納米電子器件

納米技術是一門在0.1-100um 尺度空間內, 對電子、原子和分子的運動規律和特性進行研究並加以應用的高科技學科, 它的目標是用單原子、分子製造具有特定功能的產品。國內外科技界已普遍認為納米技術已成為當今研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發展有着十分重要的研究對象。納米科技正在推動人類社會產生巨大的變革, 它不僅將促使人類認識的革命, 而且將引發一場新的工業革命。 ^[1] 

納米技術是2 0 世紀末期崛起的嶄新科學技術領域, 是一個全新的高科技學科羣, 它包括納米電子學、納米光電子學、納米光子學、納米物理學、納米光學、納米材料學、納米機械學、納米生物學、納米測量學、納米工藝學、納米醫學、納米顯微學、納米信息技術、納米環境工程和納米制造等。是一門基礎研究與應用探索相互融合的新興技術。 ^[1] 

納米電子學是在0. 1～ 100nm的納米結構(量子點) 內探測、識別與控制單個量子或量子波的運動規律, 研究單個原子、分子人工組裝和自組裝技術, 研究在量子點內, 單個量子或量子波表現出來的特徵和功能用於信息的產生、傳遞和交換的器件、電路和系統及其在信息科學技術、納米生物學、納米測量學、納米顯微學、納米機械學等應用的學科, 也稱為量子功能電子學。 ^[2] 

納米電子學是納米技術的重要組成部分, 是傳統微電子學發展的必然結果, 是納米技術發展的主要動力。納米電子學在傳統的固態電子學基礎上, 藉助最新的物理理論和最先進的工藝手段, 按照全新的概念來構造電子器件與系統。納米電子學在更深層次上開發物質潛在的信息和結構的能力, 使單位體積物質儲存和處理信息的功能提高百萬倍以上,實現了信息採集和處理能力的革命性突破。納米電子學與光電子學、生物學、機械學等學科結合, 可以製成納米電子/ 光電子器件、分子器件、納米電子機械系統、納米光電子機械系統、微型機器人等, 將對人類的生產和生活方式產生變革性的影響, 納米電子/光電子學將成為21 世紀信息時代的關鍵科學技術。 ^[1] 

按摩爾定律推算， 在未來的10餘年裏， 繼續提高計算機的儲存密度和運算能力將面臨嚴峻的挑戰。這些挑戰既有原理性的物理限制，又有技術性的工藝限制 ^[3]  。其主要表現為：電子器件的尺寸處於微米量級時，其中的電子主要呈粒子性。但是當器件的尺寸小到納米量級時，電子則以波動性為主。電子的波動性是一種量子效應，這時電子器件將在一個全新的原理下進行工作；任何多體系統都存在熱的統計起伏，當器件尺寸縮小到納米量級時，這種熱起伏便會限制器件性能的一致性， 以致集成芯片無法正常工作。

然而，納米電子技術、納米電子器件與納米電子學的出現為微電子技術的發展提供了新的途徑和轉機。這一方面可歸功於微電子技術與納米技術的不斷髮展；另一方面則要歸功於半個多世紀來微電子學與量子物理學對納米電子器件的製備、特性、機理與表徵提供的有力支持。 ^[4] 

納米電子器件指利用納米級加工和製備技術，如光刻、外延、微細加工、自組裝生長及分子合成技術等[!"#]，設計製備而成的具有納米級尺度和特定功能的電子器件。目前，人們利用納米電子材料和納米光刻技術，已研製出許多納米電子器件，如電子共振隧穿器件共振二極管、三極共振隧穿晶體管、單電子晶體管、金屬基、半導體、納米粒子、單電子靜電計、單電子存儲器、單電子邏輯電路、金屬基單電子晶體管存儲器、半導體 存儲器、硅納米晶體制造的存儲器、納米浮柵存儲器、納米硅微晶薄膜器件和聚合體電子器件等。

納米電子技術是指在納米尺寸範圍內構築納米和量子器件，集成納米電路，從而實現量子計算機和量子通信系統的信息計算、傳輸與處理的相關技術，其中，納米電子器件是目前納米電子技術發展的關鍵與核心。現在，納米電子技術正處在蓬勃發展時期，其最終目標在於立足最新的物理理論和最先進的工藝手段，突破傳統的物理尺寸與技術極限，開發物質潛在的信息和結構潛力，按照全新的概念設計製造納米器件、構造電子系統，使電子系統的儲存和處理信息能力實現革命性的飛躍。

基於目前的發展和對未來的預測, 如果將主要納米電子器件進一步分類, 納米CMOS 器件主要有: 絕緣層上硅MOSFET、硅一鍺異質MOSFET、低温MOSFET、雙極MOSFE T、本徵硅溝道隧道型MOSFET等; 量子效應器件包括: 量子干涉器件、量子點器件和諧振隧道器件, 而諧振隧道器件又包括: 橫向諧振遂道器件、諧振隧道晶體管, 諧振隧道場效應晶體管( RTEET)、雙極量子諧振隧道晶體管、諧振隧道熱電子晶體管、縱向諧振隧道器件和隧道勢壘調製晶體管等; 單電子器件主要包括: 單電子箱、電容禍合和電阻禍合單電子晶體管、單電子神經網絡晶體管、單電子結陣列、單電子泵浦、單電子陷阱和單電子旋轉門等; 單原子器件和單分子器件包括: 單電子開關、單原子點接觸器件、單分子開關、分子線、量子效應分子電子器件、電化學分子電子器件等。 ^[1] 

納米傳感器將包括:

量子隧道傳感器和納米生物傳感器; 納米集成電路包撬納米電子集成電路和納米光電集成電路納米存儲器包括: 超高容量納米存儲器、超高密度數據存儲器、隧道型靜態隨機存儲器、單電子硅基M O S 存儲器、單電子存儲器、單電子量子存儲器; 納米CMOS混合電路包括: 納米CMOS電路和1一V 族化合物半導體共振隧道效應電路, 納米CMOS電路和單電子納米開關電路, 納米CMOS 電路和超導單磁通量子電路, 納米CMOS電路和碳納米管電路, 納米CMOS電路和人造原子電路與人造分子電路, 納米CMOS電路和DNA電路, 納米CMOS 電路和納米金屬基自旋電路等主流電路的聯姻, 為納米電子學開創了全新的發展。納米1`v 族化合物半導體器件和電路是指諧振隧道二極管和諧振隧道晶體管與電路, 它在高速、高頻和光電子領域有強大的潛力, 科學家預測,21 世紀納米電子器件、納米光電子器件、納米集成電路、納米光電子集成電路是最有發展前途的。 ^[1] 

納米單電子器件

利用納米電子學採用納米電子材料和納米光刻技術已研製出了許多納米電子器件, 如: 電子共振隧穿器件、電子諧振隧穿器件、共振二極管( R T D )、三端的共振隧穿晶體管( RTT )、單電子晶體管( SET )、單島單電子晶體管( SET )、金屬基SET、半導體SET、納米粒子SET、多島SET、單電子靜電計、單電子存儲器( SEM )、單電子邏輯電路、單電子c M o s 電路、金屬基單電子晶體管( s E T ) 存儲器、半導體S E T 存儲器、硅納米晶體制造的存儲器、納米浮柵存儲器、單電子數字集成電路、單電子晶體管( s ET ) 邏輯集成電路、納米硅微晶薄膜器件( 如諧振隧穿二極管( RTD ) ) 和聚合體電子器件等。

電子波器件

電子波干涉器件、短線波導型干涉器件、MachZender干涉計( 靜電干涉器件)、定向禍合器件、衍射器件、量子線溝道場效應晶體管(FET)、平面超晶格FET、電子速度調製FET諧振隧穿器件等。

量子波器件這類器件中的電子處於相位相干結構中, 其行為以波動性為主, 這類器件包括量子線晶體管、量子干涉器件、諧振隧穿二極管晶體管等。

要製備納米電子器件及實現其集成電路，有兩種可能的方式。一種是將現有的電子器件、集成電路進一步向微型化延伸，研究開發更小線寬的加工技術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進的納米技術與納米結構的量子效應直接構成全新的量子器件和量子結構體系，即所謂的“由下到上”的方式。

納米電子器件“由上到下”的製備方式主要是指光學光刻、電子束光刻和離子束光刻等技術。

“由下到上”的製備方法則包括金屬有機化學汽相沉積、分子束外延、原子層外延、化學束外延等外延技術、掃描探針顯微鏡技術、分子自組裝合成技術以及特種超微細加工技術等。 ^[4] 

光刻技術

光學光刻、電子束光刻與離子束光刻技術統稱三束光刻技術，是通過掩模、曝光等工藝將設

計的器件圖形結構轉移到半導體基片上的加工技術。目前， 隨着光刻技術線寬的不斷減小，光學光刻、電子束光刻與離子束光刻技術已在納米器件、納米集成電路、納米混合電路等加工領域表現出了很好的應用前景，並開始在一些納米電子器件加工方面取得了應用。

光學光刻技術

光學光刻是通過光學系統以投影方法將掩模上的大規模集成電路器件結構圖形“刻”在塗有光刻膠硅片上的技術。它是現在產業半導體加工的主流技術。在這種技術中，通常甲基丙烯酸酯聚合物被用作抗蝕塗層，甲基異丁酮和異丙醇合劑被用作顯像劑。

目前國際微電子領域最引人關注的熱點是新一代光刻技術。限制光刻所能獲得的最小線寬與光刻系統的分辨率直接相關，而減小光源的波長是提高光刻分辨率的最有效途徑。現在，商品化光刻機的光源波長已經從過去的汞燈光源紫外光波段進入到深紫外波段，除此之外，利用光的干涉特性以及電磁理論結合光刻實際對曝光成像的深入分析，採用各種波前技術優化工藝參數也是提高光刻分辨率的重要手段。 ^[4] 

電子束光刻技術

電子束光刻是採用高能電子束對光刻膠進行曝光而獲得結構圖形的光刻技術。

最近，美國朗訊公司開發的角度限制散射投影電子束光刻技術令人矚目，該技術如同光學光刻那樣對掩模圖形進行縮小投影，並採用特殊濾波技術去除掩模吸收體產生的散射電子，從而在保證分辨率條件下提高產出效率。應該指出，無論未來光刻採用何種技術，都將是集成電路研究與生產不可缺少的基礎設施。 ^[4] 

離子束光刻

離子束光刻是採用液態原子或氣態原子電離後形成的離子通過電磁場加速及電磁透鏡的聚焦或準直後對光刻膠進行曝光的光刻技術。其原理與電子束光刻類似，但德布羅意波長更短，且具有無鄰近效應小、曝光場大等優點。離子束光刻主要包括聚焦離子束光刻、離子投影光刻等。外延技術

金屬有機化學汽相澱積、分子束外延、原子層外延與化學束外延技術統稱外延技術，是在基體上生長納米薄膜的一種納米制造技術，可用於納米集成電路用硅基半導體材料、納米半導體結構: 器件的加工與製備。

束流強度比例噴射到加熱的襯底表面，最終與表面相互作用進行單晶薄膜的外延生長。各噴射爐前的擋板用來改變外延膜的組分和摻雜。根據設定的程序開關擋板、改變爐温和控制生長時間，則可生長出不同厚度的化合物或不同組分比的三元、四元固溶體以及它們的異質結，從而製備出各種超薄微結構材料。 ^[4] 

必須重視和大力開展納米器件, 尤其是納米電子器件和納米光電子器件的研究工作。白春禮院士曾經指出“ 納米器件的研製水平和應用程度是我們是否進人納米時代的重要標誌” , 並指出“ 中國必須重視納米器件研製和納米尺度的檢測和表徵的研究工作” 。根據自前我國納米技術發展的現狀, 必須大力倡導開展納米器件, 尤其是納米電子器件和納米光電子器件的研究、開發和應用方面的工作。因為納米電子器件和納米光電子器件的研究是納米技術和信息( 電子信息和光電子信息) 技術兩大技術的支點, 對經濟和整個科學技術起着至關重要的作用。 ^[1] 

在納米電子器件和納米光電子器件研究和開發方面, 除了加強對RTD 和SED 等納米電子器件以及納米激光器、納米紅外光電探測器、納米光電集成電路等納米光電子器件的研究外, 還必須及時地大力開展關於分子電子器件的研究工作。在國際上,美國和日本非常重視分子電子學的研究。世界十大科技進展就報道了美國研製出分子晶體管的消息,即貝爾實驗室用單一的有機分子製造出了世界上最小的晶體管, 這就是分子電子器件。這類用化學有機合成的方法制造電子器件比用EB,MSE等技術製造RTD、SED 可大幅度降低成本, 且適宜大規模生產。應該呼籲化學家、電子學家和光電子學家緊密結合起來, 共同開展對分子電子器件的研究。 ^[1] 

有效地組織國內有關納米技術研究部門, 尤其是納米器件研究單位, 集中技術力量, 瞄準納米器件中的關鍵技術、重點問題, 避免研究內容的重複, 儘快取得源頭創新的成果。希望納米科技指導協調委員會能充分、具體地瞭解國內納米器件研究單位的實際情況, 調動各個單位研究的積極性, 注重培養納米技術人才, 誰具有頂尖管理和納米人才, 誰就掌握了未來納米高科技的制高點。 ^[1]