半导体纳米科技发展与应用

奖获得者Feyneman在六十年代曾经：如果我们对物体微小规模上纳米半导体材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-90.1~100nm。它包括体积分数近似相1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米半导体细粉。Gleiter6nm100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，直径几乎是英文里面一个句点的百万3001975英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法的非晶硅薄膜中掺杂成功使非晶10非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视管的靶面，根据纳米半导体特殊性质而有针对性的应用的例子真是不胜枚举。半导体纳米科技的发半导体纳米科技的发展现ST半导体纳米科技的发展历802120p-np-nnpp-np-n件进了纳米电子器件的领域。从微电子器件到纳米电子器件是电子器件发展的第二次，与从真空管到晶体管的第一次相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。因为第一次对两类器件基础理论是一样的；而第二次，对于纳电子器件传统理论不再适用，需要发展新理论以及探索相应的材料和技术因此纳米半导体器件的出现给科技来了机遇。其中纳米半导体的技术经历了三个阶段：第一阶段：单一材料和单相材料。即纳米晶或纳米相（Nanocrystallineor（0-0纳米微粒同常规块体之间的复合（0-3）及复合纳米薄膜（0-2。system的图案材料（Patterningmaterialsonthenanometerscale。他的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三之中组装排列成有一定度的随机性质。当前半导体纳米技术的研究和应用主要在材料和、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术等方面。用纳米半导体材料制作的器材重量更轻、硬度更强、更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米技术还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，以满足特定的需要。在纳米半导 方面，追求获得量大、尺寸可控、表面清洁 方法光催化及光电转换研究表现出的前景。经营纳米半导体研究刚刚起步，但它纳米半导体器件的提出和发展有着社会发展强烈需求的背景，首先是微电子产业。按莫尔（Moore）Si2012FET35nm体性质和参杂不均匀带来的问题、电子遂穿出现薄氧化层的不平坦以及互联延迟难以克服等而且随着集成度提高价格迅速下降的规律也将不再成立，开发小于100nm工艺技术所耗，恐怕也难以承受。因而，基于纳米半导体材料的固态量子器件的研究受到了重视，而且在光电子器件、量子器件、通信技术、集成电路技术等方面取得了较大的进展。纳米半导体器（ID和OD工作的必要条件是电子的平均自由要大于或者0.1nm（4.2K77K（GaAsInP基Ⅲ—Ⅴ族材料50nmm*级空间分辨、快速和无损的加工工艺和相应的装置是实现纳米制造首先要解决的难题之一。的表面态密度和缺乏良好的介质材料等，因而不是制作纳米电子器件及其集半导体材料有可能兼备硅和低界面态的优点，但是也需要解决介质问题。利用应变自组装技术量子点（线）的最大问题是如何提高量子点形状、尺寸和分布的均匀性以及量子点的密度和体密度。虽然可在一定度上改善量子Si结是很的，因此，必须尽快发展高性能的纳米Si基量子异质结加工技术。PurdueUniversity该技术何时能走出进入实用，仍无法断言。密度量子效应密度量子效应量子效应的电子“”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可械部件的计算机系统提供海量。但是有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，如何用这种器件组装成密度的量子效应其阵列或同样给纳米半导体学的研究者提出新的。问题，即计算机中的输入输出问题。纳米计算机要吧海量信息在一个很小的SPMSPMSPM米器”才能完成纳米半导体器件的机械化组装。纳米半导体器件的、、设计、性能分析模拟环已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米半导体器件、、设计、性能分析模拟环境，并使纳米技术研究获得虚拟的体验已成为可能。情况下建立这样迅速、精细、敏感的量子模拟虚拟环境还存在巨大。3、纳米半导体的技物理方早期的物理方法是将较粗的物质，如低温法、超声波法、发展了一些新的物理方法，如旋转涂层法将聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于转速不同，可以得到不同的空隙度。然后用物理气相沉积法在其表面上沉积一层银膜，经过热处理，即可得到银纳米颗粒的阵列。物理所开发了对玻璃态合金进行压力下纳米晶化的方法。例如：ZrTiCuBeC6GPa623Ｋ的条件下进行晶化,可以出颗粒尺寸小于5nm的纳米晶。化 方固相法包括固相物质热分解法和物理法。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来超微粒但其粉末易固结还需再次成本较高。物理是通过机械、电火花等法制得纳米粒子。其原理是利用介质和100机械合金法(ＭＡ)是1970年INCO公司Benjamin为制作镍的氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种新工艺。该法工艺简单，效率高，并能出常规法难以获得的高金属或合金纳米材料，成本较低但易引进杂质，降低纯度，颗粒分布也不均匀。近年来，助磨剂物理法和超声波法的采用，可制得粒径小于100待继续深入研究。气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位，利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒。尤其是通过控制气氛，可出液相法难以的金属碳化物、硼化物等非氧化物的纳米超微粒.该法主要包括：(Ar、He)1987，Biegles采用此法又成功了纳米级TiO2陶瓷材料。高压气体雾化法：该法是利用高压气体雾化器将-20℃～40℃的氢气和氩气以3高频感应加热法：以高频感应线圈作热源,使坩埚内的物质在低压(1～10kPa)HeN2撞,冷却凝聚成颗粒。该法的优点是产品纯度高,粒度分布窄,保存性好,但成本较高,难以蒸发高沸点的金属.特殊方法，用法可纳米石，用低压燃烧法SiO2、Al2O3等多80纳米“超结构过的基本途径。这是依据化学，在不需要复杂仪器的前提下通过简单的溶液过就可对性能进“剪裁”液相法主要有以下几种沉淀法：该法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中氧化物纳米微粒的方法。均匀沉淀法通过控制生成加入混合后的金属溶液中，然后加热分解获得超微粒。溶胶—凝胶法：溶胶—凝胶法可传统方法不能制得的产物，尤其对非晶态材料显得尤为重要，溶胶—凝胶法包括金属醇盐和非醇盐两种快速蒸发、升华、冷凝和脱水过避免了分凝作用，能制得均匀盐类粉末。若该法是用等离子体将金属等粉末熔融、蒸发和冷凝以制成纳米微粒，是组分合金的开辟了前景。新开发出的电弧法混合等离子体法弥补了传统等离子体法存在的等离子枪短、功率小、热效率缺点。以激光为快速加热热源，使气相反应物分子很快地吸收和传递能量，在瞬间完成气体反应的成核、长大和终止。该法可迅速生成表面洁净、粒径小于50用辐射合成法纳米材料具有明显的特点：一般采用γ射线辐照较大浓度的金属盐溶液。工艺简单，可在常温常压下操作，周期短，产物粒度易控制，一般可得10纳米左右的粉末，产率较高，不仅可纯金属粉末，还可制备氧化物、硫化物纳米粒子及纳米复合材料。通过控制条件可非晶粉末.所以纳米材料的辐射法近年来得到了很大的发展。纳米微粒的除上述方法外，还有一些其他新方法，如模板合成法,利用4.1想干波长、激子的半径和电子的德布罗意波长相当时，小粒子的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于态的原子、电子与处于小颗粒尺寸效应。通常当半导体纳米粒子尺寸与其激子半径相近时，随着半导体粒本征频率增大使红外光吸收谱移向了高波数。上，这就是交换互相作用的体现。劈裂后能量低的态对于跃迁禁戒态，载流子直接激发到这个态是不允许的但这个态拥有较慢的速（即有了较长的）存在着一个较宽的键膜分布，在红外光外场作用下，键膜对红外吸收的3.2效应，在这方面应用的典型代表是纳米点能电池。而纳米点电池光电转的光。个电子。纳米点的多激发使光中短波长的光电子充分的产生多个电子，减少）中形成小的分立能带。利用小能带间的光子吸收等复杂过可以改善电池与光谱的匹配度。中间能带的引入，在能电池中纳米点阵列可以在电池的带隙中引入中间能带，导致低能量光被吸收而产生电子孔穴，减小光的透k=h/e2k常规块体半导体的介电常数较低，在低频范围内增大趋势远低于纳米半导体。在低频范围内，纳米半导体的介电常数呈现尺寸效应，即粒径很小时其介电常数较低，随着粒径增大介电常数先增加后降低，在某一临界尺寸呈现极大值。如在纳TiO2半导体介电常数温度谱上存在一个峰，而在其相应的介电常数损耗谱也呈现一损耗峰。前者是由离子转向极化造成，后者是离子弛豫极化造成的。米数量级，其界面急剧减小（小与0.01%，从而压电效应。散系数大，表面原子配位不饱和性质导致大量的悬挂键和不饱和键等，使纳米半TiO2粒子在可见光照射下对碳氢化合物有显著的催化作用，在环保领域是一种有前途的光催化剂。纳米半导体的应用——纳米半导体纳米半导体器件的提出和发展有着社会发展需求背景，首先来自于微体器件又可按载流子在纳米结构中受限度分为三类：一维受限的超晶格、量子阱器件，例如，量子阱激光器、量子阱红外探测器、隧穿二极管和隧穿晶体管和单电子器等。纳米半导体器件使光电信息传输、、处理、运算和显示等方面的性能大大提高，将构成密度集成，是未来个人计算机。高性能计算机和自动器的基自上而下的发展，即将以Si、Ge、GaAs和GaN等为主的无机半导体器件的尺寸小机高分子和生物写材料组装的功能器件大起来两者的交叠构成21世纪初期新型20世纪90年代中期以以纳电子器件和纳光电子器件为背景的纳米结构设版合成技术、介孔内沿生长、平板印刷等方面的突破，了元素半导体、化合质的控得了一系列的重大成果。已经研制成功各种纳米半导体器件，如纳器、红外探测器、能电池等，利用纳米线、巨磁阻效应制成的超微磁场探测性产生的根源；树立“功能”意识，利用诸如表面修饰，通过人工合成，以了高灵敏生物和化学传感器、高效率能电池及发光二级管等器件。CdS—ZnSCdS/ZnS电流的增益。以nn如此周而复始。这样的电子—空穴对电子流一直延续到陷阱中的空穴被电子复合掉为止，这种电荷的倍增效应相当于放大了初始光生电流。其中，硫化镉、硒化镉以及在红外波段使用的硫化铅、硒化铅等材料应用的最为广泛。要为p-n结型光电转化电池。比如硅能电池就是在p型半导体表面扩散一层n型杂志，形成p-n硅能电池用扩散的方法在硅片上制作大面积p-n结，再做出上下电极的引线，即构成一个能电池。为了能的利用光辐射，正面电极常做成硅单晶型能电池开路电压为0.55V短路电流为35～40mA/cm2转换效率一10%13.5～20%。而多晶硅薄膜型能电池是最近得到广泛研究的一种廉价能电池。它发展前景的一种能电池。其他的的半导体材料电池还有硒、硫化镉等材料，在p-n励电源的能量直接使电子进入导带，因而激光器的效率高，并且很容易通过调制电流来调制电流的发射。有激励光激励及雪崩击穿等目前以结型注入激光器的应用最为广泛。TiO2Al2O3光反射材料：特别是红外反射，如SiO2和TiO2合成的纳米复合涂层具发光二极管材料分有锗硅或砷按结构分有点接触pn结、电、雪崩光电、pin利用高迁移率调制掺杂二维电子气结构的半导体材料的单电子晶体管的导，一维波导通过槽与其他台面部分，在一维波导上沉积形成两条势垒线条从而在它们之间的波导中形成量子点。它的量子点由一维波导和加条势垒栅图rr反向开关时间4.7.1（2） 现代信息产业、微电子产业的是大规模集成电路，而集成电路的则5、两种重要的纳米半导体的特性及应Si结Si从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ-Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产基于直径为12英（300mm硅片的集成电路技术正处在由向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在 研制成功，直径27英寸从进一步提高硅的集成度来看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI（绝缘衬底上的硅）材料，（SmartcutSIMOX8SOI理论分析30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K材料（Si3N4SiO2），KCuAlDNAGaAs、InPGeSi10nm或更小时，诸如器件加工极限、加工费用的成倍增加以及器件工作Si 米线建立p-n结来半导体器件。硅纳米线在作为检测NH、O、Ca2+和DNA的纳 Si外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化,利用其电阻的显著变化可制成纳米传感器,并具有响应速度快、灵敏度高、选择性好等特点,可糖、过氧化氢、牛类蛋白和DNA杂交方面取得了很大进展。利用硅纳米线制成的微米级针状结构传感器可以用于生物化学检测,由于这ph测单个细胞方面很有应用潜力。下图图a的硅纳米线,以便于增加小范围内的检测长度和提高传感器的灵敏度。a硅纳米线集成微米级针状结构示意图传感器用含有50nm厚的p型硅层的SOI(绝缘体上的硅)作为衬底,通过电子束蚀刻和反应性离子刻蚀技术在微米级针状结构的尖端出了50nm高、50～100nm（如图b），用来进行电学性能测量。图b针状结构上宽为50nm的硅纳米线的SEM其表面移动的负电荷(空穴)就会减少,硅纳米线的电导率就会降低。由于传感器的生物化学检测过在溶液内进行,所以需要在器件表面进行聚二甲苯钝化,以保证最小化渗漏电流和溶液、金属的氧化还原反应。溶液的ph值为2～12时,此传ph79.4ns/ph,说明这种传感器经过合适的化学改性之后能够检测到生物细胞内的局部生物化学感应信号,例如神经细胞作用过中的神经以热蒸发氧化物辅助生长机理所得硅纳米线作为电子输运体来出了安培生物传感器,用于检测葡萄糖,所用硅纳米线的硅核直径为15～20nm,硅氧化物3～5nm5%HF5minHF酸腐蚀或者羧基酸(COOH)处理硅纳米线可以吸收葡萄糖氧化酶,研究显示经羧基酸处理后的硅纳米线安培生物传感器可以实时检测0.01mol/L的葡萄3,说明硅纳米线可以作为生物传感器的主要构件。除了用羧基酸处测范围更宽,灵敏度更高。所用硅纳米线经HF酸、AuCl3和硫代乙酸处理,将其共3mm,直径0.5mm,可用来检测牛类蛋白(BSA),在大气环境下的水溶液中可以稳定存在三个月。Bunimovich时定量检测DNA杂交的情况,在硅纳米线的SiO2表面进行胺化硅氧烷处理,而在氢线在检测DNA杂交方面的研究结果,没有硅氧化物外层的硅纳米线显示出了很好的溶液门电路FET的特性,增强了检测DNA杂交的灵敏度,灵敏度提高了两个数DNA杂交的应用上说明硅纳米线可检测低浓度生物分子,作为生物分子传感器在表面化学方面具有很好的应用前景。Talin于纳米印刷光刻技术(NIL)的“由上而下”方法大量出了致密硅纳米线阵列,并用这种纳米线阵列出了化学传感器。纳米线的金属接触和底部门电路可以FETNH3、含有硝基苯或苯酚的环已胺溶液中时,FET的极限电压会出现偏移,即会出现分析物与纳米线之间的电荷转换信号,这种极限电压偏移量与或苯酚的浓度成正比。近两年来研究者以硅纳米线为主要构造单元,出了硅纳米线FET、单电子晶体管(SET)和场效应光电晶体管等多种晶体管。硅纳米线肖特基势垒场效应晶体(SBFET)SOI来,但是蚀刻技术每次的硅纳米线量很少,并且这种“由上而下”的通常需要掺杂,而以本征硅纳米线来SBFET,对探索SBFET的输运机理具有一定的指导意义。以金催化CVD（化学气相沉积）沉积硅烷的本征硅纳米线作为SBFET的沟道,纳米线直径约21nm,硅化镍作为源/漏(S/D)电极可以出性能较好的SBFET。在SBFET的过中,以重度掺杂的n型硅衬底作为普通的背门电路,其上覆盖300nm厚的SiO2层作为门电路电介质,金属接触点含有25nm厚的Ti支持层和50nm厚的CO层,将硅纳米线随机分散到硅衬底表面,并放于异丙醇悬NiHF过无电镀沉积过将Ni选择性沉积于CO上,所以硅纳米线位于CO垫上,并由100nmNi470℃ArNiSBFETS/D由于硅纳米线两端硅化镍S/D电极的形成使硅纳米线的活性区域大大减小,SBFET1μm。对不同长度门电路的研究表明,SBFET1μA1μmp10717nm出性能较好的p型场效应晶体管(p-FET),硼的掺杂度为11cm3。研究表明p-FET10～2A105～10630μA/μm100cm2/(V·s)FET0.8FET描图像为电极接触点附近的器件局域能量波段图像,光电流强度与极化能力由所属氧化物半导体晶体管(MOSFET)由源极、门电路和漏极三部分组成,根据这一结构,Sidt等以硅纳米线为基本构造单元出了垂直硅纳米线FET,器件主要由np22的距离不是很长,整个纳米线中仍然可能会形成倒置沟道。纳米线生长头部的Au/n-Si肖特基接触点可代替源极上的pnAu/n-Si于纳米线I-VnnSiO20.6mm2的接触电极。SiA族元素p型硅半导体；掺入ⅤA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，可作为太阳能电池，将辐射能转换为电能。在能源开发方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管三极管晶闸管和各种集成电（包括计算机内的和都是用硅作为原材料。光导纤维通信，的现代通信。用纯SiO2可以拉制出高透明的玻璃纤维，用于激光通信，而且不受电、磁的干扰，不怕，具有很高度的性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生性巨变。5.1.4Si硅纳米结构已经在作为检测各种不同物质的纳米传感器、纳米晶体管和集成显,将会从更次揭示纳米半导体材料的新现象感器等纳米器件的部分功能,但是硅纳米器件的研究仍处于起始阶段,离纳米器件的还主要“自上而下的技术为主,而近两年“自下而上方法也有了一定研究,这值得研究者进一步深入探讨从目前的研究来看,利用掺杂硅纳米线纳米器件还存在一定问题,如对掺杂硅纳米线的掺杂机理特性的研究还不够深入,而且采用硅纳米线的纳米器件还只是处于初步阶段,其重复性较差,这就需要人们深入研究硅纳米线的掺杂机理,改进掺杂硅纳米线的工艺,减少后处理过制得容易测试的样品,并逐步实现可重复、大规模化生产工艺。C米C0.34～0.36nm。C纳米管极细的发射尖端，比大，使其有望成为一种优良的场致发射材料。C的石的两倍电流的输出能力是金属铜线的1000倍并且具耐热耐腐蚀、耐热冲击、自润滑剂等一系列综合性能。C、、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学领域特别是在场发射、分子电子器件、高性能复合材料增强体、催化剂载体、储氢材料、原子显微镜的针尖等领域具有广阔的应用前景。在短短的十几年中，已出性能优异的C纳米管，在C纳米管的、结大大促进了CCC纳米备出性能优异的分子尺寸器件。近年已经有C纳米管平板显示器件问世，它不仅会对照明和平板显示带来性的，而且会对环保和可持续社会的发展有很大的促进作用。而且用C纳米管做针尖的原子力显微镜（AFM）已经问光蒸发石墨棒法、等离子体法和电解法等技术成功地出C纳米管。C 纳米碳管处于亚稳态—热力学稳定而动力学稳定的状态。一方面，纳米碳管的管型结构消除了石墨烯片两边的悬键，使系统总能量相应降低；另一方面，纳Tibbetts谈论了石墨烯片弯曲产生应力能的形成结构间的关系：的碳环。直径稍微大一点，0.21nm的结构在1K温度下是稳定的，整系的平均能量更低的石墨片结构的转变的能量路径上存在有一个势垒，类似于的石和石墨结构的关系。从能量上讲，石的能量较石墨结构要高。但一旦在非平衡在电子显微镜中，的轰击即为一种远离平衡条件的环境。一种可能的生长机理为高能将打断这对碳原子因而偏离碳纳米管表面如果这时有另一对碳原子在附近，这对新的碳原子即可与偏离碳纳米管的起始的那对碳原子成键，并将消除早先电子柬轰击所造成的2个悬挂键。4个碳原子因而在碳纳米管上共同形成小碳纳米管的第一层原子，随着小碳纳米管端点的悬挂键与新的碳原子成键，碳纳米管即可一层层地垂直于碳纳米管向上生长。虽然碳纳米管可能在偏离平衡状态下生长，并且具有在纳米电子学中的潜在价值，但目前所采用的方法并不能广泛运用到可控的纳米电子学器件生长过实际上虽然人们原理上对碳纳米管的性能可以通过若干个参数来控制，最重要的参数即为其直径和螺旋度，但即使对于直径大于0.4nm可以预见，将来纳米科技的发展，特别是纳米电子学与信息学的发展在相当度上将取决于我们能否随意、经济地大量生长出我们所需要的具有特定结构和性能的碳纳米管。50～200GPa,100至少比常规石墨纤维高一个数量级它的弹模量可达1TPa与石的弹性模5800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可出的具有最高比强度的材料。若将以其他工材料为基体与碳纳米成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度弹性、由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理6nm6nm有说Huang通过计算认为直为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。碳纳米管具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳因为纳米管优秀的物理化学性质，使得纳米管有着非常好的应用前景。在纳米管应用于电脑运算的发展进中，一个重要的里碑就是把纳米造成电脑中所用的开关或晶体管。1998年，IBM公司所属威特森的一个研究小组即以此为目标进行了研究。研究证明单个的纳米管可以具有晶体管的作用，材料的超强加固剂。如果纳米管具备极强的韧性、电极度高温的材料之中，如飞机和火箭外部的嵌