固體納米電子器件是納米電子器件中的一個主要分支。它的出現是與納米製備、加工技術的發展、介觀物理的發展和微電子技術發展中面臨的各種“極限”分不開的。它具有量子效應和隧穿勢壘包圍“島” （勢阱）的器件結構。
基本介紹
- 中文名： 固體納米電子器件
- 外文名：solidstate nanoelectronic device
1背景,2概述,2.1量子點,2.2諧振隧穿器件,2.3單電子電晶體,2.4勢阱量子化的維數和勢阱中的能量分布,2.5共振隧穿器件,3固體納米電子器件存在的問題,4關於發展納米電子器件的建議,
1背景
自從納米技術和信息技術、材料科學技術、生物技術被列為21世紀的四大科學技術以來，在國際和國內出現了一個納米技術研究和開發的熱潮。尤其在國內，“納米”變成了最熱的名詞之一，變成了家喻戶曉談論的熱門話題之一。但在納米“熱”潮的同時，也出現了對納米概念的某些誤解和“泛”用納米以及偽納米產品的出現。白春禮院士對納米技術及時地提出“全面理解內涵促進健康發展”的發展方針，指出，對納米器件，尤其是納米電子器件的認識和大力發展納米電子器件的研究是一個非常重要的問題.
納米器件可以被認為是利用納米級加工和製備技術如金屬有機化合物沉積技術、分子束外延技術、電子束技術、掃描探針顯微鏡、納米材料製備方法自組裝生長、分子合成等， 設計製備的具有納米級尺度以及具有一定功能的器件。關於納米器件和納米電子器件如何劃分，納米光電器件、納米磁性器件等是否應該納入納米電子器件範疇以內等問題屬於納米電子器件分類學的問題。對這個問題，在國際上和國記憶體在著不同的看法。
將納米電子器件的範疇限制在滿足以下兩個條件以內：器件的工作原理基於量子效應；都具有相類似的典型的器件結構——隧穿勢壘包圍“島” （或勢阱）的結構。按這兩個條件，像納米器件、納米磁性器件、納電子機械系統等雖然器件本身尺度為納米量級，也是用納米加工技術研製成功的，但它們只能歸屬在納米器件的大類中而不屬於納米電子器件的範疇之內。按照這兩個條件，納米電子器件可分成兩類：一類是固體納米電子器件，它主要包括共振隧穿器件，共振隧穿二極體和共振隧穿電晶體、量子點器件和單電子器件；另一類是分子電子器件，主要包括量子效應分子電子器件和電機械分子電子器件。
2概述
固體納米電子器件是納米電子器件中的一個主要分支。它的出現是與納米製備、加工技術的發展、介觀物理的發展和微電子技術發展中面臨的各種“極限”分不開的。它具有量子效應和隧穿勢壘包圍“島” （勢阱）的器件結構。在該器件結構中，由於“島”或勢阱的具體尺度和量子化的“維”數不同，固體納米電子器件又可分成表中所示的三種納米電子器件。
固態納米電子器件充分利用了在納米尺度下產生的量子力學效應，且共同擁有的主要結構特徵是由半導體或金屬組成，電子可被限制在其內部的小島上。固態納米電子器件的這個島被認為具有與FET溝道類似的作用。按照電子在島中被限制的程度，定義了固態納米電子器件的三個基本種類。
2.1量子點
量子點是由在三個方向上尺寸都小的島組成的，從而限定了電子具有零維自由度———電子態在三個方向上都是量子化的。像點似的島可由金屬或半導體製成。它可由小的澱積的或光刻限定的區域、小的自組織微滴、納米微晶原位生長或摻雜進薄膜等方法製成。利用以上闡述的物理概念，可觀察到製作三個方向上尺寸都小的島會導致島上電子的量子能級離化加強，由於一對電子彼此無法分離更遠，充電能量U也變大。結果，QD上電子之間的相互作用和每個獨立電子的能級，對通過該量子點的電流流動產生影響。
2.2諧振隧穿器件
諧振隧穿器件常常具有最小尺寸為5-10nm的長而窄的島（即“量子線”），島由含有許多移動電子的半導體組成。
關於諧振隧穿器件的工作原理，島上勢阱中量子態的能級可調節成與源漏中能帶的能級相一致，這對於諧振隧穿器件的工作原理是非常重要的。諧振隧穿器件主要包括兩種類型，其中一個準經典的諧振隧穿器件是諧振隧穿二極體，這種器件結構的主要特點是，當採用兩種不同材料形成異質結時，將在層接口形成能帶不連續性。這些能帶不連續性會形成具有一定形狀或尺度的量子阱。當量子阱的尺度與布洛赫電子波長具有相同量級時，阱內區域量子化顯著。當入射電子具有與量子阱態相同能量時，電子隧穿量子阱的能力很強。另一種諧振隧穿器件是諧振隧穿電晶體，也是一種電壓控制器件，小的柵壓可以控制流過器件的大電流。它是通過改變第三端（柵）上的電壓，把量子阱相對源的能級進行調整的。就像常規MOSFET一樣，RTT 也能用作開關和放大器。實際上，這樣的納米尺度的量子效應器件確實具有比MOSFET更優越的開關特性。RTD 和RTT 都具有與非常小或非常窄的島上的勢阱內的多重分立量子能級有關的多重開態或關態。如果這些能級被分離得足夠寬，那么當偏置電壓（或柵壓）增加時，阱內不同能級會依次連續地與源導帶發生諧振和諧振消失。這些多態特徵可通過改變RTT 上的柵壓而獲得。少數器件能夠用這種多態器件而不是兩態MOSFET來實現特定的邏輯功能，每個邏輯功能所需的器件越少也意味著每個功能的熱耗散越少。量子效應器件的邏輯優勢使研究者可製作混合微電子-納米電子器件，其中超小型量子效應RTD 已製作進微米尺度MOSFET的漏（或源）內。混合RTT 也顯示出多態特徵，對於各種偏置電壓，漏電流可以多次地開啟或關閉。這樣，含有這種混合器件的電路系統的邏輯密度可製作得很高，而晶片的特徵尺寸卻沒有明顯降低。製作具有這種相對大的混合型三端RTT 的電路，比製作超小型複雜結構的單純納米電子RTT 電路更容易些。因此，很多研究者正在實驗這種器件。Seabaugh等人已製成這種器件，並把它們套用於電路，甚至驗證了它們可以在室溫下工作。混合邏輯可作為納米電子發展道路上套用工程的一步，加速了量子效應器件用於高密度功能的積體電路的步伐。諧振隧穿器件的進展，可追溯到12 年代早期，當時Esaki和他的助手第一次報導了在器件中觀察到並利用了諧振隧穿效應。然而這種器件由於諧振下電流密度低等原因而被限制了近62 年， 直到MITLincoln實驗室的Sollner及其合作者用其它方法論證了諧振隧穿器件。同時Reed研究的突破和結果， 使Capasso和Kiehl開發了早期RTT，許多研究者進行了諧振隧穿器件的研究工作， 特別是Seabaugh和他在Texas研究所的同事們在混合RTT 和電路方向的進展。而且值得注意的是MITLincoln實驗室，它生產了在高速電路中包含大量諧振隧穿器件的超大規模積體電路晶片，套用於數位訊號處理。
2.3單電子電晶體
單電子電晶體常常是一個具有柵、源和漏的三端器件，而不像量子點和諧振隧穿器件那樣是無柵的兩端器件。它隨著柵上總計一個單個電子或更小（因此命名）的電荷的微小變化而開啟或關斷源漏電流。SET 的工作原理是利用庫侖阻塞效應和單電子隧穿現象來控制在微小隧道結體系中的單電子隧穿過程，所以微小隧道結是SET 的基本單元。然而，在高溫下源漏中的電子熱能可克服庫侖阻塞，在柵壓下產生電子隧穿達到島產生電流。因此，需要在低溫下維持SET 開啟或關斷電流的能力，一直是SET 實際套用中的一大障礙。日本NTT的研究者已成功地製作了僅30nm的SET，它顯示出在150K下由於庫侖阻塞而產生源漏電流明顯地周期性調製，這遠高於液氮溫度，液氮是沸點為77K的相對廉價的致冷劑。目前日本已研製成功在室溫條件下工作的SET。預測SET 至少可以在以下三方面有重要套用：（6）對極微弱電流的測量和製成超高靈敏度的靜電計；（I）構成新機制超高速微功耗特大規模量子功能器件、電路和系統、量子功能計算機；（C）研究高靈敏度紅外線輻射探測器。
2.4勢阱量子化的維數和勢阱中的能量分布
完整的固體納米電子器件是由上述勢壘包圍“島”（勢阱）典型結構和發射（或源）極、集電（或漏）極構成。在一定偏壓下，電子從發射極通過隧穿勢壘向島中注入，然後經過另一個勢壘運動到集電極。對三端器件，通過柵極電壓控制流過器件電流的大小。在這種情況下器件的RTD特性直接與勢阱中電子能量的分布狀況有關。而勢阱中的能量分布又取決於勢阱量子化的維數和勢阱的三維尺度。表2 中的共振隧穿器件只有一維（勢阱寬度）尺度為幾個納米量級， 量子線器件有二維（ 與“線”垂直的兩個方向）的尺度為幾個納米量級，它們其餘方向的尺度為微米量級。因為只有幾個納米的尺度才會發生顯著的量子化現象，故RTD只有一維發生量子化，量子線在二維發生量子化。量子點器件則三維尺度皆為幾個納米，故三維都發生量子化。而單電子器件雖然三維的尺度都比常規器件小很多（幾十或幾百納米），但沒有一維能達到幾納米的量級（與電子運動相同的方向），故量子化維數為零。發生量子化的結果是在“島”或勢阱中出現分立的能級，量子化程度愈強，能級間隙能量就愈大。另一方面勢壘和勢阱結構可看成一個孤立的電子系統。勢阱中的電子能穩定地處於阱內而不逸出，其能量必然低於勢壘高度。從外界將一個電子移入阱內，必須克服阱內所有電子對該電子的排斥作用。
2.5共振隧穿器件
共振隧穿器件的工作原理
共振隧穿器件包括兩端的共振二極體RTD 和三端的共振隧穿電晶體RTT。它們是研究得最早、最多、最深入、比較成熟的一種固體納米電子器件。目前在國外已研製出包含200 個RTD 的高速數字電路。其基本結構RTD 為一典型的兩勢壘單勢阱系統。勢壘一般由AlAs 或AlGaAs構成，勢阱由GaAs 或InGaAs 構成。左側發射極和右側集電極用與勢阱相同的材料重摻層構成。勢壘寬度為1.5-3.0mm， 勢阱寬度為3.0-5.0nm，通過用MBE技術製備。在勢阱中因量子化出現分立的能級，基態能量為E0。在不加偏壓時，E0高於發射極中的費米能級EF。加偏壓V後，E0相對於EF下降，位於EF與其導帶底EC之間,當EF的電子能量與E0重合，滿足能量守恆與橫向動量守恆時，則發生共振隧穿，出現隧穿電流。隨著V 的增加， 在波矢量k空間的費米盤沿kZ軸下降，電子的態密度正比於盤的面積，隨著下降，盤面積增大，隧穿電流也增大。當E0與Ec重合或費米盤達到kZ坐標圓點時，隧穿電流達到最大，在I-V特性上形成峰值電流IP.V再增加，E0位於EC以下，共振隧穿停止，電流驟降，出現負阻特性。由於阱寬很小，第二個電流峰出現在較高電壓處.
3固體納米電子器件存在的問題
固體納米電子器件雖然目前在納米電子器件中占據著主導的地位，某些器件（如RTD）已經步入套用的階段，但總的說來它們存在以下幾個問題。
RTD存在的問題
低溫工作
目前RTD已能室溫工作，但SET多數器件只能在低溫下工作。在室溫工作的SET對製作工藝要求非常高，只有將島和隧穿結的電容C減到幾個aF（10F）才有可能，工藝難度非常大。
材料問題
用Ⅲ-Ⅴ化合物製作的RTD 和SET性能相對優於用Si基材料的。應大力開展Si基材料RTD 和SET的研究，並與成熟的Si工藝相結合。
背景電荷問題
隨機分布的背景電荷常積累在量子效應器件和單電子器件附近，通過靜電感應影響器件正常工作。製作工藝精確性與一致性的控制問題隧穿電流非常敏感地依賴於勢壘寬度，而壘寬和“島”尺度的精度和一致性的控制，在工藝上是一個難題。由於上述問題的存在，固體納米電子器件研究在近一個時期步入了一個平緩的階段，而分子電子學卻進入了一個較快的發展時期。
4關於發展納米電子器件的建議
必須重視和大力開展納米器件，尤其是納米電子器件的研究工作。白春禮院士曾經提出“納米器件的研製水平和套用程度是我們是否進入納米時代的重要標誌”，並指出“中國必須重視納米器件研製和納米尺度的檢測和表征的研究工作”。根據目前我國納米技術發展的現狀，必須大力倡導開展納米器件，尤其是納米電子器件的研究、開發和套用方面的工作。因為納米電子器件的研究是納米技術和信息技術兩大技術的支點，對經濟和整個科學技術起著至關重要的作用。
在納米電子器件研究和開發方面，除了加強對RTD和SED 等固體納米電子器件研究外，還必須及時地大力開展關於分子電子器件的研究工作。在國際上，美國和日本非常重視分子電子學的研究。世界十大科技進展就報導了美國研製出分子電晶體的訊息，稱貝爾實驗室用單一的有機分子製造出了世界上最小的電晶體，這就是分子電子器件。這類用化學有機合成的方法製造電子器件比用EB,MBE等技術製造RTD,SED可大幅度降低成本，且適宜大規模生產。應該呼籲化學家和電子學家緊密結合起來，共同開展對分子電子器件的研究。有效地組織國內有關部門納米技術，尤其是納米器件研究單位，集中技術力量，瞄準納米器件中的關鍵、重點問題，避免研究內容間的重複，儘快取得源頭創新的成果。
