浅谈微电子技术.docx

浅谈微电子技术.docx

《浅谈微电子技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浅谈微电子技术.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

浅谈微电子技术

浅谈微电子技术———纳米技术的发展摘要本文以微电子技术发展和摩尔定律或将饱和为前述对半导体纳米技术和硅材料纳米技术的重要性进行了简要的论述。

并提出纳米技术的发展以及成熟将是系统集成芯片技术的核心之一同时碳纳米材料获奖代替硅纳米材料具有更好的集成性继续维持摩尔定律推动微电子技术继续向前发展。

关键词微电子技术摩尔定律硅材料纳米技术BriefDiscussiononmicroelectronicstechnology------ThedevelopmentofnanotechnologyBY:

HeshifeiShaanxiUniversityofTechnologyChinaAbstract:

DevelopmentofmicroelectronictechnologyandMoore'sLaworsaturatedcit,abriefdiscussionontheimportanceofnanotechnologyandsiliconsemiconductormaterials,nano-technology.Andproposeddevelopmentandmaturityofnanotechnologywillbeoneofthecoreofthesystemintegrationchiptechnology,andatthesametime,carbonnanomaterialswinninginsteadofsiliconnano-materials,withbetterintegration,thecontinuationofMoore'sLawtopromotethecontinueddevelopmentofmicroelectronictechnology.Keywords:

micro-electronicstechnology,Moore'sLaw,siliconmaterials,nanotechnology

正文众所周知在人类社会大发展的推动下科学技术已深深的影响着我们并且更加快速地逐步地渗透与我们生活的各个方面。

自行车洗衣机电视无线网络大到火箭宇宙飞船以及载人航天无不显示高科技的存在无不散发新技术的气息。

正是基于生产力大发展重视知识、科技的和平环境下基于微电子技术的纳米技术才得以迅猛发展并且展现出良好的势头。

溯流而上自从1947年发明电子管、1958年第一块半导体集成电路的诞生微电子技术经过近半个世纪的发展已成为国民经济和人类不可短缺的“粮食”。

手机电脑智能家电已越来越成为人类生活的必须品。

而这些东西核心便是芯片。

而众所周知自从IC诞生以来芯片的发展基本上遵循了Intel公司创始人之一的GordonE.Moore1965年预言的摩尔定律。

该定律说芯片上可容纳的晶体管数目每18个月便可增加一倍即芯片集成度18个月翻一番这视为引导半导体技术前进的经验法则。

换句话说工艺技术的进展对IC集成度的提高起到乘积的效果使得每个芯片可以集成的晶体管数急剧增加.。

对于21世纪初微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流并且随着IC设计与工艺技术水平的不断提高集成电路规模越来越大复杂程度越来越高已经可以将整个系统集成为一个芯片。

目前已经可以在一个芯片上集成108~109个晶体管而且随着集成电路制造技术的发展21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代。

正是这种需求牵引和技术推动的双重作用下出现了将整个系统集成在一个集成电路芯片上的系统芯片概念当然需要注意的是系统芯片与集成电路的设计思想是不同的。

21实际系统集成芯片将成为发展的重点它是微电子设计领域的一场革命。

而对于电子计算机来说系统集成芯片的革命更是影响着其命脉的走向。

近几十年来计算机已历经了几代的更迭而代代更迭都是以存储或处理信息的基本电子学单元的尺度变化为标志的。

也由于摩尔定律的终将饱和性从80年代开始科学家就开始探索特征尺寸为纳米量级的电子学纳米电子学主要研究以扫描隧道显微镜为工具的单原子或单分子操纵技术。

这些技术都有可能在纳米量级进行加工目前已形成纳米量级的、信息存储器存储状态已维持一个月以上希图用此技术去制作16GB的存储器。

德国的福克斯博士等更是制出了原子开关达到了比现今芯片高100万倍的存储容量获得了莫里斯奖。

不难看出系统集成芯片的革命终其所需需要基础纳米技术的发展以及成熟。

如果说微米尺度的加工和结构材料是当代微电子工业的支柱那么纳米技术包括制备和加工等和纳米材料将成为下一代微电子学器件的基础。

在纳米科技发展中纳米材料是它的前导。

纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点其中最应该指出的是纳米材料是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一会产生全新的物理化学现象。

量子力学告诉我们电子与光同时都具有粒子波的特性今天的微电子学和光电子器件将缩到。

0.1线宽电子的波动性质再也不能忽视把电子视为一种纯粹粒子的半导体理论基础已经动摇。

这时电子所表现出来的波动特征和拥有的量子功能就是纳米电子学的任务。

纳米电子学有更多诱人之处。

而当半导体材料的尺度缩小到纳米范围时其物理、化学性质将发生显著变化并呈现出由高表面积或量子效应引起的独特性能。

科学家们已经预言纳米电子学将导致一场电子技术的革命目前半导体纳米材料与器件的研究仍处于探索、开发阶段但它们在多个领域的应用如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景。

然而世界各国工程技术界及产业界的有识之士都充分认识到纳米技术和纳米材料不但将成为明天高新技术产业的源头而且也在今天的应用上呈现出令人惊叹的表现。

发达国家政府和大型企业纷纷启动了发展纳米技术的研究计划。

美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心把纳米技术列为国家战略目标。

在纳米技术的研究方面现在美国已在纳米结构组装体系的高比表面纳米颗粒制备与合成方面领先在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用上与欧共体并列世界第一纳米尺度的元器件和纳米固体制备上也要与日本分庭抗礼。

在纳米技术的发展中硅量子点和硅纳米线为代表的硅纳米结构及相关技术的研究受到了广泛重视并成为当今半导体纳米科技最活跃的研究领域之一。

尽管微电子学在化合物半导体和其他新材料方面的研究及在某些领域的应用取得了很大进展但远不具备替代硅基工艺的条件。

长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、透彻的地步成为自然界100多种元素之最产业能力和知识积累决定了硅基工艺将在100年内仍起主要作用。

毕竟现代信息技术的基础是基于硅基器件的微电子技术。

硅基材料和器件技术的发展在某种程度上决定着现代微电子技术和信息技术发展的未来。

如目前的单晶硅片硅纳米结构被认为是未来构成纳/微电子器件的基本单元。

随着硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的尺寸逐渐变小降低到10nm或更小时将面临诸如器件加工极限、加工费用的成倍增加以及器件工作原理发生变化等一系列严峻挑战这将成为未来硅基微电子等工业发展的瓶颈。

而硅纳米技术为突破以上瓶颈提供了低成本、高效率的解决方案。

硅纳米结构的尺寸小到一定范围时将会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应从而使它呈现出诸多新颖性质其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。

最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。

最近科学家已经利用硅纳米结构所呈现的这些新颖性

质和效应开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。

因此该类纳米材料展现出广阔的应用前景。

譬如纳米单电子元器件。

如果把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内或者在一根非常细的短金属线内线的宽度只有几个纳米就会发生十分奇妙的事情。

由于颗粒内的电子运动受到限制原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态变成只能具有某一动量值也就是电子动量或能量被量子化了。

自由电子能量量子化的最直接结果表现为在金属颗粒的两端加上电压当电压合适时金属颗粒导电而电压不合适时金属颗粒不导电。

这样一来原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界就不再成立了。

还有一种奇怪的现象当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时金属颗粒具有了负电性它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内这就切断了电流的连续性这使人们联想到是否可以发明用一个电子来控制的电子器件所谓单电子器件。

单电子器件的尺寸很小一旦实现把它们集成起来做成电脑芯片电脑的容量和计算速度将提高上百万倍但同时实际上被囚禁的电子并不那么“老实”。

按照量子力学的规律有时它可以穿过“监狱”的“墙壁”逃逸出来这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元将不用连线而相关联因而需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路;另一方面也会使芯片的动作不可控制。

归根结底在这一情况下电子应被看成是“波”而不是一个粒子。

所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现但是真要用在工业上还需要时间。

被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献是会使材料发出很强的光。

“量子点列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小但发光的强度很高用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光用来读写光盘可使光盘的存储密度提高好几倍。

如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存储数据制成量子磁盘存储度可提高成千上万倍会给信息存储技术带来一场革命。

这也就是纳米激光器和高密度信息存储器当然这也并不意味着只有硅材料才具有如此发展前景。

随着IC的线宽越来越小纳米科技的时代的宣告来临。

为克服越来越困难的半导体Si工艺技术科学家们开始从材料方面下手试图寻找到能代替Si的材料以解决线宽缩小所带来的技术问题。

而事实上美国IBM公司于1993年便发现了单层碳纳米管SingleWalledCarbonNanotubes——SWNT并积极探索试图将碳纳米管应用于电子学上并在2001年成功地利用碳纳米管制成晶体管。

所谓碳纳米管其成分为碳原子即由碳原子组成一堆细小的管子。

这些管子只有头发丝的万分之一大比现今Si晶体管小500倍。

它可应用于微电子组件、平面显示器、无线通信、燃料电池及锂离子电池。

碳纳米管可分为半导体型及金属型两种而只有半导体型碳纳米管方可用来制作晶体管。

采用一种称之谓“建设性毁灭”的技术促使新晶体管诞生。

主要方法是以一电子冲击波来摧毁掉金属型碳纳米管只留下半导体型碳纳米管用来制作晶体管。

而在近期最新的突破IBM利用碳纳米管做出电压反向器即非门NOTGate。

这是世界上第一个分子内或称单分子逻辑电路。

大家知道计算机核心处理器基本上是由非门以及与门ANDGate及或门ORGate三种逻辑组件构成的庞大的复杂电路。

在这种新纳米管电路中输出信号比输入的更强表明有增益其增益值为1.6。

如果碳纳米管的放大作用能达到现今Si晶体管那样大小时它将拥有与Si一样的功能。

由此推论当Si无法再变得更小时比Si还小的碳纳米管可继续维持摩尔定律从而推动微电子技术继续向前发展。

参考文献-“自从IC诞生„„经验法则。

”[1]《把更多组件塞到集成电路中》GordonMoore1965年4月19日出版“随着集成电„„系统芯片概念”[2]《硅微电子技术发展的主要趋势和方向》科技3652012/4/7引用“半导体纳米材料与器件„„纳米技术的研究计划”[3]《微电子技术进入纳米尺度时代的发展趋势和思考》张兴2012/4/7引用“把自由运动的电子„„电流的连续性,”“穿过‘监狱’„.存储数据”[4]《纳米技术在微电子领域的应用前景》Janrondu2012/4/7引用“碳纳米管可分为„„逻辑电路”[5]《纳米半导体》马洪磊2009年04月出版

Textwellknowninpromotingthedevelopmentofhumansociety,scienceandtechnologyhavedeeplyaffectedusandmorequicklygraduallypermeateallaspectsofourlives.BikewashingmachinetheTVWi-Firocketthespacecraftandmannedspaceallshowthepresenceofhigh-techallexudetheatmosphereofthenewtechnology.Itisbasedonthedevelopmentofproductivity​​theimportanceofknowledge,thepeacefulenvironmentofscienceandtechnologytotherapiddevelopmentmicroelectronicstechnology-basednanotechnologyandshowagoodmomentum.

Upstreamonsincethetubeinventedin1947,thebirthofthefirstpieceofsemiconductorintegratedcircuitin1958themicroelectronicstechnologyafternearlyhalfacenturyofdevelopmenthasbecomeanationaleconomicandhumancannotbeashortageoffood.Thethephonethecomputersmartapplianceshavebeenincreasinglybecomeanecessityofhumanlife.Thecoreofthesethingsisthechip.AndweallknowchipdevelopmentsincethebirthoftheICbasicallyfollowedtheIntelco-founderoftheGordonE.Moore1965predictedbyMoore'sLaw.Thelawstatesthatthenumberoftransistorsthatcanfiton§Theinthechipevery18monthsyoucanincreasethedoubledthatchipintegration18monthstodoubleasruleofthumbtoguidetheadvanceofsemiconductortechnology.ThesharpincreaseinthenumberoftransistorsotherwordstheprogressofthetechnologytoimprovethedegreeofintegrationofICplaytheeffectoftheproductsothateachchipcanbeintegrated.Microelectronictechnologyforthe21stcenturywillcontinuetosizeshrinkingsilicon-basedCMOSprocesstechnologyforthemainstreamandbecomingmorecomplexwiththeICdesignandtechnologylevelincreasingscaleintegratedcircuitcontinuouslyimprovealreadytheentiresystemcanbeintegratedintoonechip.108109transistorhasbeenintegratedonachipandmicroelectronicstechnologyinthe21stcenturywiththedevelopmentofintegratedcircuitmanufacturingtechnologyfromthecurrent3Geraandgraduallydevelopedinto3Tera.Itisthisdemandtractionandtechnologytopromotethedualroleoftheentiresystemisintegratedinasingleintegratedcircuitchipsystem-on-chipconceptcourseshouldbenotedthatthesystem-on-chipintegratedcircuitdesignphilosophyisdifferent.21actualsystemchipwillbecomethefocusofdevelopmenttheitarevolutioninthefieldofmicroelectronicsdesign.

systemforcomputerchiprevolutionisaffectingthelifebloodofthetrend.Thecomputerhasgonethroughseveralgenerationsofchangeofrecentdecadesthechangeofgenerationsasasymboltostoreorprocessinformationelectronicsunitscalechanges.Moore'sLawwilleventuallybesaturatedsincethe1980sthescientistsbegantoexplorethefeaturesizeofnanoscaleelectronicsnanoelectronicsstudyscanningtunnelingmicroscopeasatoolofasingleatomorasinglemoleculemanipulationtechniques.ThesetechnologiesarelikelytonanoscaleprocessingcurrentlyhasananoscalememorystoragehasbeenlastedmorethanamonthUNdemandsmadeusingthistechnologyto16GBofmemory.GermanyDr.Foxisthesystemoutoftheatomicswitchreachedmorethan100timesthestoragecapacityoftoday'schiphighMorrisAward.Isnotdifficulttoseetheendoftherevolutionofthesystemintegrationchiprequiredneedsthebasisofthedevelopmentofnanotechnologyandmature.Ifthemicronscaleprocessingandstructuralmaterialsisapillarofthecontemporarymicroelectronicsindustrynanotechnologyandnanomaterials,includingpreparationandprocessingwillbecomethebasisofthenextgenerationofmicroelectronicsdevices.nanomaterialsinthedevelopmentofnanotechnologyisleading.Nanomaterialsepitomizesthesmallsize,complexstructure,highintegrationandstronginteractionandhighspecificsurfaceareaandothercharacteristicsofthedevelopmentofmodernscienceandtechnologyItshouldbenotednanomaterialsisthequantummechanicaleffectsofengineeringortechnology-orientedoneofthebestoccasionswillhavenewphysicalandchemicalphenomena.Quantummechanicstellsusthatofelectronsandlightatthesametimehasthecharacteristicsoftheparticlewaveoftoday'smicroelectronicsandoptoelectronicdeviceswillshrink.0.1linewidthelectronwavenaturecannolongerignoreElectronicsasapuresemiconductorparticlestheoreticalfoundationhasbeenshaken.Atthistimeelectronicdemonstratedbythevolatilitycharacteristicsandquantumfeatureshavenanoelectronicstasks.Thenanoelectronicsmoreallure.Itsphysicalandchemicalpropertieswillchangesignificantly