电容。体系越小，C C越小，越小，E EC C越大。越大。E EC C称为库仑堵塞能。称为库仑堵塞能。库仑堵塞能可以理解为前一个电子对后一个电子的库仑堵塞能可以理解为前一个电子对后一个电子的库仑排斥。它导致了对一个小体系的充放电过程，库仑排斥。它导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输。电子不能集体传输。小体系的这种单电子输运行为被称为库仑堵塞效应。小体系的这种单电子输运行为被称为库仑堵塞效应。由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线，而是呈现锯齿

21、形状的台阶。是直线，而是呈现锯齿形状的台阶。第38页/共48页隧道效应隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。如果两个量子点通过一个如果两个量子点通过一个“结结”连接起来，一个量连接起来，一个量子点上的单个电子穿过势垒到另一个量子点上的行子点上的单个电子穿过势垒到另一个量子点上的行为称为量子隧穿。为称为量子隧穿。对于一个纳米尺寸的隙缝，电容量为对于一个纳米尺寸的隙缝，电容量为C C。若两极板上。若两极板上的电荷分别为的电荷分别为q q和和-q-q，其静电能为，其静电能为q q2 2/2C/2C。如果它比。如果它比电子的热能电子的热能k kB BT

22、 T大得多，电荷从一个极板到另一个极大得多，电荷从一个极板到另一个极板的传输在低电压时应该受到抑制。板的传输在低电压时应该受到抑制。当当q q q qthth=q/2C=q/2C阈值时，两极板之间将有隧穿电流；阈值时，两极板之间将有隧穿电流；当当q q q qthth时，隧穿消失，电流阻断。时，隧穿消失，电流阻断。只要电源能提供电子，经过一段时间，只要电源能提供电子，经过一段时间，q q将超过将超过q qthth ，隧道又畅通，接着，隧道又畅通，接着q q又小于又小于q qthth，阻塞又发生。如此阻塞又发生。如此往复，形成振荡。往复，形成振荡。第39页/共48页纳电子器件的制造技术纳电子器件

23、的制造技术自上而下自上而下自下而上（未获突破）自下而上（未获突破）第40页/共48页自组织生长自组织生长(自下而上自下而上)第41页/共48页可控的自下而上的组装技术第42页/共48页纳电子器件所面临的问题如何获得性能稳定的晶体管如何组成纳电子器件逻辑电路解决纳电子器件电路中的信息处理第43页/共48页单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管是依据单电子隧道效应和库仑单电子晶体管是依据单电子隧道效应和库仑堵塞效应的基本物理原理设计的纳米结构器堵塞效应的基本物理原理设计的纳米结构器件。件。将一个微结构用隧道结与金属导线弱连接起将一个微结构用隧道结与金属导线弱连接起来，形成的电子器件被称为来，形成的电

24、子器件被称为“单电子晶体管单电子晶体管”。器件中的主要电荷迁移机制是非连续的。器件中的主要电荷迁移机制是非连续的单电子隧道穿越过程。单电子隧道穿越过程。由于这个过程起源于电荷之间的库仑静电相由于这个过程起源于电荷之间的库仑静电相互作用，这个微结构被称为库仑岛。它可以互作用，这个微结构被称为库仑岛。它可以是半导体纳米材料或金属纳米材料。是半导体纳米材料或金属纳米材料。第44页/共48页一旦某一电子隧穿进入一纳米粒子它会对随后而来的第二个一旦某一电子隧穿进入一纳米粒子它会对随后而来的第二个电子进入该纳米粒子起阻挡作用电子进入该纳米粒子起阻挡作用,称为库仑阻塞现象称为库仑阻塞现象.只有等只有等这个电

25、子离开该纳米粒子后外界的第二个电子才可能再进入这个电子离开该纳米粒子后外界的第二个电子才可能再进入该纳米粒子该纳米粒子.利用这种库仑阻塞现象可能人为的控制电子单个利用这种库仑阻塞现象可能人为的控制电子单个的穿过具有纳米结构的器件的穿过具有纳米结构的器件,实现单电子隧穿过程实现单电子隧穿过程.单电子晶体管单电子晶体管n运行机理运行机理电子隧穿电子隧穿库仑阻塞库仑阻塞P312 图10.11第45页/共48页n库仑岛（量子点）库仑岛（量子点）隧道结隧道结两个隧道结之间围成库仑岛（量子点）两个隧道结之间围成库仑岛（量子点）库仑岛库仑岛第46页/共48页作业作业解释单电子晶体管运行机理解释单电子晶体管运行机理:电子隧穿和库电子隧穿和库仑阻塞。仑阻塞。第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页