电科专业纳米电子学基础第一章

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第章隧穿件第三章共振隧穿器件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第七章分子电子器件第章子子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题参考资料：参考资料：1纳电子学导论蒋建飞编著科学出版社1.纳电子学导论，蒋建飞编著，科学出版社。2纳米电子学杜磊庄奕琪编著电子工业出版社2.纳米电子学，杜磊庄奕琪编著，电子工业出版社。3.纳电子器件及其应用，蔡理编著，电子工业出版社。纳电子器件及其应用蔡理编著电子业出版社4.纳电子学与纳米系统，陈贵灿等译，西安交通大学出版社。第章绪论第一章绪论§11尺度§1.1尺度§12限制§1.2限制§1.3材料§3材料§1.4方法§1.5器件§1.6发展第章绪论第一章绪论§11尺度§1.1尺度§12限制§1.2限制§1.3材料§3材料§1.4方法§1.5器件§1.6发展度§1.1尺度客观世界客观世界世界层次典型尺度尺度范围实际范围适用理论胀观1040米=10243×1014光年河外星系尚无胀观10米10光年3×10光年以上河外星系尚无宇观1021米=105光年从3亿公里到3×1014光年从太阳系到银河系广义相对论宏观102米从3×106厘米从大分子牛顿力学宏观102米从3×10-6厘米到3亿公里从大分子到太阳系牛顿力学微观10-17米=从3×10-25厘从基本粒子量子力学微观10米=10-15厘米从3×10厘米到3×10-6厘米从基本粒子到大分子量子力学渺36米25米基本粒渺观10-36米=10-34厘米3×10-25厘米以下基本粒子内部超弦（尚未建成）度§1.1尺度ÅÅ纳米的概念：纳米”是英文nanometer的译ÅÅ纳米的概念：纳米是英文nanometer的译名，是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长纳米结构通常是当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米研究的范围是1到100纳米，0.1纳米是单个氢原子的尺寸ÅÅ科学家发现，在纳米的世界里，物质的性质发生了质的飞跃比如硅晶体是不发光的的尺寸。质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到可0.01mm。度§1.1尺度度§1.1尺度Moore定律：Moore定律：集成电路的集成度每18个月翻一番。度§1.1尺度等比例缩小定律等比例缩小定律：为保持晶体管的性能，晶体管的尺寸缩小应当遵循等比例缩小原则。一个晶体管所包含的原子个数1960年的1020个，到2010年将减少到103个。度§1.1尺度电子子器件与与系统统的发展展度§1.1尺度度§1.1尺度微电子器件的特征时间和结构10-10各种IC耗尽层微电子器件的特征时间和结构10-11各种IC耗尽层德拜长度时间/s10-1310-12传输的不规则性突变结德拜长度平均自由程1ps特征时10-141013量子效应电子波分子埃1nm10nm100nm1um10um10-15能带图失效分子原子埃尺寸第章绪论第一章绪论§11尺度§1.1尺度§12限制§1.2限制§1.3材料§3材料§1.4方法§1.5器件§1.6发展制§1.2限制芯片特征尺寸的发展3ASIC13ASICs第一代VLSI系统先进技术0.10.3创新的VLSI系统先进技术MOS晶体管尺寸/um0.010.03MOS晶体管MOS晶体管的极限量子电子器件（QED）尺19801990200020100.003（QED）年制§1.2限制功耗与延迟10ns100nsSET当前技术区域1ns10ns当前技术局限的区域100psMESFETCMOS低功耗延迟td热学限制的区域10psMESFETHFETCMOS高速超出经典物理限制的区域100fs1ps01aJ1aJ10aJ100aJ1fJ10fJ限制的区域100nW1uW10uW100uW1mW10mW100fs100mW0.1aJ1aJ10aJ100aJ1fJ10fJ功耗/门Pd制§1.2限制1根头发的截面积上可放置4000个晶体管1cm2面积上可容纳140亿个晶体管。沟道内约有107个硅原子，100个掺杂分子。工作时沟道内约有150个电子。功耗Ws≈600kT(根据热力学理论，处理一位信息的极限能量为SourseGate极Drain为防止栅氧隧道击穿：t3nm2ln2kBT＝1.5kBT)N+源极N栅极漏极为防止栅氧隧道击穿：tox3nm为防止栅氧电击穿：Vg0.3V为确保反型沟道形成：Na=1018cm-3N+PN+为确保反型沟道形成：a0c为防止源漏耗尽区相连，Lch＝30nm晶体管面积应至少等于沟道面积的8倍：A＝0.72×10-10cm－2制§1.2限制ÅÅ虽然微电子技术给人类的发展带来了巨大进步，但是研究表明，当虽然微电子技术给人类的发展带来了大进步但是研究表明当电子器件尺寸和集成电路的特征线宽进入纳米级（100nm以下）时，以硅基CMOS器件为主流的集成电路将面临很多技术障碍。ÅÅ具体来讲，硅微电子技术将受到来自三个方面的限制和挑战：物理方面，主要包括短沟效应、绝缘氧化层量子隧道效应、沟道掺杂原子统计涨落和功耗等；技术方面，主要是寄生电阻和寄生电容、互连延迟和光刻技术；经济方面，主要体现在制造成本昂贵，难以承受等。这些限制已经成为微电子技术继续发展的重大瓶颈这些限制已经成为微电子技术继续发展的重大瓶颈。ÅÅ为了克服上述器件物理和互联技术等方面的限制，研究者一方面正在开发诸如高k栅介质、双栅/多栅器件、应变沟道和高迁移率材料以在开发诸如高k栅介质、双栅/多栅器件、应变沟道和高迁移率材料以及铜互连技术、低介电常数材料、多壁碳纳米管通孔和三维铜互连等；另一方面，在电路设计与制造中，采用硅基微/纳器件混合电路、光电混合集成和系统集成芯片技术等，来进一步提高硅基集成电路的速度和功能，以求延长摩尔定律的寿命。第章绪论第一章绪论§11尺度§1.1尺度§12限制§1.2限制§1.3材料§3材料§1.4方法§1.5器件§1.6发展材料§1.3材料纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为纳米材料：指在三维空间中至少有维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。｛纳米颗粒(0维)纳米丝、纳米棒、纳米管(1维).纳米基本单元｛纳米薄膜、纳米多层膜(2维).｛纳米颗粒型材料纳米固体材料｛纳米材料纳米膜材料纳米磁性液体材料材料§1.3材料按维度，纳米材料的基本单元可分为三类：零维，一维，二维。因按维度，纳米材料的基本单元可分为三类：零维，维，维。因为这些单元具有量子性质，因此又称为：量子点，量子线和量子阱。人工合成的纳米材料材料§1.3材料纳米材料大部分是人工制备，自然界中如何？材料§1.3材料蜜蜂的“罗盘”—腹部的磁性纳米粒子蜜蜂的罗盘腹部的磁性纳米粒子螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航蛇尾海星，蝶形的带甲壳的海底生物，“眼睛”—纳米碳酸钙材料§1.3材料纳米结构材料的基本特性纳米结构材料的基本特性I.表面效应原子间距为0.3nm的粒子表面情况粒径(nm)2nm5nm10nm100nm原子总数Ｎ3504000300003×106原子总数Ｎ表面原子百分数8640202比表面积(m2/g)450180909尺寸小表面大活性高。尺寸小，表面大，活性高。材料§1.3材料纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应纳米结构材料的基本特性ÅÅ随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言尺寸变小同时其比表面积亦显著增加从而产生如下颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质（4）特殊的力学性质纳米颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。化学性能等方面。材料§1.3材料纳米结构材料的基本特性纳米结构材料的基本特性特殊的光学性质II.小尺寸效应特殊的光学性质ÅÅ当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光利用这个特性可以作为高效率的光热光电等转换材料可以高全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。身等材料§1.3材料纳米结构材料的基本特性特殊的热学性质纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应ÅÅ固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时则降低27℃2纳米尺寸时的熔1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.1～1微米的铜、镍微粒成浆代替钯银等贵金微粒熔降质镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到12001300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。材料§1.3材料纳米结构材料的基本特性特殊的力学性质纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应特殊的力学性质ÅÅ陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍至于金属一陶瓷等复合纳米材料的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。材料§1.3材料纳米结构材料的基本特性特殊的磁学性质纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应ÅÅ人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领磁性超微颗粒实质上是个生物磁罗盘生活在水中的趋磁细归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2×10-2微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸大约小于6×103微米时其矫顽力反而降低到零呈现出超顺磁性尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到