电科专业纳米电新新子学基础第三节
纳米电子学PPT课件
硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤
（a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm 的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料 发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料 移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个 结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结 构完全相同。
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硅材料表面上纳米细线的刻蚀
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光刻的工艺流程
1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻 胶有良好的粘附；
2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地 涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；
3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜 与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同 时使曝光时能进行充分的光化学反应；
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4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶 膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相 反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须 严格检查，以保证光刻的质量；
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微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
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首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或
关来工作的，而“门”的开或关的状态，取
决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻
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没 有 束 斑 直 径 和 平 行 度 要 求 的 STM 和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超 大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常 重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍 了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同 尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和 AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀 技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原 子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM 来加工未来的集成电路，同样必须解决加工 速度的问题。
电科专业 纳米电子学基础第六章
纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第六章碳纳米管器件§6.1碳纳米管的结构§6.2碳纳米管的制备62§6.3碳纳米管的性质§6.4碳纳米管的应用§6.5 碳纳米管晶体管§6.6 碳纳米管器件及电路第六章碳纳米管器件§6.1 碳纳米管的结构§6.2碳纳米管的制备62§6.3碳纳米管的性质§6.4碳纳米管的应用§6.5 碳纳米管晶体管§6.6 碳纳米管器件及电路C60及富勒烯化合物：§6.1 碳纳米管的结构X碳家族的成员1985年英国Sussex 大学的Kroto 教授和美国Slice 大学的Smalley 教授发现碳元素由12个正五边形和无定形碳晶形碳20个正六边形构成石墨富勒碳金刚石巴基球（以C60为代表）碳纳米管巴基葱（即球状多壁同心大分子）碳纳米管（CNTs ）：1991年，日本科学家饭岛（Iijima ）在《Nature 》发表文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。
§6.1 碳纳米管的结构X碳纳米管的结构原理分类：碳有金刚石、石墨、无定形碳以及有金刚石、石墨、无定形碳以及C60四类。
石墨碳原子纳米碳管的分类：碳Å纳米碳管的中的4个价电子只有3个成键,形成六边形的平面网状结构。
这种排列使石墨中的每个碳原子有对未成对电子,这对未成对电子围绕着这个碳环平面高速运转,因每个碳原子有一对未成对电子而使石墨具有较好的导电性。
在石墨的边缘,每个碳原子都有一个悬浮的键,这个悬浮的键就象一个伸出去的手一样,一直在寻找未成键的原子。
Å如果将石墨加热到1200℃以上,碳环就会开始重新排列,这种高能量活性边界开始卷曲,直到两个边界完美地结合在一起形成一种空心的管子,其它碳环也同时和这个管子相作用形成种帽状结构封闭管子而形成种两端封闭的管状和这个管子相作用形成一种“帽状”结构封闭管子而形成一种两端封闭的管状结构,称为纳米碳管。
纳米电子学电子科大
• 原子确实是用肉眼无法看见的。这就需要借助仪 器来开拓我们的视野。就在80年代初期，IBM公 司在世界上第一次研制成功表面分析仪器——扫 描隧道显微镜（STM），使人类第一次能够观察 到单个原子或分子的排列状态。它给我们提供了 对纳米结构进行测量和处理的“眼睛”。 • 那么用什么来操纵原子呢？也得借助仪器来延伸 我们的双手，这就是——扫描探针。1990年，当 IBM公司的科学家成功地用“扫描探针”把35个 氙原子移动位置，按照人的意志组成了IBM三个 字母的时候，人类终于可以搬动原子了。
• 附图就是摩尔文章中所给出的预测图形，据此， 摩尔明确预测， 1975年时集成电路上 的元件数将达到65 000。 果不其然，1975年64K RAM芯片问世，而所谓 64K的精确值正是65536， 即216。这使摩尔预言名 噪一时，并从此把它称为 摩尔定律。
高聚物和纳米复合物
高表面积多孔材料 净化、分离、催化 生物相容、自我调整 药物分配器
H2原子和C纳米管
多层C纳米管
纳米多层管
C纳米索线
C脚手架
C60晶体管
纳米变阻箱
MgH2 块体
鲱骨状
层状
轨道状
Cu分形状
多孔状
Au-足球状
洋葱状
Quantum Dots (量子点)
碳纳米管是由多个 碳原子六方点阵的同轴 圆柱面套构而成的空心 小管，其中石墨层可以 因卷曲方式不同而具有 手性。碳纳米管的直径 一般为几纳米至几十纳 米，长度为几至几十微 米。 碳纳米管可以因直径 或手性的不同而呈现很 好的金属导电性或半导 体性。
纳米科技的进展
• 1.分子电子学获重大进展 1)2001年8月美国IBM公司宣布,该公司用单分子碳纳米管成 功地制成世界上最小的逻辑电路。 2)2001年美国朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造 出了世界上最小的晶体管，称为“纳米晶体管”,大小接 近1纳米，在针尖大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶 体管。它以碳为基础，包含氢和硫的有机半导体分子为晶 体管材料，以金原子层为电极。 • 2. 2000年Intel和AMD分别成功研制出栅长为30纳米和40 纳米CMOS器件，2001~2002年又先后研制出栅长为15纳 米的CMOS器件。
纳米光电子学复习讲义.docx
1、从三维到零维的态密度态密度推导:三维：为「概括ii 抻侧鳗分布状况.引人定义为正常 中能V E 附近刺位能址间隔内的电予志散.假设在能址E-E-dE 向无限小的能量间隔内有田、个电子忘.*M «（E ＞为A *号体片侑底成偷带顶附近.尊能■近位为球形.*i 电子志 4 4空间的分布职均与的.密度为V （2X ）1. M 中V 隹品体体机. 代此。
能址E - E + dE 何的电干杰散为（分割以导带底或价借KI 为能ttTA ＞=盘1_牛二1 —三二 ‘（2K F A •2 A，我'（会）"'盹 即只白有效质量为"I •的导带电F 或价带空穴在刺但体枳内的急密度＜（£）为邮＞ =!（芸广即 ⑷⑶式《413）盘明移价宙m 成铮带成附近.能右*度陆能址注携变 It."带边£ = 0处杰密度也为0.Quantum Well 半#体#带和价带中的电干建缴洋常浦集, 彬成用连技分布.Bulk Quantum Wire Quantum Dot二维（量子阱）:6, 6, Q 2、/7 + + TT 叭％ V ，z) + /(x, y, z\f(x,y,z) = E 叭x, y, z) dy Qz ) tl f —y/(z)+ E 此)2m dz叭 x, y)=A exp{ik x x + ik Y y) E =——―—• ZmU y/(x,^) = i//(x + L,y + L )= A expz^^ + L )+k y (y + £))=J (exp i(k x x + Ze v y)exp i{k x L + 如1))= “(x, j ，)exp ，(kxl+ k y L ) v £2 mEN =——— 1 dN _ 1 d (L 2mE yU~dE~lF~dE\ltl^ t 一维（纳米。
以 tt fn 站构中.电子在1和y 方向上的运命受胃限制.只 厦沿匚方向n 由近功.h 2 2in dx m 7t Tr P （E ）二 2 m Ti 2成为市一维体系.殳八、方向上的幼阱均为无阳株方们阱.阱童分割为“、b.明它的整5以、岐1°且1,1<¥V(r)= < (4-24))g |1|>品・或lyl>¥根8■胃到体事的It函敷民/(r)= r‘ 二:心工L：,，〈中..J e 。
纳米技术与纳米电子学资料
子自组装技术，从双液态隔膜（BLM）技术发展到了SBLM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。 • 近年来，分子自组装技术还被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。
图10.7 纳米结构制备的两种思路
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10.3 纳米材料的制备和加工技术
• 1 分子束外延(MBE)
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。
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10.3 纳米材料的制备和加工技术
• 2 化学气相淀积(CVD)
• 磁性
——制备永磁微粉
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10.2 纳米材料的基本效应
• 2 小尺寸效应 • 热力学性质
——μ随着颗粒尺寸减小而增大
2 / r
当颗粒小于某临界尺 寸时，将会在明显低 于块材的熔点温度下 熔化。 图10.3即为金熔化温 度与颗粒尺寸的关系。
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10.2 纳米材料的基本效应
• 主要新效应有：量子相干效应，A-B效应，即弹性散射不破坏电子相干性，量子 霍尔效应，普适电导涨落特性，库仑阻塞效应，海森堡不确定效应等。
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10.4 纳米电子学
• 1 量子电导
ne2 / m*
n kF2 /
(e2 / h) 2kFl
m*l / kF h
即满足量子条件的电导率是(e2/h)因子的函数， 在单电子输运情况中，此因子为量子化的台 阶值。
《纳米功能材料》第三章 纳米电功能材料
第一节 电接触复合材料 第二节 导电复合材料 第三节 压电复合材料 第四节 超导材料 第五节 介电材料
纳米材料的物理性能
纳米材料的物理性能改变的几种机制：（1）大表面原子数比，（2）大表 面能，（3）空间限域，（4）非完整性的降低。
具体实例：
➢ 纳米材料由于具有大的表面原子数比，可以具有很低的熔点、相转变温度、 略微减小的晶格常数。 ➢ 纳米材料机械性能可达到理论强度，比块体单晶的强度高1~2个数量级。 ➢ 纳米材料光学性能，半导体纳米粒子的光吸收峰，由于带隙宽度增大而向短 波方向移动。金属纳米粒子颜色由于表面等离子基元而随尺寸变化。 ➢ 纳米材料由于增加的表面散射，电导率随尺寸而减小。但如果较好地排列， 电导也可以提高，如在聚合物小纤维中。 ➢ 纳米结构材料的磁性，表面能的存在，块体材料的铁磁性转变为纳米材料的 超顺磁性。 ➢ 自净化是纳米材料的内在动力学性质。热处理可提高杂质、内部缺陷和位错 的扩散，容易将它们推向表面附近。对化学和物理性质有明显的影响。
θ λ0
d
θ1
p
θ2
z
λ0
d — 薄膜厚度； o — 块体中电子平均自由程
非弹性散射后，薄膜电阻率 f 相对于块体电阻率 0的比值：
0 f
d 20
ln
0 d
3 2
厚度d小于块体电子平均自由程o的薄膜中，膜表面非 弹性散射电子的汤普森（Thompson）模型示意图。
[J.J. Thompson, Proc. Cambridge Phil. Soc. 11, 120 (1901).]
极大的荷电能量的状况下
（A）STM针尖放置在吸附于Au-云母基体上 （插图）的单个团簇上，83 K时的库仑阶梯IV曲线；电势为针尖-基体之间的偏压；双隧道 结等效回路给出电容Cupper = 0.59 aF和Clower = 0.48 aF （B）2:1甲苯:乙腈/0.05 M HX4NClO4中0.1 mM 28kDa团簇溶液的伏安曲线（CV −，100 mV/s；DPV →，为电流峰，20 mV/s，25 mV脉冲，顶端、底部分别为负、正扫描）， 7.9 × 10−3 cm2 Pt电极，298 K，Ag线赝参 比电极
电科专业纳米电子学基础第一章
光年
以上
实际范围 河外星系
适用理论 尚无
宇观 宏观 微观
渺观
1021米=105 光年 102米
10-17米= 10-15厘米
10-36米= 10-34厘米
从3亿公里到 3×1014光年
从3 ×10-6厘米 到3亿公里
从3 ×10-25厘 米到3 ×10-6厘 米
3 ×10-25厘米 以下
从太阳系 到银河系 从大分子 到太阳系 从基本粒子 到大分子
§1.3 材料
纳米结构材料的基本特性
II. 小尺寸效应
特殊的力学性质
Å 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷
材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是 相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧 性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化 钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所 以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒 的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料 则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
纳米电子学基础
主讲人：杨红官
课程内容：
第一章 绪 论 第二章 纳电子学的物理基础 第三章 共振隧穿器件 第四章 单电子晶体管 第五章 量子点器件 第六章 碳纳米管器件 第七章 分子电子器件 第八章 纳米级集成系统原理 第九章 纳电子学发展中的问题
参考资料：
1. 纳电子学导论，蒋建飞 编著，科学出版社。 2. 纳米电子学，杜磊 庄奕琪 编著，电子工业出版社。 3. 纳电子器件及其应用，蔡理 编著，电子工业出版社。 4. 纳电子学与纳米系统，陈贵灿 等译，西安交通大学 出版社。
电科专业纳米电子学基础第三章
纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第章第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§3.2共振隧穿器件的输运理论32§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5 基于RTD器件的数字电路§3.6 基于RTD器件的模拟电路第章第三章共振隧穿器件§3.1 共振隧穿现象§3.2共振隧穿器件的输运理论32§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5 基于RTD器件的数字电路§3.6 基于RTD器件的模拟电路§3.1 共振隧穿现象Å1969年Tsu（朱兆祥）和Esaki（江崎）首先预测到半导体超晶格势垒结构中Ga1-x As能够产生共振隧穿（Resonant Tunneling）现象。
并预言若给GaAs/Alx双势垒或多势垒结构加上偏压，会出现负微分电阻（Negative DifferentialI V特性Resistance，NDR）的电流电压I-V特性。
Å不久，分子束外延技术（MBE）的发明，使人们可以在原子精度内和背景杂质非常低的情况下，有控制地生长外延异质结层。
应用这种技术制造出来AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构，验证了他们的设想。
Å在共振隧穿和负微分电阻的基础上，种新型的量子器件应运而生，即共振在共振隧穿和负微分电阻的基础上，一种新型的量子器件应运而生，即共振隧穿器件（Resonant Tunneling Device，RTD）。
X共振隧穿器件具有以下特点共振隧穿器件（RTD）具有以下特点：Ø(1) 高速高频。
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纳米电子学基础
主讲人：杨红官
课程内容：
第一章绪论
第二章纳电子学的物理基础
第三章共振隧穿器件
第章隧穿件
第四章单电子晶体管
第五章量子点器件
第六章碳纳米管器件
第章子子器件
第七章分子电子器件
第八章纳米级集成系统原理
第九章纳电子学发展中的问题
第章
第三章共振隧穿器件
§3.1共振隧穿现象
§3.2共振隧穿器件的输运理论
32
§3.3共振隧穿二极管的特性分析
§3.4共振隧穿二极管模型
§3.5 基于RTD器件的数字电路
§3.6 基于RTD器件的模拟电路
第章
第三章共振隧穿器件
§3.1 共振隧穿现象
§3.2共振隧穿器件的输运理论
32
§3.3共振隧穿二极管的特性分析
§3.4共振隧穿二极管模型
§3.5 基于RTD器件的数字电路
§3.6 基于RTD器件的模拟电路
§3.1 共振隧穿现象
Å1969年Tsu（朱兆祥）和Esaki（江崎）首先预测到半导体超晶格势垒结构中
Ga1-x As
能够产生共振隧穿（Resonant Tunneling）现象。
并预言若给GaAs/Al
x
双势垒或多势垒结构加上偏压，会出现负微分电阻（Negative Differential
I V特性
Resistance，NDR）的电流电压I-V特性。
Å不久，分子束外延技术（MBE）的发明，使人们可以在原子精度内和背景杂
质非常低的情况下，有控制地生长外延异质结层。
应用这种技术制造出来AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构，验证了他们的设想。
Å在共振隧穿和负微分电阻的基础上，种新型的量子器件应运而生，即共振在共振隧穿和负微分电阻的基础上，一种新型的量子器件应运而生，即共振
隧穿器件（Resonant Tunneling Device，RTD）。
X共振隧穿器件具有以下特点
共振隧穿器件（RTD）具有以下特点：
Ø(1) 高速高频。
RTD器件的最高频率理论预计值为2.5 THz，实际可达712 GHz，RTD的开关时间t r低到1.5 ps。
15ps
§3.1 共振隧穿现象
RTD之所以有如此高的频率和开关速度，是因为在半导体器件各种载流子输运机制中，隧穿机制比漂移和扩散快得多；器件电容很小，在10-14F量级，RC延迟非常小；RTD器件的有源区非常短（5~10 nm），缩短了载流子渡越时间。
Ø(2) RTD是一种负阻器件。
负阻特性可导致双稳态出现，双稳态进一步产生了自锁功能。
在数字电路中，触发器才有自锁功能，故从本质上讲，一个RTD器件在自锁功能上就对应一个触发器。
因此，用RTD构成数字电路时，可以节省大量的器件面积。
Ø(3) RTD器件的另一个重要特点就是可在I-V曲线上产生多峰特性。
RTD的多峰特性对于设计研制多态存储器和A/D转换电路非常有利，节省的器件数目更多。
Ø(4) RTD器件及电路的耗散功率非常低。
其原因是RTD的电容很小，动态功率低，工作时维持在I-V特性的谷值点，电流较低，并且节省器件，电路复杂程度低，也降低了功耗。
低了功耗
§3.1 共振隧穿现象
X
共振隧穿的结构
Ø共振隧穿器件的基本结构如右图所示的双势垒量子阱（DBQW
）Ø这种结构包含两个势垒层和一个势阱层。
势垒层
一般是用未掺杂的宽带隙材料制成，宽1.4~5.0 nm ；势阱层用未掺杂的窄带隙材料制成，30~70
nm 宽3.0~7.0 nm 。
Ø势阱层称为基极，左侧势垒称为发射势垒，发生势垒的外侧为
+AlGaAs/GaAs/AlGaAs 双势垒结构及加N 重掺杂的发射区；右侧势垒称为收集势垒，收集势垒的外侧为集电区，样也重掺杂的上偏压的情形同样也是N +重掺杂的。