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新型納米材料在微電子技術(shù)中的應(yīng)用探究的論文
摩爾定律一直是指導(dǎo)微電子行業(yè)發(fā)展速度的準(zhǔn)則之一。根據(jù)摩爾定律，以硅材料為主的微電子器件的集成度越來越高，器件的特征尺度越來越小，從而使集成電路的性價(jià)比越來越高。然而，根據(jù)美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的報(bào)告[1]，當(dāng)最小特征尺寸達(dá)到10nm時(shí)，微電子器件將達(dá)到物理極限，摩爾定律不再成立。這是因?yàn)楫?dāng)微電子器件的特征尺寸在10nm以下時(shí)，微觀下的物理效應(yīng)，例如量子效應(yīng)、表面效應(yīng)等，將變得不可忽略[2]，器件的工作機(jī)理、材料和工藝技術(shù)都將不同于特征尺寸大于10nm的傳統(tǒng)器件。因此，研究半導(dǎo)體納米材料(顆粒大小在1?100nm范圍)及其微觀尺度下的特殊性質(zhì)，對(duì)于解決特征尺寸不斷縮小給微電子技術(shù)帶來的問題具有十分重要的意義。
2新型納米材料
2.1納米材料簡(jiǎn)述
納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9m)的超細(xì)材料，其結(jié)構(gòu)包括粒子和粒子間界面兩個(gè)部分，粒子具有長(zhǎng)程序晶狀結(jié)構(gòu)，而粒子間界面則為無序結(jié)構(gòu)[3]。另外，納米材料微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為1?100nm。納米材料具有納米晶粒與高濃度晶界兩個(gè)重要特征。其中，大晶體連續(xù)能帶可以分裂成接近分子軌道的能級(jí)，所以納米晶粒的原子排列不能處理為無限長(zhǎng)程序。而由納米晶粒產(chǎn)生的高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變[46]。以金為例，當(dāng)金的顆粒直徑小于100nm時(shí)，金顆粒由金屬態(tài)轉(zhuǎn)為膠態(tài)，可溶于水，且溶液顏色隨金顆粒直徑的減小從紫色變?yōu)榧t色，2.2納米材料特性2.2.1表面效應(yīng)研究表明，當(dāng)粒子直徑減小時(shí)，納米材料粒子表面積急劇增大8。因此，當(dāng)粒子直徑處在10nm以下時(shí)，隨著粒子直徑的減小和內(nèi)部原子所處環(huán)境的不同，表面原子數(shù)將迅速增加，導(dǎo)致表面原子配位數(shù)不足和表面能較高，從而使這些原子容易與其他原子結(jié)合，故具有很高的化學(xué)活性。以納米金顆粒為例，由于表面效應(yīng)，100nm以下的金顆粒具有較高的表面能，從而吸引溶液中的陽離子Au3+，而集聚的陽離子將會(huì)繼續(xù)吸引陰離子，最終溶液達(dá)到過飽和，使金顆粒在溶劑中均勻分布，形成金溶于水的現(xiàn)象。
2.2.2量子尺寸效應(yīng)
納米材料因尺寸減小而帶來的重要性質(zhì)是量子尺寸效應(yīng)。根據(jù)能帶理論，對(duì)于宏觀物體包含無限個(gè)原子的情形(導(dǎo)電電子數(shù)N—⑵)，有：5=4Ef/3N(1)對(duì)于納米粒子，因N值很小，導(dǎo)致5較大。當(dāng)能級(jí)間距5=%時(shí)，就會(huì)發(fā)生量子尺寸效應(yīng)，從而導(dǎo)致納米顆粒的聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性與宏觀特性顯著不同。
目前，納米電子學(xué)是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件的新學(xué)科。它將納米技術(shù)與微電子學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，旨在實(shí)現(xiàn)突破性的創(chuàng)新科技，開拓新的市場(chǎng)[9,10]。相對(duì)于之前的真空電子管和固態(tài)晶體電子管，納電子管被視為具有革命性特征的第三代器件。納電子管在工作機(jī)理、加工技術(shù)和所用材料上都與真空電子管和固態(tài)晶體電子管有很大的不同。本文主要討論納電子學(xué)中所用的納米材料，重點(diǎn)介紹石墨烯和碳納米管等新型納米半導(dǎo)體材料。
3新型納米材料
3.1碳納米管
碳納米管(CarbonNanoTube，CNT)是由石墨碳原子層卷曲而成，管上的碳原子相互之間以碳^碳鍵結(jié)合，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，作為碳納米管的骨架。管子在半徑方向非常細(xì)，只有納米尺度，而在軸方向則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十到數(shù)百微米。幾萬根碳納米管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也由此而來。
碳納米管結(jié)構(gòu)的變化會(huì)使其性質(zhì)發(fā)生變化，有可能由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，也可能由半導(dǎo)體變?yōu)榻饘佟１热纾诰哂薪饘賹?dǎo)電性的碳納米管中通過量子化的磁通量，則其阿哈諾夫-波姆效應(yīng)(A-B效應(yīng))尤為明顯。
碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，內(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)。碳納米管還擁有良好的柔韌性。因此，碳納米管可以作為模具，具有超常的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、磁阻等[11，12]。有些碳納米管本身還可以作為具有納米尺度的導(dǎo)線。利用碳納米管或相關(guān)技術(shù)制備的微導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來制作更加復(fù)雜的電路。
國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)預(yù)測(cè)，在特征尺寸小于45nm的微電子技術(shù)中，傳統(tǒng)的銅互連線將出現(xiàn)失效問題。在現(xiàn)行器件尺寸縮小技術(shù)及相關(guān)的VLSI設(shè)計(jì)中，局部結(jié)構(gòu)連線的尺寸接近銅電子的自由程量級(jí)，導(dǎo)致雜質(zhì)和粒子邊界對(duì)電子的散射效應(yīng)增強(qiáng)，從而使導(dǎo)體電阻顯著增加。圖2所示為ITRS預(yù)測(cè)的90nm線寬下導(dǎo)線電流密度與特征尺寸的關(guān)系流密度(斜紋條形)迅速上升，且顯著快于互連線電流密度(實(shí)心條形)的上升速度。因此，電路結(jié)點(diǎn)將經(jīng)受強(qiáng)烈的電遷移和熱沖擊，約束了電路中的結(jié)點(diǎn)數(shù)量[14’15]。碳納米管具有很高的電流導(dǎo)通能力，成為最有希望解決可靠性和熱擾動(dòng)問題的候選者。
3.2石墨烯
石墨烯(Graphene)是平面多環(huán)芳香烴原子晶體，其命名來自英文的graphite(石墨))和-ene(烯類后綴)。石墨烯可想象為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子網(wǎng)格，碳原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子呈蜂巢晶格排列構(gòu)成的單層二維晶體。
石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，其內(nèi)部碳原子之間的連接很柔韌，碳^碳鍵僅為0.142nm。當(dāng)外力施加于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。
石墨烯是已知材料中最薄的一種，卷成圓桶形可以用作碳納米管，且質(zhì)地非常牢固堅(jiān)硬，在室溫狀況下，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。
4石墨烯在電子技術(shù)中的應(yīng)用
由于石墨烯所具有的奇特性質(zhì)，它被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代硅的接替者[17-19]，可用于制作單分子的氣體傳感器、太赫茲諧振器、量子計(jì)算機(jī)等。
4.1集成電路
石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)。石墨烯具有極高的載流子遷移率和極低的噪聲，可以用作場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道。目前的問題是單層的石墨烯制造困難，更難做出合適的基板。2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地制造出第_個(gè)以石墨烯為基礎(chǔ)的寬帶無線混頻器集成電路[23]。在沒有進(jìn)行優(yōu)化的情況下，電路處理頻率高達(dá)10GHz，而且能經(jīng)受高達(dá)127°C的高溫。然而，這個(gè)由石墨烯制成的集成電路也面臨諸多問題，如石墨烯與鋁、金、鉑等金屬的連接較困難，以及由于石墨烯極薄，其僅有_個(gè)原子寬度的薄層極易被刻蝕工藝破壞。
4.2量子計(jì)算機(jī)
由于石墨烯的二維性質(zhì)，科學(xué)家認(rèn)為石墨烯會(huì)發(fā)生電荷分?jǐn)?shù)化(低維物質(zhì)的單獨(dú)準(zhǔn)粒子的表觀電荷小于單位量子)。因此，石墨烯很有可能是制造量子計(jì)算機(jī)所需要的任意子元件的合適材料[24,25]。4.3太赫茲等離子諧振器由于單層石墨烯不尋常的低能量電子結(jié)構(gòu)，及其狄拉克費(fèi)米子(石墨烯的電子和空穴)的特殊性質(zhì)，在室溫下，通過施加外磁場(chǎng)，石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)可以調(diào)整至太赫茲頻域。
兩種基于石墨烯的太赫茲器件如圖3和圖4所示。線性波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的襯底和波導(dǎo)的中間介質(zhì)采用石墨烯，使用光注入技術(shù)。等離子體波導(dǎo)的PN結(jié)采用石墨烯，可在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
自20世紀(jì)80年代以來，納米技術(shù)研究_直處于方興未艾的階段。半導(dǎo)體納米材料因其具有量子效應(yīng)而可能在后摩爾時(shí)代中發(fā)揮巨大作用。盡管根據(jù)當(dāng)前的研究，由新型納米半導(dǎo)體材料制作的器件和集成電路仍然存在與金屬接觸性能不好、與傳統(tǒng)工藝技術(shù)不兼容、難以量產(chǎn)等問題，但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，前景仍然是廣闊的。在微電子領(lǐng)域，在太赫茲技術(shù)、量子信息學(xué)等比較新的電子信息學(xué)科中都有納米材料的身影。因此，在學(xué)科交叉日益密集的今天，電路設(shè)計(jì)人員也有必要了解納米材料。
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