《纳米电子学》
第一章 绪论
技术物理学院 杜 磊
XIDIAN506LAB
第一章
1.1 引言 纳米科技
绪论
纳米电子学是历史的必然
1.2 纳米结构中的介观现象
纳米结构中物质运动的新现象和新效 应
1.3 空间与时间特征尺度
XIDIAN506LAB 与纳米电子学相关的特征时、空尺度
1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米科技的定义
• 国家科学基金将纳米技术定义为长度尺 度为 1 – 100 nm的结构、器件和系统， 由于其纳米尺度而具有新奇的特性 。 • The National Science Foundation defines nanotechnology as work at the 1 – 100 nm length scale to produce structures, devices, and systems that have novel properties because of their nanoscale dimensions.
——National Nanotechnology Initiative ttp://www.nano.gov
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纳米科技的分支
纳米 材料学 纳米 电子学 纳米 生物学
XIDIAN506LAB
对纳米科技定义的说明
• 为了排除像薄膜这样的传统技术研究的对 象，需要要求系统的两个维尺度都限制在1100nm范围内。 • 定义的关键是产生新现象
– 这些新现象主要由界面和量子力学效应引起的 – 这些新的现象可以用于改进材料、器件和系统 的性能
——Is Nanoelectronics the Future of Microelectronics?
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
XIDIAN506LAB
信息技术发展的趋势
• 当前信息技术不断进步主要归 功于低价格、高速度、高密度 和高可靠的信息表述和处理方 式的进步 • 计算机技术取得成功的关键是 固体电子器件小型化和集成度 的持续不断提高 • 先进的多媒体技术和社会对信 息处理的需求都要求进一步减 小芯片的器件尺寸
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发展趋势
Moore定律
Intel Co-Founder Gordon E. Moore
英特尔微处理器的发展规律
XIDIAN506LAB
发展趋势
Moore定律如何延续？
五 到 十 年 以 后 将 会 怎 样 ？
存储器的发展历程
XIDIAN506LAB
发展趋势
The Si Story
硅技术创 造了今天 信息技术 的神话 极限？ 量子器件 是未来的 神话
Scaled-down Devices —Scaled-up performance
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
XIDIAN506LAB
纳米电子学是历史的必然
2005预测* (ITRS
)— The International Technology Roadmap for Semiconductors
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历史的必然
特征尺度节点
2007 2005 2003
XIDIAN506LAB
历史的必然
90纳米的Prescott
• 经典纳米电子学时 代开始的标志
– 2003年下半年英特尔等世 界顶级IC公司陆续量产 90nm芯片
Prescott所 采用的半 导体工艺
栅极 宽度 50nm
技术的实际发展比国际半导体 技术蓝图ITRS2001／2003预测 2004年实现90nm工艺的规划提 XIDIAN506LAB 前了一年
历史的必然
•2005年底、 2006年初世界 半导体市场 “霸主”英特尔 量产65nm芯片 •比ITRS2003 要求2007年实 现65nm工艺的 规划整整提前 了一年
65纳米的Conroe
65nm Conroe的晶体管数目是2亿9100万 XIDIAN506LAB Conroe的尺寸为143平方毫米
历史的必然
45纳米的Penryn
2008年上半年， Intel将有三座 300mm工厂生产 45nm处理器。 45nm Penryn移动 版TDP 35W，桌 面版TDP 65W， 服务器以及EE版 TDP 80W。
• 据称Intel 45nm Penryn处理器将集成4亿1000万 晶体管, Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右
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历史的必然
纳米尺度器件
• 90nm、65nm、45nm、…MOSFET相继问世，经典IC的 特征尺度已经达到亚100纳米的尺度范围。 • 图为纳米尺度MOSFET
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历史的必然 Intel发展趋势
XIDIAN506LAB
历史的必然 Intel发展趋势
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历史的必然
三星闪存
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习题与问题
• 1.何为纳米科技？介绍其主要领域和分支。 • 2.说明电子学发展历史及当前现状。 • 3.为什么说纳米电子学是电子学发展的必 然趋势？
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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经典纳米电子学
困难和态度
• MOS器件进入纳米尺度遇到： – 物理问题 – 技术上的困难 • 如何面对技术发展： – 克服困难、解决问题，维持IC进一步小型 化——了解问题和困难的实质，研究解决方 案——经典纳米电子学的核心问题 – 应对即将到来的经典电子学的极限—问题和 困难最终会终结经典电子学的寿命—为下一 代电子学作技术准备—量子纳米电子学
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经典纳米电子学
物理效应
– 量子效应
• 量子化效应 • 隧穿效应 • 干涉效应
物理问题
– 介观效应
• • • • 弹道输运 电导涨落 单电子现象 散粒噪声
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经典纳米电子学
量子化效应
(a) 势阱和量子化能级
(b) 经典与量子力 学电荷密度对比
XIDIAN506LAB
经典纳米电子学
隧穿效应
热发射 FN隧穿 直接隧穿 束缚态隧穿 带－带隧穿
漏电流功耗占总 功耗的比例变大
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经典纳米电子学
弹
道极限
弹道输运
准弹道输运 非弹道电子比例
漂移－扩散输运
弹道输运需要量子理论 XIDIAN506LAB
经典纳米电子学
电导涨落
J.H.P. Scott-Thomas, S.B. Field, M.A. Kastner, H.I. Smith, and D.A. Antoniadis （1989）
XIDIAN506LAB
We also face a physics problem
New physics can arise as the linear device sizes become smaller and smaller
Nano-electronics
国外文献分析面临的新物理问题
XIDIAN506LAB
经典纳米电子学
– 强电场 – 热耗散 – 材料非均匀性的影响 – 氧化层厚度减少和非均匀性 – 工艺精度和制造价格 – ……
技术困难
• 阻碍半导体器件进一步缩小，集成度进一步提高的 具体的技术因素：
• 哪一种因素还是综合因素最终会终止微电子步伐?
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经典纳米电子学
强电场
• 对于尺度非常小的器件，在短距离内加偏置电 压，器件中会产生很强的电场。 • 载流子在强电场加速下，并通过碰撞，使大量 电子具有很高的能量，会出现所谓载流子热化 现象。 • 具有很高的能量的电子跑出半导体，引起“雪 崩击穿”，电流急剧增加并且器件受到破坏。 • 这个问题在纳米尺度半导体器件中会很严重
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经典纳米电子学
热耗散
• 随着器件尺寸缩小和集成电路密度提高，散热问题会 越来越严重 • 由于过热会引起电路失效，所以必须限制集成电路的 热功率 •热功耗对 于任何类型 纳米尺度器 件的高密度 封装都是严 重的问题
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漏电流的功率
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经典纳米电子学
非均匀性
• 若MOSFET栅长50nm,栅宽100nm，如果沟 道载流子数目为2＊1012/cm2,沟道中平 均有100个电子。 • 如果存在单个杂质涨落，引起沟道电导 变化为实际电导的40％。 • 这是非常显著的涨落
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经典纳米电子学
•当氧化层不均匀 时，通过薄的地方 的漏电流会很大， 这些漏电流也包括 通过氧化层的直接 隧穿电流。 •总的漏电流达到一 定程度就会影响器 件的功能
介质厚度
• 氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从 栅极漏出而到达漏极
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经典纳米电子学
精度和价格
• 现代集成电路生产设备和生产线的价格 已高达以亿元为单位 • 但是它仍然不能满足纳米尺度的工艺精 度要求 • 研制、开发、制备下一代，精度更高的 生产设备，其价格将是天文数字。 • 经济因素也会成为制约现代半导体技术 及一步发展的障碍
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经典纳米电子学
从业要求
经典电子学的困难和问题涉及范围很广需要综合 考虑各方面因素。要解决这些问题，需要： •采用新材料和新结构
– 高k介质、应变硅沟道、金属栅 – 铜互连、低k介质 – 双栅、环栅结构
•充满创新机遇、知识基础
转变
– – – – 需要更多的量子力学知识(量子化、隧穿) 需要介观物理的知识（弹道、噪声） 需要更强的计算、模拟、仿真能力 更先进的检测方法和技术
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经典纳米电子学 习题与问题
• 1.MOS器件进入纳米尺度会遇到哪些物理 问题？ • 2. MOS器件进入纳米尺度会遇到哪些技术 上的困难？ • 3.就一项困难提出解决方案。
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1.1 引言
• 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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经典纳米电子学 是否有极限？
• 信息技术的需求推动发展更小的器件 • 面对集成电路不断发展，必须要考虑这样的问 题： • 传统器件的工作原理是否可以外推到更小空间 和时间尺度的器件？ • 量子效应或技术障碍是否阻止目前工作原理的 器件尺度进一步下降？
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经典纳米电子学极限预测
• Silicon 2016:
– 22 nm gate lengths, – 28 GHz clocks, – 310 sq.mm die
• Roadblocks:
– Smaller devices won’t work – Significant changes in key design ratios
Peter M. Kogge，McCourtney Prof. of CS & Engr, Assoc. Dean for
Research, University of Notre Dame， IBM Fellow (ret)
XIDIAN506LAB Michael T. Niemier，Univ. of Notre Dame, (soon to be Georgia Tech)
经典纳米电子学极限预测
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量子纳米电子学
• 以量子力学现象和效应为工作原理 • 量子效应器件
– 隧穿器件 – 单电子器件 – 量子点器件
• 量子信息处理
– 量子计算与量子计算机 – 量子通讯 – 量子密钥
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共振隧穿晶体 管（RTT）横 截面和工作原 理草图
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各种RTD实现方式
nanowire Si/Ge Carbon nanotube
0.6 eV Ec 5nm 15 nm
RTD devices
InP
40 nm InAs
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单电子晶体管（SET）
• 单电子晶体管（Singleelectron transistors）是利 用能够通过栅极调节库 仑阻塞效应的结构 • 除了用金属－绝缘体 （氧化层）－金属制造 单电子晶体管之外，还 可利用处于正常态和超 导态之间的金属岛制作 单电子晶体管，对此已 进行了大量研究（1994）
提出了各种SET应用方案:
包括计量学中的各种应用，例如 各种电流标准在内的各种标准 XIDIAN506LAB
半导体单电子晶体管
• 第一个半导体单电子晶 体管是在2DEG中限制出 的量子点中制造的（J.
H. F. Scott-Thomas, S. B. Field, M. A. Kastner, H. I. Smith, and D. A. Antoniadis, Phys. Rev. Lett. 62, 583 (1989)）
• 第二种类型的半导体单 电子晶体管是用刻蚀出 的量子点制作 （U.
Meirav and E. B. Foxman, Semicond. Sci. Technol. 10, (1995).）
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半导体量子点分类
(a)横向量子点结构， (b)竖直量子点结构
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半导体竖直
量子点
ImagesTEM image of a quantum dot.
XIDIAN506LAB 不同形状的半导体量子点
竖直量子点阵列
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2DEG加上横向限制量子点
共振隧穿量子点
两个耦合量子点
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量子纳米电子学 习题与问题
• 1.现代半导体集成电路最终极限 （Ultimate limitation）可从哪几方面分 析？据你预测其最终极限的特征尺度是多 少？ • 2.请预测现代半导体集成电路达到极限的 时间。 • 3.试论述经典纳米电子学与量子纳米电子 学本质区别。
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米电子学的三大领域
• 纳米精度的制造技术
– 纳米制造技术
• 新器件物理
– 经典器件量子效应模拟 – 量子器件物理
• 新的信息处理方法
– 纳米电路创新 – 量子信息技术
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三大域
纳米制造技术
• 自顶向下 （ Top-down）:
– 去掉多余的材料制造纳米客体 – 异质外延生长技术 纳米光刻技术
• 自底向上（Bottom-up）
–用更小的单元（原子、分子）制造纳米客体 – 扫描探针技术 – 自组织生长技术或自组装技术 – 分子电子与化学技术 – 有机分子电子与生物技术
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纳米制造技术
自顶向下制造
• 纵向或竖直方向纳米制造技术
– 半导体材料表面异质外延生长
• 精度可以达到单个原子层 • 典型技术
– 分子束外延（MEB） – 金属有机化学汽相淀积（MOCVD） – 化学束外延（CBE）
• 可制造半导体异质结构
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纳米制造技术
自顶向下制造
外延层结构
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纳米制造技术
自顶向下制造
光 刻 技 术
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纳米制造技术
自顶向下制造
纳 米 光 刻 技 术
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纳米制造技术
• 横向或水平方向
自顶向下制造
– 在半导体表面形成所需要的图形
• 精度几十纳米 • 典型技术
– 电子束光刻技术
• 可制造纳米尺度结构
– 一维（1D）量子线 – 零维（0D）量子点 – 量子点接触
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纳米制造技术
自顶向下制造 选择性生 长量子点 的图示
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纳米制造技术
自顶向下制造
Spin of single electron in a semiconductor quantum dot works as qubit.
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自底向上制造
合成碳纳米管
五种不同的碳结构材料：a.石墨 b.金 刚石 c.碳60 d.洋葱结构 e.碳管
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自底向上制造
分子自组装
超分子蘑菇
聚合物噻吩线
超分子带锯
•自组装是指构筑基元在没有人为介入的情况 下自发地形成有序结构，它是组装的高级层次。 •其构筑基元可以是无机分子，有
机小分子， 高分子，以及生物大分子等。 XIDIAN506LAB
自底向上制造
扫描探针
下
Xe IBM 原 子 在 Ni 表 面写 “ ”
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自底向上制造
扫描探针
局部氧化制作 单电子晶体管
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自底向上制造
扫描探针
STM制造量子 围栏的过程 quantum corral
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自底向上制造
扫描探针
• 不同形状的量子围栏
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新器件物理
• 纳米结构中电子态
– 从能带到能级 扩展态与（部分维数）局域态
• 纳米结构中载流子输运理论—量子输运理论
– 载流子的弹道输运理论——兰道尔公式 – 电子相干输运理论 – 介观统计与涨落理论 – 自旋输运理论 载流子隧穿输运理论
• 器件工作原理
– 从经典电磁场和经典输运理论到量子力学和量子输运
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新器件物理
– 二维系统
纳米结构电子态
• 低维限制系统中的电子状态密度
一维系统 零维系统
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新器件物理
纳米结构电子态
• 低维限制系统中的电子状态
二维系统（一维限制）——一维量子阱，二维电 子气 一维系统 （两维限 制） ——一维量子线 零维系统（三维限 制）——原子、三 维箱中粒子、刚性 球中的粒子 一维量子线电子波函数
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新器件物理
纳米结构电子态
量子围栏中的电子密度分布
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新器件物理
– 超位置态 – 干涉态 – 纠缠态 – 非克隆态
纳米结构电子态
• 与量子信息相关的电子态
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新器件物理
• 描述方法
纳米结构电子态
– 包络函数法 波包方法
• 磁场对低维系统电子态的影响
– 边沿态 磁化电子 自旋极化电子
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新器件物理
量子点接触
量子输运理论
电导量子化
兰道尔公式
相当于电子 波通过单缝、 双缝、三缝 的衍射、干 涉
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新器件物理
量子输运理论
扩散－漂移输运与弹道输运
L —结构的尺度, le —弹性平均自由程, lin — 非弹性平均自由程
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新器件物理
量子输运理论
弹道混沌结构的量子输运
散粒噪声
From Quantum chaotic cavity F=1/4 to Classical chaotic cavity F=0
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新器件物理
• 相干输运 A-B效应
量子输运理论 普适电导涨落
电阻随磁场 周期性涨落
•背向散射
弱局域化
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新器件物理
经典与量子
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新器件物理
共振隧穿器件
纳米量子器件
单电子器件
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新器件物理
量 子 点 器 件 e
e State “1” e
纳米量子器件
0
e
A A and B B
State “0”
自旋电子器件
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新器件物理
纳米器件进程
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子
学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米电子学的模式和方向
• 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学
– 半量子模式
• 纳米量子器件代替现代半导体器件 • 仍采用经典信息处理方式 • 基本上仍在电路框架内
– 全量子模式 • 研究基于新效应和现象的新的信息处理方 式
• 量子计算、量子信息处理、量子通信
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纳米电子学的模式
经典器件与量子器件混合制造
半量子
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纳米电子学 的模式
全量子模式 量子力学～ 量子信息论
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量子信息及其物理基础物理
XIDIAN506LAB
量子计算教材与专著
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Quantum Information Processing (QIP)
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教材与参考书
北京大学 （2003）
西安电子科技大学 （2004）
上海交通大学 （2006）
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纳米电子学 Nanoelectronics
思考题
• 1.纳米电子学有哪几种信息处理模式？ • 2.设想，如何应用量子效应处理信息？
谢谢！
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纳米技术以多种方式给电子产品增加附加值
Nanotechnology will add value to electronics products in multiple ways
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Nanotech in electronics will start early and spread fast versus other sectors
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Quantum dots may be applicable in recent future
• Fundamentals are relatively better understood – Solid state physics is a most versatile branch of physics • Utilize the existing semiconductor nanotechnology developed for classical information processing • First step: control the coherence of electron • spins in nanostructure. • – GaAs might be a good choice.
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《纳米电子学》
第一章 绪论
技术物理学院 杜 磊
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第一章
1.1 引言 纳米科技
绪论
纳米电子学是历史的必然
1.2 纳米结构中的介观现象
纳米结构中物质运动的新现象和新效 应
1.3 空间与时间特征尺度
XIDIAN506LAB 与纳米电子学相关的特征时、空尺度
1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米科技的定义
• 国家科学基金将纳米技术定义为长度尺 度为 1 – 100 nm的结构、器件和系统， 由于其纳米尺度而具有新奇的特性 。 • The National Science Foundation defines nanotechnology as work at the 1 – 100 nm length scale to produce structures, devices, and systems that have novel properties because of their nanoscale dimensions.
——National Nanotechnology Initiative ttp://www.nano.gov
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纳米科技的分支
纳米 材料学 纳米 电子学 纳米 生物学
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对纳米科技定义的说明
• 为了排除像薄膜这样的传统技术研究的对 象，需要要求系统的两个维尺度都限制在1100nm范围内。 • 定义的关键是产生新现象
– 这些新现象主要由界面和量子力学效应引起的 – 这些新的现象可以用于改进材料、器件和系统 的性能
——Is Nanoelectronics the Future of Microelectronics?
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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信息技术发展的趋势
• 当前信息技术不断进步主要归 功于低价格、高速度、高密度 和高可靠的信息表述和处理方 式的进步 • 计算机技术取得成功的关键是 固体电子器件小型化和集成度 的持续不断提高 • 先进的多媒体技术和社会对信 息处理的需求都要求进一步减 小芯片的器件尺寸
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发展趋势
Moore定律
Intel Co-Founder Gordon E. Moore
英特尔微处理器的发展规律
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发展趋势
Moore定律如何延续？
五 到 十 年 以 后 将 会 怎 样 ？
存储器的发展历程
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发展趋势
The Si Story
硅技术创 造了今天 信息技术 的神话 极限？ 量子器件 是未来的 神话
Scaled-down Devices —Scaled-up performance
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米电子学是历史的必然
2005预测* (ITRS
)— The International Technology Roadmap for Semiconductors
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历史的必然
特征尺度节点
2007 2005 2003
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历史的必然
90纳米的Prescott
• 经典纳米电子学时 代开始的标志
– 2003年下半年英特尔等世 界顶级IC公司陆续量产 90nm芯片
Prescott所 采用的半 导体工艺
栅极 宽度 50nm
技术的实际发展比国际半导体 技术蓝图ITRS2001／2003预测 2004年实现90nm工艺的规划提 XIDIAN506LAB 前了一年
历史的必然
•2005年底、 2006年初世界 半导体市场 “霸主”英特尔 量产65nm芯片 •比ITRS2003 要求2007年实 现65nm工艺的 规划整整提前 了一年
65纳米的Conroe
65nm Conroe的晶体管数目是2亿9100万 XIDIAN506LAB Conroe的尺寸为143平方毫米
历史的必然
45纳米的Penryn
2008年上半年， Intel将有三座 300mm工厂生产 45nm处理器。 45nm Penryn移动 版TDP 35W，桌 面版TDP 65W， 服务器以及EE版 TDP 80W。
• 据称Intel 45nm Penryn处理器将集成4亿1000万 晶体管, Penryn的芯片尺寸在110平方毫米左右
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历史的必然
纳米尺度器件
• 90nm、65nm、45nm、…MOSFET相继问世，经典IC的 特征尺度已经达到亚100纳米的尺度范围。 • 图为纳米尺度MOSFET
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历史的必然 Intel发展趋势
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历史的必然 Intel发展趋势
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历史的必然
三星闪存
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习题与问题
• 1.何为纳米科技？介绍其主要领域和分支。 • 2.说明电子学发展历史及当前现状。 • 3.为什么说纳米电子学是电子学发展的必 然趋势？
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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经典纳米电子学
困难和态度
• MOS器件进入纳米尺度遇到： – 物理问题 – 技术上的困难 • 如何面对技术发展： – 克服困难、解决问题，维持IC进一步小型 化——了解问题和困难的实质，研究解决方 案——经典纳米电子学的核心问题 – 应对即将到来的经典电子学的极限—问题和 困难最终会终结经典电子学的寿命—为下一 代电子学作技术准备—量子纳米电子学
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经典纳米电子学
物理效应
– 量子效应
• 量子化效应 • 隧穿效应 • 干涉效应
物理问题
– 介观效应
• • • • 弹道输运 电导涨落 单电子现象 散粒噪声
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经典纳米电子学
量子化效应
(a) 势阱和量子化能级
(b) 经典与量子力 学电荷密度对比
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经典纳米电子学
隧穿效应
热发射 FN隧穿 直接隧穿 束缚态隧穿 带－带隧穿
漏电流功耗占总 功耗的比例变大
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经典纳米电子学
弹
道极限
弹道输运
准弹道输运 非弹道电子比例
漂移－扩散输运
弹道输运需要量子理论 XIDIAN506LAB
经典纳米电子学
电导涨落
J.H.P. Scott-Thomas, S.B. Field, M.A. Kastner, H.I. Smith, and D.A. Antoniadis （1989）
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We also face a physics problem
New physics can arise as the linear device sizes become smaller and smaller
Nano-electronics
国外文献分析面临的新物理问题
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经典纳米电子学
– 强电场 – 热耗散 – 材料非均匀性的影响 – 氧化层厚度减少和非均匀性 – 工艺精度和制造价格 – ……
技术困难
• 阻碍半导体器件进一步缩小，集成度进一步提高的 具体的技术因素：
• 哪一种因素还是综合因素最终会终止微电子步伐?
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经典纳米电子学
强电场
• 对于尺度非常小的器件，在短距离内加偏置电 压，器件中会产生很强的电场。 • 载流子在强电场加速下，并通过碰撞，使大量 电子具有很高的能量，会出现所谓载流子热化 现象。 • 具有很高的能量的电子跑出半导体，引起“雪 崩击穿”，电流急剧增加并且器件受到破坏。 • 这个问题在纳米尺度半导体器件中会很严重
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经典纳米电子学
热耗散
• 随着器件尺寸缩小和集成电路密度提高，散热问题会 越来越严重 • 由于过热会引起电路失效，所以必须限制集成电路的 热功率 •热功耗对 于任何类型 纳米尺度器 件的高密度 封装都是严 重的问题
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漏电流的功率
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经典纳米电子学
非均匀性
• 若MOSFET栅长50nm,栅宽100nm，如果沟 道载流子数目为2＊1012/cm2,沟道中平 均有100个电子。 • 如果存在单个杂质涨落，引起沟道电导 变化为实际电导的40％。 • 这是非常显著的涨落
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经典纳米电子学
•当氧化层不均匀 时，通过薄的地方 的漏电流会很大， 这些漏电流也包括 通过氧化层的直接 隧穿电流。 •总的漏电流达到一 定程度就会影响器 件的功能
介质厚度
• 氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从 栅极漏出而到达漏极
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经典纳米电子学
精度和价格
• 现代集成电路生产设备和生产线的价格 已高达以亿元为单位 • 但是它仍然不能满足纳米尺度的工艺精 度要求 • 研制、开发、制备下一代，精度更高的 生产设备，其价格将是天文数字。 • 经济因素也会成为制约现代半导体技术 及一步发展的障碍
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经典纳米电子学
从业要求
经典电子学的困难和问题涉及范围很广需要综合 考虑各方面因素。要解决这些问题，需要： •采用新材料和新结构
– 高k介质、应变硅沟道、金属栅 – 铜互连、低k介质 – 双栅、环栅结构
•充满创新机遇、知识基础
转变
– – – – 需要更多的量子力学知识(量子化、隧穿) 需要介观物理的知识（弹道、噪声） 需要更强的计算、模拟、仿真能力 更先进的检测方法和技术
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经典纳米电子学 习题与问题
• 1.MOS器件进入纳米尺度会遇到哪些物理 问题？ • 2. MOS器件进入纳米尺度会遇到哪些技术 上的困难？ • 3.就一项困难提出解决方案。
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1.1 引言
• 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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经典纳米电子学 是否有极限？
• 信息技术的需求推动发展更小的器件 • 面对集成电路不断发展，必须要考虑这样的问 题： • 传统器件的工作原理是否可以外推到更小空间 和时间尺度的器件？ • 量子效应或技术障碍是否阻止目前工作原理的 器件尺度进一步下降？
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经典纳米电子学极限预测
• Silicon 2016:
– 22 nm gate lengths, – 28 GHz clocks, – 310 sq.mm die
• Roadblocks:
– Smaller devices won’t work – Significant changes in key design ratios
Peter M. Kogge，McCourtney Prof. of CS & Engr, Assoc. Dean for
Research, University of Notre Dame， IBM Fellow (ret)
XIDIAN506LAB Michael T. Niemier，Univ. of Notre Dame, (soon to be Georgia Tech)
经典纳米电子学极限预测
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量子纳米电子学
• 以量子力学现象和效应为工作原理 • 量子效应器件
– 隧穿器件 – 单电子器件 – 量子点器件
• 量子信息处理
– 量子计算与量子计算机 – 量子通讯 – 量子密钥
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共振隧穿晶体 管（RTT）横 截面和工作原 理草图
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各种RTD实现方式
nanowire Si/Ge Carbon nanotube
0.6 eV Ec 5nm 15 nm
RTD devices
InP
40 nm InAs
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单电子晶体管（SET）
• 单电子晶体管（Singleelectron transistors）是利 用能够通过栅极调节库 仑阻塞效应的结构 • 除了用金属－绝缘体 （氧化层）－金属制造 单电子晶体管之外，还 可利用处于正常态和超 导态之间的金属岛制作 单电子晶体管，对此已 进行了大量研究（1994）
提出了各种SET应用方案:
包括计量学中的各种应用，例如 各种电流标准在内的各种标准 XIDIAN506LAB
半导体单电子晶体管
• 第一个半导体单电子晶 体管是在2DEG中限制出 的量子点中制造的（J.
H. F. Scott-Thomas, S. B. Field, M. A. Kastner, H. I. Smith, and D. A. Antoniadis, Phys. Rev. Lett. 62, 583 (1989)）
• 第二种类型的半导体单 电子晶体管是用刻蚀出 的量子点制作 （U.
Meirav and E. B. Foxman, Semicond. Sci. Technol. 10, (1995).）
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半导体量子点分类
(a)横向量子点结构， (b)竖直量子点结构
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半导体竖直
量子点
ImagesTEM image of a quantum dot.
XIDIAN506LAB 不同形状的半导体量子点
竖直量子点阵列
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2DEG加上横向限制量子点
共振隧穿量子点
两个耦合量子点
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量子纳米电子学 习题与问题
• 1.现代半导体集成电路最终极限 （Ultimate limitation）可从哪几方面分 析？据你预测其最终极限的特征尺度是多 少？ • 2.请预测现代半导体集成电路达到极限的 时间。 • 3.试论述经典纳米电子学与量子纳米电子 学本质区别。
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米电子学的三大领域
• 纳米精度的制造技术
– 纳米制造技术
• 新器件物理
– 经典器件量子效应模拟 – 量子器件物理
• 新的信息处理方法
– 纳米电路创新 – 量子信息技术
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三大域
纳米制造技术
• 自顶向下 （ Top-down）:
– 去掉多余的材料制造纳米客体 – 异质外延生长技术 纳米光刻技术
• 自底向上（Bottom-up）
–用更小的单元（原子、分子）制造纳米客体 – 扫描探针技术 – 自组织生长技术或自组装技术 – 分子电子与化学技术 – 有机分子电子与生物技术
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纳米制造技术
自顶向下制造
• 纵向或竖直方向纳米制造技术
– 半导体材料表面异质外延生长
• 精度可以达到单个原子层 • 典型技术
– 分子束外延（MEB） – 金属有机化学汽相淀积（MOCVD） – 化学束外延（CBE）
• 可制造半导体异质结构
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纳米制造技术
自顶向下制造
外延层结构
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纳米制造技术
自顶向下制造
光 刻 技 术
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纳米制造技术
自顶向下制造
纳 米 光 刻 技 术
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纳米制造技术
• 横向或水平方向
自顶向下制造
– 在半导体表面形成所需要的图形
• 精度几十纳米 • 典型技术
– 电子束光刻技术
• 可制造纳米尺度结构
– 一维（1D）量子线 – 零维（0D）量子点 – 量子点接触
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纳米制造技术
自顶向下制造 选择性生 长量子点 的图示
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纳米制造技术
自顶向下制造
Spin of single electron in a semiconductor quantum dot works as qubit.
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自底向上制造
合成碳纳米管
五种不同的碳结构材料：a.石墨 b.金 刚石 c.碳60 d.洋葱结构 e.碳管
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自底向上制造
分子自组装
超分子蘑菇
聚合物噻吩线
超分子带锯
•自组装是指构筑基元在没有人为介入的情况 下自发地形成有序结构，它是组装的高级层次。 •其构筑基元可以是无机分子，有
机小分子， 高分子，以及生物大分子等。 XIDIAN506LAB
自底向上制造
扫描探针
下
Xe IBM 原 子 在 Ni 表 面写 “ ”
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自底向上制造
扫描探针
局部氧化制作 单电子晶体管
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自底向上制造
扫描探针
STM制造量子 围栏的过程 quantum corral
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自底向上制造
扫描探针
• 不同形状的量子围栏
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新器件物理
• 纳米结构中电子态
– 从能带到能级 扩展态与（部分维数）局域态
• 纳米结构中载流子输运理论—量子输运理论
– 载流子的弹道输运理论——兰道尔公式 – 电子相干输运理论 – 介观统计与涨落理论 – 自旋输运理论 载流子隧穿输运理论
• 器件工作原理
– 从经典电磁场和经典输运理论到量子力学和量子输运
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新器件物理
– 二维系统
纳米结构电子态
• 低维限制系统中的电子状态密度
一维系统 零维系统
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新器件物理
纳米结构电子态
• 低维限制系统中的电子状态
二维系统（一维限制）——一维量子阱，二维电 子气 一维系统 （两维限 制） ——一维量子线 零维系统（三维限 制）——原子、三 维箱中粒子、刚性 球中的粒子 一维量子线电子波函数
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新器件物理
纳米结构电子态
量子围栏中的电子密度分布
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新器件物理
– 超位置态 – 干涉态 – 纠缠态 – 非克隆态
纳米结构电子态
• 与量子信息相关的电子态
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新器件物理
• 描述方法
纳米结构电子态
– 包络函数法 波包方法
• 磁场对低维系统电子态的影响
– 边沿态 磁化电子 自旋极化电子
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新器件物理
量子点接触
量子输运理论
电导量子化
兰道尔公式
相当于电子 波通过单缝、 双缝、三缝 的衍射、干 涉
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新器件物理
量子输运理论
扩散－漂移输运与弹道输运
L —结构的尺度, le —弹性平均自由程, lin — 非弹性平均自由程
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新器件物理
量子输运理论
弹道混沌结构的量子输运
散粒噪声
From Quantum chaotic cavity F=1/4 to Classical chaotic cavity F=0
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新器件物理
• 相干输运 A-B效应
量子输运理论 普适电导涨落
电阻随磁场 周期性涨落
•背向散射
弱局域化
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新器件物理
经典与量子
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新器件物理
共振隧穿器件
纳米量子器件
单电子器件
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新器件物理
量 子 点 器 件 e
e State “1” e
纳米量子器件
0
e
A A and B B
State “0”
自旋电子器件
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新器件物理
纳米器件进程
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1.1 引言
• 纳米科技的内涵与分支 • 信息技术发展特点与趋势 • 纳米电子学是历史的必然 • 经典纳米电子学 • 量子纳米电子
学 • 纳米电子学的内涵——三大领域 • 纳米电子学的模式和方向
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纳米电子学的模式和方向
• 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学
– 半量子模式
• 纳米量子器件代替现代半导体器件 • 仍采用经典信息处理方式 • 基本上仍在电路框架内
– 全量子模式 • 研究基于新效应和现象的新的信息处理方 式
• 量子计算、量子信息处理、量子通信
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纳米电子学的模式
经典器件与量子器件混合制造
半量子
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纳米电子学 的模式
全量子模式 量子力学～ 量子信息论
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量子信息及其物理基础物理
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量子计算教材与专著
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Quantum Information Processing (QIP)
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教材与参考书
北京大学 （2003）
西安电子科技大学 （2004）
上海交通大学 （2006）
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纳米电子学 Nanoelectronics
思考题
• 1.纳米电子学有哪几种信息处理模式？ • 2.设想，如何应用量子效应处理信息？
谢谢！
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纳米技术以多种方式给电子产品增加附加值
Nanotechnology will add value to electronics products in multiple ways
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Nanotech in electronics will start early and spread fast versus other sectors
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Quantum dots may be applicable in recent future
• Fundamentals are relatively better understood – Solid state physics is a most versatile branch of physics • Utilize the existing semiconductor nanotechnology developed for classical information processing • First step: control the coherence of electron • spins in nanostructure. • – GaAs might be a good choice.
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