量子電子器件及納米電子學的發(fā)展
發(fā)布時間：2014-07-30 09:18
數字化大大改善了人們對信息的利用，筆耕論文新浪博客，更好地滿足了人們對信息的需求；而網絡化則使人們更為方便地交換信息，使整個地球成為一個“地球村”。以數字化和網絡化為特征的信息技術同一般技術不同，它具有極強的滲透性和基礎性，它可以滲透和改造各種產業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產和生活方式，改變著經濟形態(tài)和社會、政治、文化等各個領域。而它的基礎之一就是微電子技術�？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有微電子技術的進步，就不可能有今天信息技術的蓬勃發(fā)展，微電子已經成為整個信息社會發(fā)展的基石。
�。�1）量子電子器件（QED—Quantum Electron Device）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。
它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優(yōu)點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極�。�αF），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
�。�2）以原子分子自組裝技術為基礎的納米電子學。這里包括量子點陣列（QCA—Quantum－dot Cellular Automata）和以碳納米管為基礎的原子分子器件等。
量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點，它們之間以靜電力作用。根據電子占據量子點的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現互連。其基本優(yōu)勢是開關速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0.05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個有前景的領域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個。這些都使碳納米管（CNT）成為當前科研熱點，從1991年發(fā)現以來，現在已有大量成果涌現，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0.33納米的CNT并提出“T形結”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設計性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottom up”的量子器件和以自組裝技術為基礎的納米器件在制造工藝上往往與“Scaling down”的加工方法相結合以制造器件。這對于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領域，我們期待它們將創(chuàng)出一個新的天地。
50多年來微電子技術的發(fā)展歷史，實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和應用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個孤立的精心設計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結果。1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發(fā)存儲器等微電子領域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現。同時，每一項重大發(fā)明又都開拓出一個新的領域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產、生活方式產生了重大的影響。也正是由于微電子技術領域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術有關的學術論文數量已經超過了與鋼鐵有關的學術論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（silicon age）〖1〗。因此可以說社會發(fā)展的本質是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經濟發(fā)展的改革動力往往會給社會帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
本文編號：6433
�。�1）量子電子器件（QED—Quantum Electron Device）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。
它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優(yōu)點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極�。�αF），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
�。�2）以原子分子自組裝技術為基礎的納米電子學。這里包括量子點陣列（QCA—Quantum－dot Cellular Automata）和以碳納米管為基礎的原子分子器件等。
量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點，它們之間以靜電力作用。根據電子占據量子點的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現互連。其基本優(yōu)勢是開關速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0.05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個有前景的領域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個。這些都使碳納米管（CNT）成為當前科研熱點，從1991年發(fā)現以來，現在已有大量成果涌現，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0.33納米的CNT并提出“T形結”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設計性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottom up”的量子器件和以自組裝技術為基礎的納米器件在制造工藝上往往與“Scaling down”的加工方法相結合以制造器件。這對于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領域，我們期待它們將創(chuàng)出一個新的天地。
50多年來微電子技術的發(fā)展歷史，實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和應用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個孤立的精心設計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結果。1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發(fā)存儲器等微電子領域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現。同時，每一項重大發(fā)明又都開拓出一個新的領域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產、生活方式產生了重大的影響。也正是由于微電子技術領域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術有關的學術論文數量已經超過了與鋼鐵有關的學術論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（silicon age）〖1〗。因此可以說社會發(fā)展的本質是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經濟發(fā)展的改革動力往往會給社會帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
本文編號：6433
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