纳米电子器件技术

          樊月龙

纳米电子技术将成为２１世纪信息时代的核心，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件，实现信息采集和处理能力的革命性突破。目前，利用纳米电子技术已经研制成功各种纳米器件，包括:

    1、纳米级CMOS（互补金属氧化物半导体）器件。在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片，主要用来保存当前系统的硬件配置和操作人员对某些参数的设定。CMOS RAM芯片由系统通过一块后备电池供电，因此无论是在关机状态中，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。今日半导体元件的材料通常以硅为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，例如硅与锗的混合物所发展的硅锗制程。

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    2、量子效应器件。当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子在波粒二重性中主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，电子在波粒二重性中主要呈波动性。这种电子的波动性就是一种量子效应。所谓量子效应是电子的能量被量子化，电子的运动在某个方向上受到约束。目前量子效应器件可分成：(1)共振隧穿器件(含共振隧穿二极管rtd和共振隧穿晶体管rtt)；(2)量子点器件(qd)；（3）量子干涉器件等。

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    3、单电子器件。单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理来控制一个或少数几个电子的位置和移动的一种新型纳米电子器件。如单电子箱、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子结阵列、单电子泵、单电子陷阱等。

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4、单分子器件。从五十年代后期起，计算机和其他设备的电路是把复杂的图形腐蚀到硅片上，有些人想是否可以生长到单个分子里面，其功能像电子电路或元件一样，也许会更快、更小，而且容易生产。这成为了分子电子技术开发的主要动力。北京大学中外科学家协同攻关，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极成功实现了可逆单分子光电子开关器件的构建。国内外正在开发的单分子器件还有单电子开关、单原子点接触器件、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等。

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    5、纳米集成电路，包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路。

所谓集成电路，是指采用半导体工艺，把一个电路中所需要的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的电气连线在一块或几块很小的半导体晶片或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后封装在一个管壳内，成为具有特定电路功能的微型结构。集成电路最重要的生产过程包括:开发EDA(电子设计自动化)工具,利用EDA进行集成电路设计,根据设计结果在硅圆片上加工芯片(主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀),对加工完毕的芯片进行测试,为芯片进行封装,最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。

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    先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制电脑到手机到数字微波炉的一切。这些年来，集成电路持续向纳米级的外型尺寸发展，使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量，可以降低成本和增加功能。集成电路中的晶体管数量，每两年增加一倍，目前英特尔将CPU芯片产品做到14纳米。

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6、纳米存储器。纳米存储是一种超级持久的记忆设备，据说其能稳定储存信息超过10亿年，而存储容量也是目前储存设备的数千倍，储存密度最高可以达到每英寸1TB。其由晶体状的铁纳米微粒组成，它们被封装在多层碳纳米管内，通过施加低电压，纳米微粒能在纳米管内移动，利用纳米微粒的不同位置对设备进行数据写入。随后还可以通过电压测定来读取数据，逆转纳米微粒的移动。也就是说，这些纳米粒创造出了一种类似硅芯片的可编程记忆系统。最让人吃惊的是，其能在很长的时间内保存高密度数据。目前开发的纳米存储器品类很多，例如：联想记忆技术和可用内容寻址的存储器CAM、智能处理技术和智能存储器、超导技术和约瑟夫逊结RAM、全息存储技术和全息存储器、隧道型静态随机存储器、单电子存储技术和单电子存储器、质子保存信息技术和质子存储器、氢原子存储技术和氢原子存储器、生物电路技术和蛋白质分子存储器、新一代信息存储技术和高速海量存储器、建立电场技术与模拟存储器、光学存储技术和三维光存储器、纳米线为基础的新型信息存储器等。

7、纳米CMOS混合电路。纳米互补型金属氧化物半导体电路是由绝缘场效应晶体管组成，其主要组成是金属、氧化物、半导体管，做在同一基片上，其间自然是隔离的，无需专门的隔离措施。CMOS逻辑门电路是在TTL电路（晶体管-晶体管逻辑电路）问世之后 ，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件 。CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储器件 ，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。现在开发的纳米CMOS混合电路品种有：纳米CMOS电路和三-四族化合物半导体共振隧道效应电路，纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路，纳米CMOS电路和碳纳米管电路，纳米CMOS电路和人造原子电路，纳米CMOS电路和DNA电路等。

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