納米電子學(xué)的含義:在0.1-100nm的納米結(jié)構(gòu)(量子點)內(nèi)探測,識別與控制單個量子或量子波的運動規(guī)律,

研究單個原子,分子人工組裝和自組裝技術(shù),研究在量子點內(nèi),單個量子或量子波所表現(xiàn)

出來的特征與功能,用于信息的產(chǎn)生,傳遞和交換的器件,電路和系統(tǒng)及其在信息科學(xué)技

術(shù),納米生物學(xué),納米測量學(xué),納米顯微學(xué),納米機械學(xué)等中應(yīng)用的學(xué)科。納米電子學(xué)的三個主要方向:集成微系統(tǒng)。量子或納米器件。在上述基礎(chǔ)上,開發(fā)和建立納米和量子級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理,計算,管理以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)科學(xué)。納機電系統(tǒng)（NanoeltctromechanicalSystems,NEMS）研究尺度在1-100nm范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)、元件和系統(tǒng)的性質(zhì)與應(yīng)用。MEMS和NEMS這兩個前后來到,相互聯(lián)系又不相同的微系統(tǒng),正代表微米納米技術(shù)的關(guān)系。和硅微電子加工相比,NEMS的材料廣和加工的空間分辨率高。NEMS可能對傳感、醫(yī)學(xué)診斷、顯示和存儲等應(yīng)用帶來革命性影響。美國康乃爾大學(xué)的一個科研組最近研制出可進入人體細胞的納米機械—由金屬鎳螺旋槳（直徑為150納米、長為750納米）、生物電機和鎳柱體（直徑為80納米、高為200納米）三部分組成,是一個有機的的和無機的混合系統(tǒng),它的大小與病毒微粒（17—1000納米）差不多,將來可以在人體細胞內(nèi)施放藥物和清除細胞的缺陷等任務(wù)。電機的動力來自人體的生物“燃料”--一種化學(xué)物質(zhì)ATP（AdenosineTriphosphate腺苷三磷酸鹽）,它轉(zhuǎn)化為機械能量,使得金屬推進器的轉(zhuǎn)速達到每秒8圈,可以連續(xù)運轉(zhuǎn)兩個半小時。這種設(shè)備的三個組件放在一起就能進行自組裝、維護和修理。鎳螺旋槳的制作用了電子蒸發(fā)、電子束暴光和各向同性刻蝕,并涂有化學(xué)薄膜。這種新技術(shù)仍處于研制初期,其成功率還不高,約為5/400。在人體細胞內(nèi)執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)的實驗也需幾年的時間才能完成。未來的system-on-a-chip:納米電子學(xué)發(fā)展的預(yù)測:分子電子學(xué):主要是利用共價鍵分子結(jié)構(gòu),與本體襯底分子隔離。器件的線和開關(guān)由單個的分子和納米尺度超分子結(jié)構(gòu)組成。常規(guī)概念的微電子技術(shù)發(fā)展的極限:原理性限制:10nm以下，半導(dǎo)體晶體的原子間距，熱擾動，量子擾動，電磁擾動，量子力學(xué)測不準原理和光速等將成為原理性限制的基本因素。技術(shù)性限制:20-25nm，短溝道效應(yīng)，漏電流，導(dǎo)通電阻減小，速度飽和與擴散層固溶度等將成為技術(shù)性限制的主要因素。ULSI--〉超集成化,超高集成器件制造成品率下降,特性不均勻和可靠性差等,嚴重阻礙了集成度的進一步提高。工作速度,超細布線電阻增大,布線增長導(dǎo)致電阻/電容比增大,雜散電容的增大等抑制了速度的提高。復(fù)雜性限制,設(shè)計,測試和檢驗時間的猛增,是復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的必然結(jié)果。經(jīng)濟性限制,結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,制作成本上升,工藝復(fù)雜,設(shè)備成本增大。微電子器件的發(fā)展材料:高純硅，鍺，鎵砷工藝:光刻，摻雜，外延技術(shù)理論:半導(dǎo)體物理納米電子器件的發(fā)展材料:無機/有機復(fù)合材料工藝:分子尺度上的自組裝和剪裁技術(shù)理論:納米器件的量子統(tǒng)計理論納米尺度的新效應(yīng):量子相干效應(yīng)(Quantum

interference

effect)A-B效應(yīng)(Aharonov-Bohm

effect)量子霍爾效應(yīng)(Quantum

Hall

effect)普適電導(dǎo)漲落特性(Universal

conductanceflutuations)庫侖阻塞效應(yīng)(Coulumb

blockade)海森堡不確定效應(yīng)(Heisenberg

uncertaintyeffect)當(dāng)電子被限于兩個空間相距很近的勢壘之間的島區(qū)時，所遇到的兩個基本的量子力學(xué)效應(yīng)是:電子在勢阱中能量量子化，形成分立的量子態(tài)；勢壘越薄，占據(jù)低于勢壘高度能態(tài)的電子有一定的隧穿進入島區(qū)或離開島區(qū)的幾率；納米電子器件的分類:共振隧穿效應(yīng)示意圖:共振隧穿:當(dāng)勢壘中夠薄時,微觀粒子穿透勢壘的隧道效應(yīng)十分明顯。對于多勢壘的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),當(dāng)鄰近量子勢阱的子能帶相同時,隧穿幾率發(fā)生共振,叫共振隧穿。江崎和朱兆祥在1974年首次觀察到在雙勢壘半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的共振隧穿現(xiàn)象。庫侖阻塞效應(yīng)示意圖:庫侖阻塞效應(yīng)當(dāng)體系的尺度進入納米級,體系是電荷量子化的,即充電放電過程不連續(xù),充入一個電子所需的能量為e2/2C,體系越小,能量越大。稱為庫侖阻塞能,它導(dǎo)致了對一個小體系的充放電過程,電子不能集體傳輸,而是一個一個單電子的傳輸。Single electron

tunnelling

devicesarepredominantlyaimedathigh-density,low-powermemorymarketsespeciallysinceanumberofthedesignsareaminiatureversionofflashmemorytechnology.ThereareanumberofdesignsforlowpowerSETlogic,butasyetnonehavebeendemonstratedatroomtemperature.Resonanttunnelling

diodes

(RTDs)havedemonstratednumerousapplicationsandpotentialmarketsincludingdigitaltoanalogconverters(DACs),clockquantisers,shiftregistersandultralowpowerSRAM.TheRTDsmaybedesignedformuchhigherspeedsthanCMOSforDACs,etc.typicallyinthespeedrange10to100GHzorformuchlowerpowerthanCMOSsuchastheSRAMtechnology.納米電路美國Georgia技術(shù)研究所把RTD和CMOS硅電路相結(jié)合制造的納米電路使速度功率和電路復(fù)雜性都比只用CMOS電路有

根本改善。一個帶六個單元的器件的一位時鐘比較器相當(dāng)于所有CMOS設(shè)計電

路中的21個單元。美國Stanford大學(xué)利用共振隧穿器件研制成單片觸發(fā)電路。SET面臨的主要挑戰(zhàn)和困難:Backgroundchargefluctuationsremainthebiggesttechnologicalbottleneck.InordertoreducetheperturbationoftheseeffectsonSETcircuitsthecriticaldimensionmustbeontheorderof2nm.Unlesssignificantprogresscanbemadeincontrollingthebackgroundcharges,itseemsunlikethatCoulombblockadecircuitscanbeintegratedonalargescale.Therequireduniformityofdevicesisextremelydemanding,raisingdoubtsiftheycanbemanufacturedwiththerequiredtolerancesatareasonableprice.Even

assuming

that

large

scale

integrationpossible,

solutions

must

be

found

on

how

toovercome

the

electrostatic

interactionsbetween

devices.Error

tolerance

for

Coulomb

blockadedevices

has

not

been

investigated

in

greatdetail

but

it

seems

likely

that

in

order

tohave

adequate

tolerances

the

device

mustoperate

either

at

lower

temperature

orhigher

voltage

(and

hence

power).RTD面臨的主要挑戰(zhàn)和困難:1.Themajorproblemistheextremesensitivityofdevicecharacteristicstoththicknessofthetunnellingwellasthetunnellingcurrentdependsexponentiallyothethicknessofthetunnelbarrier.2.operationcanonlyberealisedinIII-Vsemiconductorsatpresentalthoughrecentdemon-strationsofinterbandtunnellinginSi/SiGedeviceshavebeendemonstratedwithpeak-to-valleyratios(PVR)of2.05andapeakcurrentdensityof22kA/cm2[Rommel1998].RTDsinSiGehavealsobeenfabricatedbutwithPVRsof1.2andcurrentdensityof400A/cm2.ThepreferredsystemwouldbeSi/SiO2RTDs[Klimeck1997]whichwouldallowCMOScompatibleprocessingandintegrationofRTDswithCMOScircuitsbutthereareproblemswithgrowingsinglecrystalSibetweenSiO2barriers.3.ForTHzoscillatorapplications,ahighoutputpowerfromtheRTDdeviceisimportant.Atpresenttheoutputpowersarequitelow(μW)andrequireimprovements(>mW).納米加工方法:薄膜生長技術(shù)；（MBE,MOCVD等)用于CMOS的加工技術(shù)；新興的納米加工技術(shù)；用于CMOS的加工技術(shù):光刻蝕技術(shù)；超紫外線刻蝕技術(shù)；

X射線刻蝕技術(shù)；

電子束濺射；離子束濺射；新興的納米加工技術(shù):電子束納米刻蝕；基于SPM的納米加工技術(shù)；

Nanoimprint;分子自組裝技術(shù)；不同加工技術(shù)的比較:基于SPM的加工技術(shù)原子操縱；機械刻劃；電子束誘導(dǎo)沉積；電子束曝光；電場誘導(dǎo)氧化；針尖材料沉積；光效應(yīng)；AFM氧化加工方法:光柵掃描加工方式（探針在進行逐行掃描的過程中,SPM系統(tǒng)依據(jù)探針的位置和圖形點陣編碼來調(diào)整探針與樣品的作用參數(shù)）矢量加工方式（要求依據(jù)加工的圖形結(jié)構(gòu)制定出探針