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微纳电子器件复习

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10道题：佘总5道，陈老师5道

能带/器件原理/工艺（较少）

佘总：

电子器件的性能比较：1.材料优势/工艺优势 1. 碳纳米管

应用：场效应管—实现功能—问题（掺杂/接触势垒）

解释原理/能带结构/器件形状

对比和传统器件的优势劣势

优势：弹道输运，没有热耗散，并且迁移率高

劣势：无法批量制备；无法控制精确的掺杂；有很大的接触电阻

延伸：新材料，旧原理，可能性分析 FET型器件，电压控制沟道

工艺：可控生长/定位/B-T/T-B 光纳米器件 2. 石墨烯

半金属，而不是半导体；需要打开能带

优势：高电子迁移率；小

劣势：低开关比；高接触电阻；导带和价带接触

作业题里的各种结构

理解能带图（0带隙），不要求会画

双极运输特性，射频

另外的二维原子晶体，MOS2等 MOS2：有能带结构，迁移率比石墨烯低，有高的开关比，良好的感光特性

3. SI纳米线

无结环栅结构：以N型Si纳米线为例，采用功函数大于N型Si

的金属制作栅极，由于金半接触时功函数不匹配导致能带弯曲，使界面处产生耗尽层，在纳米尺度上，环栅可

以实现耗尽层覆盖整个沟道，使晶体管在没有栅压的情况下关断，实现栅极控制。

优势：无掺杂，减少工艺步骤；载流子从纳米线中间通过，不受表面缺陷的影响，有更

大的迁移率；环栅使得栅控能力增强；可以抑制短沟道效应，使器件进一步缩小；

缺点：受工艺限制大，很小的误差会极大的影响器件性能；热传导在高密度下难以及时

的挥发出去，容易过热；必须工作在小电压下，噪声容限低

常开/常闭

问题：环栅的优点：栅控能力好，（对比顶栅，背栅，FIN-FET）

工艺：制作环栅，氧化自终止：因为对硅进行氧化，生成SiO2时，体积会膨胀，如果Si的直径够大，持续氧化会使内部的Si因为被外部SiO2完全包裹，产生向内的应力，

阻止氧气可以进入继续氧化导致自行终止氧化

无结的优势 4. 真空电子器件

优势:快，因为电子在真空中传输，所以有很大的“迁移率”；大功率；对温度不敏感；

电路设计简单；抗辐射；

劣势：工作电压高；功耗大，静态电流很大；能量效率低；贵

工作条件苛刻，热阴极容易坏

工艺问题：掠射法；空间电荷效应（如何将阴极产生的电子束集中） 5. 光探测器

形成结：1.偏置2.两种半导体3.不同厚度

光伏，光热 FET结构：1.静态功耗2.放大3.灵敏度

石墨烯光探测器：

优势：电子迁移率高；光谱吸收广；良好的机械柔韧性和环境稳定性

劣势：因为只有单层原子，光透过率极高，可吸收的光很小

解决方法：非对称叉指电极

主观题：MORE THAN MOORE 怎么超越？

陈老师

考作业+复习题 选5----------道 课件重点 1. 通过阅读最早MOORE提出摩尔定律的文章和最新的NATURE上的文章，解释什么是

MOORE定律，以及你如何理解MOORE定律的发展

摩尔定律：集成电路的集成度每18到24个月就翻一番。特征尺寸每6年缩小近1倍

课件理解：事实上，摩尔定律并不是一个物理定律，而是一种预言，一张时间表。它鞭

策半导体产业界不断进步，并努力去实现它。 从根本上讲，摩尔定律是一种产业自我激励的机制，它让人们无法抗拒，并努力追

赶，谁跟不上，谁就可能被残酷的淘汰。摩尔定律已成为一盏照亮全球半导体产业前进

方向的明灯 2. 查阅关于SIA和ITRS的资料（外）

SIA: Semiconductor Industry Association美国半导体业协会的简称

ITRS : International Technology Roadmap for Semiconductors国际半导体技术蓝图 3. 请推导等比例缩小的CE律和CV律中MOS器件功耗，延迟时间的缩小因子

4. 试推导器件尺寸缩小，集成度提高对内连线延迟时间的影响

5. 栅极漏电压除了增加静态功耗，会不会影响MOS器件的性能？（P）

会，1.影响导通电流2.影响开启电压

6. MOS器件栅氧化层泄露电流的原因

由于器件尺寸缩小，栅氧化层厚度减小，导致电子隧穿，穿过绝缘层产生泄漏电流

当栅氧化层大于6nm时以F-N隧穿为主，当栅氧化层很薄时直接隧穿

7. MOS泄露电流造成的不良影响，及其解决方法

不良影响： 1.增加静态功耗

2.影响导通电流

3.影响开启电压

4.器件可靠性下降，影响寿命

解决方法：栅氧化层优化设计

（1） 引进新材料，如HKMG

（2） 降低栅极电压

（3） 尺寸缩小时，栅氧化层厚度不按比例缩小 8. MOS中绝缘层减薄带来的负效应有哪些？（外）

泄漏电流：增加功耗，器件特性劣化

可靠性：器件失效，影响寿命

多晶硅栅耗尽和反型层量子化：栅电容下降，有效氧化层厚度增加 9. 为什么要引入“HKMG”？

HKMG:高介电常数金属栅极

引入可以减小MOS泄露电流，优化栅氧化层 10. MOS器件一般用什么晶面的硅片制作？（P）

（100） 11. 解释短沟道效应（SCE）

随着沟道缩短，阈值电压减小（N沟）或增大（P沟）的效应（VT roll off） SCE与沟道掺杂浓度有关，浓度高，VT roll off出现越晚。

产生原因：由于沟道的缩短，源区和漏区的耗尽层越来越近，使得沟道反型层的作用下

降，出现阈值电压的滚降。使得阈值电压对沟道长度的变化十分敏感。

12. 什么是DIBL效应？画简图解释其产生的原因

DIBL效应：drain induced barrier lowering，漏端引入的势垒降低

当沟道长度减小，电压VDS

增加，使得漏结与源结的耗尽层靠近时，沟道中的电力线可以从漏区穿越到源区，并导致源极势垒高度降低，从而源区注入到沟道的电子数量增加，

导致漏极电流增加。沟道越短，DIBL越严重

13. 分析下列效应的原因：HCE,GIDL,迁移率的退化（外）

HCE：热载流子效应：由于沟道内横向和纵向的电场增大，使导电载流子加速，产生高能载流子，即热载流子 GIDL：栅极引起漏极漏电，漏栅之间交叠处的高电场

迁移率退化：沟道反型层载流子受到散射的影响造成迁移率下降。散射来自杂质的库仑

散射，晶格的声子散射，表面粗糙造成的表面散射 14. CMOS器件尺寸越来越小，电源电压不断降低,相应的阈值电压减小，但是阈值电压减小

要考虑哪些因素？（P）

速度：阈值电压减小，可以使速度变快；

噪声：阈值电压减少，会导致器件受到外界的干扰更容易，抗干扰能力下降；

功耗：增大VT可以减小短路功耗 15. 量子效应对小尺寸器件MOS的影响有哪些？

（1） 栅氧化层的隧穿电流

（2） 反型层量子化

（3） 有效栅电容下降，引起阈值电压变化

（4） PN结泄露电流增加

（5） 引起表面势随表面电场变化，影响阈值电压

（6） 杂质随机分布 16. 什么是α软失效？

半导体器件特别是存储器（如DRAM）受到α粒子的影响，使得存储单元信号丢失。

机理：当α粒子照射在半导体器件上时，会造成半导体期间内本来存在的极少量的放射

性原子的原子核裂变，产生大量的电子-空穴对造成存储器存储内容被破坏，不过这种破

坏不是永久性的，所以称为软失效 17. 解释下列名词：LDD，多晶硅栅电极中的多晶硅耗尽效应

LDD：lightly-doped drain,浅掺杂漏区，减小漏极电场，使得高VDD可以使用

多晶硅栅电极中的多晶硅耗尽效应：随着器件尺寸的缩小，tox<10nm时多晶硅的耗尽

层影响无法忽略，对器件的阈值电压和I-V特性造成影响，通常称为多晶硅耗尽层效应

18. 如何从器件和芯片系统层面解决器件缩小受到的限制和在芯片上集成更多的器件

19. 了解沟道工程，Halo，逆向掺杂（retrograde）结构

Halo注入通过在沟道两侧形成高掺杂浓度区,达到对SCE和DIBL进行有效抑制的目的

20. 了解栅工程：金属栅（Silicide）,高k栅绝缘层

21. 了解超浅结（USJ）

22. 请分析SOI器件的优点

SOI：绝缘体上硅

隔离简单且无寄生lacth-up效应

速度快（结电容减少）

低功耗（漏电流小）

抗辐照（α软失效）

全介质隔离，集成密度高

全耗尽器件，迁移率高，寄生电容小

适合短沟器件，易于实现浅结，有利于减小短沟效应和热载流子效应 23. 解释以下概念：

（1） 闩锁效应：CMOS特有的寄生效应，由有源区，P衬底，N阱，PMOS的有源区

构成的n-p-n结产生 ，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁，

严重时会导致烧毁芯片

静电和电源电压瞬变可能引起。

（2） 浮体效应：当顶层SI膜的厚度大于最大耗尽层宽度时，由于氧化埋层的隔离作

用，器件开启后一部分没有被耗尽的SI膜将处于电学浮空的状态，这种浮体结

构会给器件带来显著的影响，该效应称为“浮体效应”

主要表现为器件特性曲线出现上翘 24. 应变硅器件的原理

使用应变硅代替高纯度硅的器件称为应变硅器件。采用的应力分为张应力和压应力，原理是

通过应力使硅的原子密度降低，弥补沟道高掺杂引起的库仑相互作用，从而增加电子的迁移

率达到提升器件性能的作用

25. 根据上述公式估算SCE和DIBL

26. 了解VDT模型和MATAR软件

27.

Corner effect

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微纳光电子学 教学大纲

微纳光电子学 教学大纲

第 1 页/ 共 4 页 微纳光电子学

一、课程说明

课程编号：140510Z10

课程名称：微纳光电子学/ Micro- and Nano- Optoelectronics

课程类别：专业核心课程

学时/学分：48/3

先修课程：固体物理、信息光学、光电子技术

适用专业：光电信息科学与工程

教材、教学参考书：

1．原荣，邱琪编著.光子学与光电子学.北京: 机械工业出版社.2014年;

2. 傅竹西编著.固体光电子学.合肥: 中国科学技术大学出版社(第2版).2012年;

3. 周治平著.硅基光电子学.北京: 北京大学出版社.2012年;

4. 刘旭等编著.光电子学.杭州: 浙江大学出版社.2014年。

二、课程设置的目的意义

光子学、光电子学、和光电子技术是目前信息时代不可或缺的关键技术，产生了大量的光与电相结合的新型器件如手机、电脑、激光雷达、导航设备、光电探测器、太阳能电池等等，不一而足，为人们的生活和工作提供了极大的便利。光子与电子的结合与相互调制是今后信息技术发展的一个重要方向，特别是由于半导体技术和微纳制作技术的兴起，光电子器件朝功能更强、尺寸更小的方向发展。本课程重点讲述特征尺寸在微米或纳米级别的光与电相结合的新型光电子器件及其原理，结构、和应用等，使光电信息科学与工程等专业的学生能够了解和掌握有关微纳光电子学方面的最新进展和知识，为更好地适应以后相关的学习深造和研发工作打下坚实的专业基础。

三、课程的基本要求

知识：本课程从光学原理如光的传播、干涉、衍射、偏振、双折射、光电效应、电光效应、非线性效应等出发，重点讲述所涉及到的当前微纳光电子学领域基本的、主要的、常用的器件，如波导、半导体激光器、滤波器、调制器、探测器、CCD、探测器等的原理、结构、及应用等。

能力：要求学生学习这些器件的基本结构、工作原理、主要特性及应用等知识时，不仅需了解微纳光电子器件的基本知识，还要能够举一反三、触类旁通、和具备进一步深入学习、研究及设计微纳光电子器件的能力，并能将器件知识与实际应用相结合。

微纳加工技术综述

微纳加工技术综述

微纳加工技术综述

微纳加工技术是一种制造微米和纳米级尺寸器件和结构的技术，它在许多领域具有广泛的应用，包括电子、光电子、生物医学、材料科学等。本文将综述微纳加工技术的发展和应用，以及相关的制造方法和工艺。

微纳加工技术的发展

微纳加工技术的发展可以追溯到上世纪70年代，当时主要应用于集成电路制造。随着技术的发展，微纳加工技术不断演化和改进，逐渐应用于更广泛的领域。目前，微纳加工技术已经成为实现微米和纳米级尺寸结构的主要方法之一。

微纳加工技术的分类

微纳加工技术主要包括几种常见的制造方法，如光刻、离子束刻蚀、电子束微细加工和微影技术等。这些方法可以根据工艺原理和设备类型进行分类。

光刻技术

光刻技术是一种利用光敏感物质和光源进行模板制造的方法。它通常包括光刻胶涂布、曝光、显像和腐蚀等步骤。光刻技术广泛应用于半导体制造和微机电系统领域。

离子束刻蚀技术 离子束刻蚀技术利用高能粒子束对材料进行加工，可以精确控制加工深度和形状。它具有高分辨率、高精度和高加工速度的特点，被广泛应用于光学元件制造和纳米结构加工等领域。

电子束微细加工技术

电子束微细加工技术是利用电子束对材料进行加工的方法。它可以实现亚微米级的精度和分辨率，广泛应用于纳米结构制备和光电子器件制造等领域。

微影技术

微影技术是一种利用光敏感材料进行模板制造的方法。它包括热熔法、微球成型法和模板法等多种方法。微影技术广泛应用于纳米结构制备和生物医学领域。

微纳加工技术的应用

微纳加工技术在许多领域都有广泛的应用，下面将介绍一些主要的应用领域。

电子领域

在电子器件领域，微纳加工技术用于制造半导体器件、集成电路、微电子机械系统等。通过微纳加工技术，可以制造出更小、更快、更高性能的电子器件。

光电子领域

在光电子器件领域，微纳加工技术用于制备光学元件、光纤、激光器等。通过微纳加工技术，可以实现光学器件的微米级加工和微结构的制备。 生物医学领域

在生物医学领域，微纳加工技术用于制造生物芯片、生物传感器、生物显微镜等。通过微纳加工技术，可以实现对细胞和生物分子的精确操控和检测。

微纳加工技术在集成光电子器件中的应用

微纳加工技术在集成光电子器件中的应用

微纳加工技术在集成光电子器件中的应用

引言：

随着科技的不断进步，人们对高性能和高集成度光电子器件的需求也越来越大。微纳加工技术作为一种高精度、高灵活性的加工技术，已经逐渐成为集成光电子器件领域的关键技术。本文将重点介绍微纳加工技术在集成光电子器件中的应用，探讨其在器件设计、制备和功能增强等方面的优势。

一、微纳加工技术在集成光电子器件设计中的应用

1. 光子集成电路设计

微纳加工技术在光子集成电路设计中发挥了重要作用。通过利用微纳加工技术，可以实现复杂的光子晶体波导、微环谐振器、分束器、耦合器等器件结构，并将它们灵活地组合在一起，形成可编程的光子集成电路。这种灵活的设计方案使得光子集成电路具有更高的集成度和更小的尺寸，更适用于实现高速通信和光子计算等应用。

2. 超材料设计

微纳加工技术可以用于制备超材料中的微纳结构，如金属纳米点阵、微球、纳米线等。这些微纳结构具有特殊的光学性质，可以用于实现控制光的传播行为、吸收和辐射等特殊功能。通过微纳加工技术，可以实现对超材料微纳结构的精确控制，进而设计和制备具有特定波长选择性、超透明性、超折射率效应等特征的光学器件。

二、微纳加工技术在集成光电子器件制备中的应用

1. 光子晶体制备

光子晶体是一种由周期性的两个或多个介质组成的纳米结构材料，可以对光的传播进行控制。微纳加工技术可以用于制备光子晶体的微米和纳米结构。通过对微纳结构的形貌和材料的选择进行调控，可以实现对光子晶体的带隙特性、光子禁带结构和波导模式等的精确控制。这为实现光学滤波器、光调制器等集成光电子器件提供了基础。

2. 光波导制备 光波导是一种用于控制和引导光的结构，是光学器件中的重要组成部分。通过微纳加工技术，可以制备具有高光学品质的光波导结构。例如，在光子集成电路中，可利用微纳加工技术制备出具有较低损耗和较高耦合效率的光波导，从而实现光的高效传输和耦合。

三、微纳加工技术在集成光电子器件功能增强中的应用

微纳电子技术的材料与技术

微纳电子技术的材料与技术

微纳电子技术的材料与技术

微纳电子技术是指电子元器件的微观尺度制造和集成技术。微纳电子技术可以制造出尺寸小、功耗低、速度快、可靠性高的芯片，广泛应用于电子计算、通信、娱乐等领域。

微纳电子技术的材料：

在微纳电子技术中，需要用到的材料有：

1、硅(Si)：硅是微纳电子技术中最重要的材料，可以制造出电子元器件中的晶体管、集成电路等。

2、氮化硅(SiNx)：氮化硅用于封装半导体器件。氮化硅有很好的抗氧化性能，可以保护器件不受环境中氧化等气体的侵蚀。

3、二氧化硅(SiO2)：二氧化硅用于制造晶体管中的栅氧化物。栅氧化物是晶体管中非常重要的一个组成部分，用于控制晶体管的开启或关闭状态。

4、铜(Cu)：铜用于制造金属线路。在微观尺度下，铜的电阻率很低，可以保证电子器件通电时电流的畅通。

5、铝(Al)：铝用于制造电容器等元器件中的电极。铝有很好的附着性和导电性，可以保证电容器等元器件的正常工作。

微纳电子技术的制造工艺：

微纳电子技术的制造工艺包括以下过程：

1、晶圆制作：晶圆制作是微纳电子技术中的关键制造技术。晶圆制作是利用半导体材料如硅制造芯片的过程。在晶圆制作的过程中，需要采用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等技术将不同材料制成膜。晶圆制作过程中所需要的化学药品、气体等材料的准确控制非常重要。

2、光刻技术：光刻技术是利用光的反射和折射原理制作芯片图案的过程。在光刻技术中，需要使用掩模板，通过UV光照射达到对芯片进行曝光。光刻技术的高分辨率和精度要求对掩模板和系统进行高度精细设计，这对于芯片的制造起到非常重要的作用。

3、薄膜技术：薄膜技术是用于进行材料制备和表面修饰的技术。薄膜技术是通过物理气相沉积、原子层沉积(ALD)、离子束沉积(IBD)等技术进行的。薄膜技术可以在制作芯片中进行修复或者添加功能层。

4、电镀技术：电镀技术是利用电化学原理进行的表面加工技术。电镀技术可以用来制作导电线路、电极、电容器等元器件。电镀技术对于芯片的制作非常重要，可以对芯片中的电氧化层、镀层、导电线等进行修复和加工。