从微电子器件到纳电子器件

1、12. 从微电子器件到纳电子器件从微电子器件到纳电子器件从微电子器件到纳电子器件从微电子器件到纳电子器件工业革命以来已经工业革命以来已经历了三次主导技术历了三次主导技术，引发了三次工业，引发了三次工业革命革命什么是主导技术？什么是主导技术？ 科学革命科学革命技术革命技术革命产业革命产业革命第一次产业革命第一次产业革命(1734-1834(1734-1834） 主导技术：蒸汽机主导技术：蒸汽机 动力变革，动力变革， 热能、机械能热能、机械能 科学基础科学基础: : 牛顿力学、热力学、牛顿力学、热力学、 能量转化原理能量转化原理 第二次产业革命（第二次产业革命（1835-19141835-1914

2、） 科学基础：电的发现、科学基础：电的发现、 电磁理论电磁理论 主导技术：电气化技术主导技术：电气化技术( (发电机和电动发电机和电动 机、电力传输、无线电通讯机、电力传输、无线电通讯) )第三次产业革命（第三次产业革命（1945-20101945-2010？）？） 科学基础：科学基础： X X射线的发现射线的发现 放射线的发现放射线的发现 半导体的发现半导体的发现 主导技术：微米技术主导技术：微米技术 微电子技术微电子技术 三次产业革命的启示三次产业革命的启示: :1.1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家；每一次产业革命造就了一、二个先进国家；2.2.主导技术经历了孕育期主导技术经历了孕

3、育期生长期、高速发展生长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约期、稳定期，主导技术周期约50-6050-60年；年；3.3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；4.4.主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，逐渐形成新的产业群。逐渐形成新的产业群。节省能源节省能源利用资源利用资源优化环境优化环境新工业革命新工业革命存储密度：存储密度： 106 1011 =10万个磁盘万个磁盘 读写速度：读写速度：1GB 20GB纳米技术纳米技术新工业革命的主导技术新工业革命的主导技术20世纪世纪高集成、高空间分辨率，高集成、高

4、空间分辨率，存储密度：存储密度：1000GB 1000GB 计算速度提高计算速度提高1001000倍、功率增加倍、功率增加1000倍，能倍，能耗降低耗降低一百万倍一百万倍，芯片尺，芯片尺寸降低寸降低1001000倍倍纳米技术纳米技术2121世纪世纪纳米技术是纳米技术是21世纪科技世纪科技发展的制高点发展的制高点, 是新工是新工业革命的主导技术。业革命的主导技术。纳米技术纳米技术医疗药物医疗药物环境能源环境能源宇航交通宇航交通生物农业生物农业电子器件电子器件计算机计算机国家安全国家安全新材料新材料制制 造造传统产业传统产业 推动推动GDP快速增长快速增长 对关键问题的影响力对关键问题的影响力 信

5、息技术信息技术知识知识爆炸爆炸时代时代 纳米科技纳米科技技术技术爆炸爆炸时代时代纳米科学的内涵纳米科学的内涵基基 础础纳米材料纳米材料制高点制高点纳米电子学纳米电子学纳米加工纳米加工纳米生物纳米生物基基 础础纳米物理纳米物理纳米化学纳米化学纳米力学纳米力学在纳米科技中，在纳米科技中，纳米电子学纳米电子学处于特殊重要的地位，处于特殊重要的地位，因为纳米电子学是微电子学发展的下一代。因为纳米电子学是微电子学发展的下一代。电子器件的发展与三代电子器件电子器件的发展与三代电子器件18971897年年ThomsonThomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的发现电子后，在物理学上做了两件重要的事：

6、事：控制电子在真空中和固体中控制电子在真空中和固体中（固体中电子达（固体中电子达10102222/cm/cm）的运动状态的运动状态，产生了，产生了电子器件电子器件。电子器件的发展已经历了两个。电子器件的发展已经历了两个时期，时期，真空电子管真空电子管和和固体晶体管固体晶体管。 电子器件主要用于电子器件主要用于处理光、电信号处理光、电信号 光、电信号的主要参量是光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位振幅、频率和相位信号加工就是按信号的内容来改变这些参量信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号，包括信号的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存

7、储等信号加工中信号加工中最基本的是放大最基本的是放大，即用小信号控制生成对应，即用小信号控制生成对应的大信号，的大信号，最关键的元件是放大三极管最关键的元件是放大三极管 1. 1. 真空电子管真空电子管：1906年发明，它是将年发明，它是将电子引入真空环境电子引入真空环境中，中，用加在珊极上的电压改变发射电子阴极表面附近的电场，用加在珊极上的电压改变发射电子阴极表面附近的电场，来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有真空二极管和真空三极管真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。，其尺寸在几厘米到几百厘米。2. 2. 晶体管晶

8、体管：1947年诞生，电子器件发展经历了第一次变革。晶体管基本单元为 p-n（整流特性）结和 p-n-p 结(信号放大），相应的有晶体二极管和晶体三极管。晶体管的体积小（由厘米降到微米），功耗小（从毫安降到微安），制成大（超大）规模集成电路，称为微电子器件。4004808080868008Pentium486 DX386 Processor286Pentium IIPentium IIIItaniumGoal: Over 1 billion transistors by 2005Pentium 4Itanium 2微电子器件发展的微电子器件发展的摩尔摩尔( (moore) )定律定律-芯片上晶

9、体管数芯片上晶体管数量每隔量每隔18个月将会个月将会增加一倍增加一倍。摩尔定律指导下的不断细微化过程摩尔定律指导下的不断细微化过程 印制电路板印制电路板cm量级量级集成电路芯片集成电路芯片mm量级量级集成电路中的晶体管集成电路中的晶体管m量级量级纳米管场效应晶体管纳米管场效应晶体管nm量级量级纳米操纵纳米操纵原子量级（原子量级（）微光刻与微纳技术历程和发展趋势微光刻与微纳技术历程和发展趋势1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 201616K1M16M1G16G光刻工艺特征尺

10、寸芯片集成度8.0 um5.0 um3.0 um2.0 um1.3 um0.8 um0.5 um0.35um0.25um0.18um0.13um 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm1986年最细线宽0.5um1995年最细线宽0.18um2004年最细线宽 2250nm1980年最细线宽1.0um346128438一台JBX 3040电子束光掩模制造系统2000万美圆相当一架波音737建设一家45nm技术节点、12英寸集成电路制造厂30-35亿美圆一套180nm工艺节点掩模版25万美圆一套130nm工艺节点掩模版85万美圆一套90nm工艺节点掩模版150万美圆一套65n

11、m工艺节点掩模版300万美圆一套45nm工艺节点掩模版500万美圆一套22nm工艺节点掩模版1500万美圆CMOS器件的若干挑战性问题器件的若干挑战性问题Si-MOSFETSi-MOSFET极限极限Gate Length 10nm电子隧穿引起误差电子隧穿引起误差线路电容的延迟线路电容的延迟热积累引起性能恶化热积累引起性能恶化热和量子涨落误差热和量子涨落误差 纳米器件的集成和纳米器件的集成和与微电子系统的联结与微电子系统的联结介质层中高电场介质层中高电场强度，可靠性问题强度，可靠性问题 按摩尔定律，以硅材料为主的微电子到按摩尔定律，以硅材料为主的微电子到2011年的最小尺年的最小尺寸，将达到物理

12、极限，进入纳电子器件时期，面临电子器件寸，将达到物理极限，进入纳电子器件时期，面临电子器件发展的第二次变革。发展的第二次变革。2020年年 NANOELECTRONICS at the centre of change纳米电子学，又叫纳电子学纳米电子学，又叫纳电子学 ( (nanoelectronics) )研究对象是研究对象是纳米尺度纳米尺度信号处理时间是信号处理时间是纳秒纳秒信信 号号 功功 率率 是是 纳纳 焦焦纳纳 电电 子子 器器 件件真空电子器件和微电子器件真空电子器件和微电子器件的共同点都是强调的共同点都是强调电电子的粒子性子的粒子性，即都是通过控制数以千计的成群电，即都是通过控

13、制数以千计的成群电子的集体运动状态的，来实现特定的功能。子的集体运动状态的，来实现特定的功能。当电路的集成度达到当电路的集成度达到1012bit/cm2 时，每个元件时，每个元件的尺寸的尺寸小于小于10nm，会受到两个主要限制：，会受到两个主要限制：量子量子效应效应和和波动性波动性 电子的自由程电子的自由程与物理长度相比拟。与物理长度相比拟。当电子作为信号在器件当电子作为信号在器件中传输时，不仅具有振幅信息，还保留相位信息中传输时，不仅具有振幅信息，还保留相位信息电子自由程与器件的物理长度相比拟电子自由程与器件的物理长度相比拟电子 s d g01电子电子开关一次只要几个电子开关一次只要几个电子

14、 功耗功耗：若功耗小于若功耗小于3W/in3W/in2 2，每开关一次的电子数必须少于，每开关一次的电子数必须少于1010个，逼近了单电子行为，具有更显著的个，逼近了单电子行为，具有更显著的量子效应量子效应 叠加性叠加性 (superposition) 相干性相干性 (interference) 牵连性牵连性 (entanglement)：一个系统的某个定义态与它的部分一个系统的某个定义态与它的部分态的牵扯态的牵扯 不确定性不确定性 (uncertainty): 即使没有干扰，也不能准确知道一即使没有干扰，也不能准确知道一个量子态是否被占据个量子态是否被占据纳电子器件的元件尺寸的与物理长度相比

15、拟，失去了统计平均性，以量子效应和统计涨落为主要特性，与信息加工有关的量子系统主要有以下几个基本特性：纳电子器件的主要特征纳电子器件的主要特征纳电子器件中的四个基本现象纳电子器件中的四个基本现象 电导量子化电导量子化：即电导或电阻是：即电导或电阻是量子化的，不再遵循欧姆定律量子化的，不再遵循欧姆定律VG电导量子化电导量子化 库仑堵塞现象库仑堵塞现象：导体中纳米隙小于电子自由程时，会发生电：导体中纳米隙小于电子自由程时，会发生电子隧穿，而隧穿前后隙两侧的电位发生变化。子隧穿，而隧穿前后隙两侧的电位发生变化。 U I库仑堵塞库仑堵塞 普适电导涨落普适电导涨落：在电导与电压关系测量中，发现存在与时：

16、在电导与电压关系测量中，发现存在与时间无关的非周期涨落，但它不是热噪声引起的，而是样品间无关的非周期涨落，但它不是热噪声引起的，而是样品固有的，每一特定的用品有自身特有的涨落图。固有的，每一特定的用品有自身特有的涨落图。 量子相干效应量子相干效应（quantum interference effect）：由于在纳米尺寸中，载流子不仅具有振幅信息，而且还保持信号相位，所以具有相干性。如A-B效应，即弹性散射不破坏电子相干性；量子霍尔效应；海森堡不确定效应等。材料材料工艺工艺理论理论微电子器件微电子器件高纯硅、锗、高纯硅、锗、砷化镓砷化镓光刻、掺杂、外光刻、掺杂、外延技术延技术半导体半导体物理物理

17、纳电子器件纳电子器件无机无机/有机复有机复合材料合材料？分子尺度上的自分子尺度上的自组装和剪裁技术组装和剪裁技术纳米纳米电子学电子学微电子和纳米电子器件的比较微电子和纳米电子器件的比较pnpecbmsgdnm微电子和纳电子三级管的结构示意图和符号微电子和纳电子三级管的结构示意图和符号未未 来来 的的 三三 种种 计计 算算 机机19461946年摩尔电子年摩尔电子工程学院制造的工程学院制造的第一台计算机第一台计算机19471947年美国制造的实用计算机：年美国制造的实用计算机：30t ,174kW30t ,174kW，170m170m2 2计算机小型化计算机小型化1. 量量 子子 计计 算算

18、机机经典计算机：经典计算机： 二进制位存储：二进制位存储： 非非0即即1开或关开或关串行处理量子计算机量子计算机：实现量子计算的装置，它是建立在实现量子计算的装置，它是建立在量量子力学的原理上子力学的原理上工作的。工作的。利用量子位（qubits）存储信息, 用量子态表示0和1（自旋向上或向下）。量子存储器可量子存储器可以以不同的概率同时存储不同的概率同时存储0 0或或1 1，量子位可以是0和1的叠加。量子计算机的优点量子计算机的优点: :(1) (1) 计算速度快计算速度快：计算速度可提高：计算速度可提高1010亿倍亿倍,1,1个个400400位长的数分位长的数分解成质数乘积解成质数乘积,

19、,采用巨型机需采用巨型机需1010亿亿年年, ,用量子计算机只要用量子计算机只要一年一年；(2) (2) 量子位储存能力大大提高量子位储存能力大大提高；(3) (3) 可完成一些传统计算机无法完成的计算可完成一些传统计算机无法完成的计算。高效率模拟、。高效率模拟、模拟量子系统，模拟量子系统， 4040个自旋个自旋1/21/2粒子体系；粒子体系；(4) (4) 低能耗低能耗：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。 量子计算机存在的问题量子计算机存在的问题(1)受环境影响大，纠错复杂受环境影响大，纠错复杂(2) 消相干效应消相干效应：量子信号与外部环境发生相：量

20、子信号与外部环境发生相互作用，导致量子相关性的衰减，使相干性互作用，导致量子相关性的衰减，使相干性很难维持。很难维持。(3) 克服消相干效应是量子计算机要克服的主克服消相干效应是量子计算机要克服的主要困难。要困难。(4) 消相干还会导致运算结果出错，如何进行消相干还会导致运算结果出错，如何进行量子纠错是量子计算机要克服的另一困难。量子纠错是量子计算机要克服的另一困难。2. DNA 2. DNA 生物计算机生物计算机： DNA分子上包含大量的分子上包含大量的遗传密码遗传密码，它能，它能通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。 DNA计算

21、机是通过控制计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算分子之间的生化反应来完成计算，反应，反应前的基因代码可作为前的基因代码可作为输入数据输入数据，反应后的基因代码可作为，反应后的基因代码可作为运算运算结果结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。3. 3. 光子计算机光子计算机：传统的计算机是利用电流来进行计：传统的计算机是利用电流来进行计算，而算，而光子计算机是用光子计算机是用光束光束来进行来进行计算和存储计算和存储，不不同波长的光同波长的光就代表就代表不同的数据不同的数据。其优点是信息处理。其优点是信息处理速度快，光子不需要在

22、导线中传播，只要不满足干速度快，光子不需要在导线中传播，只要不满足干涉条件，即使光线相交，也不会相互影响，因此能涉条件，即使光线相交，也不会相互影响，因此能够大大缩小信息通道的空间。够大大缩小信息通道的空间。迎迎 接接 碳碳 时时 代代名称时期时期/年年石器时代30000铜器时代3200铁器时代1700硅时代40碳时代？作为微电子的下一代，纳电子器件有自己的理论、技术和材作为微电子的下一代，纳电子器件有自己的理论、技术和材料。微电子的主要材料是硅，下一代电子器件的材料是什么？料。微电子的主要材料是硅，下一代电子器件的材料是什么？碳可能是碳可能是2121世纪的时代材料。世纪的时代材料。石墨烯石墨

23、烯石墨烯是石墨烯是20042004年由曼彻斯特大学的科斯提年由曼彻斯特大学的科斯提亚亚诺沃谢夫和安德烈诺沃谢夫和安德烈盖姆小组首先发现盖姆小组首先发现的。它是一种从石墨材料中剥离出的单层的。它是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。它的厚碳原子面材料，是碳的二维结构。它的厚度只有度只有0.335nm0.335nm，把，把2020万片薄膜叠加到一万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝厚。起，也只有一根头发丝厚。 碳纳米管是由多个碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而

24、具有因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米，长度为几至几十微米。米。 碳纳米管可以因直径碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导好的金属导电性或半导体性。体性。 碳纳米管碳纳米管 碳纳米管具有非常适合制作电子器件的各种奇妙物理化学碳纳米管具有非常适合制作电子器件的各种奇妙物理化学性质，非常有可能成为下一代电子器件的主要原料。性质，非常有可能成为下一代电子器件的主要原料。 碳纳米管的质量是相同体积的钢的六分之一，而强度却是碳纳米管的质量是相同体积的钢的六分之一，而强度却是钢的

25、钢的1010倍，抗拉强度和韧性也是目前材料中最强的。倍，抗拉强度和韧性也是目前材料中最强的。 纳米碳管中空的结构可以存储高密度的氢气，纳米碳管中空的结构可以存储高密度的氢气，约约2/32/3的氢气的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来为未来环保汽车能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来为未来环保汽车提供源源不断的清洁能源。提供源源不断的清洁能源。 奇特的物理性质奇特的物理性质v独特的半导体特性独特的半导体特性v极高的机械强度极高的机械强度v极大的比表面极大的比表面v优异的吸附能力优异的吸附能力 主要应用领域主要应用领域纳米电子器件纳米电子器件加强型纤维加强型纤维生物生物/ /化学传感器化学传

26、感器纳米探针纳米探针储氢、储能材料储氢、储能材料催化剂载体催化剂载体 横置于横置于4根金电极上根金电极上面的多重壁碳纳米管面的多重壁碳纳米管 一个正常金属与超导体混一个正常金属与超导体混合构成的器件，中间的窄合构成的器件，中间的窄桥为几百纳米宽的金线桥为几百纳米宽的金线 科学家利用分子的组成部份建造出世界上最小的科学家利用分子的组成部份建造出世界上最小的汽车汽车.它有一个底、车轴和枢轴支承车轮是巴基它有一个底、车轴和枢轴支承车轮是巴基球，即球，即60个碳原子组成的球状结构。个碳原子组成的球状结构。C脚手架脚手架C60晶体管晶体管纳纳米米变变阻阻箱箱具有极好的可弯折性具有极好的可弯折性具有极好的

27、可扭曲性具有极好的可扭曲性。 碳纳米管的强度比钢高碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计多倍，杨氏模量估计可高达可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超超级纤维级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。，是复合材料中极好的加强材料。（4，0）碳管垂直生长在（）碳管垂直生长在（11，11）碳管上组成的纳电子三极管）碳管上组成的纳电子三极管f = 0.33 nmf = 1 nm门

28、电极门电极源源极极漏漏极极 2001年年7月月6日出版的美国日出版的美国科学科学周刊报道，荷周刊报道，荷兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下有效工作的单电子纳米碳管晶体管。他们使用一个有效工作的单电子纳米碳管晶体管。他们使用一个单独的纳米碳管为原材料，利用原子作用力显微镜单独的纳米碳管为原材料，利用原子作用力显微镜的尖端在碳管里制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣的尖端在碳管里制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压下通过。下通过。 用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有

29、用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1纳纳米宽、米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分分一。一。 纳米碳管晶体管纳米碳管晶体管只需一个电子就可实现开关状态只需一个电子就可实现开关状态 Nanotransistors from CNTs 纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪和显示器纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪和显示器单个碳纳米管的场发射单个碳纳米管的场发射碳纳米管碳纳米管FETFET显示显示Field-effect transistor based on a single 1.6 nm diameter carbon nanotubeCarbon NanotubeEmission Emitters generate electrons when a small voltage is applied to both row (base layer) and column (top layer). 用纳米碳管制成的的场发射显示面板用纳米碳管制成的的场发射显示面板A display panel only 2.4 nm thick单根纳米线电驱动激光器单根纳米