纳米电子器件
学号：M201472157
姓名：张路
指导老师：范桂芬
课程：微纳尺度制造工程
摘要：介绍了纳米电子器件与纳米电子技术的概念以及纳米电子器件的分类；综述了现有的光刻、外延、SPM、特种精细加工等相关的纳米电子器件制备与加工技术：阐述了纳米电子技术中急需解决的若干关键问题。
关键词：纳米电子器件；纳米电子技术；纳米器件加工
Abstract:The concept and classification of nano-electronic component and nano-electonic technology are introduced, and the fabrication technologies of nano-electronic components, such as lithography, epitaxial growth and SPM, are reported. At last some impending problems on nano-electronic technology are listed as well. It should be beneficial for readers to comprehend nano-electronic components and nano-electronic technology.
Key words:nano-electronic components; nano-electronic technology; fabrication of nano-electronic components
1引言
研究的目的及意义
按摩尔定律推算，在未来的10余年里，继续提高计算机的储存密度和运算能力将面临严峻的挑战。这些挑战既有原理性的物理限制，又有技术性的工艺限制。其主要表现为：1电子器件的尺寸处于微米量级时，其中的电子主要呈粒子性。但是当器件的尺寸小到纳米量级时，电子则以波动性为主。电子的波动性是一种量子效应，这时电子器件将在一个全新的原理下进行工作；2任何多体系统都存在热的统计起伏，当器件尺寸缩小到纳米量级时，这种热起伏便会限制器件性能的一致性，以致集成芯片无法正常工作。然而，纳米电子技术、纳米电子器件与纳米电子学的出现为微电子技术的发展提供了新的途径和转机。这一方面可归功于微电子技术与纳米技术的不断发展；另一方面则要归功于半个多世纪来微电子学与量子物理学对纳米电子器件的制备、特性、机理与表征提供的有力支持。本文将对纳米电子器件与纳米电子技术的概念、纳米电子器件的分类以及现有的纳米电子器件制备技术进行剖析和阐述。最后，指出了纳米电子技术中急需解决的若干关键问题。
2纳米电子器件
2.1纳米电子器件与纳米电子技术
纳米电子器件指利用纳米级加工和制备技术，如光刻、外延、微细加工、自组装生长及分子合成技术等，设计制备而成的具有纳米级（1-100nm）尺度和特定功能的电子器件。目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件（共振二极管RTD、三极共振隧穿晶体管RTT）、单电子晶体管（SET）、金属基SET、半导体SET、纳米粒子SET、单电子静电计、单电子存储器（SEM）、单电子逻辑电路、金属基单电子晶体管（SET）存储器、半导体SET 存储器、硅纳米晶体制造的存储器、纳米浮栅存储器、纳米硅微晶薄膜器件和聚合体电子器件等。
纳米电子技术是指在纳米尺寸范围内构筑纳米和量子器件，集成纳米电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的信息计算、传输与处理的相关技术，其中，纳米电子器件是目前
纳米电子技术发展的关键与核心。现在，纳米电子技术正处在蓬勃发展时期，其最终目标在于立足最新的物理理论和最先进的工艺手段，突破传统的物理尺寸与技术极限，开发物质潜在的信息和结构潜力，按照全新的概念设计制造纳米器件、构造电子系统，使电子系统的储存和处理信息能力实现革命性的飞跃。
2.2纳米电子器件的分类
关于纳米电子器件的分类，国内外有着不同的看法。根据纳米电子技术的发展和对未来的预测，一种分法把纳米电子器件广义地分为以下8类：1纳米级CMOS器件，如绝缘层上硅MOSFET、异质结MOSFET、低温MOSFET、双极MOSFET等；2量子效应器件，如量子干涉器件、量子点器件和谐振隧道器件等；3单电子器件，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；4单分子器件，如单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等；5纳米传感器，如量子隧道传感器等；6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；7纳米存储器，如超高容量纳米存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基MOS存储器、单电子存储器、单电子量子存储器等；8纳米CMOS混合电路，包括纳米CMOS电路和Ⅲ-Ⅴ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。在这种分类中，纳米级CMOS器件、纳米传感器、纳米存储器、纳米集成电路以及纳米CMOS混合电路等分别被作为一种独立的纳米器件类型。但事实上，这些纳米传感器、纳米级的CMOS器件或电路是否应该纳入纳米器件的范畴，目前还存有争议。
根据David等人对纳米电子器件范畴提出的两个基本条件，即器件的工作原理基于量子效应；具有隧穿势垒包围的“岛”（或势阱）的典型结构。文献［6］认为，纳米传感器、纳米级CMOS等器件虽然尺度为纳米量级，也是用纳米加工技术研制成功的，但它们只能归属在纳米器件的大类而不属于纳米电子器件范畴。基于这种观点，文献［6］认为纳米电子器件可分为固体纳米电子器件，包括共振隧穿器件、量子点（QD）器件和单电子器件（SED）；分子电子器件，主要包括量子效应分子电子器件和电机械分子电子器件。文献［4］根据电子在纳米器件中的量子效应，即电子的波粒二相性，把具有各种量子功能的纳米电子器件分为两类，即1单电子器件，这类器件的电子处于点结构中，其行为以粒子性为侧重，典型的实例有单电子晶体管、单电子开关等；2量子波器件，这类器件中的电子处于相位相干结构中，其行为以波动性为主，主要包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧道二极管、晶体管等。此外，考虑到原理和材料结构上的明显差异，文献［4］还将分子电子器件和上述的单电子器件、量子波器件并列，单独作为一类特殊的纳米电子器件。这类器件的研究属于分子电子学范畴，包括分子电子开关、电化学分子器件等。
3纳米电子器件的制备技术
要制备纳米电子器件及实现其集成电路，有两种可能的方式。一种是将现有的电子器件、集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件，即所谓的“由上到下”的方式。另一种方式是利用先进的纳米技术与纳米结构的量子效应直接构成全新的量子器件和量子结构体系，即所谓的“由下到上”的方式。纳米电子器件“由上到下”的制备方式主要是指光学光刻、电子束光刻和离子束光刻等技术。“由下到上”的制备方法则包括金属有机化学汽相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、原子层外延（AEE）、化学束外延（BE）等外延技术、扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及特
种超微细加工技术等。
3.1光刻技术
光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术统称三束光刻技术，是通过掩模、曝光等工艺将设计的器件图形结构转移到半导体基片上的IC加工技术。目前，随着光刻技术线宽的不断减小，光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术已在纳米CMOS 器件、纳米集成电路、纳米CMOS混合电路等加工领域表现出了很好的应用前景，并开始在一些纳米电子器件加工方面取得了应用。
3.1.1光学光刻技术
光学光刻是通过光学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结构图形“刻”在涂有光刻胶硅片上的技术。它是现在IC产业半导体加工的主流技术。在这种技术中，通常甲基丙烯酸酯聚合物（PMMA）被用作抗蚀涂层，甲基异丁酮和异丙醇合剂被用作显像剂。目前国际微电子领域最引人关注的热点是新一代光刻技术。随着加工尺寸向0.1um逼近，能否突破0.1um成为现有光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。限制光刻所能获得的最小线宽与光刻系统的分辨率直接相关，而减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。现在，商品化光刻机的光源波长已经从过去的汞灯光源紫外光波段进入到深紫外波段，已可以用波长为193nm的Arf准分子激光作光源获得0.18um的光刻线宽度。另外，利用更短波长的极紫外光（波长为10-14nm）和XRL光（1nm）作为光源的极紫外光刻（EUVL,也称软X 射线光刻)和X射线光刻技术也得到了发展。根据目前光刻技术的发展形势，EUVL将很可能成为大批量生产特征尺寸为70nm及更细线宽集成电路的主流技术。2001年国际半导体工业协会发布的半导体技术发展蓝图预测，特征线宽为70nm的半导体电子器件极可能于2006年开始进入批量生产。除此之外，利用光的干涉特性以及电磁理论结合光刻实际对曝光成像的深入分析，采用各种波前技术优化工艺参数也是提高光刻分辨率的重要手段。
3.1.2 电子束光刻技术（EBL）
电子束光刻是采用高能电子束对光刻胶进行曝光而获得结构图形的光刻技术。鉴于电子束的德布罗意波长为0.004nm左右，远小于光刻技术的波长，因此，电子束光刻几乎不受衍射极限的影响，便可获得接近原子尺度的分辨率。现在，EBL不但成为VLSI制作中不可缺少的掩模制作工具，同时，也成为加工纳米器件和纳米结构的主要方法。目前，电子束曝光机的分辨率已达到0.1um以下。但电子束光刻的生产效率很低，仅为每小时5-10个圆片，远小于目前光学光刻的每小时50-100个圆片的水平，故已成为限制其广泛应用的“瓶颈”。最近，美国朗讯公司开发的角度限制散射投影电子束光刻SCALPEL技术令人瞩目，该技术如同光学光刻那样对掩模图形进行缩小投影，并采用特殊滤波技术去除掩模吸收体产生的散射电子，从而在保证分辨率条件下提高产出效率。应该指出，无论未来光刻采用何种技术，EBL 都将是集成电路研究与生产不可缺少的基础设施。
3.1.3离子束光刻（IBL）
离子束光刻是采用液态原子或气态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚焦或准直后对光刻胶进行曝光的光刻技术。其原理与电子束光刻类似，但德布罗意波长更短，且具有无邻近效应小、曝光场大等优点。离子束光刻主要包括聚焦离子束光刻（FIBL）、
离子投影光刻（IPL）等。其中FIBL发展最早，最近已在实验研究中获得了10nm的分辨率。但该技术效率极低，很难在生产中作为曝光工具得到应用，目前仅用于VLSI中的掩模修补工具和特殊器件的修整。由于FIBL的缺点，现在，人们又开始发展具有较高曝光效率的IPL 技术。如欧洲和美国联合了大量企业、大学和研究机构，开展了一个名为MEDEA 的合作项目，用于解决设备和掩模等方面的瓶颈问题。
3.2 外延技术
金属有机化学汽相淀积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、原子层外延（AEE）与化学束外延技术（BE）统称外延技术，是在基体上生长纳米薄膜的一种纳米制造技术，可用于纳米集成电路用硅基半导体材料（SOI）、纳米半导体结构/器件的加工与制备。
图1给出了分子束外延技术的原理示意图。在超高真空系统中相对地放置衬底（一般SI 基衬底）和多个分子束喷射炉，将组成化合物（如GaAs等）的各种元素（如Ga、As等）和掺杂剂元素（如Si、Be等）分别放入不同的喷射炉内，加热使它们的分子以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到加热的衬底表面，最终与表面相互作用进行单晶薄膜的外延生长。各喷射炉前的挡板用来改变外延膜的组分和掺杂。根据设定的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间，则可生长出不同厚度的化合物或不同组分比的三元、四元固溶体以及它们的异质结，从而制备出各种超薄微结构材料。目前，采用外延生长最常见的纳米集成电路用硅基半导体材料有绝缘体上硅（SoI）材料和锗硅（SiGe）异质材料。SoI和SiGe异质材料以及派生出的新型硅基半导体材料，由于可满足低电压、低功率、高速度、抗辐射等电路要求，已开始应用于各种微纳电子器件和集成电路。
MBE、MOCVD、ALE等外延技术能够满足设计精度要求，如外延层组分、厚度、掺杂浓度和电学均匀性等，故可以生长出各种高质量的超晶格量子阱材料。另外，采用V 形槽表面或台阶表面上的选择外延、条栅掩模选择水平外延、应变诱导限制外延以及激光辅助原子
束外延等改进的外延技术，还可以制造出各种具有特殊功能的低维纳米结构，如一维量子线和零维量子点等。
3.3 分子自组装合成技术
自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的过程。自从80年代提出分子器件的概念至今，人们已从LB技术发展到了分子自组装技术，从双液态隔膜（BLM）技术发展到了SBML技术，已在分子组装有序分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。如美国马萨诸塞州技术大学化学系采用胶体晶体的自组装技术合成CdSe纳米晶三维量子点；Alivisatos等人采用金属胶体纳米结构自组装技术，通过Watson-crick 的碱基配对作用把Au纳米粒子自组装到DNA分子上，形成了“纳米晶分子”；Yang等人采用多孔纳米结构自组装技术将正硅酸乙酚（TEOS)与氯代十六烷基三甲镀的酸性水溶液混合，然后让其在新鲜解理云母表面上于80度下成核生长，得到了取向生长连续的介孔SiO2薄膜等。
近年来，分子自组装技术还被许多科技工作者用来合成具有特定电子特性的纳米结构材料。这些采用分子自组装合成的纳米结构主要包括纳米棒、纳米管、多层膜和介孔材料。如Li等人用β和γ环糊精通过二苯基己三烯连接成功地合成了长20-35nm，直径为2nm的纳米管；美国伊利诺斯大学的工作者成功地合成了蘑菇形状的高分子聚集体，并以此为结构单元，自组装了具有纳米结构的超分子多层膜；Fujita等用4个有机配体和6个金属Pd（II）离子通过分子自组装制备出了自然界不存在的中空的介孔超分子等。
3.4 SPM 技术
自从1982年第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微/纳观世界的认识翻开了新的一页。SPM不仅可以进行高分辨率的三维成像和测量，还可对材料的不同性质进行研究。因此，已不仅是一种微观测量分析的工具，而且是一种重要的微观加工与操纵工具。（1）利用SPM探针直接在样品表面刻划形成纳米图案或拨动颗粒至指定地方，构造特定的纳米电子器件/结构。此技术一般需要选用特殊的SPM 探针，探针针尖一般是坚硬的金刚石颗粒，探针悬臂梁需要具有高弹性模量的材料，通常达到20N/m。如北京大学陈海峰等人利用自行开发的AFM刻蚀系统在Au-Pd合金膜上成功地刻划出了纳米尺度的孔洞、沟槽和各种复杂的图形。（2）使用扫描探针技术与其他技术相结合，可操纵控制分子和原子、加工出纳米级尺度的微型机构，甚至可以用来设计、制造、组装新型的量子器件和设备。近年来，科学家在这方面取得不少重要成果，已设计出单电子开关、单电子晶体管、单电子逻辑器、碳纳米管整流器、分子开关、化学分子马达及用AFM 加工出纳米锁和纳米钥匙等。
3.5特种超微细加工技术
还有一些特殊的超微细加工技术，可用于加工、制备纳米电子器件。它们包括机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；纳米碳管构建FET；以DNA分子、纳米碳管、介孔材料为模板，制备量子线以及超精密复合加工、电解射流加工、电火花加工，电化学加工技术等。
4纳米电子技术急需解决的若干关键问题
由于纳米器件的特征尺寸处于纳米量级，因此，其机理和现有的电子元件截然不同，理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决，如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等。尽管如此，纳米电子学中急需解决的关键问题主要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面，其主要表现在以下几个方面。
（1）纳米Si基量子异质结加工
要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺度，最直截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。其中，不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的，构建成纳米尺度的量子势阱，这种结构称作“半导体异质结”。但由目前的工艺水平，在纳米尺度上制造出性能稳定、可靠的半导体异质结通常是很困难的，因此，必须尽快发展高性能的纳米Si基量子异质结加工技术。
（2）分子晶体管和导线组装纳米器件
即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜把分子元件排列在一个平面上；另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装。尽管，Purdue University 等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展，但该技术何时能够走出实验室进入实用，仍无法断言。
（3）超高密度量子效应存储器
超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是，有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。
（4）纳米计算机的“互连问题”
一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局，而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”。换句话说，就是计算结构中信息的输入/输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一个很小的空间内，并极快地使用和产生信息，需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件，而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就现有传统计算机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以避免过热或“串线”，这样就有一些几何学上的考虑和限制，连接的数量不可能无限制地增加。因此，纳米计算机导线间的量子隧穿效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。
（5）SPM纳米器件加工技术效率
SPM技术为纳米电子器件的加工制备提供了新的途径。纳米电子器件最终要变得实用且经济上可行，则要求纳米结构能被迅速大量地组装出来。然而，目前使用SPM纳米器件加工技术效率极低，因此，仅靠一台微型扫描隧道显微镜或微型原子力显微镜一次组装一个纳米结构是远远不够的。如果纳米电子器件要实现机械化组装，则需要大量高效的并行显微
“纳米操纵器”来完成。
（6）纳米/分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境
当前，分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境，并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题，目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。
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纳米光电子技术的发展及应用 摘要:纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物,由纳米技术而产生一些先进交叉学科技术，本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术的结合的一个实例，随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发展，两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展,其应用也在不断扩大。 关键词：纳米技术纳米光电子技术纳米光电子器件应用 一、前言 纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性，交叉性的学科领域，为21世纪三大高新科技之一。而如今，纳米技术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展，该性能的纳米产品也已经走进我们的日常生活，成为公众视线中的焦点。[2 纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出，而不同领域对纳米技术的看法大相径庭，就目前发展现状而言大体分为三种：第一种，是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。而根据这一概念，可以制造出任何种类的分子结构；第二种概念把纳
米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米技术精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术；第三种概念是从生物角度出发而提出的，而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构 二、纳米技术及其发展史 1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。其中纳米技术主要为以下四个方面 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等. 3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分
项目名称：高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其 在磁性电子器件中的应用 首席科学家：薛德胜兰州大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容 本项目根据电子信息技术中对GHz频段的高性能、微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件用高频磁性纳米材料的迫切要求，通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，突破Snoek理论极限的制约，探索提高磁性纳米材料高频性质的新机制，突破传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的瓶颈，获得1-5 GHz波段内高磁导率的高频磁性纳米材料；并针对高频磁性纳米材料在1-5 GHz电子信息传输和近场抗电磁干扰技术中的具体应用，探索保持优良高频磁性基础上的电磁匹配机制，突破电磁波的连续介质理论，设计并实现具有良好电磁匹配的可工作在1-5 GHz的微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件。 针对GHz频率下，同时提高磁性纳米材料的共振频率和磁导率，以及获得优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件，拟解决的关键科学问题包括： ●自然共振机制下，同时提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及双 各向异性控制下大幅度调控高频磁性的机制及磁化强度的动力学过程。 ●非自然共振机制下，提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及有效 各向异性和体积共同作用下的超顺磁阻塞共振频率对高频磁性的影响机制。 ●描述磁性纳米材料电磁性质的有效理论，以及核/壳结构的形态、相构成和 各相的体积分数对新型磁性/介电纳米材料的高频电磁耦合机制和匹配关系的宽范围调控机制。 ●分离介质对电磁波传输特性的影响机制，以及高性能薄膜电感和抗电磁干扰 器件的设计理论和器件研制。 主要研究内容包括： ●以高饱和磁化强度M s的铁基和钴基铁磁金属及合金为基础，制备磁性纳米 薄膜、颗粒膜及多层膜。通过溅射时外加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎、衬底修饰等手段，在样品平面内产生单轴或单向磁各向异性。通过薄膜的微结构优化，降低矫顽力H c，提高磁导率 ；改变面内各向异性，探索大范围调控磁性纳米薄膜高频磁性的规律。 ●制备线度比（aspect ratio）大的片状软磁纳米颗粒，调整静态磁矩分布在薄 片平面内，利用形状调控垂直片状纳米颗粒平面的各向异性场，用磁场热处理、应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内产生和调节各向异性场。研究这两个各向异性场的比值与材料高频磁性的关系。寻找大幅度提高双各向异性片状磁性纳米颗粒的规律，探索提高高频磁性的新机制。 ●采用高温热解或还原的方法制备单分散、表面活性剂分子包覆的不同形状的
纳米电子学与纳米电子器件 引言 电子器件是20世纪的伟大发明之一。它的诞生给人类社会带来了巨大的影响。电子器件的发展过程大致可分为三个阶段：即真空电子管、固体晶体管和正在悄然兴起的单电子管。1947年，固体晶体管的发明标志着固体电子学的开始，真空电子学的终结。半个多世纪以来，以集成电路为主要标志的微电子技术和后来的超晶格及其低维量子结构的研究使得电子科学技术发展到了一个前所未有的高度，而且这种发展趋势愈演愈烈。进入21世纪，以纳米量子器件为主攻方向的纳米电子学崭新时代已经来临！ 1纳米电子学及其发展路线 1.1纳米电子学基本概念 作为微电子学的下一代，纳米电子学是指在1nm-100 nm的纳米结构(量子点)内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律，研究单个原子、分子人工组装和自组装技术，研究在量子点内单个量子或量子波所表现出来的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件，电路与系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科，也称为量子功能电子学。它的最大特点是把半导体电子学、超导电子学、原子电子学、分子电子学等融为一体，而且高温铜氧化物超导体有可能和半导体硅、化合物半导体、生物膜等一样成为重要的纳米量子材料。 纳米电子学可分为两大类，一为单量子电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的粒子性；二为量子波电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的波动性。按照Moore定律，以硅材料为主的微电子技术到2011年最小尺寸为0.08微米，达到了微电子器件的物理极限，此后将是纳电子学时代。当进入纳电子时代后，在微电子学中适合的Moore定律将不再适应纳电子学。在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特征。纳米电子学就是讨论这些特性的规律和 利用其规律制成功能器件的学科。 1.2纳米电子学发展路线 一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以Si和GaAs为主的无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物学材料自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件。 1.2.1自上而下的发展路线 纳米科技的提出和发展有着其社会发展强烈需求的背景。首先，来自微电子产业。1965年，英特尔公司的创始人Moore科学而及时地总结了晶体管集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。过去20多年的实践证明了它的正确性，MOS集成电路一直严格遵循这一定律，从最初每个芯片上仅有64个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。预计到2014年，器件特征尺寸为35 nm
科研训练报告 题目：半导体量子结构的生长方式学生姓名： 学院：理学院 班级： 指导教师： 2012年09 月12 日
一、国内外研究进展及研究意义 1.1 国内外研究现状和发展动态 半导体量子结构的生产方式有三种，包括量子点、量子线，量子点三种方式，量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。美国科学家首度利用光将胶状(colloidal)半导体量子点(quantum dot)磁化，且其生命周期远远超过先前的记录。这个结果除了能激发更多基础研究，对于同时利用自旋与电荷的自旋电子元件(spintronics)领域，也是一项重大的进展。 直到目前，半导体只能在相当低温下呈现磁性，原因是磁化半导体纳米微粒需要靠激子(exciton)之间的磁性交互作用，但此作用的强度在30 K附近就不足以对抗热效应。 最近，华盛顿大学的Daniel Gamelin等人制造出掺杂的纳米微晶，它们的量子局限效应(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可长达100 ns，比先前的记录200皮秒(picosecond, ps)高出很多。研究人员利用光将激子注入胶状纳米微晶中，产生相当强的光诱发磁化(light-induced magnetization)现象。 华大团队成功的关键在于以磁性锰离子取代镉化硒(CdSe)半导体纳米微晶中的部份镉离子。这些悬浮在胶状溶液中的微晶大小不到10 nm，照光时内部产生的强大磁场可将锰离子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的过程非常快，此效应在低温时非常强，且可维持到室温。这要归功于第一次在研究中被观察到的高温磁激子(excitonic magnetic polaron, EMP)。 上述团队舍弃以传统的分子束磊晶法(MBE)，而改用新的化学方法直接合成磁性半导体量子点。Gamelin解释，由于掺质-载子间的交互作用够强，EMP稳定性因而增强超过100倍，所以才能在300 K下观察到磁化效应。 美国科学家开发出一种新型的电子胶(electronic glue)，能将个别的纳米晶体(nanocrystals)连接在一起。这种电子胶还能用来制作大面积的电子元件和光伏(photovoltaics)元件。 利用旋转或浸泡涂布(dip coating)和喷墨印刷等溶液类制程来制作大面积太阳电池，例如便宜的屋顶太阳能面板，是高成本效益的方法。不过这些技术必须让半导体溶解，以方便做为墨水(ink)使用。半导体纳米微晶是微小的半导体块状物，是制作此类墨水的理想材料。 然而，在纳米微晶表面由庞大、绝缘有机分子组成的表面配位基，会阻隔纳米晶体间的电荷转移，造成印刷阵列内的个别纳米微晶彼此连结不佳，这点大大降低了纳米微晶在太阳电池和其它的元件上的应用。 最近，芝加哥大学的Dmitri Talapin等人开发出一种新的化学材料，能让个别
半导体电子元器件基本知识 四、光隔离器件 光耦合器又称光电耦合器，是由发光源和受光器两部分组成。发光源常用砷化镓红外发光二极管，发光源引出的管脚为输入端。常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。受光器引出的管脚为输出端。光耦合器利用电---光----电两次转换的原理，通过光进行输入与输出之间的耦合。 光耦合器输入与输出之间具有很高的绝缘电阻，可以达到10的10次方欧姆，输入与输出间能承受2000V以上的耐压，信号单向传输而无反馈影响。具有抗干扰能力强、响应速度快、工作可靠等优点，因而用途广泛。如在：高压开关、信号隔离转换、电平匹配等电路中。 光隔离常用如图： 五、电容 有电解电容、瓷片电容、涤纶电容、纸介电容等。 利用电容的两端的电压不能突变的特性可以达到滤波和平滑电压的目的以及电路之间信号的耦合。电解电容是有极性的（有+、-之分）使用时注意极性和耐压。 电路原理图一般用C1、C2、C？等表示。 半导体二极管、三极管、场效应管是电路中最常用的半导体器件，PN结是构成各种半导体器件的重要基础。 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。具有热敏、光敏、掺杂特性；根据掺入的杂质不同，可分为：N型半导体、P型半导体。 PN结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成P型半导体和N型半导体，它们交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性，即在P端加正电压，N端接负时PN结电阻很低，PN结处于导通状态，加反向电压时，PN结呈高阻状态，为截止,漏电流很小。 一、二极管 将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。 P结引出的电极称为阳极（正极），N结引出的电极称为阴极（负极），原理图中一般常用D1、D2、D？等表示。 二极管正向导通特性（死区电压）：硅管的死区电压大于0。5V，诸管大于0。1V。用数字式万用表的二极管档可直接测量出正极和负极。利用二极管的单向导电性可以组成整流电路。将交流电压变为单向脉动电压。 使用注意事项： 1、在整流电路中流过二极管的平均电流不能超过其最大整流电流； 2、在震荡电路或有电感的回路中注意其最高反向击穿电压的使用问题； 3、整流二极管不应直接串联（大电流时）或并联使用，串联使用时，每个二极管应并联一个均压电阻，其大小按100V（峰值）70K左右计算，并联使用时，每个二极管应串联10
纳米电子学的十大难题 1.分子电子整流器或分子电子晶体管 为了增加密度并把纳米电子器件的工作温度提高到低温范围以上，必须在单分子那么大的尺度上制造纳米电子器件。达到此目标的一个重要途径是设计与合成具有传导和控制电流或信号所必需的本征物理特性的单分子。这条途径通常被称为分子电子学。然而，迄今为止，已能正常工作的纳米尺度分子电子交换器件和放大器件（例如分子晶体管和分子量子点）还没有做出来，也没有演示过。但是，一种已能正常工作的分子导线已被合成和测试。正在攻克分子电子晶体管制造和测试难题的小组包括：詹姆斯·图尔和马克·里德小组以及普度大学的一个跨学科小组。 2.把分子晶体管和导线组装成可运转的电子器件 即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜按照IBM苏黎世实验室最近演 示过的一种方法把分子元件排列在一个平面上。组装较大电子器件的另一种可能的途径是通过阵列的自组装。普度大学的一个跨学科小组在这个方向上取得了惊人的进展。 3.纳米硅基量子异质结 为了继续把固态电子器件缩小到纳米尺度，就必须构建纳米尺度的量子势阱。为此，必须制造出很小很小的类似层状蛋糕的固体结构，其中不同层是由不同势能的不同半导体制成。这些层状结构称为“半导体异质结”。要可靠地在纳米尺度上制造出半导体异质结非常困难，而在纳米尺度上把硅化合物制造成半导体异质结就更难了。但纳米电子学研究人员还是一致认为，这是固态电子器件继续迅速微型化这个趋势所必需的。 4.纳米尺度量子点电池和无线逻辑器件 圣母大学的伦特教授和波罗教授提出的构建无线量子点计算机逻辑的设计理念对于制造纳米电子计算机来说是一个很有前途的创意。然而，要成为一个实用的设计方案，还需制造出这种类型的纳米器件并对其进行测试。在圣母大学微电子实验室的加里·伯恩斯坦教授的领导下，这个方面的工作正在进行中。 5.兆兆位量子效应电子存储“芯片” 有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，用这种器件可以组装成的一种非常有用的扩展结构是兆兆位的存储器阵列或芯片。这可为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。其典型应用之一也许是在这样一块芯片上存储一部电影。德州仪器公司的纳米电子学小组与马里兰大学的唐浩（HaoTang）正在合作组装这样一种兆兆位的存储器，他们利用的是微电子与纳米电子混合逻辑线路。
项目名称：新型高性能半导体纳米线电子器件和量 子器件 首席科学家：徐洪起北京大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部中国科学院
一、关键科学问题及研究内容 国际半导体技术路线图（ITRS）中明确指出研制可控生长半导体纳米线及其高性能器件是当代半导体工业及其在纳米CMOS和后CMOS时代的一个具有挑战性的科学任务。本项目将针对这一科学挑战着力解决如下关键科学问题：（1）与当代CMOS工艺兼容、用于新型高性能可集成的纳电子器件的半导体纳米线阵列的生长机制和可控制备；（2）可集成的超高速半导体纳米线电子器件的工作原理、结构设计及器件中的表面和界面的调控；（3）新型高性能半导体纳米线量子电子器件的工作模式、功能设计和模拟、载流子的基本运动规律。 根据这些关键科学问题，本项目包括如下主要研究内容： (一)新型半导体纳米线及其阵列的可控生长和结构性能表征 在本项目中我们将采用可控生长的方法来生长制备高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结纳米线和这些纳米线的阵列。 生长纳米线的一个重要环节是选取衬底，我们将研究在InAs衬底上生长高品质的InAs纳米线，特别是要研究在大晶格失配的Si衬底上生长InAs纳米线的技术。采用Si衬底将大大降低生长成本并为与当代CMOS工艺的兼容、集成创造条件。关于InSb和GaSb纳米线的制备，人们还没有找到可直接生长高品质InSb和GaSb纳米线的衬底。我们将研究以InAs纳米线为InSb和GaSb纳米线生长凝结核的两阶段和多阶段换源生长工艺，探索建立生长高品质InSb和GaSb纳米线及其InAs、InSb和GaSb异质结纳米线的工艺技术。本项目推荐首席徐洪起教授领导的小组采用MOCVD 技术已初步证明这种技术路线可行。我们将进一步发展、优化InSb和GaSb纳米线的MOCVD生长工艺技术，并努力探索出用CVD和MBE生长InSb和GaSb纳米线的生长技术。CVD是一种低成本、灵活性高的纳米线生长技术，可用来探索生长大量、多样的InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结，可为项目前期的纳米器件制作技术的发展提供丰富的
《纳米器件基础》 内容摘要 物理学家理查德·费恩曼曾提出：“来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。”而今随着一系列纳米材料的发现及 制备，这类微型机器的制造已经不再是预言。制备这一类微型机器的技术我们称之为纳米技术——研究在千万分之一米(10-7)到亿分之一米(10-9米)内原子、分子和其它类型物质进行操纵和加工的技术，把这类微型机器成为纳米器件。关键词 纳米电子器件（nanoscale electronic devices；nanoscale electronic devices；nano electric devices）、优异性能、发展目标、现状 正文 一、纳米器件的基本信息 纳米电子器件在学术文献中的解释是器件和特征尺寸进入纳米范围后的电 子器件，也称为纳米器件。纳米技术可以使芯片集成度进一步提高，电子元件尺寸、体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高计算机的容量和运行速度。纳米器件之所能够拥有如此优越的性能是因为几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和染、颜色及水溶性有重大变化。 二、纳米器件的优异性能 （一）工作速度快。纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可
使产品性能大幅度提高。功耗低，纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。 信息存储量大，在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。体积小、重量轻，可使各类电子产品体积和重量大为减小。 （二）纳米金属颗粒易燃易爆。几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大的推力。用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可以加快化学反应速率，大大提高化工合成的产出率。 （三）纳米金属块体耐压耐拉。将金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，强度比一般金属高十几倍，又可拉伸几十倍。用来制造飞机、汽车、轮船，重量可减小到原来的十分之一。 （四）纳米陶瓷刚柔并济。用纳米陶瓷颗粒粉末制成的纳米陶瓷具有塑性，为陶瓷业带来了一场革命。将纳米陶瓷应用到发动机上，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。 （五）纳米氧化物材料五颜六色。纳米氧化物颗粒在光的照射下或在电 场作用下能迅速改变颜色。用它做士兵防护激光枪的眼镜再好不过了。 将纳米氧化物材料做成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多 彩。 （六）纳米半导体材料法力无边。纳米半导体材料可以发出各种颜色的 光，可以做成小型的激光光源，还可将吸收的太阳光中的光能变成电能。 用它制成的太阳能汽车、太阳能住宅有巨大的环保价值。用纳米半导体 做成的各种传感器，可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，在
电力电子器件 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 电力电子器件的特征 ◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 ◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。 ◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。 ◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。 电力电子器件的功率损耗 断态损耗 通态损耗：是电力电子器件功率损耗的主要成因。 开关损耗：当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。分为开通损耗和关断损耗。 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 电力电子器件的分类 按照能够被控制电路信号所控制的程度
◆半控型器件：指晶闸管（Thyristor）、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管。 ◆全控型器件：IGBT、GTO、GTR、MOSFET。 ◆不可控器件：电力二极管（Power Diode）、整流二极管。 按照驱动信号的性质 ◆电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。Thyrister，GTR，GTO。 ◆电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。电力MOSFET，IGBT，SIT。 按照驱动信号的波形（电力二极管除外） ◆脉冲触发型：通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。晶闸管，SCR，GTO。 ◆电平控制型：必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在通断状态。GTR，MOSFET，IGBT。 按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件：由一种载流子参与导电。MOSFET、SBD（肖特基势垒二极管）、SIT。 ◆双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电。电力二极管，PN结整流管，SCR，GTR，GTO。 ◆复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。IGBT，MCT。 GTO：门极可关断晶闸管。SITH（SIT）：静电感应晶体管。
纳米电子技术的发展与展望 学院：物理与电子工程学院班级：2016级2班 学号：160302001 姓名：于江 随着对纳米电子技术的研发与应用，纳米电子技术在多项领域中都展现出了其强大潜力，随着对纳米电子技术的深入研发，纳米技术势必将广泛应用于各个领域，并成为人们日常生活中不可替代的必需品。 1.纳米电子技术的发展现状 随着纳米电子技术的发展，各种性能优越、功能独特的纳米电子产品已经逐渐应用于各个领域中，纳米电子技术的具体应用主要体现在三个方面：纳米电子材料、新型电子元器件、现代医学应用。 1.1新型电子元器件 对纳米电子技术的当前模式分析后，可以断定在未来十年内必然会经过飞速发展的历程。 特别是当前市场对于新型电子元器件的需求逐渐增多的背景下，还需要根据实际需求来对新型电子元器件进行扩展与完善。 对此，可以从单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS 器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的方向入手，在保证了纳米电子技术朝着良好的方向发展的同时，还可以延续摩尔定律(Moore's Law，ML) 以及CMOS的研究成果。 1.2纳米电子材料 纳米电子技术在材料运用上的成果主要包括：纳米半导体材料、纳米硅薄膜、纳米硅材料等。其中尤以纳米硅材料最具技术优势，想比起传统材料，纳米硅材料更符合未来发展需求，其所具有的优势有： 1.硅分子间距较短，在传递电子信号时速度更快，不仅提高了运行效率，而且降低了信号传递过程中的能耗。 2.能耗低、准确可靠、运行时间较短、不易受外界的环境影响。 3.得益于科技的保证和不断地开发研究应用，使得其成本价钱有所降低。 从上述的优势不难看出，纳米硅电子材料的问世是材料的一个新突破，它的领先技术使得其相较于同等材料具有绝对的优势。相信随着纳米材料的不断研究，纳米材
基于纳米线的微纳电子器件技术现状与发展趋势 姚亚 （杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州310018） 摘要：本文以Cu纳米线和ZnO纳米线为主线，综述了Cu纳米线和ZnO纳米线制备技术的最新进展，系统介绍了制备Cu纳米线和ZnO纳米线的原理和特点，与此同时，仔细介绍了Cu 纳米线和ZnO纳米线不同的制备方法，最后探讨并展望了Cu 纳米线ZnO纳米线在微纳电子器件技术中的现状与发展趋势。 关键字：Cu纳米线；ZnO纳米线；制备；现状；发展趋势 ABSTRACT：In this paper, the Cu nano nanowires and ZnO nanowires as the main line, review the Cu nano nanowires and ZnO nanowires of preparation technology of the latest progress systematacially. This paper introduced the preparation of Cu nano principle and characteristics of the Cu nanowires and ZnO nanowires, and introduced the different preparation methods between the Cu nanowires and ZnO nanowires carefully.Finally, the present situation and development trend of Cu nanowires and ZnO nanowires in micro nano electronic devices are discussed and prospected. Keywords: Cu nanowires ;ZnO nanowires; preparation; status;trend of development 1引言 纳米线是一种在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构，典型纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。根据组成材料的不同，纳米线可分为金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。半导体纳米线被誉为下一代微纳电子器件的基本结构，在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线将会起着举足轻重的作用；同时，还可以作为化合物中的添加剂、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。 Cu纳米线作为金属纳米线中的典型代表，一方面在未来的微纳电子器件中具有极其重要的应用价值，另一方面可为实验研究某些新奇的物理现象，比如可为电导量子化和尺寸效应等提供理想的模型系统。 作为第三代半导体材料的ZnO是II-VI族直接宽带隙化合物半导体,具有禁带宽、激子束缚能高、无毒、原料易得、成本低、抗辐射能力强和良好的机电藕合性能,因而被广泛应用于太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、气敏器件、压敏器件等。随着纳米科技的发展,ZnO纳米结构与体材料相比具有更优异的性能。目前己经制备出了多种不同形貌的一维纳米材料,并在激光、场发射、光波导、非线性光学等领域上有了新的用途。
纳米电子技术指的是在微小的尺度上研究电子运行的规律，分析电子运动的特征，并将其应有到实际生活中的一门技术，运用这些规律制作电子元件。纳米电子元件的速率非常得高，可以在高度集成化的器械中使用，而且能耗低，具有一定的节能效果，现在被广泛地应用于信息技术领域，已经成为信息技术产业的关键技术。 1 纳米电子技术研究的意义 1.1 纳米电子技术是微电子技术发展的基础 根据相关的数据统计，在微电子技术中使用的硅基在几十年后就会演变成极小的体积，而且能够表现出较强的量子功能，微电子技术在速率上提高得非常快，已经朝着集成化的方向发展，其成本也在降低，而且微电子技术的可靠性进一步得到完善，这些演变都离不开纳米技术的发展，以后的电子器件的速率会越来越快，而且价格会越来越低，这些都要依靠纳米电子技术。 1.2 纳米电子技术能够促使更多信息元件的研发 纳米电子技术具有很强的表面效应和量子尺寸效应，其能够开发出信息的结构，能够对信息进行大容量的存储，对信息进行及时的处理，能够使一些新的器件得到开发，能够运用新的技术来改善传统技术的不足之处，纳米电子技术在催生新的电子技术的时候，结合自身特有的物理功能，能够将机械和电子技术融合，催生了光电系统的产生。 1.3 纳米电子技术能够促进量子计算 纳米电子技术的产生可以促进大量元件的产生，能够借助纳米电子技术研发出新的电子晶体管，能够实现计算机通信系统的集成化设计，具有半导体的特点，能够以最迅速的时间对信息进行读取和储存。 2 纳米电子技术的研究动态和核心技术 纳米电子技术的研究动向主要有基础的理论知识、材料、电子元件和电子系统等，以及一些附加的加工技术。纳米电子技术能够实现元件加工的集成化处理，能够按照顺序进行集成化的加工，在对元件进行加工的时候，一般采用的是半导体材料，将固定的电子器件和集成电路结合起来，通过高速率的条件，生产出所需要的纳米材料，然后形成一定的功能，最终形成大规模的电路。 纳米电子技术在研发完成后需要测试，待测试通过后就可以投入使用，对元件的结构和性能进行分析，运用显微镜等器材分析纳米电子材料的微观结构，然后实现精确的测量，使纳米电子材料能够在大型的器械中使用。也可以运用电学原理，通过对纳米电子材料信号的测试，借助半导体的测试，运用显微镜进行扫描，这种测试方法可以起到抗干扰的效果，即使纳米电子材料的电流比较微弱、环境比较复杂，也可以进行精确的测试。
第一章 ●能带论：单电子近似法研究晶体中电子状态的理论 ●金刚石结构：两个面心立方按体对角线平移四分之一闪锌矿 ●纤锌矿：两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成（001）面ABAB顺序堆积●禁带宽度：导带底与价带顶之间的距离脱离共价键所需最低能量 ●本征激发：价带电子激发成倒带电子的过程 ●有效质量（意义）：概括了半导体内的势场作用，使解决半导体内电子在外力作用下运 动规律时，可以不涉及半导体内部势场作用 ●空穴：价带中空着的状态看成是带正电的粒子 ●准连续能级：由于N很大，每个能带的能级基本上可以看成是连续的 ●重空穴带：有效质量较大的空穴组成的价带 ●窄禁带半导体：原子序数较高的化合物 ●导带：电子部分占满的能带，电子可以吸收能量跃迁到未被占据的能级 ●价带：被价电子占满的满带 ●满带：电子占满能级 ●半导体合金：IV族元素任意比例熔合 ●能谷：导带极小值 ●本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体 ●应变半导体：经过赝晶生长生成的半导体 ●赝晶生长：晶格失配通过合金层的应变得到补偿或调节，获得无界面失配位错的合金层 的生长模式 ●直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置 ●间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置 ●允带：允许电子能量存在的能量范围. ●同质多象体：一种物质能以两种或两种以上不同的晶体结构存在的现象 第二章 ●替位杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。 ●间隙杂质：杂质原子位于晶格的间隙位置。 ●杂质浓度：单位体积中的杂质原子数。 ●施主（N型）杂质：释放束缚电子，并成为不可动正电荷中心的杂质。 ●受主（P型）杂质：释放束缚空穴，并成为不可动负电荷中心的杂质。
半导体将带我们进入量子世界 半导体广泛的应用于家电、通信、网络、工业制造、航空、航天和国防。2007年半导体市场的产值为2625亿美元，2008年为3017亿，由它而拉动产值高达１万亿以上的电子产品。半导体已经进入到我们生活的方方面面，在我们的各行各业，发挥着难以想象的作用。小到收音机，大到飞机、舰船，很多零部件都得使用半导体。王占国院士强调，如果没有半导体，我们将失去信息化和电气化的绝大多数成就 半导体材料及材料物理学家，中科院院士王占国 1月18日，首都科学讲堂邀请半导体材料及材料物理学家王占国院士，讲解了半导体的过去、现在和将来，赢得了广泛的好评，在互动提问环节中，现场观众踊跃提出问题，王占国院士一一解答。有位远道而来的浙江大学学生，他表示听了王院士的讲座后，对自己的在科研和学习上有巨大的指导作用。 王占国院士介绍了我们早期使用的锗晶体半导体材料被淘汰的原因，再到目前广泛使用的硅材料的现状以及发展趋势，指出了硅材料的发展受功耗、光刻技术、制造成本等方面限制，从而引出了其他最新的一些半导体材料的研究，如GaAs、InP单晶材料、宽带隙半导体材料、低维半导体结构研究。 什么是半导体材料 廉价硅取代了比黄金还贵的锗物质存在的形式是多种多样的，如固体、液体、气体、等离子体等。通常把导电、传热性能差的固体材料，如陶瓷、琥珀、玻璃和塑料等称为绝缘体；将导电、导热良好的金属，如金、银、铜、铝等材料称为导体；将性质介于上述二者之间的材料称之为半导体。直到20世纪初，半导体的存在才被真正的认可。 直到1955年，几乎所有的晶体管都是由锗晶体做的。但锗是一个稀有元素，当时全世界的年产量只有6公斤左右，提纯后的价格比黄金还要贵 硅是一个富有元素，在地壳中的分布很广，硅的带隙比锗大,适合于室温工作,加之导热好、机械强度高和天然的二氧化硅可作为绝缘体等,很快就取代了锗,成为晶体管和集成电路的基础材料。 III－V族和II－VI族化合物半导体材料如GaAs、InP、GaN和ZnO等是直接带隙材料，具有很多优异性能，如工作温度高、抗辐照和发光效率高等，但晶体生长及质量较难控制。 现在，硅单晶的年产量已达19250吨，8－12英寸的硅单晶已工业生产；18英寸的硅单晶已研制成功；27英寸硅单晶生长也在筹划中。 目前8英寸硅片已广泛用于大规模集成电路生产，12英寸65纳米工艺也已投入工业生产,预计2010年为45纳米,2013年为32纳米，2016年为22纳米，2022年为10纳米。 2008年我国8英寸硅单晶产量占世界20%，IC级多晶硅全靠进口。
浅谈纳米光电子器件的发展现状(一) 论文关键词：纳米导线激光器；紫外纳米激光器；量子阱激光器；微腔激光器；新型纳米激光器论文摘要：纳米光电子技术是一门新兴的技术，近年来越来越受到世界各国的重视，而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。主要介绍了纳米光电子器件的发展现状。 1纳米导线激光器 2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器-纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是"培养"纳米导线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。 2紫外纳米激光器 继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生Zn蒸汽，再将Zn蒸汽输运到衬底上，在2min~10min 的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，ZnO纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm~150nm，其大部分（95％）直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用Nd:YAG激光器（266nm波长，3ns脉宽）的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过ZnO纳米线的阈值（约为40kW／cm）时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。 3量子阱激光器 2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。 3.1量子线激光器 近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会
纳米器件的研究进展 张建良 摘要：纳米量子器件可简单地分为纳米电子器件和纳米光电子器件。纳米电子器件包括：共振隧穿器件、量子点器件和单电子器件（单电子晶体管和单电子存储器）等；纳米光电子器件主要包括基于应变自组装的量子点激光器。 【关键词：主题，分类，应用】 目录：一、什么是纳米器件 二、纳米器件的技术原理 三、纳米器件的现状与发展 四、纳米器件的应用 五、纳米器件的展望 引言：1959年物理学家理查德·费恩曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。 一、什么是纳米器件 1.什么是纳米电子器件 纳米电子器件在学术文献中的解释是器件和特征尺寸进入纳米范围后的电子器件，也称为纳米器件。纳米技术可以使芯片集成度进一步提高，电子元件尺寸、体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高计算机的容量和运行速度。 2. 纳米器件的研究目标 材料和制备：更轻、更强和可设计；长寿命和低维修费；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。 微电子和计算机技术：2010年实现100nm的芯片，纳米结构的微处理器，效率提高一百万倍；10倍带宽的高频网络系统；兆兆比特的存储器（提高1000倍）；集成纳米传感器系统。 医学与健康：快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物“导弹”技术；耐用的人体友好的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。 航天和航空：低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米测试、控制和电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。 环境和能源：发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体；MCM-41有序纳孔材料（孔径10-100nm）用来祛除污物。 生物技术和农业：在纳米尺度上，按照预定的大小、对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖、核酸等。在纳米材料和器件中植入生物材料产生具有生物功能和其他功能的综合性能。，生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA 的基因芯片等。 纳米材料：纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的颗粒。这些颗粒的尺寸只有几个纳米。
半导体量子电子器件物理 前言 近年来，随着半导体低维结构的生长技术的不断完善和半导体低维结构研究的不断深入，大量的新型半导体器件原型被提出和实现。这些器件的工作原理与已往的传统器件有所不同。大多数器件的工作原理与电子的量子特性有关。我们把它们称为半导体量子器件。为了帮助大家了解这些器件的工作原理，我们在研究生院开设了“半导体量子器件物理”的课程。今年起这门课分成两门：“半导体量子光电子器件物理”和“半导体量子电子器件物理”。本课程主要介绍与电学有关的半导体量子电子器件的工作原理、结构与特性，课程分两部分，第一部分是目前已经比较成熟的半导体量子器件的介绍。包括高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。由王良臣老师介绍。第二部分是相对来说还处在原型器件研究阶段的量子电子器件如共振隧穿器件、量子干涉器件、单电子器件等，由李国华老师介绍。希望这些介绍可以为你们今后的研究工作提供一定的帮助。 本课程一共40课时，两部分分别占20课时（6次）。最后有一个闭卷考试。 目 录 第一章：半导体超晶格的一些基本特性 1.1半导体量子阱超晶格 1.2电场下的量子阱 1.3磁场下的超晶格 第二章：双势垒共振隧穿二极管 2.1隧穿几率的计算 2.2双势垒共振隧穿二极管的基本工作原理 2.3磁场对共振隧穿的影响 第三章：共振隧穿器件及其电路应用 3.1共振隧穿二极管的集成 3.2共振隧穿双极晶体管 3.3共振隧穿单极晶体管 3.4微波和毫米波共振隧穿器件 第四章：热电子和弹道器件 4.1隧道热电子输运放大器 4.2共振隧穿热电子晶体管 第五章：量子干涉器件 5.1超微结构中的Landauer-Büttiker输运理论 5.2两端量子器件 5.3多端量子器件 第六章：单电子器件 6.1半导体量子点中的库仑阻塞效应 6.2量子点旋转门器件 6.3单电子晶体管 6.4量子点自动原胞机