纳米电子技术郑丽芬
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典型器件
纳米电子器件及相应原理:
谐振晶体管,电路和系统-共振隧道效应
超高速逻辑开关-电子束高迁移率
极大容量存储器-量子点的可积蓄电子原 理
单电子晶体管(包括单电子开关和单电子 存储器) -库仑阻塞效应,单电子振荡和 隧穿效应
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单电子对晶体管,电路和系统-单电子对隧 穿效应,布洛赫振荡
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光刻技术
纵向加工技术-分子束外延(MBE),金 属有机气象沉积(MOCVD),原子层外 延技术(ALE)。现已实现单原子层薄膜 生长,材料纵向尺寸控制精度已高达2A。
横向加工技术-高分辨率电子束和聚焦离 子束技术。制作出的“纳米印刷机”,用 无机抗蚀剂已做出小于10nm的线宽。
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发展目标
纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接延 伸到原子和分子,其最终目标是直接以原子分 子在纳米尺度上制造特定功能的产品。 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分,其最 终目标是将集成电路的几何结构进一步减小, 研制出由单原子或单分子构成的并室温能用的 的各种器件(纳米电子器件或量子器件)。
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多隧道结之间的牵连效应。在某纳米点 输入或取出一个电荷时,多隧道结之间 会产生牵连影响,这种影响应深入研究 并加以利用。
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纳米电子器件
也称量子器件,是利用量子效应及其它电 学光学原理,采用纳米硅薄膜及其他材料 制作的量子功能器件。主要通过控制电子 波动的相位来进行工作。量子器件能实现 更高的响应速度和更低的功耗,是一代超 高速,超容量,超微型,低功耗的器件。
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纳米电子器件
组成部分 相关原理 加工技术 典型器件
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组成部分
1. 纳米点
1. 有两种制作办法,一种是场蒸发,要求粒度在 10nm
2. 以上,制作容易但一致性差,制作纳米点阵比较方 便;
3. 另一种是电化学方法,粒度大小容易控制,精度比 较
4. 一致(Au,CdS)
2. 纳米隙绝缘层
单磁通量子晶体Biblioteka -二维超导体量子面的磁 通量子化无导线集成电路-四个量子点组成一个单元, 多个单元连在一起,单元之间的电子运动以 耦合方式进行,从而实现信号传递
单原子开关和存储器,分子线,分子开关和 存储器
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具有量子点结构的硅器件
将n型c-si在1050度干氧中热氧化生长1000A的sio2层,光刻出 40×40um的窗口,在窗口区淀积一层200A厚的a-si层,再在 800度的N2和o2(8:1)使a-si层氧化和晶化形成量子点结构。
纳米电子技术与电子器件
郑丽芬
01/11/10
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纳米电子技术与电子器件
1. 纳米技术与纳米电子学 2. 纳米电子器件 3. 纳米电子学中超高密度信息存储 4. 纳米电子学研究的现状发展前景
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纳米技术与纳米电子学
1. 发展目标 2. 基础研究 3. 研究中需要解决的课题
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单电子晶体管
单电子隧穿现象
如果有一纳米微粒尺寸足够小且与其周围外 界在电学上是绝缘的,它与外界之间的电容 可小到10-16F,在这种情况下,某个电子隧 穿进入该微粒,它会阻止第二个电子再进入 该微粒,否则会导致系统总能的增加,因而 可人为控制电子逐个穿进出该微粒,实现单 电子隧穿过程。
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单电子晶体管的发现促进了纳米电子学的发 展。单电子隧穿可应用于对高频电磁波辐射 的灵敏检测,尤其在远红外波段范围;单个 电子还可作为传递信息的载体;目前已有标 准DC电流源和超灵敏静电计的报导。
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高电子迁移率晶体管(HEMT)
HEMT结构图
1. 可以在导电基底,纳米点,SPM针尖上制作。
3. 纳米线
场蒸发;考虑采用原子可编或辑p有pt 机分子操纵方法作少量纳10
相关原理
各种量子效应:量子隧穿效应,量子相 干性,量子波动性,弹道电子运输,量 子尺寸效应,库仑阻塞,单电子振荡, 布洛赫振荡和奇异导电性等。 超导体-导体-半导体-绝缘体异质界 面量子波和异质结量子点的物理效应。
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可在任何条件下工作。非常适用于研究生物 样品和在不同实验条件下对样品表面的表征。
在得到样品表面形貌的同时亦可得到扫描隧 道谱(STS),可研究表面的电子结构。
针尖可操纵单个分子或原子,可对表面进行 纳米尺度上的微细加工,包括刻蚀,阳极氧 化。
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光刻技术与STM加工技术相结合
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STM(SPM)超微细加工技术
具有原子极的极高分辨率。
可实时的得到在实空间中表面的三维图象, 用于具有周期性和不具有周期性的表面结构 研究,非常有利于对表面反应,扩散等动态 过程的研究。
可以得到单个原子层表面的局部结构,而不 是对体相的平均性质。因此可以得到局部的 表面缺陷和表面吸附体所引起的表面重构。
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高温铜氧化物超导体正常态的奇异特性, 二维导电性导致的电子波,电子对波和 磁通线运动效应。
单电子电子学,单电子对电子学和单磁 通量子电子学的对偶性。
原子与分子自组装机制。
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加工技术
纳米级元器件主要包括两方面: 1)纳米级超细粉料制成的元器件 2)纳米级半导体器件和集成电路 我们主要介绍第二各方面的加工技术
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基础研究
自上而下,提高集成度 自下而上,将有机无机材料尺寸逐渐增 大加工组装成纳米极器件(投资较少)
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研究中需要解决的课题
量子隧穿效应。首先要考虑纳米点的材 料和能级特性,还要考虑纳米隙的结构, 绝缘材料和缺陷。
载流子的相干性。在微电子器件中不用 考虑载流子的相位作用,而在纳米器件 中经弹性碰撞后,载流子的相位关系仍 保留,因此载流子的振幅与相位都应考 虑并加以利用。
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纳米电子学中超高密度信息存 储
信息科学作为未来新兴高科技产业的先导,在 世界上的发展已被人们公认,其中电子学是重 要的组成部分。诺贝尔奖金获得者德国物理学 家Von Klitzing在1997年预言:2030年将能实 现纳米电子器件。伴随着这一过程,作为电子 学主流器件之一的信息存储器件的存储密度将 达到很高的程度。(1013Bit/cm2 )