第七章 纳米电子学
第七章纳米电子学
过去半个多世纪的历史表明，电子器件的发展对人类社会起着巨大的推动作用。电子管、晶体管、大规模集成电路的出现都对人类的进步有显著的影响，特别是计算机出现以后，微电子器件被广泛应用于人类社会各个领域。电子学的未来的发展，将以“更小、更快、更冷”为目标，只有在这三方面都得到同步发展，电子技术才能取得新的重大发展。
美国国防高等技术研究厅（DARPA），不久前提出的超电子学（ultra electronics）研发计划，就是根据“更小、更快、更冷”的发展目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5~100倍，速度快10~100倍，功耗则要小于现在器件功耗的2%。最终希望达到“双十二”，即1012位的存储器容量（1Terabit）和每秒1012次的运算速度（1 000亿次/秒）而且廉价节能。要实现这一目标，电子器件的尺寸必将进入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。因此，微电子器件过度到纳米电子器件是21世纪的必然。
第一节微电子技术发展的限制
半个世纪以来，微电子技术领域已经发生了两次重大技术革命，一次是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类一计算机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机和通信技术翻天覆地的变化。
集成电路的集成度越高，电路中的晶体管的尺寸就越小。集成电路的制程精度一般用最小线宽来表示。1971年，英特尔的4004芯片，时钟速度为108 kHz，内有晶体管2 300个，制程精度（最小线宽）为10 μm；到1999年，英特尔的PentiumⅢ芯片（奔腾Ⅲ芯片），时钟速度已经高达1 GHz，内有晶体管2 800 万个，制程为0.18 μm。Pentium 4电脑芯片的时钟速度达1.7GHz，制程首次达到了0.13 μm。30年来，计算机芯片的速度和集成度都提高了约13 000倍，制程则从10 μm缩小到0.13 μm（130nm），用于集成电路加工的光刻精度提高了约76倍。按照莫尔定律的发展趋势，到2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100 nm,达到现代微电子学光刻技术的极限，现有的光刻技术将无能为力而失败。因为，现行的深紫光光刻技术(deep ultraviolet lithography)深紫光的波长为240nm，它的光刻理论极限是100nm。现行的光刻技术无法加工小于100nm的最小线宽，这是微电子学技术急待突破的技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或关来工作的，而“门”的开或关的状态，取决于有无电流通过。要使微处理器中的逻辑门正常工作需要数百个甚至上千个电子的电流，随着芯片集成度和时钟速度的提高，所需要的电子数还会进一步增加。然而，芯片内线宽的减小会导致单位时间内流过逻辑门的电子数大幅度递减少，当电子数减至数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或“关”时就会处于不确定状态，使逻辑门无法正常工作。这是电子行为对微电子学的技术限制。
目前，电子器件功耗过大也是微电子学技术发展的又一个主要限制。当今的微电子器件，即使通过芯片的新设计制作方法（多层芯片设计技术及其芯片中采用的铜线连接技术等）和光刻加工技术的改进（超紫外光刻技术），虽然在一定程度上可以提高电路的集成度，但由于目前的微电子器件的工作电流很大，功耗也很大。特别是随着芯片的集成读和时钟速度大幅度提高，电子在电路中流动的速度越来越快，功耗也会呈级数增加，最终导致芯片不能正常工作。同时由于功耗太大芯片会过热，造成芯片寿命缩短，可靠性降低。
总之，目前微电子器件的光刻技术、电子行为和功耗过大是当前微电子技术进一步发展
的三大限制。它的突破要依靠纳米电子学技术的发展。
第二节纳米电子技术的主要领域
纳米电子技术是以在纳米电子学理论为基础，开发下一代微电子器件—纳米电子器件的技术总称。它的研究范围主要是三个方面：纳米电子学理论、纳米电子器件和纳米电子材料及其组装技术。
一、纳米电子学
纳米电子学是纳米电子器件的理论和技术基础。纳米电子学的发展，将基于纳米尺寸显著的物理特性。目前人们已经认识到，其特性除材料固有的特性外，还与维数和尺寸有密切的关系。在纳米物理长度内，出现的主要新效应有：量子相干效应（Quantum interference effect），A-B效应（Aharonov-Bohm effect），即弹性散射不破坏电子相干性，量子霍尔效应（Quantum Hall effect），普适电导涨落（Universal conductance flutuations）特性，库仑阻塞（Coulumb blockade）效应，海森堡不确定效应（Heisenberg uncertainty）等。
在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特性，纳米电子学就讨论这些特性的规律和利用其规律制成功能器件的学科。目前人们正在争论的一个问题是：量子计算能否实现？其基础是与信息加工有关的量子系统的基本特性，主要有：（1）叠加性（Superposition），量子计算可以存在经典Boolean态的任意复杂的结合；（2）相干性（interference），在叠加中中的并行计算路径，类似粒子通过干涉仪可能彼此加强或消弱，与它们的相位有关；（3）牵连性（Entanglement），一个完全量子系统的某个定义态与它的部分态不相对应；（4）不确定性（Uncertainty），即使没有干扰，也不能精确地知道一个量子态是否被占据。这样，量子信息加工系统显示了某些与传统情况惊人的不同。
量子计算思想先由IBM的C.H.Bennett提出，引起理论和实验科学家的兴趣，做了很多工作。1996年3月又报道了量子计算的逻辑门实验结果，对此也有人怀疑。法国巴黎第六大学的S.Haroche等人认为一些观点是可取的。但是，由于还有许多问题有待解决，实验证
明还难以做到，实现量子计算还只是梦想。
二、纳米电子器件
Moore定律提出以后，曾有相当一部分人认
为下一代的器件是分子电子器件，其理论基础是
分子电子学。经过几年的工作逐渐认识到，在微
电子器件与分子电子器件之间，有个过渡时期—
—纳米电子器件，即信息加工的功能元件不是单
个分子，而是原子团——有限个原子构成的纳米
尺度得体系（含102~109个原子）。这样，实现
微电子器件“更小”，走向纳米电子器件的方向
就有两个：以Si、GaAs等为主的无机材料的固
体电子器件尺寸小下去，与基于化学有机高分子和生物学材料组装功能材料尺度大起来，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件——跨世纪的信息功能器件。这个构想表明在图7-1中，图中固体科技与化学发展的影线带交叠的区域就是21世纪初期的基础科学与高技术研究领域。因此，纳米电子学的理论、材料和加工技术都将与有机/无机材料的组装有关。
1、单电子晶体管
单电子晶体管（Single Electron Transistor, SET）是基于库仑堵塞效应（Coulomb Blockade Effect）和单电子隧道效应（Single-Electron Tunnel Effect）的基本物理原理，而出现的一种新型的纳米电子器件。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。
单电子晶体管是库仑阻塞效应和单电子隧道效应的直接应用，单电子晶体管具有功耗低、灵敏度高和易于集成等优点，被认为是传统的微电子MOS器件之后最有发展前途的新型纳米器件。单电子晶体管于1994年首先由日本科学家在实验室研制成功，使用的硅和二氧化钛材料的结构尺寸都达到了10nm左右的尺度。单电子晶体管的研制近几年已经走向成熟，成为纳米电子器件研究的热点，不少国家都研制出不同尺度和结构的单电子晶体管基型器件。
单电子晶体管的结构原理如图7-2所示。单电子晶体管由两个隧道结串联组成，两个隧道结分别称为源（source）与漏（drain），与其相连接的中间部位称为岛（central island），也叫栅极（gate），由置于其旁边的门电极控制，能够实现单电子控制使SET处于开或是关状态。
图7-3是纳米尺度单电子晶体管的基本构造。它的两个隧道结有两条纳米尺度的TiOξ线组成，它们对电子隧穿时构成的势垒（TiOξ/Ti）高度为285meV。中心岛区域是由TiOξ围着的金属Ti材料部分组成。晶体管的源极和漏极分别接在金属Ti上，栅极则连接在Si 基板上。这种型式的栅极被成为背向式栅极。
单电子晶体管的中心岛（栅极）是由几个单分子构成时，其尺度就在分子尺度内。目前用作栅极的材料有液晶分子、C60(碳60分子)和碳纳米管等。图7-4是用C60和碳纳米管构成中心岛的分子尺度的单电子晶体管的实例。其中（a）为C60与Au（金）制备的源极和漏极之间的间隙可达1nm，并形成两个隧道结。在(b)中，碳纳米管生长在具有两个金属电极（如Pt）的表面上，在碳纳米管和金属电极之间的两个接触点处形成两个隧道结。
2、纳米尺度的单电子存储器
超高密度信息存储器主要是数字0和1的存储，它是纳米电子学的重要内容之一。用制作单电子晶体管的加工方法，也可以加工出利用单电子隧道效应的单电子存储器。图7-5是一种单电子存储器的结构原理图。这种单电子存储器具有一个控制单个电子隧穿的多隧道结C tt（由5~7个单隧道结组成，每个隧道结的长度和宽度均为15nm）和一个用于电子存储的电容C gt，电子存储节点通过存储器栅极电容C g与一个用于检测存储电子数量的单电子晶体管中心岛藕合连接。计算表明，存储电容C gt和栅极电容C g分别为4?10-19F和3.4?10-21F，C g和C gt相比要小两个数量级以上，因而C g的藕合连接不会对节点处存储的电子数产生影响。在整个器件中，共有4个电极，其中1个电极（V MEM）用于电子的存储控制，另外3个电极分别是测量用单电子晶体管的源极（V S）、漏极（V D）和栅极（V G）。
对于某些特定材料的薄膜两边加一电压，当达到一定值时，器件可能由绝缘状态（0态）转为导电状态（1态）。通过某种刺激（如反向电场、电流脉冲、光或热等）又可使器件由0态恢复到1态。这种通过电实现0与1状态转变的器件，称之为点开关器件。当外电场消失时，0或1状态能够稳定存在，即具有记忆特性，称之为存储器件。这种开关记忆特性发现于无机半导体材料的薄膜器件，近20年来，科学家也在探索有机或无机金属复合薄膜制造开关记忆元件。含碳的有机及有机金属化合物由于体积小、重量轻、组成及结构多变、易于裁剪和组装，潜在成本低，更重要的是提供了超快响应的可能性。
三、纳米电子材料及其组装技术
纳米电子材料是人们积极探索的重要领域，由于它的特性是体积小（<109个原子）、纯度更高（杂质缺陷少，<10-8）信号功率更低（pJ）、信号的写入读出的响应速度快（ns），吸引不少科学家关注。其中，无机和有机复合膜的结构与特性的研究是热点，不断出现新的研究报道。研究、制造纳米电子材料最重要的问题是工具和手段。目前，扫描探针显微镜（SPM）不仅是表面分析的有力工具，也是进行纳米加工、原子操纵、制造纳米器件的有力武器。近年来，人们在探索超高密度信息的读写方法和有关材料结构性能分析、表征时也借助于SPM。SPM有多种衍生结构，其中用于信息读写研究的主要有：扫描隧道显微镜（STM）、原子电力显微镜（ASM）、扫描隧道谱（STS）、扫描近场光学显微镜（SNOM）、磁力显微镜（MFM）等。用SPM技术可以实现样品的纳米尺度观测、加工，同时可以利用针尖与样品之间的电压、电流、近场光束和磁极作用，进行信号的写入、读出和擦除。
第三节纳米电子技术发展概况
以微电子器件为基础的计算机和自动化电器进入社会各个领域，成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米技术，这即是微电子器件小型化的必然趋势，也是纳米电子器件的诱人应用前景召唤。
目前，研究纳米电子器件有两条途径：一是微电子器件逐渐小下去的方法，称为自上而下路线；二是利用有机/无机分子组装功能器件，称为自下而上路线。现在的研究侧重于后者。考虑到计算机主要机构分为动态随机处理器和永久存储器，因此一般研究包含两个方面：一是单电子现象和单电子功能器件结构；二是超高密度数字存储。近几年来，在这方面取得了进步很快，取得了很多可喜成果。
2000年12月英特尔公司说，最新研制成功30nm晶体管，这一突破将使电脑芯片速度在今后5到10年内提高到目前的10倍。2001年4月美国IBM公司科学家宣布，他们用纳米碳管制造出了第一批晶体管，这种晶体管只有现有硅晶体管的500分之一，并发明了可以大量制作的技术。同年英特尔公司宣布，他们已经在实验室研制出只有20nm的晶体管；朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造出接近1nm的纳米晶体管，这种纳米晶体管以碳为基础，以包含氢和硫的有机半导体分子为晶体管材料，以金原子层为电极。2001年8月IBM宣布研制成功全球首个单一分子芯片，向着发展功能更强大、耗电量更少的下一代电脑迈出了新的一步。IBM研制成功的“是非门”，其功能是令输出和输入状态相反，它是电脑中最基本的逻辑电路之一。2001年7月，《科学》周刊报道，一种能在室温下正常工作的单电子晶体管载荷兰实验室诞生。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”的状态，，它只有1nm宽、20nm长，整体上还不足人的头发丝直径的500分之一。由于它具有微型化和低耗能的特点，因而可成为分子计算机的理想材料。早在2月21日，以北威洲纳米研究联合会和埃森大学为首的多家德国科研机构，在利用单个电子作为纳米电路开关的研究中取得初步进展。由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”同样可以达到通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”。
英国利物浦大学的科学家在英国《自然》杂志上报告说，他们使用硫醇分子作为纳米电路的导线。这种分子呈链状，硫醇基位于分子末端。每个硫醇基都能与一个金原子发生反应，与其稳固地结合。美国科学促进协会评出的2001年十大科学技术突破中，连接纳米晶体管、纳米导线和纳米开关的分子水平电路荣登榜首。专家们说，今年在分子水平计算技术的飞跃有可能为未来诞生微小但极端高速、功能强大的机器铺平道路，例如制造可“钻”进人体内诊断疾病的微装置。如果纳米电路能被应用到更复杂的仪器中，将无疑成为今后几十年科技突破的动力之一。
日本继2000年底开发成功由4个单电子晶体管构成的加法运算电路后，NTT公司最近又研制出“硅单电子移动元件”，把3个硅电极用20nm粗细的硅连线连接起来，通过改变电压控制单个电子在细线内移动。它所消耗的电力是现有电子元件的十万分之一，但目前工作温度为-284?C，与工业水平尚有距离。日本理化研究所开发纳米布线技术也取得了进展。科学家在石墨板上制作了联乙炔化合物膜，然后用扫描隧道显微镜的微小探针施加瞬间电压，制作了宽3nm、长200~300nm的“电线”，进而又利用这种纳米“电线”制造出单电子晶体管原型。日本大阪府立大学科学家用碳纳米线圈制作显示器用电子枪获得成功。这项技术不触犯美国专利，因此有可能成为日本的独特技术。这种电子枪是“场致效应显示器（FED）”的心脏。它发射出的电子能在荧光屏上显示出图像。
我国对纳米技术的研究应用十分重视，多年来国家自然科学基金一直重视并多渠道优先支持纳米科技，特别是纳米电子学的研究。在国家自然科学基金的连续资助下，1997年9
月北京大学利用综合学科优势，成立“北京大学纳米科学与技术中心”。该中心目前承担以信息科学部为主立项的国家自然科学基金委跨学科重大项目“纳米电子学基础研究”等多项基金项目的研究任务。纳米化学研究室刘忠范教授课题组，首先以双功能分子自组装膜为基础，用疏基为主的双功能团分子，成功的在金（Au）膜表面组装金纳米粒子；对硫化镉（CdS）纳米粒子的耦联层由双疏基分子乙二硫醇在金表面形成自装膜，成功地构成了“单电子隧道结/纳米岛”结构。北大顾镇南教授课题组在多年碳富勒烯研究的基础上，进一步研究了碳纳米管的制备、结构和特性，掌握了有效制造和提纯碳纳米管技术，与纳米电子学研究室薛增泉教授课题组合作，把单壁碳纳米管分离将切割制得的短单壁碳纳米管组装到晶态金薄膜表面，实现了单壁碳纳米管分离地站立在金膜表面。通过交叉学科的多年卓有成效的合作研究，有关超高密度信息存储膜的研究工作，得到了国内外同行专家的好评。后来与美国橡树岭国家实验室合作研究计算模拟，于1998年春季报告，关于超高密度信息存储，信号写入点达到了1.3nm，是当时国际上的最好水平，此成果被我国两院院士评为1997年我国十大科技进展之一。到2001年我国科学家研制出世界上信息存储密度最高的有机材料，在纳米级的有机薄膜材料上，一个个直径仅有0.6nm的信息存储点井然有序，从而在超高密度信息存储研究上再创“世界之最”，因而关于超高密度存储膜的研究一直被国际同行关注。
组装分离的单壁碳纳米管技术，对开展碳纳米管的机构和特性的基础研究、应用开发有重大意义，主要做了如下工作：（1）制造扫描探针显微镜的针尖。首次将碳纳米管组装到扫描隧道显微镜针尖上，得到了金薄膜晶粒大晶粒和高定向石墨原子分辨像。（2）研究碳纳米管的电学特性。纳米导线具有显著的非线性和量子效应，通常输运的是有限个电子，这些都是研究纳米电子器件的基础。组装在STM针尖上的单壁纳米管，可以在与基底垂直方向上进行测量，显著地减小了环境的影响，提高测量温度。将组装在金膜上的单壁纳米碳管室温下测得了具有量子特性的I—V曲线。（3）场电子显微镜（FEM）样品。用场电子显微镜研究了单壁碳纳米管的电子发射，显示了令人惊奇的纳米管开口端碳原子的排列结构，这是首次观测到的具有原子分辨能力的场电子发射像。在组装单壁碳纳米管的基础上，高亮度相干电子源，高效场发射电子源，极高分辨率的显示器件等有新应用前景的器件研究。从最基本的单壁碳纳米管切入，开展纳米电子学研究可能是纳米科技发展的重要途径。
西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备的场发射像素管。在1cm2硅片上有序排列的上亿个碳纳米管在电子的“轰击”下，“CHINA”字样清晰可见。因其纯度高、有序性好，场发射性能大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献。这种纳米管显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从-45~+85℃都能正常工作，因此拥有极其广阔的市场前景。
国家重点基础研究规划纳米领域首席科学家张立德研究员率领的研究小组，不久前成功地合成出只有头发丝5万分之一细的纳米级同轴电缆，解决了超高密度集成电路的元件之间的连接问题。同轴纳米电缆除可用于高密度集成元件的连接外，还可作为微型工具和微型机器人的部件；其硬度和金刚石差不多，可制成钻头，是制造纳米器件的极佳工具。肉眼看不见的纳米电缆将改变我们未来生活的许多方面。我国科学家有关同轴纳米电缆的论文国际引用以几十次。
佳隆（烟台）实业有限公司电子材料厂是一家专业从事微米、亚微米、纳米级显示器件用电子浆料研制、生产和经营的高新技术企业，该企业追踪世界尖端技术，聚焦电子领域，大力研制、开发纳米涂膜材料，先后承担并完成国家科技型中小企业技术创新基金重点支持项目、国家863计划项目、国家级火炬计划项目、山东省科技攻关计划项目和高科技发展计划项目等。他们利用自行研制的复合纳米粉体技术，成功研制、开发出显示器用、防静电、防眩光、防辐射绿色环保功能的“三防”纳米涂层材料，实现了国内从单一纳米粉体制备复
合粉体在电子工业应用上的重大突破，特别是在纳米粒子的分散、分级和干燥技术方面及复合纳米粒子的浆料制备方面有特色和创新，填补了我国纯平显象管、显示管用“三防”纳米材料方面的空白，打破了美国、日本等少数国家在该领域的垄断，并列为国家高新技术研究发展计划（863）项目和山东省重点科技攻关计划项目。在此基础上，他们积极研制、开发新功能、新特性的新物质，拓展纳米涂膜材料应用领域。
在纳米电子学研究的两个方面：室温单电子器件和超高密度信息薄膜研究，我国都达到国际领先水平。研究纳米电子器件，用它组建未来的计算机和自动器，成为未来科技和经济的重要基础，具有不可估量的科学意义。在这个领域中的研究，大家都处在同一起跑线上，抓住机遇，努力奋斗，有希望做出处于国际先进水平的研究工作。