新型纳米材料在微电子技术中的应用探究的论文

摩尔定律一直是指导微电子行业发展速度的准则之一。根据摩尔定律，以硅材料为主的微电子器件的集成度越来越高，器件的特征尺度越来越小，从而使集成电路的性价比越来越高。然而，根据美国半导体工业协会(SIA)的报告[1]，当最小特征尺寸达到10nm时，微电子器件将达到物理极限，摩尔定律不再成立。这是因为当微电子器件的特征尺寸在10nm以下时，微观下的物理效应，例如量子效应、表面效应等，将变得不可忽略[2]，器件的工作机理、材料和工艺技术都将不同于特征尺寸大于10nm的传统器件。因此，研究半导体纳米材料(颗粒大小在1?100nm范围)及其微观尺度下的特殊性质，对于解决特征尺寸不断缩小给微电子技术带来的问题具有十分重要的意义。

2新型纳米材料

2.1纳米材料简述

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料，其结构包括粒子和粒子间界面两个部分，粒子具有长程序晶状结构，而粒子间界面则为无序结构[3]。另外，纳米材料微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为1?100nm。纳米材料具有纳米晶粒与高浓度晶界两个重要特征。其中，大晶体连续能带可以分裂成接近分子轨道的能级，所以纳米晶粒的原子排列不能处理为无限长程序。而由纳米晶粒产生的高浓度晶界及晶界原子的特殊结构会导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变[46]。以金为例，当金的颗粒直径小于100nm时，金颗粒由金属态转为胶态，可溶于水，且溶液颜色随金颗粒直径的减小从紫色变为红色，2.2纳米材料特性2.2.1表面效应研究表明，当粒子直径减小时，纳米材料粒子表面积急剧增大8。因此，当粒子直径处在10nm以下时，随着粒子直径的减小和内部原子所处环境的不同，表面原子数将迅速增加，导致表面原子配位数不足和表面能较高，从而使这些原子容易与其他原子结合，故具有很高的化学活性。以纳米金颗粒为例，由于表面效应，100nm以下的金颗粒具有较高的表面能，从而吸引溶液中的阳离子Au3+，而集聚的阳离子将会继续吸引阴离子，最终溶液达到过饱和，使金颗粒在溶剂中均匀分布，形成金溶于水的现象。

2.2.2量子尺寸效应

纳米材料因尺寸减小而带来的.重要性质是量子尺寸效应。根据能带理论，对于宏观物体包含无限个原子的情形(导电电子数N—⑵)，有：5=4Ef/3N(1)对于纳米粒子，因N值很小，导致5较大。当能级间距5=%时，就会发生量子尺寸效应，从而导致纳米颗粒的声、光、电、磁、热力学等特性与宏观特性显著不同。

目前，纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件的新学科。它将纳米技术与微电子学有机地结合在一起，旨在实现突破性的创新科技，开拓新的市场[9,10]。相对于之前的真空电子管和固态晶体电子管，纳电子管被视为具有革命性特征的第三代器件。纳电子管在工作机理、加工技术和所用材料上都与真空电子管和固态晶体电子管有很大的不同。本文主要讨论纳电子学中所用的纳米材料，重点介绍石墨烯和碳纳米管等新型纳米半导体材料。

3新型纳米材料

3.1碳纳米管

碳纳米管(CarbonNanoTube，CNT)是由石墨碳原子层卷曲而成，管上的碳原子相互之间以碳^碳键结合，形成由六边形组成的蜂窝状结构，作为碳纳米管的骨架。管子在半径方向非常细，只有纳米尺度，而在轴方向则可长达数十到数百微米。几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也由此而来。

碳纳米管结构的变化会使其性质发生变化，有可能由绝缘体转变为半导体，也可能由半导体变为金属。比如，在具有金属导电性的碳纳米管中通过量子化的磁通量，则其阿哈诺夫-波姆效应(A-B效应)尤为明显。

碳纳米管的硬度与金刚石相当，内部可以填充金属、氧化物等物质。碳纳米管还拥有良好的柔韧性。因此，碳纳米管可以作为模具，具有超常的强度、热导率、磁阻等[11，12]。有些碳纳米管本身还可以作为具有纳米尺度的导线。利用碳纳米管或相关技术制备的微导线可以置于硅芯片上，用来制作更加复杂的电路。

国际半导体技术发展路线图(ITRS)预测，在特征尺寸小于45nm的微电子技术中，传统的铜互连线将出现失效问题。在现行器件尺寸缩小技术及相关的VLSI设计中，局部结构连线的尺寸接近铜电子的自由程量级，导致杂质和粒子边界对电子的散射效应增强，从而使导体电阻显著增加。图2所示为ITRS预测的90nm线宽下导线电流密度与特征尺寸的关系流密度(斜纹条形)迅速上升，且显著快于互连线电流密度(实心条形)的上升速度。因此，电路结点将经受强烈的电迁移和热冲击，约束了电路中的结点数量[14’15]。碳纳米管具有很高的电流导通能力，成为最有希望解决可靠性和热扰动问题的候选者。

3.2石墨烯

石墨烯(Graphene)是平面多环芳香烃原子晶体，其命名来自英文的graphite(石墨))和-ene(烯类后缀)。石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子网格，碳原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。

石墨烯的结构非常稳定，其内部碳原子之间的连接很柔韧，碳^碳键仅为0.142nm。当外力施加于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优良的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

石墨烯是已知材料中最薄的一种，卷成圆桶形可以用作碳纳米管，且质地非常牢固坚硬，在室温状况下，传递电子的速度比已知导体都快。

4石墨烯在电子技术中的应用

由于石墨烯所具有的奇特性质，它被认为是后摩尔时代硅的接替者[17-19]，可用于制作单分子的气体传感器、太赫兹谐振器、量子计算机等。

4.1集成电路

石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有极高的载流子迁移率和极低的噪声，可以用作场效应晶体管的沟道。目前的问题是单层的石墨烯制造困难，更难做出合适的基板。2011年6月，IBM的研究人员宣布，他们已经成功地制造出第_个以石墨烯为基础的宽带无线混频器集成电路[23]。在没有进行优化的情况下，电路处理频率高达10GHz，而且能经受高达127°C的高温。然而，这个由石墨烯制成的集成电路也面临诸多问题，如石墨烯与铝、金、铂等金属的连接较困难，以及由于石墨烯极薄，其仅有_个原子宽度的薄层极易被刻蚀工艺破坏。

4.2量子计算机

由于石墨烯的二维性质，科学家认为石墨烯会发生电荷分数化(低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子)。因此，石墨烯很有可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料[24,25]。4.3太赫兹等离子谐振器由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构，及其狄拉克费米子(石墨烯的电子和空穴)的特殊性质，在室温下，通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应可以调整至太赫兹频域。

两种基于石墨烯的太赫兹器件如图3和图4所示。线性波导转换器的衬底和波导的中间介质采用石墨烯，使用光注入技术。等离子体波导的PN结采用石墨烯，可在能级间实现粒子数反转。

自20世纪80年代以来，纳米技术研究_直处于方兴未艾的阶段。半导体纳米材料因其具有量子效应而可能在后摩尔时代中发挥巨大作用。尽管根据当前的研究，由新型纳米半导体材料制作的器件和集成电路仍然存在与金属接触性能不好、与传统工艺技术不兼容、难以量产等问题，但是，从长远看，前景仍然是广阔的。在微电子领域，在太赫兹技术、量子信息学等比较新的电子信息学科中都有纳米材料的身影。因此，在学科交叉日益密集的今天，电路设计人员也有必要了解纳米材料。

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