纳米电子器件

简介

　　纳米电子技术是指在纳米尺寸范围内构筑纳米和量子器件，集成纳米电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的信息计算、传输与处理的相关技术，其中，纳米电子器件是目前纳米电子技术发展的关键与核心。现在，纳米电子技术正处在蓬勃发展时期，其最终目标在于立足的物理理论和的工艺手段，突破传统的物理尺寸与技术极限，开发物质潜在的信息和结构潜力，按照全新的概念设计制造纳米器件、构造电子系统，使电子系统的储存和处理信息能力实现革命性的飞跃。

　　目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件（共振二极管 、三极共振隧穿晶体管  、单电子晶体管 、金属基 、半导体 、纳米粒子、单电子静电计、单电子存储器 、单电子逻辑电路、金属基单电子晶体管存储器、半导体 存储器、硅纳米晶体制造的存储器、纳米浮栅存储器、纳米硅微晶薄膜器件和聚合体电子器件等  。

分类

　　关于纳米电子器件的分类，国内外有着不同的看法。根据纳米电子技术的发展和对未来的预测，一种分法把纳米电子器件广义地分为以下类  ：

　　1 纳米级CMOS器件，如绝缘层上硅MOSFET、 异 质 结MOSFET 、 低 温MOSFET、 双 极MOSFET等；

　　2 量子效应器件，如量子干涉器件、量子点器件和谐振隧道器件等；

　　3 单电子器件，如单电子箱、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子结阵列、单电子泵、单电子陷阱等；

　　4 单分子器件，如单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等；

　　5 纳米传感器，如量子隧道传感器等；

　　6 纳米集成电路，包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路；

　　7 纳米存储器，如超高容量纳米存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基 存储器、单电子存储器、单电子量子存储器等；

　　8 纳米CMOS混合电路，包括纳米CMOS电路和三-四族化合物半导体共振隧道效应电路，纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路，纳米CMOS电路和碳纳米管电路，纳米CMOS电路和人造原子电路，纳米CMOS电路和DNA电路等。

　　在这种分类中，纳米级 器件、纳米传感器、纳米存储器、纳米集成电路以及纳米混合电路等分别被作为一种独立的纳米器件类型。但事实上，这些纳米传感器、纳米级的CMOS器件或电路是否应该纳入纳米器件的范畴，目前还存有争议.

制备技术简介

　　要制备纳米电子器件及实现其集成电路，有两种可能的方式一种是将现有的电子器件、集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件，即所谓的“由上到下”的方式。另一种方式是利用先进的纳米技术与纳米结构的量子效应直接构成全新的量子器件和量子结构体系，即所谓的“由下到上”的方式。

　　纳米电子器件“由上到下”的制备方式主要是指光学光刻、电子束光刻和离子束光刻等技术。

　　“由下到上”的制备方法则包括金属有机化学汽相沉积（MOCVD） 、分子束外延（MBE） 、原子层外延（AEE） 、化学束外延（BE）等外延技术、扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及特种超微细加工技术等。

　　1 光刻技术

　　光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术统称三束光刻技术，是通过掩模、曝光等工艺将设计的器件图形结构转移到半导体基片上的 -% 加工技术 。目前，随着光刻技术线宽的不断减小，光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术已在纳米cmos器件、纳米集成电路、纳米cmos混合电路等加工领域表现出了很好的应用前景，并开始在一些纳米电子器件加工方面取得了应用。

　　2 外延技术

　　金属有机化学汽相淀积 、分子束外延、原子层外延与化学束外延技术统称外延技术，是在基体上生长纳米薄膜的一种纳米制造技术，可用于纳米集成电路用硅基半导体材料 、纳米半导体结构:器件的加工与制备。

　　3 分子自组装合成技术

　　自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的过程。自从80年代提出分子器件的概念至今，人们已从 lb技术发展到了分子自组装技术，从双液态隔膜（blm）技术发展到了sblm技术，已在分子组装有序分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。

　　4 SPM技术

　　自从 1982年台扫描隧道显微镜(STM)诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微;纳观世界的认识翻开了新的一页。SPM不仅可以进行高分辨率的三维成像和测量，还可对材料的不同性质进行研究。因此，已不仅是一种微观测量分析的工具，而且是一种重要的微观加工与操纵工具。

　　5 特种超微细加工技术

　　还有一些特殊的超微细加工技术，可用于加工、制备纳米电子器件。它们包括机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；纳米碳管构建FET；以DNA分子、纳米碳管、介孔材料为模板，制备量子线以及超精密复合加工、电解射流加工、电火花加工，电化学加工技术等。

面临的挑战

　　由于纳米器件的特征尺寸处于纳米量级，因此，其机理和现有的电子元件截然不同，理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决，如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等。

　　尽管如此，纳米电子学中急需解决的关键问题主要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面，其主要表现在以下几个方面。

　　（1）纳米 Si 基量子异质结加工

　　要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺度，最直截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。

　　其中，不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的，构建成纳米尺度的量子势阱，这种结构称作“半导体异质结” 。但由目前的工艺水平，在纳米尺度上制造出性能稳定、可靠的半导体异质结通常是很困难的，因此，必须尽快发展高性能的纳米 Si基量子异质结加工技术。

　　（2）分子晶体管和导线组装纳米器件

　　即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜把分子元件排列在一个平面上；另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装。尽管，Purdue University等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展 ，但该技术何时能够走出实验室进入实用，仍无法断言。

　　（3）超高密度量子效应存储器

　　超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是，有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。

　　（4）纳米计算机的“互连问题”

　　一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局，而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题” 。换句话说，就是计算结构中信息的输入"输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一个很小的空间内，并极快地使用和产生信息，需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件，而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就现有传统计算机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以避免过热或“串线” ，这样就有一些几何学上的考虑和限制，连接的数量不可能无限制地增加。因此，纳米计算机导线间的量子隧穿效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。

　　（5）SPM 纳米器件加工技术效率

　　SPM 技术为纳米电子器件的加工制备提供了新的途径。纳米电子器件最终要变得实用且经济上可行，则要求纳米结构能被迅速大量地组装出来。然而，目前使用 SPM纳米器件加工技术效率极低，因此，仅靠一台微型扫描隧道显微镜或微型原子力显微镜一次组装一个纳米结构是远远不够的。如果纳米电子器件要实现机械化组装，则需要大量高效的并行显微“纳米操纵器”来完成。

　　（6）纳米 "分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境

　　当前，分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境，并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题，目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。