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1、目录目录n前言前言n纳米电子学及其概论纳米电子学及其概论n纳米电器件纳米电器件n单电子晶体管单电子晶体管n展望展望n参考文献参考文献前言前言n纳米科学与技术是科学发展跨时代的主要纳米科学与技术是科学发展跨时代的主要内容之一，是内容之一，是21世纪高科技的基础。世纪高科技的基础。n现在它的学科划分包括六个主要部分：纳现在它的学科划分包括六个主要部分：纳米电子学，纳米物理学，纳米化学，纳米米电子学，纳米物理学，纳米化学，纳米生物学，纳米机械学和纳米表征测量学。生物学，纳米机械学和纳米表征测量学。n六个部分中为首的是纳米电子学。六个部分中为首的是纳米电子学。前言前言n在在信信息息社社会会中中，信信息
2、息的的获获取取、放放大大、存存储储、处处理理、传传输输、转转换换和和显显示示，都都离离不不开开电电子子学学。电电子子学学技技术早已经成为人类经济的命脉。术早已经成为人类经济的命脉。n电电子子学学未未来来的的发发展展，将将以以“更更小小，更更快快，更更冷冷”为为目目标标。“更更小小”提提高高芯芯片片的的集集成成度度，“更更快快”实实现现更更高高的的信信息息运运算算和和处处理理速速度度，“更更冷冷”进一步降低芯片的发热等功耗。进一步降低芯片的发热等功耗。纳米电子学纳米电子学n在纳米尺度（在纳米尺度（1-100nm）研究物质的电子运动规）研究物质的电子运动规律、特性及其应用的科学技术，并利用这些特征
3、律、特性及其应用的科学技术，并利用这些特征规律生成纳米电子材料、器件和系统。规律生成纳米电子材料、器件和系统。n讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。它代表了微电子学的发的理论和技术的新学科。它代表了微电子学的发展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。最先实用化的三种器件和技术分别是纳米最先实用化的三种器件和技术分别是纳米MOS器器件，共振隧穿器件和单电子存储器。件，共振隧穿器件和单电子存储器。纳米电子学的理论基础纳米电子学的理论基础n纳纳米米电电子子学学的的理理论论基基础础是是各各
4、种种量量子子化化效效应应。而而在在不不同同的的纳纳米米结结构构与与器器件件中中，其其量量子子化化效效应应的的物物理理体体现现也也是是多多种种多多样样的的。换换言言之之，也也正正是是各各种种量量子子化化效效应应的的出出现现，导导致致了了具具有不同量子功能纳米量子器件的诞生有不同量子功能纳米量子器件的诞生。纳米电子技术特色效应纳米电子技术特色效应表面效应量子相干效应小尺寸效应量子尺寸效应库仑阻塞效应宏观量子隧穿效应高温超导效应巨磁阻效应表面效应量子相干效应巨磁阻效应表面效应量子相干效应高温超导效应巨磁阻效应表面效应量子相干效应小尺寸效应高温超导效应巨磁阻效应表面效应量子相干效应量子尺寸效应小尺寸效
5、应高温超导效应巨磁阻效应表面效应量子相干效应库仑阻塞效应量子尺寸效应小尺寸效应高温超导效应巨磁阻效应表面效应量子相干效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应库仑库仑阻塞阻塞效应效应量子量子尺寸尺寸效应效应小尺小尺寸效寸效应应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应小尺小尺寸效寸效应应高温高温
6、超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应量子量子尺寸尺寸效应效应小尺小尺寸效寸效应应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应库仑库仑阻塞阻塞效应效应量子量子尺寸尺寸效应效应小尺小尺寸效寸效应应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应库仑库仑阻塞阻塞效应效应量子量子尺寸尺寸效应效应小尺小尺寸效寸效应应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应表面表面效应效应量子量子相干相干效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应库仑库仑阻塞阻塞效应效应宏观
7、宏观量子量子隧穿隧穿效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应库仑库仑阻塞阻塞效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应库仑库仑阻塞阻塞效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应量子量子相干相干效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应库仑库仑阻塞阻塞效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应量子量子尺寸尺寸效应效应量子量子相干相干效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应库仑库仑阻塞阻塞效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应小尺小尺寸效寸效应应量子量子尺寸尺寸效应效应量子量子相干相干效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应库仑库仑阻塞
8、阻塞效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应表面表面效应效应小尺小尺寸效寸效应应量子量子尺寸尺寸效应效应量子量子相干相干效应效应高温高温超导超导效应效应巨磁巨磁阻效阻效应应库仑库仑阻塞阻塞效应效应宏观宏观量子量子隧穿隧穿效应效应纳米电子学的技术支撑纳米电子学的技术支撑纳米加工技术纳米加工技术纳米团簇的超分子化学自组装纳米团簇的超分子化学自组装纳米量子点微结构的自组织生长技术纳米量子点微结构的自组织生长技术纳米电子器件纳米电子器件n纳纳米米电电子子器器件件以以其其固固有有的的超超高高速速（10-1210-13s）、超超高高频频（大大于于1000GHz）、高高集集成成度度（大大于于1010元元器器
9、件件/cm2）、高高效效低低功功耗耗、极极低低阈阈值值电电流流密密度度（亚亚毫毫安安）和和极极高高量量子子效效率率等等特特点点在在信信息息领领域域有有着着极极其其重重要要的的应应用用前前景景，将将可可能能触触发发新新的的技技术术革革命命，成成为为未来信息技术的核心和支柱。未来信息技术的核心和支柱。纳米电子器件纳米电子器件n纳纳米米器器件件尺尺寸寸在在1-100nm范范围围内内，空空间间尺尺度度上上介介于于微微观观体体系系和和宏宏观观体体系系之之间间，通通常常称称其其为为介介观观体体系系。纳纳米米电电器器件件工工作作原原理理通通常常以以电电子子在在器器件件结结构构中中的的运运动动方方程程来来描描
10、述述，也也就就是是说说以以电电子子传传输输方方程程描描述述。其其电电子子运运动动遵遵从从量量子子力力学学原原理理，需需要要用用量量子子力力学学理理论来描述。论来描述。纳米电器件的尺度范围分界纳米电器件的尺度范围分界Moore定定律律提提出出后后，曾曾有有相相当当一一部部分分人人认认为为下下一一代代器器件件是是分分子子电电子子器器件件，其其理理论论基基础础是是分分子子电电子子学学。经经过过几几年年的的工工作作逐逐渐渐认认识识到到，在在微微电电子子器器件件与与分分子子电电子子器器件件之之间间，可可能能有有个个过过渡渡纳纳米米电电子子器器件件，即即信信息息加加工工的的功功能能元元件件不不是是单单个个
11、分分子子，而而是是原原子子团团，即即有有限限个个原原子子构构成成的的纳纳米米尺尺度度体体系系(含含102109个个原原子子)。这这样样，就就从从两两个个方方向向发发展展，一一是是微微电电子子器器件件的的尺尺寸寸不不断断减减小小下下去去；二二是是基基于于有有机机高高分分子子和和生物技术的分子组装功能材料，使其尺寸不断大起来。生物技术的分子组装功能材料，使其尺寸不断大起来。纳米电器件纳米电器件目前，纳米电器件主要研究方向有：目前，纳米电器件主要研究方向有：1、纳米、纳米单电子晶体管单电子晶体管2、共振隧穿电子器件共振隧穿电子器件3、纳米场效应晶体管纳米场效应晶体管4、纳米纳米MOS器件器件5、非易
12、失性纳米存储器非易失性纳米存储器6、分子电子器件分子电子器件7、自旋量子器件自旋量子器件8、单原子开关单原子开关上述纳米电器件中，纳米单电子晶体管是主要的基上述纳米电器件中，纳米单电子晶体管是主要的基础器件，有典型的代表性。础器件，有典型的代表性。单电子晶体管单电子晶体管n随着半导体刻蚀技术和工艺的发展，大规随着半导体刻蚀技术和工艺的发展，大规模集成电路的集成度越来越高。目前一般模集成电路的集成度越来越高。目前一般的存储器每个存储元包含了的存储器每个存储元包含了20万个电子，万个电子，而单电子晶体管每个存储元只包含了一个而单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子，因此它将大大降低功耗，提或
13、少量电子，因此它将大大降低功耗，提高集成电路的集成度。高集成电路的集成度。n单电子晶体管是基于库仑堵塞效应和单电单电子晶体管是基于库仑堵塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理，而出现的一子隧道效应的基本物理原理，而出现的一种新型的纳米电子器件。它在未来的微电种新型的纳米电子器件。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。单电子晶体管单电子晶体管基本结构制成后的实际结构单电子晶体管单电子晶体管n上上 图图 是是 日日 本本 电电 子子 技技 术术 综综 合合 研研 究究 所所K.Matsumoto所所研研制制的的单单电电子子晶晶体体管管结结构构。由由
14、图图可可见见，晶晶体体管管源源极极和和漏漏极极分分别别与与金金属属Ti连连接接，它它的的两两个个隧隧道道结结是是由由两两条条纳纳米米尺尺度度的的TiOx线线构构成成。它它们们对对电电子子遂遂穿穿构构成成的的势势垒垒（TiOx/Ti）高高度度为为285meV。中中心心岛岛区区域域是是由由被被TiOx围围住住金金属属Ti组组成成的的。栅栅极极连连接接在在Si基基板板上上，栅栅极极用用SiO2板板和和上上面面器器件件隔隔离。离。单电子晶体管单电子晶体管n上上图图是是单单电电子子晶晶体体管管I-V特特性性曲曲线线。图图中中粗粗线线表表示示单单电电子子晶晶体体管管的的漏漏极极电电流流曲曲线线，细细线线则
15、则表表示示单单电电子子晶晶体体管管的的电电导导曲曲线线。由由图图可可见见，在在漏漏极极电电压压0-0.75V的的测测量量范范围围内内，电电流流曲曲线线中中出出现现4个个150mV等等距距离离的的库库仑仑台台阶阶，电电导导曲曲线线中中出出现现同同样样4个个150mV等等距距离离库库仑仑振振荡荡峰峰值值，这这就就表表示示电电子子在在单单电电子子晶晶体体管管中中的的流流动动是是一一个个一一个个量量子子化化的的。为为了了得得到到库库仑仑台台阶阶和和库库仑仑振振荡荡特特性性，实实际际结结构构中中两两个个隧隧道道结结是是非非对对称称的的，因因为为构构成成隧隧道道结结的的两两条条TiOx线线的的宽宽度度分分
16、别别为为18nm和和27nm。根根据据库库仑仑台台阶阶和和库库仑仑振振荡荡间间隔隔的的测测量量结结果果，估估计计出出隧隧道道电电容容和栅极电容分别为和栅极电容分别为3.610-19F和和3.510-19F。单电子晶体管单电子晶体管n单电子晶体管是单电子学领域中最重要的器件单电子晶体管是单电子学领域中最重要的器件单电子晶体管一个一个传输电子单电子晶体管一个一个传输电子单电子晶体管的应用单电子晶体管的应用它至少可以在以下三个方面有重要应用：它至少可以在以下三个方面有重要应用：n对极微弱电流的测量和制成超高灵敏对极微弱电流的测量和制成超高灵敏度的静电计；度的静电计；n构成新机理的超高速微功耗特大规模
17、构成新机理的超高速微功耗特大规模量子功能器件、电路和系统，以及量量子功能器件、电路和系统，以及量子功能计算机；子功能计算机；n研究高灵敏度红外辐射检测器。研究高灵敏度红外辐射检测器。展望展望n纳米电子学因其新颖、奇异和独特等性能，从开始诞纳米电子学因其新颖、奇异和独特等性能，从开始诞生就引起了世界范围内的广泛关注。纳米电子学对于生就引起了世界范围内的广泛关注。纳米电子学对于信息时代意义信息时代意义重大重大。现在。现在刚刚刚刚开始探索各种材料、技开始探索各种材料、技术和机理，在这个领域，我们的研究工作与国际上一术和机理，在这个领域，我们的研究工作与国际上一样，刚刚开始探索。在纳米电子学运行机理和
18、加工组样，刚刚开始探索。在纳米电子学运行机理和加工组装技术方面，我国也做出了很好的工作。在超高密度装技术方面，我国也做出了很好的工作。在超高密度信息存储方面我们取得了突破性的进展，这是一个发信息存储方面我们取得了突破性的进展，这是一个发展中的交叉学科领域，面临着很多问题有待解决。现展中的交叉学科领域，面临着很多问题有待解决。现在的研究是从材料和制备技术开始，在获得特性数据在的研究是从材料和制备技术开始，在获得特性数据的基础上进行机理分析。这是科学发展跨时代的机遇，的基础上进行机理分析。这是科学发展跨时代的机遇，我们应该有勇气迎接挑战。我们应该有勇气迎接挑战。参考文献参考文献n薛增泉薛增泉,纳纳
19、米米电电子学子学,现现代科学代科学仪仪器器,1-2(1998),8-12,16.nS.Bandyopadhyay et a1.Nanostructure physics and fabrication,Ed.by M.A.Reed and W.P.Kirk,Academic Press Inc.Boston,(1989)183n刘刘长长利等利等,纳纳米米电电子技子技术术的的发发展与展望展与展望,微微纳电纳电子技子技术术，48(10),(2011),617-622.n杜磊杜磊,庄奕琪庄奕琪,纳纳米米电电子学子学pptn蔡理等蔡理等单电单电子晶体管子晶体管(SET)及其及其应应用用,空空军军工程大学学工程大学学报报,3(6),(2002),60-63.n李和委等李和委等纳纳米米电电子器件子器件,半半导导体情体情报报,36(5),(1999),1-15.n.