从微电子器件到纳米电子器件.ppt

1、天津理工大学纳米材料与技术研究中心,第五章：从微电子器件到纳电子器件,天津理工大学纳米材料与技术研究中心, 主导技术：蒸汽机 动力变革， 热能、机械能 科学基础: 牛顿力学、热力学、 能量转化原理,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,第二次产业革命（1835-1914）, 科学基础：电的发现、 电磁理论 主导技术：电气化技术(发电机和电动 机、电力传输、无线电通讯),天津理工大学纳米材料与技术研究中心, 科学基础： X射线的发现 放射线的发现 半导体的发现 主导技术：微米技术 微电子技术,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家； 2.主导技术经历了孕育期生

2、长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约50-60年； 3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术； 4.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。,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB,计算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍,天津理工大学纳米材料与技术研究中心, 推动GDP快速增长,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,纳米科学的内涵,在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要的地位，因为纳米电子学是微电子学发

3、展的下一代。,电子器件的发展与三代电子器件,1897年Thomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的事：控制电子在真空中和固体中（固体中电子达1022/cm）的运动状态，产生了电子器件。电子器件的发展已经历了两个时期，真空电子管和固体晶体管。, 电子器件主要用于处理光、电信号 光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位 信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等 信号加工中最基本的是放大，即用小信号控制生成对应的大信号，最关键的元件是放大三极管,1. 真空电子管：1906年发明，它是将电子引入真空环境中，用加在珊极上的电压改变发射电子阴极表面

4、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。有真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。,2. 晶体管：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。,微电子器件发展的摩尔(moore)定律-芯片上晶体管数量每隔18个月将会增加一倍。,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,Moores Second Law,Plant cost,Mask cost,generation

5、,X 1000$,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 2016,16K,1M,16M,1G,16G,光刻工艺特征尺寸,芯片集成度,8.0 um 5.0 um 3.0 um 2.0 um 1.3 um 0.8 um 0.5 um 0.35um 0.25um 0.18um 0.13um 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm,1986年最细线宽0.5um,1995年最细线宽0.18um,2004年最细线宽 2250nm,19

6、80年最细线宽1.0um,3,4,6,12,8,4,3,8,一台 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65nm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,芯片中三极管的价格随时间的降低,8088,286,486,奔4,$,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,CMOS器件的若干挑战性问题,

7、天津理工大学纳米材料与技术研究中心,按摩尔定律，以硅材料为主的微电子到2011年的最小尺寸，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。,Prophecies, A Risky Endeavor,I think there is a world market for maybe five computers. - T. J. Watson,640K ought to be enough for everybody. - Bill Gates,There is no reason anyone would want a computer in their home. - K

8、en Olson,There is not the slightest indication that nuclear energy will ever be obtainable. - Albert Einstein,纳米电子学，又叫纳电子学 (nanoelectronics),研究对象是纳米尺度,信号处理时间是纳秒,信 号 功 率 是 纳 焦,纳米尺寸、纳秒时间和纳焦能量现象超出了现有科学体系,构成了严重挑战,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,纳 电 子 器 件,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,真空电子器件和微电子器件的共同点都是强调电子的粒子性，即都是通过控制数以千计的成群电子的集

9、体运动状态的，来实现特定的功能。,当电路的集成度达到1012bit/cm2 时，每个元件的尺寸小于10nm，会受到两个主要限制：量子效应和波动性, 电子的自由程与物理长度相比拟。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, 功耗：若功耗小于3W/in2，每开关一次的电子数必须少于10个，逼近了单电子行为，具有更显著的量子效应, 叠加性 (superposition) 相干性 (interference) 牵连性 (entanglement)：一个系统的某个定义态与它的部分态的牵扯 不确定性 (uncertainty): 即使没有干扰，也不能准确知道一个量子态是否被占据,纳电

10、子器件的元件尺寸的与物理长度相比拟，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, 库仑堵塞现象：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。, 普适电导涨落：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（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

11、尔效应；海森堡不确定效应等。,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,微电子和纳米电子器件的比较,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,微电子和纳电子三级管的结构示意图和符号,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,未 来 的 三 种 计 算 机,1946年摩尔电子工程学院制造的第一台计算机,1947年美国制造的实用计算机：30t ,174kW，170m2,First Personal Computer,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,计算机小型化,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,Brain: Bottom-up (self-assembly based) 1.3 kg 10 W 100 ter

12、aflops,NEC Supercomputer: Top-down technology Tons 500 kW 40 teraflops,1. 量 子 计 算 机,经典计算机： 二进制位存储： 非0即1开或关,量子计算机：实现量子计算的装置，它是建立在量子力学的原理上工作的。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）。量子存储器可以不同的概率同时存储0或1，量子位可以是0和1的叠加。,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,量子计算机的优点: (1) 计算速度快：计算速度可提高10亿倍,1个400位长的数分解成质数乘积,采用巨型机需10亿年,用量子计算机只要一年

13、； (2) 量子位储存能力大大提高； (3) 可完成一些传统计算机无法完成的计算。高效率模拟、模拟量子系统， 40个自旋1/2粒子体系； (4) 低能耗：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,量子计算机存在的问题 受环境影响大，纠错复杂 消相干效应：量子信号与外部环境发生相互作用，导致量子相关性的衰减，使相干性很难维持。 克服消相干效应是量子计算机要克服的主要困难。 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。,2. DNA 生物计算机： DNA分子上包含大量的遗传密码，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。 D

14、NA计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,3. 光子计算机：传统的计算机是利用电流来进行计算，而光子计算机是用光束来进行计算和存储，不同波长的光就代表不同的数据。其优点是信息处理速度快，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，因此能够大大缩小信息通道的空间。,迎 接 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21世纪的时

15、代材料。,C脚手架,C60晶体管,纳米变阻箱,石墨烯,石墨烯是2004年由曼彻斯特大学的科斯提亚诺沃谢夫和安德烈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碳原子面材料，是碳的二维结构。它的厚度只有0.335nm，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝厚。,石墨烯具有原子级的厚度、优异的电学性能、出色的化学稳定性和热力学稳定性： 石墨烯是世界上已知的最为牢固的材料，若用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品。 石墨烯还是目前已知的导电性能最出色的材料（电子通过率几乎达到100%），极有可能取代硅而成为未来的半导体材料,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,What makes

16、CNTs good ?,Easily withstand high current densities of billion A/cm2 Made to be conductors or semiconductors Circumference is inversely proportional to the band gap No clean room required to make them Nanoscale diameter Strength,How to make metallic and semiconducting CNTs,Saturation point after abo

17、ut 1.5 or 1.6 degrees/section,（4，0）碳管垂直生长在（11，11）碳管上组成的纳电子三极管,2001年7月6日出版的美国科学周刊报道，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下通过。 用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1纳米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分一。,纳米碳管晶体管,只需一个电子就可实现开关状态,Nanotransistors from CNTs, 纳米

18、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,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,碳纳米管FET显示,Field-effect transistor based on a single 1.6 nm diameter carbon nanotube,天津理工大学纳米材料与技术研究中心,Carbon Nanotube,Emission,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,A display panel only 2.4 nm thick,单根纳米线电驱动激光器 (Single-nanowire Electrically Drive