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1、半导体纳米技术的发展与应用半导体纳米技术的发展与应用 第1页，本讲稿共16页半导体纳米技术的发展历史半导体纳米技术的发展历史 经过20多年的发展，现今半导体器件在其组件的特征尺寸在不断减小，小到纳米尺寸将引起质变。集成度不断提高的发展趋势，将电子器件逼进了纳米电子器件的领域。其中纳米半导体的制备技术经历了三个阶段：第一阶段：单一材料和单相材料。第二阶段：纳米复合材料。第三阶段：纳米组装体系、纳米尺度的图案材料。第2页，本讲稿共16页半导体纳米技术的发展历史半导体纳米技术的发展历史 现在我们着重来讲第三阶段。它的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成具有纳
2、米结构的体系（如右图）。其中包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄膜镶嵌体系。纳米颗粒、丝、管可以有序的排列而不同于第一、第二阶段中带有一定程度的随机性质。第3页，本讲稿共16页半导体纳米技术的发展现状半导体纳米技术的发展现状 半导体纳米科技是指把纳米技术应用到半导体材料上面，并通过物理法，化学法，综合法这三种制备方法制造出的有特定的声、光、电、磁、热性能的特殊材料。当半导体材料的尺度缩小到纳米范围时，其物理、化学性质将发生显著变化，并呈现出由高表面积或量子效应引起的独特性能。它们在多个领域的应用已呈现出诱人的前景。第4页，本讲稿共16页半导体纳米技术目前存在的问题半导体纳米技术目前存在的问题1、
3、苛刻的工作条件2、苛刻的材料要求3、纳米Si基量子异质结加工4、分子晶体管和导线组装纳米器件5、超高密度量子效应存储器6、SPM纳米器件加工技术效率7、纳米半导体器件的制备、操纵、设计、性能分析模拟环境第5页，本讲稿共16页纳米半导体的制备技术纳米半导体的制备技术1、物理制备方法2、化学制备方法3、物理化学方法第6页，本讲稿共16页纳米半导体的制备技术纳米半导体的制备技术1、物理制备方法 早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法、分子束外延法等等。第7页，本讲稿共16页分子束外延法分子束外延法分子束外延的英文缩写为这是一种在
4、晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。第8页，本讲稿共16页分子束外延法分子束外延法优点：1、源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低；2、生长速度低，可以利用快门精密的控制掺杂、组合和厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；3、MBE生长是一个动力学过程，因此可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体；4、生长过程中，表面处于真空中，可以进行即时观测，分析、研究生长过程、组分、
5、表面状态等。缺点：1、分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高，所以需要大量的液氮，因而提高了日常维持的费用；2、MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围。但同样对与平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求；3、生长异质结时，由于大量的原子台阶的界面呈原子级粗糙，因而容易导致器件的性能恶化；第9页，本讲稿共16页纳米半导体的制备技术纳米半导体的制备技术2、化学制备方法 其中化学制备方法又包括固相法、气相法和液相法。第10页，本讲稿共16页气相法气相法 气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位，利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的
6、纳米超微粒。该法主要包括：(1)真空蒸发(冷凝法)：在高纯惰性气氛下(Ar、He)，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。(2)高压气体雾化法：利用高压气体雾化器将-20 40的氢气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液体内，熔体被破碎成极细颗粒的射流然后急剧骤冷得到超微粒。采用此法可得到粒度分布窄的纳米材料。(3)高频感应加热法：以高频感应线圈作热源,使坩埚内的物质在低压 惰性气体中蒸发,蒸发后的金属原子与惰性气体原子相碰撞,冷却凝聚成颗粒。该法的优点是产品纯度高,粒度分布窄,保存性好,但成本较高,难以蒸发高沸点的金属。第11页，本讲稿共16页纳米半导体的制备技术纳
7、米半导体的制备技术3、物理化学方法 物理化学方法又包括热等离子体法、激光加热蒸气法、电解法和辐射合成法等。第12页，本讲稿共16页 硅纳米结构硅纳米结构 近年来，以硅量子点和硅纳米线为代表的硅纳米结构及相关技术的研究受到了广泛重视，并成为当今半导体纳米科技最活跃的研究领域之一。这一领域研究受到广泛重视的原因主要在于：（1）现代信息技术的基础是基于硅基器件的微电子技术。（2）正如目前的单晶硅片，硅纳米结构被认为是未来构成纳/微电子器件的基本单元。（3）硅纳米结构的尺寸小到一定范围时，将会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应，从而使它呈现出诸多新颖性质。第13页，本讲稿共16页硅纳米
8、结构硅纳米结构 硅纳米结构已经在作为检测各种不同物质的纳米传感器、纳米晶体管和集成电路元件方面获得了一系列进展。随着器件尺寸的减小,量子限制效应、库仑阻塞效应等新颖性能就会越来越明显,将会从更深层次揭示纳米半导体材料的新现象、新性能,为实现纳米器件的应用打下基础。第14页，本讲稿共16页C纳米管纳米管 C纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构，它们的直径很小，基本都在纳米尺度。在理想情况下，仅仅包含一层石墨烯的纳米管称为单壁纳米碳管；包含两层以上的石墨烯片层的纳米碳管称为多壁碳纳米管，片层之间的距离为0.340.36nm。第15页，本讲稿共16页C纳米管纳米管 碳纳米管具有独特的金属或半导体导电性、非常好的力学性能、极高的机械强度、吸附能力、场致电子发射性和宽带电磁波吸收特性等，被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，在信息技术、生命科学、环境科学、自动化技术、航空航天技术及能源技术等方面具有广阔的应用前景。第16页，本讲稿共16页