纳米电子技术研究的现状与展望

纳米电子技术研究的现状与展望

0纳米电子材料、器件和系统的征纳米电子技术是科学家和科学家在纳米规模（1.100纳米）上研究材料的电子运动规律、性能和应用的科学技术。这些特点规律用于生成电子材料、设备和系统。纳米电子器件以其固有的超高速(10-12~10-13s)、超高频(大于1000GHz)、高集成度(大于1010元器件/cm2)、高效低功耗、极低阈值电流密度(亚毫安)和极高量子效率等特点在信息领域有着极其重要的应用前景,将可能触发新的技术革命,成为未来信息技术的核心和支柱。1纳米电子技术的重要地位1.1mems/复合器件根据预测,传统硅基CMOS技术在2020年前后将达到其10nm尺寸和性能极限,量子效应将表现得越来越明显,微电子在速度、功耗、集成度、成本、加工均匀性和可靠性等方面将受到一系列基本物理特性、工艺技术和投资巨大等问题的限制。微电子要超越目前发展中遇到的物理和工艺极限,并实现“更小(提高集成度)、更快(提高运算和处理速度)、更冷(降低功耗)”的目标,必须依赖于纳米电子技术。根据美国国防部高级研究计划局(DARPA)提出的“超电子学”(ultraelectronics)研究计划,未来的电子器件需达到“双十二”,即1012的存储器容量(1Terabit)和每秒1012次的运算速度(1000亿次/s),且廉价而节能。要实现这一目标,电子器件的尺寸将必然进入纳米尺度范围。由此可见,纳米电子技术是微电子技术发展的必然趋势,未来将可能取代微电子技术成为下一代信息技术的核心。1.2新型信息器件纳米电子技术立足于其特有的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧穿效应、库仑阻塞效应、量子相干效应、巨磁阻效应、高温超导效应等特色效应,在纳米尺度甚至分子、原子层次上开发物质潜在的信息和结构功能,实现信息存储和处理能力的革命性突破,将使信息领域的电子器件面临颠覆性变革,催生大批新型信息器件,其意义可能比晶体管取代真空电子管的意义还要大。此外,纳米电子因其特有的物理效应,更易于与光电子、生物、机械等技术融合发展,可以制成光电器件、分子器件、纳机电系统、纳米机器人等,将导致信息领域及整个科学技术领域出现重大突破,对人类生产和生活方式产生革命性影响。1.3纳米电子系统的主要特点纳米电子技术的发展有助于构筑新型纳米量子器件,如单电子晶体管、自旋电子存储器、单原子开关等,也可用于量子系统的量子点、量子线和量子阱等,从而为实现量子计算机和量子通信系统奠定基础,量子计算机将成为纳米电子时代的重要产品。根据DARPA《量子信息科学技术路线图》和《欧洲量子信息处理与通信研究现状、远景与目标战略报告》,现在确定的主要物理实现系统有半导体量子点、超导电路、离子阱、腔量子电动力学、线性光学、液态核磁共振、固态量子计算等体系。其中,半导体量子点体系利用半导体量子点所特有的性质,实现量子比特的制备、存储、读取,单比特的旋转、比特间的受控操作,以至于能扩展到几个比特,实现简单的量子计算方案,并最终实现量子计算机。这是纳米电子技术发展的一个重要方向,半导体量子点体系将成为最有前途的量子计算机实现方案之一。2纳米器件的制备技术纳米电子技术主要包括纳米电子学基础理论、纳米电子材料、纳米电子器件和纳米电子系统等主要技术方向,以及纳米加工与制备、纳米电子表征测量等支撑技术。纳米电子学基础理论是纳米电子技术发展的理论基础,主要为纳米电子器件的设计、制备、集成、测试和应用提供理论指导。目前,其主要包括纳米结构中载流子输运理论、纳米电子材料特性规律、纳米电子器件性能表征理论、纳米电子器件集成设计基础理论等研究方向。纳米电子材料是纳米电子技术研究的物质基础,主要研究零维量子点、一维量子线和二维量子阱材料,特别是GaAs,InP基晶格匹配和应变补偿材料,硅基应变异质结构材料以及GaN量子线等低维半导体纳米材料的生长与制备;重点探索纳米管、纳米线、纳米带、纳米薄膜等纳米材料的制备,特别是碳纳米管和石墨烯等碳质新材料的制备。纳米电子器件是未来构成纳米集成电路的重要器件,目前,其主要研究方向包括单电子晶体管、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米MOS器件、非易失性纳米存储器等固态纳米电子器件,以及分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等。纳米电子系统是纳米电子技术发展的目标,主要基于纳米电子运算以及存储元器件的新特性和新机制,研究并建立纳米运算与存储系统的基本体系结构,在纳米运算和存储元器件制备的基础上,进行纳米电子器件的集成方法研究,设计并实现纳米运算原型系统和纳米存储原型系统,并探索二者的单芯片集成。主要包括纳米电子集成电路、纳米电子计算机、纳米电子机械系统(NEMS)等研究方向。纳米加工技术是纳米电子器件加工和集成实现的技术路径,主要包括“自上而下”和“自下而上”两条技术途径。“自上而下”的纳米加工技术是以无机半导体材料为主,利用薄膜生长和纳米光刻技术制备纳米固态电子器件及其集成电路,目前主要包括紫外光刻、电子束光刻、聚焦离子束/电子束双束、纳米压印、反应离子/等离子体刻蚀等技术。“自下而上”加工技术是从原子、分子出发,在一定条件下自组织生长出所需要的纳米材料,并进一步组装成纳米功能器件,最终形成电路系统,目前主要包括分子自组装、纳米粒子自组装和扫描探针加工等技术。纳米电子表征测试是纳米电子技术发展的重要支撑,主要包括器件的微观结构表征和性能测试分析。在微观结构表征方面,主要采用透射电子显微镜、扫描探针显微镜、扫描电子显微镜以及多种光谱仪对纳米电子器件的结构进行表征,实现对器件组成部件的精确观测,提供精确尺寸,为理论建模与制备优化提供指导。在电学信号测试方面,主要采用电学探针台、半导体参数测试仪以及扫描隧道显微镜,对不同微结构的纳米电子器件的电学信号进行系统测试。由于涉及到极微弱电流、高频信号、超低温环境等众多难题,性能测试也是纳米电子技术发展面临的难题。3纳米电子研究世界主要国家高度重视纳米电子技术的研发和应用。美国在“国家纳米技术计划”(NNI)的重大挑战项目中,提出重点研究纳米电子学;在“国家纳米技术计划战略规划”报告中,确定了纳米尺度的基本现象和过程、纳米尺度的器件和系统、纳米制造、纳米材料、纳米技术仪器研究、大型设施和仪器、纳米技术和社会的影响等七个重点领域,内容大多涉及纳米电子研究。欧盟通过框架计划支持纳米电子技术研发,重点瞄准信息处理和存储系统方面的纳米电子器件和纳米电子材料研究;成立欧洲纳米电子行动顾问委员会(ENIAC),推动未来欧洲纳米电子的研发;出台“处于变化中心的纳米电子学2020年展望”报告,建议欧盟每年投资60亿欧元进行纳米电子研究;提出“新兴的纳米电子学”倡议,指出欧洲在纳米电子研究方面的需求和机会。日本、韩国以及中国台湾地区也纷纷围绕纳米电子制定相应的战略和计划,不断加大对纳米电子研究的投入,组建新的生产和研发基地,谋求在未来纳米电子技术发展中抢占先机。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》将纳米研究部署为四项重大科学研究规划之一,并提出重点研究纳米电子学。中国科学院《中国至2050年纳米科技发展路线图》提出纳米电子学是2020年左右能产生重大影响或能实现的纳米科技之一。3.1电子晶体的未来近年来,纳米电子研究步伐加快,新型电子元器件不断涌现。2009年10月,美国耶鲁大学与韩国光州科学技术研究院合作利用单个苯分子制成世界上首个分子晶体管。2010年2月,美国哈佛大学和麦特公司研发出世界首个可编程纳米处理器,预示着研制纳米计算机成为可能。2010年5月,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制出首个完整的生物电子系统——由三磷酸腺苷(ATP)驱动和控制的生物纳米电子混合晶体管,有望让义肢与人体神经系统直接“连线”,此项技术可应用于未来无缝生物电子界面中,以实现生物体和机器的更好沟通。2010年5月,美国与澳大利亚科学家利用扫描隧穿显微镜技术操纵单个原子,成功制造出世界上最小的量子点晶体管(由7个原子在单晶硅表面构成的一个“量子点”)。这是世界上第一台用原子人工制造出来的电子设备,向超高速、超强大信息处理迈出重要一步。2010年11月,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学将10nm半导体砷化铟层集成在硅衬底上,制造出一块纳米晶体管。2010年12月,美国德克萨斯A&M大学研制出首个能在高温下工作的自旋场效应晶体管(FET)。2011年4月,美国匹兹堡大学制造出了核心组件直径只有1.5nm的超小型单电子晶体管“SketchSET”,将成为制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路的理想器件。未来10~20年电子元器件技术将迅猛发展,新型电子元器件将不断走向实用。单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的研究将不断取得突破,促使纳米电子技术向着延续、扩展摩尔定律和超越CMOS的方向发展,大规模纳米集成电路将初步实现,对数据存储和计算机发展等产生重大影响。3.2研究计划及进展石墨烯研究如火如荼,碳基CMOS将逐渐取代硅基CMOS。石墨烯在2004年由英国科学家研制成功。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其他维度碳质材料(如富勒烯、碳纳米管、石墨)的基本单元。它是目前已知的世界上最薄和最硬的材料。石墨烯不仅具有载流子迁移率高和禁带宽度可调控以及热导率高等半导体电学特性,同时其薄膜形态与当前的硅平面工艺兼容且能够大规模集成,可能成为超越和取代硅基CMOS的新一代半导体材料之一。英国科学家安德烈·盖姆和诺沃·肖罗夫因研制成功石墨烯材料获2010年诺贝尔物理学奖。2011年3月,石墨烯研究入围欧洲委员会(EC)未来新兴技术(FET)旗舰计划,有望获得为期10年的10亿欧元研究经费。石墨烯材料制备方面,2009年1月,韩国成均馆大学和三星先进技术研究院的研究人员制备出大尺寸石墨烯薄膜;同年4月,美国莱斯大学和斯坦福大学用圆柱状碳纳米管制造出几十纳米宽的石墨烯带;2010年2月,由英、美、韩研究人员组成的国际小组发明了利用超声波脉冲大规模生产石墨烯的方法。石墨烯性能研究方面,2010年10月,韩国首尔大学和美国标准化技术研究院首次揭示了石墨烯的电子结构,将有助于热损耗更小的超高速电子元件开发;2011年4月,美国伊利诺伊大学首次发现石墨烯晶体管在纳米尺度具有自制冷效应,未来可制成速度更快、功耗更低的石墨烯芯片;与此同时,英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆又研究发现石墨烯具备有效传导电子自旋的特性,有望成为下一代基于电子自旋的电子元件材料。石墨烯器件构建方面,2008年4月,英国研究人员用石墨烯材料研制出世界最小的电子晶体管,其厚度为1个原子,直径为10个原子;2009年1月,美国莱斯大学开发出高容量的石墨烯片状存储器;2009年3月,美国麻省理工学院使用石墨烯材料制成只需要单个晶体管的倍频器,能够输出纯净的高倍频信号,石墨烯倍频器有望使CPU主频达到500~1000GHz;2010年2月,美国南安普敦大学科学家研制成功石墨烯场效应晶体管;2011年4月,IBM研制成功新的石墨烯晶体管,其截止频率为155GHz,比2010年2月推出的100GHz石墨烯晶体管的速度提高了50%,而且体积更小。加州大学伯克利分校研制出石墨烯调制器,其调制速度目前为1GHz,未来理论调制速度将达500GHz,可实现超快数据通讯。专家预计,2020年左右将研制成功性能优异的石墨烯材料和晶体管,并解决其互连和集成等技术问题;2030年左右可研制成功石墨烯系统芯片,并形成规模化生产。这将使碳基COMS取代长期占据集成电路主导地位的硅基CMOS,引发集成电路领域发生革命性的变化。3.3纳米电子材料的开发碳纳米管于1991年由日本科学家首次发现。由于碳纳米管具有独特的拓扑结构、极高的机械强度、良好的导电性能等众多优异而独特的光学、电子特性和机械性能,呈现出广阔的应用前景,成为国际上众多科学家关注和研究的前沿课题。碳纳米管在纳米电子方面有着非常重要的用途,是场效应晶体管和单电子器件的一种具有发展前途的重要材料。2010年2月,日本和芬兰科学家研制出了金属性和半导体性之间平衡达到最优化的新式碳纳米管,并使用这种纳米管制造出了薄膜晶体管(TFT)以及首个基于碳纳米管的顺序逻辑集成电路,为计算机电路纳米化提供了一线曙光。2010年6月,瑞典哥德堡大学开发了一种可控制纳米管形成过程的方法,内含碳纳米管的晶体管尺寸可以变得更小且运行速度更快。制造出电子流动性比现有半导体材料高25%、比硅晶体管高70%的碳纳米管晶体管,碳纳米管向新一代电子产品迈出了重要一步。碳纳米管研究已显示出广阔的应用前景,通过构建基于碳纳米管的纳米电子器件和连线,实现速度远快于而功耗远小于目前集成电路的碳纳米管集成电路。3.4算法的主要特点忆阻器(记忆电阻)由美国惠普实验室于2008年4月研制成功,是继电阻器、电容器、电感元件之后的第四种电子元件。忆阻器是一种基于模拟信号的非线性动态纳米元件,可以构成交叉开关,且其材料可以与CMOS工艺兼容。忆阻器体积小、功率低、不受辐射影响,特别是用忆阻器实现的器件可兼有运算和存储功能,被认为是替代硅芯片、延续摩尔定律的有力竞争者。自2008年4月美国惠普实验室研制出世界首个忆阻器以来,忆阻器通过简单封装即可提供内存与逻辑功能的突出表现受到广泛关注,研究日趋活跃。2009年4月,美国密歇根大学开发出一种能存储1kbit信息的纳米级忆阻器芯片;2010年4月,惠普公司研究发现忆阻器可进行布尔逻辑运算;2010年6月,密歇