纳米技术与器件的应用（1）--电子技术资料

纳米技术与器件的应用（1）

摘要：主要叙述纳米技术、纳米材料、量子器件及其应用。

1引言

1.1纳米技术和纳米电子学

纳米技术是20世纪末期崛起的崭新科学技术。美国早在1992年就把纳米技术列为20世纪末和21世纪初的10大研究项目中的5个项目。美国国防部每年拨款3500万美元用于微系统的研究。日本1995年宣布将这项技术列为后10年的4大科技项目之一，是为期10年、耗资2.25亿美元、有26家公司参加的微系统研究项目。德国在1993年提出10年内重点发展的9个领域的80项关键技术中，有4个领域的12个项目涉及纳米技术，每年拨款6500万美元支持系统研究。欧盟在1995年提出的一项研究报告称，未来10年纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业，到2070年，纳米技术市场的价值将达到400亿英镑。澳大利亚也在1993年将原子测检技术列为21世纪最优先开发的项目。经过多年的努力，各国专家从原子、分子级对一些物质的特性有了新的认识，纳米技术研究取得一些突破。

纳米技术是一个崭新的高科技学科群，它包含纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学等，是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴科学技术。

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是传统微电子学发展的必然结果，是纳米技术发展的主要动力。纳米电子学在传统的固态电子学基础上，借助最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子器件与系统。纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上，实现信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学与光电子学、生物学、机械学等学科结合，可以制成光电器件、分子器件、微电子机械系统、微型机器人等，将对人类的生产和生活方式产生变革性的影响，纳米电子学将成为21世纪信息时代的关键技术。

美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展可能会经历五个阶段。

第一个阶段的发展重点，是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计/制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。

第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。

在第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。

纳米计算机将在第四个阶段中得以实现。这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。

在第五个阶段，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。

宰贝克斯公司认为，虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性，难以准确预测，但在2010年前，纳米技术有可能发展到第三个阶段，超越"量子效应障碍"的技术将达到实用化水平。

1.2纳米电子学的研究对象

对各种纳米结构进行深入的理论和实验研究，并基于各种量子效应设计和制造新型的功能器件、电路和系统，是纳米电子学的主要研究内容，包括以下4个方面。

121低维物理和量子效应

各种纳米结构模型，包括量子阱和超晶格、量子线、量子点、量子点接触等的能带特性和电子状态。

物理效应，包括量子尺寸效应、量子干涉效应、量子弹道输运效应、库仑阻塞、单电子振荡、布洛赫振荡等。

异质界面二维电子气和量子点的效应。

原子、分子控制组装的机理。

122量子功能器件和电路的设计

量子阱的迁移率增强效应→高电子迁移率场效应晶体管 (HEMT)。

量子阱的谐振隧穿效应→谐振隧道二极管、晶体管。

量子线的电子高迁移率效应→高速逻辑开关、电路。

库仑阻塞效应、单电子隧穿效应→单电子晶体管、电路。

量子点阵列中点单元间的耦合→无导线集成电路。

单原子器件、分子器件→单原子开关、分子线、分子开关、存贮器。

123纳米结构制备和加工技术

（1）外延技术

　　分子束外延(MBE)、有机金属化学汽相淀积(MOCVD)、原子层外延(AEE)、化学束外延(CBE)等。

（2）光刻技术

　　电子束光刻、X射线光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等。

（3）微细加工技术

　　扫描隧道显微镜(STM)的应用研究。

124纳米电子器件的应用

　　主要研究在电子、信息、智能系统中的应用。

1.3纳米电子器件的分类

利用纳米结构中电子所呈现的各种量子化效应，可以设计和制作各种量子功能器件。电子在纳米结构中的行为表现为量子力学的波粒二重性，其表现波动性或粒子性取决于它所处的环境。从量子的状态特征考虑，可以把各种量子功能器件分为二大类，即单电子器件和量子波器件。

（1）单电子器件

　　这类器件的电子处于点结构，而且其行为以粒子性为侧重。单电子器件的典型实例如单电子晶体管、单电子开关等。

（2）量子波器件

　　这类器件中的电子处于相位相干结构中，其行为以波动性为主。这类器件包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧道二极管、晶体管等。

此外，除了上述基于纳米半导体范畴的量子功能器件即半导体量子效应器件和单电子器件外，从广义上讲，纳米器件还可包括基于分子电子学的分子电子器件，分子器件在原理和材料结构上都与半导体量子器件不同，而且更为"年轻"，它们包括分子电子开关、电化学分子器件等。

2发展现状和趋势

随着微电子技术的发展和应用市场的开发，对IC的集成密度的要求越来越高，电子器件的小型化以指数率持续变小，特征尺寸从微米级到亚微米级再缩小至纳米级。纳米电子技术是传统电子技术发展的必然结果。

多年来，半导体低维结构系统，特别是量子阱和超晶格、量子线、量子点，是半导体物理理论研究和半导体器件开发与应用最为活跃的领域。异质结量子阱和超晶格技术最为成熟，并开始从基础研究转向应用，出现了大量性能优异的量子阱器件，如HEMT、RTD、激光器等，并用于研制微波、毫米波放大器、振荡器、混频器、倍频器及光调制器、探测器；在移动通信、卫星通信、遥感、医疗设备以至消费类等许多领域获得了应用。虽然，量子线和量子点技术仍相对相当“年轻”，新的发现和新的应用仍有待开发，但量子线在微波、毫米波、亚毫米波传输方面已显示良好性能，用量子点阵列研制的激光器、光调制器、远红外探测器等器件已经验证演示。这一切表明，以理论研究、器件设计、工艺开发和电路研制为内容的纳米半导体学科的研究是当前纳米电子学发展的主旋律，有必要着重讨论其发展现状与趋势。

2.1低维半导体结构

2.1.1量子阱和超晶格

量子阱是最简单的低维半导体结构，它由不同的半导体交替排列形成。以AlGaAs/GaAs/AlGaAs为例，当AlGaAs、GaAs层的厚度小至与电子波长相比拟时，在两个AlGaAs势垒之间形成GaAs量子阱。电子在量子阱中的运动受到限制，原来连续的能带将分裂成子能带。阱中电子在由基态向激态跃迁或与此相反的驰豫过程，量子阱结构将呈现各种奇异的十分有用的电子学和光子学特性。并且可通过改变材料结构、薄层厚度、掺杂和组份对这些特性实行调控。异质结量子阱和超晶格的研究开发成果主要概括如下。

（1）基本物理现象

——二维电子气，电子迁移率增强效应。

——态函数密度阶梯形分布。

——量子霍尔效应。

——分数(Fractional)量子霍尔效应。

——室温下受激跃迁。

——双势垒结构和超晶格的谐振隧穿。

——超晶格谐振隧穿受激发射。

——应变结构的赝晶生长。

(2)重要应用成果

——改善了半导体激光器的性能，发射波长缩短、阈值电流减小、微分增益提高、温度性能改善。

——红外量子级联激光器。

——短周期超晶格(SPSL)量子阱激光器。

——二维电子气晶体管 (HEMT)。

——谐振隧道二极管、晶体管。

——精密标准电阻。

——自光电效应器件和光电调制器。

——基于量子尺寸效应的红外探测器。

2.1.2量子线和量子点

二维量子阱可以进一步降低一维量子线和0维量子点。随着某一维的尺寸进一步缩小。该维方向的电子运动受到限制，出现量子化。由于能带的折叠分裂成许多子带，电子的跃迁可能发生在子带内或子带之间。态密度对于三维情况是连续分布，二维时演变成阶梯形分布、一维时是带拖尾的尖峰，0维时的态密度分布完全是离散和不确定的。在这样的结构中将出现一些新的传输现象：低散射、谐振隧穿、量子干涉、弹道传输等。对于这些效应，由于结构尺寸达到或小于电子平均自由程，已超出经典的波尔兹曼方程范围，必须引入新的物理概念。

（1）基本物理现象

——一维电子气(量子线)。

——态函数密度呈现尖峰值(量子线)。

——0维电子气(量子点)。

——态函数密度δ函数分布(量子点)。

——激子的结合能变大。

(2)重要的应用成果

——量子线激光器、量子点激光器。

——高调制系数的光电调制器。

——可能导致发明"单个电子"的器件。

——可能导致发明新FET。

2.2纳米半导体结构的加工

对于半导体纳米结构的研究是从半导体超晶格开始的。包括超晶格和量子阱的超薄层微结构材料已经可以借助先进的原子级薄层生长技术实现。MBE、MOCVD、ALE等先进外延技术能够按照设计精度要求，包括外延层组份、厚度、掺杂浓度和电学均匀性等，生长高质量的各种超晶格，量子阱材料。

制造一维量子线和0维量子点的超微细加工方法，目前主要有两种途径，其一是外延生长方法，主要有在V形槽表面或台阶表面上进行选择外延、条栅掩膜选择水平外延、应变诱导限制外延、激光辅助原子束外延等改进了的用于制造低维结构的外延技术。另一个途径是用超微细加工方法对二维材料构图。适用于纳米尺度加工的有电子束光刻、X射线光刻、电子束全息干涉曝光技术以及聚焦离子束干式腐蚀、聚焦激光束原位加热、电子束诱导表面淀积等技术。其中的电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种实用曝光手段，这种超微细曝光技术是纳米加工技术的核心。

基于量子力学隧道效应的扫描隧道显微镜(STM)及探针显微镜(SPM)可以提供高质量的纳米曝光能力。在纳米加工领域中，STM的应用和研究已涉及到表面直接光刻、电子束微区辅助淀积和刻蚀、掩膜的修补，以至对表面单个原子、分子进行操纵。STM有能力继续探索人们目前认识到的"曝光极限"。

2.3量子功能器件

纳米加工技术的突破和介观物理研究的发展，以全新的概念改变了器件的设计思想。器件研究者利用各种介观效应来改进器件的性能和设计制造新型量子器件。例如利用高迁移率效应制备高频高速器件。利用隧道效应制作多值逻辑器件。利用相干电子波干涉、衍射和反射现象设计高速开关器件和传感器、利用低维度下有效状态密度的变化制造激光器。下面介绍几种主要的量子效应器件。

2.3.1谐振隧道器件

这是目前研究得最充分的量子电子器件之一，其特点是在器件结构中有由量子阱或超晶格形成的谐振隧道势垒(RTB)，如果势阱或超晶格的宽度足够小，在量子阱中会形成量子化能级，即谐振能级，电子只有在其能量与谐振能级相等时才能通过。在RTB上加电压时，在I－V特性曲线上会出现负微分电阻现象，这样在构成逻辑IC时，可大幅度减少所需晶体管数目，故可实现低功耗和高速度。此外，如果在晶体管结构中加入两个以上的RTB，还可以构成多值逻辑和倍频器所用的多态器件，这类器件的另一特点是，发射区电子具有高热能，以弹道方式传输，速度快，有可能被利用于频率达2.5THz的检测和700GHz的振荡器中。

谐振隧穿双势垒现象于1974年第一次观测到，但当时得到的负微分电阻(NDR)效应还很小，不能满足器件制造的要求，以后的十几年中，由于MBE、MOCVD等精密生长技术的惊人进展，已使在谐振隧穿双势垒过程中获得高峰－谷电流比(PVCR)成为可能，并产生了许多应用这些现象的器件。

目前研究得比较充分的谐振隧道器件主要有谐振隧道二极管(RTD)和谐振隧道晶体管 (RTT)，而后者包括谐振隧道热电子晶体管(RHET)等。

2.3.1.1谐振隧道二级管(RTD)

谐振隧道二极管(RTD)是目前具有增益的带宽的半导体器件，通过进一步改善带宽和功率，RTD振荡器有可能代替肖特基二极管倍频器，作为300GHz以上的本振和其它功率源等。

法国Universite des scienceset Technologies研制用作毫米波和亚毫米波源的谐振隧道二极管(RTD)。这种器件具有高达6∶1峰－谷电流比的优良I－V特性，300K时的电流密度为50kA/cm2～150kA/cm2。用作本机振荡时，这种二极管完全可达到用AlGaAs基隧道二极管提供的输出功率。作为谐振多倍频器，用速调管源的基本振荡5倍频后达到320GHz的频率。

美国Lincoln Laboratory Massachusetts of Technology采用新的自对准工艺制作新型平面结构的谐振隧道二极管(RTD)，新工艺与硅集成电路工艺兼容。RTD的尺寸由浅硼注入来确定。分立的RTD采用深质子注入隔离。没有深台面腐蚀。因为采用自对准工艺，RTD的单峰电流和电压是相当均匀的。4μm2RTD峰值电流的标准偏差平均值为2.3％，最小的RTD小于1μm2。这种器件可应用于高速逻辑电路，RTD具有高速、小尺寸和低功耗等特性。

美国Hughes ResearchLab研制成以InP基异质结双极晶体管（HBT）和谐振隧道二极管为基础的共面、单片集成电路可用于卫星接收机和高性能雷达系统。

NTTLSI实验室所研制的MOBILE（Monostable－Bistable Transition Logic Element）采用2个n型负微分电阻器件串联连接，是具有多输入和多函数优点的函数逻辑门。采用谐振隧道（RTD）和FET单片集成证实了得到MOBIL工作的最新方法。在新的集成结构中，RTD和FET采用并联连接。其优点是RTD和FET的最佳隔离和柔软电路设计能力。对于单输入MOBILE门，证实了在室温下倒置工作，如单稳态到双稳态传输的数据。

美国斯坦福大学用谐振隧道器件研制成单片触发电路。作者采用谐振隧道二极管结构，增大了峰值电路密度，并减小了谐振电压，器件的谐振电压为1.4V，面积为80μm2时，峰值电流为100mA，并且有良好的热稳定性。

单片谐振隧道二极管触发电路是将谐振隧道二极管和电路单片集成。

对电路进行了测试，实验证实该电路的工作频率已达110GHz，有亚微微秒(0.75ps)的计时起伏 (Timing jitter)。实验证明该器件的振荡频率已达700GHz。

日本NTT公司研制成采用与HEMT相结合的谐振隧道二极管 (RTD)的静态分频器，大大降低了电路的复杂性。采用InP基RTD/HEMT单片集成工艺制作特定的电路。在室温下，用准静态测试图形证实它能正常工作。

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