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新型納米材料在微電子技術(shù)中的應用探究的論文
摩爾定律一直是指導微電子行業(yè)發(fā)展速度的準則之一。根據摩爾定律，以硅材料為主的微電子器件的集成度越來(lái)越高，器件的特征尺度越來(lái)越小，從而使集成電路的性?xún)r(jià)比越來(lái)越高。然而，根據美國半導體工業(yè)協(xié)會(huì )(SIA)的報告[1]，當最小特征尺寸達到10nm時(shí)，微電子器件將達到物理極限，摩爾定律不再成立。這是因為當微電子器件的特征尺寸在10nm以下時(shí)，微觀(guān)下的物理效應，例如量子效應、表面效應等，將變得不可忽略[2]，器件的工作機理、材料和工藝技術(shù)都將不同于特征尺寸大于10nm的傳統器件。因此，研究半導體納米材料(顆粒大小在1?100nm范圍)及其微觀(guān)尺度下的特殊性質(zhì)，對于解決特征尺寸不斷縮小給微電子技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題具有十分重要的意義。
2新型納米材料
2.1納米材料簡(jiǎn)述
納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9m)的超細材料，其結構包括粒子和粒子間界面兩個(gè)部分，粒子具有長(cháng)程序晶狀結構，而粒子間界面則為無(wú)序結構[3]。另外，納米材料微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為1?100nm。納米材料具有納米晶粒與高濃度晶界兩個(gè)重要特征。其中，大晶體連續能帶可以分裂成接近分子軌道的能級，所以納米晶粒的原子排列不能處理為無(wú)限長(cháng)程序。而由納米晶粒產(chǎn)生的高濃度晶界及晶界原子的特殊結構會(huì )導致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變[46]。以金為例，當金的顆粒直徑小于100nm時(shí)，金顆粒由金屬態(tài)轉為膠態(tài)，可溶于水，且溶液顏色隨金顆粒直徑的減小從紫色變?yōu)榧t色，2.2納米材料特性2.2.1表面效應研究表明，當粒子直徑減小時(shí)，納米材料粒子表面積急劇增大8。因此，當粒子直徑處在10nm以下時(shí)，隨著(zhù)粒子直徑的減小和內部原子所處環(huán)境的不同，表面原子數將迅速增加，導致表面原子配位數不足和表面能較高，從而使這些原子容易與其他原子結合，故具有很高的化學(xué)活性。以納米金顆粒為例，由于表面效應，100nm以下的金顆粒具有較高的表面能，從而吸引溶液中的陽(yáng)離子Au3+，而集聚的陽(yáng)離子將會(huì )繼續吸引陰離子，最終溶液達到過(guò)飽和，使金顆粒在溶劑中均勻分布，形成金溶于水的現象。
2.2.2量子尺寸效應
納米材料因尺寸減小而帶來(lái)的重要性質(zhì)是量子尺寸效應。根據能帶理論，對于宏觀(guān)物體包含無(wú)限個(gè)原子的情形(導電電子數N—⑵)，有：5=4Ef/3N(1)對于納米粒子，因N值很小，導致5較大。當能級間距5=%時(shí)，就會(huì )發(fā)生量子尺寸效應，從而導致納米顆粒的聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性與宏觀(guān)特性顯著(zhù)不同。
目前，納米電子學(xué)是基于納米粒子的量子效應來(lái)設計并制備納米量子器件的新學(xué)科。它將納米技術(shù)與微電子學(xué)有機地結合在一起，旨在實(shí)現突破性的創(chuàng )新科技，開(kāi)拓新的市場(chǎng)[9,10]。相對于之前的真空電子管和固態(tài)晶體電子管，納電子管被視為具有革命性特征的第三代器件。納電子管在工作機理、加工技術(shù)和所用材料上都與真空電子管和固態(tài)晶體電子管有很大的不同。本文主要討論納電子學(xué)中所用的納米材料，重點(diǎn)介紹石墨烯和碳納米管等新型納米半導體材料。
3新型納米材料
3.1碳納米管
碳納米管(CarbonNanoTube，CNT)是由石墨碳原子層卷曲而成，管上的碳原子相互之間以碳^碳鍵結合，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構，作為碳納米管的骨架。管子在半徑方向非常細，只有納米尺度，而在軸方向則可長(cháng)達數十到數百微米。幾萬(wàn)根碳納米管并起來(lái)也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱(chēng)也由此而來(lái)。
碳納米管結構的變化會(huì )使其性質(zhì)發(fā)生變化，有可能由絕緣體轉變?yōu)榘雽w，也可能由半導體變?yōu)榻饘�。比如，在具有金屬導電性的碳納米管中通過(guò)量子化的磁通量，則其阿哈諾夫-波姆效應(A-B效應)尤為明顯。
碳納米管的硬度與金剛石相當，內部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)。碳納米管還擁有良好的柔韌性。因此，碳納米管可以作為模具，具有超常的強度、熱導率、磁阻等[11，12]。有些碳納米管本身還可以作為具有納米尺度的導線(xiàn)。利用碳納米管或相關(guān)技術(shù)制備的微導線(xiàn)可以置于硅芯片上，用來(lái)制作更加復雜的電路。
國際半導體技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖(ITRS)預測，在特征尺寸小于45nm的微電子技術(shù)中，傳統的銅互連線(xiàn)將出現失效問(wèn)題。在現行器件尺寸縮小技術(shù)及相關(guān)的VLSI設計中，局部結構連線(xiàn)的尺寸接近銅電子的自由程量級，導致雜質(zhì)和粒子邊界對電子的散射效應增強，從而使導體電阻顯著(zhù)增加。圖2所示為ITRS預測的90nm線(xiàn)寬下導線(xiàn)電流密度與特征尺寸的關(guān)系流密度(斜紋條形)迅速上升，且顯著(zhù)快于互連線(xiàn)電流密度(實(shí)心條形)的上升速度。因此，電路結點(diǎn)將經(jīng)受強烈的電遷移和熱沖擊，約束了電路中的結點(diǎn)數量[14’15]。碳納米管具有很高的電流導通能力，成為最有希望解決可靠性和熱擾動(dòng)問(wèn)題的候選者。
3.2石墨烯
石墨烯(Graphene)是平面多環(huán)芳香烴原子晶體，其命名來(lái)自英文的graphite(石墨))和-ene(烯類(lèi)后綴)。石墨烯可想象為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子網(wǎng)格，碳原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體。
石墨烯的結構非常穩定，其內部碳原子之間的連接很柔韌，碳^碳鍵僅為0.142nm。當外力施加于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì )彎曲變形，使碳原子不必重新排列來(lái)適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優(yōu)良的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì )因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。
石墨烯是已知材料中最薄的一種，卷成圓桶形可以用作碳納米管，且質(zhì)地非常牢固堅硬，在室溫狀況下，傳遞電子的速度比已知導體都快。
4石墨烯在電子技術(shù)中的應用
由于石墨烯所具有的奇特性質(zhì)，它被認為是后摩爾時(shí)代硅的接替者[17-19]，可用于制作單分子的氣體傳感器、太赫茲諧振器、量子計算機等。
4.1集成電路
石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)。石墨烯具有極高的載流子遷移率和極低的噪聲，可以用作場(chǎng)效應晶體管的溝道。目前的問(wèn)題是單層的石墨烯制造困難，更難做出合適的基板。2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地制造出第_個(gè)以石墨烯為基礎的寬帶無(wú)線(xiàn)混頻器集成電路[23]。在沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化的情況下，電路處理頻率高達10GHz，而且能經(jīng)受高達127°C的高溫。然而，這個(gè)由石墨烯制成的集成電路也面臨諸多問(wèn)題，如石墨烯與鋁、金、鉑等金屬的連接較困難，以及由于石墨烯極薄，其僅有_個(gè)原子寬度的薄層極易被刻蝕工藝破壞。
4.2量子計算機
由于石墨烯的二維性質(zhì)，科學(xué)家認為石墨烯會(huì )發(fā)生電荷分數化(低維物質(zhì)的單獨準粒子的表觀(guān)電荷小于單位量子)。因此，石墨烯很有可能是制造量子計算機所需要的任意子元件的合適材料[24,25]。4.3太赫茲等離子諧振器由于單層石墨烯不尋常的低能量電子結構，及其狄拉克費米子(石墨烯的電子和空穴)的特殊性質(zhì)，在室溫下，通過(guò)施加外磁場(chǎng)，石墨烯納米帶的光學(xué)響應可以調整至太赫茲頻域。
兩種基于石墨烯的太赫茲器件如圖3和圖4所示。線(xiàn)性波導轉換器的襯底和波導的中間介質(zhì)采用石墨烯，使用光注入技術(shù)。等離子體波導的PN結采用石墨烯，可在能級間實(shí)現粒子數反轉。
自20世紀80年代以來(lái)，納米技術(shù)研究_直處于方興未艾的階段。半導體納米材料因其具有量子效應而可能在后摩爾時(shí)代中發(fā)揮巨大作用。盡管根據當前的研究，由新型納米半導體材料制作的器件和集成電路仍然存在與金屬接觸性能不好、與傳統工藝技術(shù)不兼容、難以量產(chǎn)等問(wèn)題，但是，從長(cháng)遠看，前景仍然是廣闊的。在微電子領(lǐng)域，在太赫茲技術(shù)、量子信息學(xué)等比較新的電子信息學(xué)科中都有納米材料的身影。因此，在學(xué)科交叉日益密集的今天，電路設計人員也有必要了解納米材料。
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