《微电子与集成电路设计导论》第六章-新型微电子技术

第六章新型微电子技术微电子与集成电路设计导论Introductiontomicroelectronicsandintegratedcircuitdesign

本章内容SoC技术微机电系统（MEMS）技术生物芯片技术纳电子技术纳米相关技术6.1SoC技术SoC–Systemonachip:多个必要IP组件嵌入在单个硅片上。SiP-SysteminaPackage：一个封装中的多个芯片。SoP-SystemonaPackage:多层分立元件。典型SoC组成单处理器（CoreProcessor）板载执行存储器（MediaProcessor）接到处理核心的外围系统和接口（Interconnects）含FLASH存储器，用于程序存储（Memory）iPhone手机上的SOC51GHzARMCortexA8I/OI/OI/O处理器内存SoC设计基础和IP分类 SoC的设计基础是IP（IntellectualProperty）复用技术。 IP模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有3种不同形式：软IP核（softIPcore）固IP核（firmIPcore）硬IP核（hardIPcore）SoC具有的优势：降低耗电量减少体积丰富系统功能提高速度节省成本问题：要将IP模块集成到SoC中，要求设计者完全理解复杂IP模块的功能、接口和电气特性，如微处理器、存储器控制器、总线仲裁器等。随着系统的复杂性的提高，要得到完全吻合的时序也越来越困难。即使每个IP模块的布局是预先定义的，但把它们集成在一起仍会产生一些不可预见的问题，如噪声，这些对系统的性能有很大的影响。6.2微机电系统（MEMS）技术微机电定义：微机电系统（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。组成：微传感器（MicroSensors）微执行器（MicroActuators）微电子器件（MicroElectronics）微结构（MicroStructure）主要特点如下：微型化物理参数良好批量生产集成化多学科交叉6.2.1微机电系统特点6.2.2微机电系统分类传感MEMS技术生物MEMS技术光学MEMS技术射频MEMS技术6.2.3微机电系统常用工艺和材料微机械加工工艺基本有两种方式：（1）体微加工工艺；（2）表面微加工工艺。满足功能要求的材料有：半导体硅、锗、砷化镓、金属铌，以及石英、陶瓷等，尤以硅材料最为常见。微机电系统的结构材料：基底材料：硅、砷化镓、其它半导体材料；薄膜材料：单晶硅、氮化硅、氧化硅；金属材料：金、铝、其它金属。微机电系统的功能材料：高分子材料：聚酰亚胺、PMMA；敏感材料：压阻、压电、热敏、光敏、其它；致动材料：形状记忆合金、磁性材料等。在汽车里作为加速规来控制碰撞时安全气囊防护系统的使用；在喷墨打印机里作为压电元件；在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统；在轮胎里作为压力传感器，在医学上测量血压；数字微镜芯片；在计算机网络中充当光交换系统，这是一个与智能灰尘技术的融合。6.2.4微机电应用领域生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。6.3生物芯片技术图6.3.1DNA芯片荧光扫描分析图6.3.1生物芯片发展历史1996年美国Affymetrix公司成功的制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片。1998年12月Affymefrix公司和MolecularDynamics公司宣布成立基因分析协会（geneticanalysistechnologyconsortium）以制定一个统一的技术平台生产更有效而价廉的设备。1998年10月，中科院将基因芯片列为“九五”特别支持项目，利用中科院在微电子技术、生化技术、物理检测技术方面的优势，组织跨所、跨学科合作。6.3.2生物芯片分类根据芯片上的固定的探针分：基因芯片蛋白质芯片细胞芯片组织芯片根据原理分：元件型微阵列芯片表达谱基因芯片是用于基因功能研究的一种基因芯片。是目前技术比较成熟，应用最广泛的一种基因芯片。6.3.3生物芯片的应用前景生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段，促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”（第二阶段医学）向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”（第三阶段医学）过渡。DNA芯片技术可用于水稻抗病基因的分离与鉴定。近年来，生物芯片的应用前景呈现以下几个特点：（1）高密度芯片的批量制备技术是重要的发展趋势。（2）高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展的一个重要课题。（3）生物功能物质微阵列芯片的研制具有重要研究意义。纳电子学是指在纳米尺度（量子点或库伦岛）中，探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律；研究单个原子、分子人工组装和自组装技术；研究在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和功能的学科。纳电子器件是纳电子学重要的组成部分。6.4纳电子技术纳电子器件——单电子晶体管用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管。由两个极薄的绝缘层夹一个小岛（库伦岛，尺寸小于10nm）组成。当加在栅上的电压变化引起库伦岛中电荷变化量不到一个电子的电荷，则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时。源漏之间有电流通过。6.4.1纳电子器件图6.4.1单电子晶体管（a）剖面图；（b）结构图纳电子器件——碳纳米管场效应晶体管最早利用碳纳米管制成的场效应晶体管在1998年首次提出:硅衬底做背栅（衬底上通过热氧化生长1层厚300nm的SiO2层），然后制备Pt作电极，再利用自组装技术将半导体型的单根单壁碳纳米管搭接Pt电极上，从而构建单壁碳纳米管场效应晶体管。图6.4.2CNT-FET典型结构示意图优势碳纳米管FET沟道为一维结构，载流子迁移率大大提高。碳纳米管FET参与碳纳米管导电的是表面。碳纳米管FET通过选择源漏材料，可完全消除源漏结势垒纳电子器件——有机分子场效应晶体管该技术利用了分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1纳米到2个纳米，是目前世界最小的晶体管。同时具有制造简单，造价低廉的优点。纳电子器件——超导开关器件利用超导技术采用一条具有高超导临界温度的控制线穿过另一条线，在交结点通过施加控制电流来控制受控线在超导态和正常态之间转换，即相当于用控制线控制电阻在零和有限（小）电阻之间的转换。应用超导技术制成的开关元件，其开关速度可达10−11秒左右的数量级，比半导体集成电路快100倍，但功耗却要低100倍左右。纳电子器件——Memristor忆阻器全称记忆电阻（Memristor），是表示磁通与电荷关系的电路器件。特点电阻取决于多少电荷经过了器件。若电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。具有记忆能力，断电后电阻值保持不变。纳电子器件——石墨烯它是已知材料中最薄的一种，且牢固坚硬；优良的导电特性：它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。2006年3月，佐治亚理工学院（GeorgiaInstituteofTechnology）的研究员宣布，成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管并观测到了量子干涉效应。并基于此研究出根据石墨烯为基础的电路。6.4.2纳电子材料纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。用途效应颜料防护材料精细陶瓷材料磁性材料传感材料磁性纳米颗粒6.5纳米相关技术纳米（nm）实际上是一种计量单位，从宏观的角度上看1米等于100万微米，而1微米等于1000纳米；从微观上看，纳米是描述原子、分子等尺寸及其距离，1纳米仅等于十亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。纳米小得可爱，却威力无比，它可以对材料性质产生影响，并发生变化，使材料呈现出极强的活跃性。纳米究竟是什么东西？也许你觉得纳米技术离你很远，但它已经悄悄地确确实实地来到了你生活中，纳米技术在生活中应用相当广泛。用途催化剂材料的烧结医学与生物工程能源与环保微器件光电材料与光学材料增强材料纳米滤膜发展趋势继互联网、基因之后，纳米现象成为世人关注的又一个“焦点”。人类社会是在不断征服自然和不断攀登