章-低维半导体材料

宏观参量
宏观参量
量子点间的单电子，ne，量 子参量，环境参量敏感，温 度影响大，神经网特征
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• 当电子器件进一步减小时，纳电子器件之 后，将是分子电子器件，与之相应地将出 现分子电子学。
• 当前，人们直接面临的问题是纳米电子器 件的设计与制造，纳电子学已经成为电子 学研究的热点。
I. MBE和MOCVD生长技术
1. MBE技术
MBE技术实际上是超高真空条件下,对分子或 原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸 发技术。
MBE 与其它传统生长技术(LPE , VPE 等) 相 比有许多优点。
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2. MOCVD技术 MOCVD 或MOVPE 是和MBE 同时发展 起来的另一种先进的外延生长技术。
利用MBE 或MOCVE 等技术首先生长超晶格、 量子阱器件结构材料如：AlGaAs/ GaAs 2DEG材料等，进而结合高空间分辨电子束 曝光直写，湿法或干法刻蚀和微细离子束注 入隔离制备量子线和量子点。
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• 上述方法的优点是
➢图形的几何形状和密度(在分辨率范围内) 可控
• 其缺点是
• 纳电子学是纳米科技的一部 分，纳米科技是信息时代的高 科技，将是人类制造智能工具 的基础。
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1991 美国 Nano I
纳米科技成为独立学科领域
智能 工 具
纳
米
科
技
纳 电
纳 米
纳 米
纳 米
纳 米
纳 米
子 学
物 理
化 学
生 物
机 械
测 量
学
学学学
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。
• 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。
• 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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主要半导体量子点、量子线、量子阱材料
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纳米材料的制备方法大体上可分为两种
Top-down
Bottom-up
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• 对于低维半导体材料主要应用的是 Bottom-up方法。其制备技术主要有：
2001年 2005年 2010年 2016年
DRAM特征线宽（nm）
130
80
45
22
DRAM存储容量（字节）
512M 2G
8G 64G
DRAM每比特价格（微美分）
7.7
1.9
0.34 0.042
DRAM栅电极长度（nm）
65
32
18
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微处理器速度（MHz）
1684 5173 11511 28751
• 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。
• 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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➢零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的 三个方向均在纳米尺度，如纳米微粒，原子团 簇等。
➢一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的 三个方向有两个方向在纳米尺度，如纳米线、 纳米棒、纳米管等。
MOCVD 是用氢气将金属有机化合物蒸气和气态 非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热 的衬底上，通过热分解反应而最终在其上生 长出外延层的技术。
类似的技术还有化学束外延(CBE)，金属 有机化合物分子束外延(MOMBE) 和气态 源分子束外延(GSMBE) 。
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II. 超晶格、量子阱材料生长和精细加工相 结合的制备技术
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真空电子、微电子和纳电子器件的比较
种类
真空管
晶体管
单电子管（SET）
结构
符号
材料 技术 理论 特点
W,Ni,BaO,玻璃,陶瓷 Ge，Si，GaAs
?
电真空制造工艺 真空电子学
单晶生长，光刻、扩散掺杂 半导体物理
有机/无机组装，自组织生 长，？
纳电子学，？
真空中自由电子，mA 晶态半导体中电子，µA
外一个方向（z）则受到约束。
d h / 2m*E
L2 DEG
h
q
2ns
➢一维量子线材料：载流子仅在一个方向可以自 由运动，而在另外两个方向则受到约束。
➢零维量子点材料：载流子在三个方向上运动都 要受到约束的材料系统，即电子在三个维度上 的能量都是量子化的。
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。
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• 当系统的尺寸小到可以与电子的德布罗意 波长相当时，量子效应就成为支配载流子 行为的主要因素，量子力学将成为其理论 基础。
• 现今微电子器件工作原理和理论基础是以 Boltzman输运方程为基础的理论。
• 因此微电子器件不会一直小下去，它存在 一个物理极限，这个极限即是以Boltzman 输运方程为基础的理论的适用极限。
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• 这个物理极限是多少？ 0.030µm ?
• 从信息技术的发展来看，为了满足无所不 在的海量智能化需要，硅微电子芯片技术 即使达到0.030µm ，也还是不能够满足信息 处理的需要。
• 当传统晶体管和集成电路最终达到它的极 限的时候，信息技术将如何发展？
纳电子器件
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a. 晶格匹配体系的二维层状(平面) 生长的Frank Van der Merwe 模式
➢二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的 三个方向有一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、 纳米多层膜、超晶格薄膜等。
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2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
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• 对于半导体低维材料（基于载流子）：
➢二维超晶格、量子阱材料：载流子在二个方向
（如在x ,y 平面内） 上可以自由运动，而在另
低维半导体材料
• 电子器件是20世纪的重大发明之一 • 电子器件的发展已经经历了两个时期
真空电子管
固体晶体管
尺寸不断减小 微米 微电子器件
• 信息时代的到来，要求微电子器件的特征 尺寸越来越小，芯片集成度越来越高
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• Moore定律
SIA对半导体技术发展趋势的预测
动态随机存储器（DRAM）与微处理器
➢图形实际分辨率(受电子束背散射效应影响) 不 高(几十nm) ,横向尺寸远比纵向尺寸大
➢边墙(辐射,刻蚀) 损伤,缺陷引入和杂质沾污使器 件性能变差以及曝光时间过长等
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III. 应变自组装量子点结构生长技术
外延生长过程中，根据晶格失配和表面、界面能 不同，存在着三种生长模式：