10、第十章纳米技术与纳米电子学
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第十章
纳米技术与纳米电子学
10.1 概述
纳米技术
物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做
并不违反任何定理，而且原则上是可以实现的。毫无疑问，
当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我
们可能获得物性的范围 。 --- Richard P.Feynman,1959
1、纳米级测量技术
2、纳米材料的制备技术
3、纳米级加工技术
4、纳米组装技术
10.1 概述
纳米材料
在某个维度上的尺寸处于纳米量级的材料
图10.1 典型的几种纳米材料
10.2 纳米材料的基本效应
1 表面效应
指纳米晶粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增
大后所引起的性质上的变化
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系如图10.2
所示。
100
80
比
例 60
（
40
）
20
%
表
面
原
子
数
相
对
总
原
子
数
0
0
10
20
30
40
50
10.2 纳米材料的基本效应
2 小尺寸效应
指随着颗粒尺寸减小到与光波波长(100nm以下)、德布罗意
波长、玻尔半径(0.1nm)、相干长度(几nm以下)、穿透深度
(~100nm)等物理量相当， 甚至更小时，其内部晶体周期性
边界条件将被破坏，导致特征光谱移动、磁序改变、超导相
破坏、非热力学结构相变等，从而引起宏观电、磁、声、光、
热等物理性质的变化。
磁性
——制备永磁微粉
10.2 纳米材料的基本效应
2 小尺寸效应
热力学性质
2 / r
——μ随着颗粒尺寸减小而增大
当颗粒小于某临界尺
寸时，将会在明显低
于块材的熔点温度下
熔化。
图10.3即为金熔化温
度与颗粒尺寸的关系。
10.2 纳米材料的基本效应
2 小尺寸效应
光学性质
——金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1%，对
太阳光谱几乎完全吸收，大约在几微米的厚度就能完全消光。
——考虑置于交变电场小的单个球状颗粒，在金属中电子将
是在强耦合的作用下做集体运动，这就是表面等离子振荡。
共振频率ωp=(Nq2/εm*)1/2 ——可见光或近紫外光频段
超微粒子中的电子能级间距随尺寸减小而增加。通常导致光
吸收峰向短波方向位移，称之为“蓝移”。
10.2 纳米材料的基本效应
2 小尺寸效应
超导电性
——当颗粒尺寸减小时，低频的晶振动将受到颗粒尺寸的限
制而被截止，从而增加Tc值。
——另一方面，随着颗粒尺寸减小，表面原子分数将显著增
长，表面原子由于近邻配位数的减少而使表面声子谱频率降
低，软声子模特会导致电子-声子耦合强度增加，从而增加Tc
值。
——低温超导实验结束表明，对于Al、In等材料，随着颗粒
尺寸变小，Tc的确有所增加。
10.2 纳米材料的基本效应
2 小尺寸效应
介电性能
微颗粒的Drude公式
1/ 1/ 0 2vF / d
介电常数
() p () 2 /[( i / )] 1 i 2
当ωτ>>1时
2 p2 / 3 2p2vF / 3d
——等离子共振频率的线宽与颗粒的直径成反比，等离子共
振频率将随颗粒尺寸变小而移向低频，颗粒的损耗(ε2)随尺
寸的减小而增大。
10.2 纳米材料的基本效应
3 量子尺寸效应
纳米微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未
被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米
材料的量子尺寸效应。
根据Kubo理论 4EF / 3N
例如，直径为14nm的银颗粒，当N＝6×1023/cm时，能级间
距，故当温度低于1K时，有可能出现量子尺寸效应。
——由于能级的量子化，纳米材料的Eg增大，波长减小，即
其吸收带发生蓝移。
——处于分离的量子化能级中的电子波动性还如场致发光、
载流子的量子约束和量子输运、导体变成绝缘体等系列反常
10.2 纳米材料的基本效应
4 宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量，
例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁能量也有隧道效
应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，称为宏观量
子隧道效应(Macroscopic Quantum Tunneling，MQT)。
——实验结果表明，在低温时确实存在磁的宏观量子隧道效
应，但现在的理论尚难以解释全部实验结果。
——它还确立了现存的微电子器件进一步微型化的极限。如
电路尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，
使器件无法工作。
10.2 纳米材料的基本效应
5 库仑堵塞效应
在纳米体系中，由于能级分立和势垒的存在，当有电流通过
时，在一定条件下出现电流中断的现象。
——换句话说，就是该体系的充电和放电过程是不连续的，
是量子化的。
——此时，充入一个电子所需的能量为库仑堵塞能，它是电
子在进入或离开体系中时前一个电子对后一个电子的库仑排
斥能。
——由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直
线关系，而是在I-V曲线上呈现锯齿形状的台阶。
——单电子器件
10.2 纳米材料的基本效应
6 介电限域效应
介电限域现象指的是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引
起的体系介电增强的现象。当介质的折射率与微粒的折射率
相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部
的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强称为介电限
域。
E(r) Eg (r ) h2 2 / 2r 2 1.786e2 / r 0.248ERy
——E(r)为纳米微粒的吸收带隙：第一项Eg(r=∞)为相体的带
隙，r为粒子半径；第二项为量子限域能（蓝移），第三项表
明，介电限域效应导致介电常数ε增加，同样引起红移；第
四项为有效里德伯能。
10.3 纳米材料的制备和加工技术
图10.7 纳米结构制备的两种思路
10.3 纳米材料的制备和加工技术
1 分子束外延(MBE)
目前，采用外延生长
最常见的纳米集成电
路用硅基半导体材料
有绝缘体上硅(SOI)
材料和锗硅(SiGe)异
质材料。
10.3 纳米材料的制备和加工技术
2 化学气相淀积(CVD)
除上述两种方法以外，金
属有机化学汽相沉积
（MOCVD）、原子层外
延（AEE）、化学束外延
（BE）等外延技术也能够
满足设计精度要求，如外
延层组分、厚度、掺杂浓
度和电学均匀性等，故可
用于生长高质量的超晶格
量子阱材料。
10.3 纳米材料的制备和加工技术
3 自组装合成技术
自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的
过程。
自从上世纪80年代提出分子器件的概念至今，人们已从 LB
技术发展到了分子自组装技术，从双液态隔膜（BLM）技术
发展到了SBLM技术，已在分子组装有序分子薄膜、加工具
有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。
近年来，分子自组装技术还被用来合成具有特定电子特性的
纳米结构材料。这些采用分子自组装合成的纳米结构主要包
括纳米棒、纳米管、多层膜和介孔材料。
10.3 纳米材料的制备和加工技术
4 SPM加工技术
利用SPM探针直接在样品表面刻划形成纳米图案或拨动颗粒
至指定地方，构造特定的纳米电子器件/结构。
10.3 纳米材料的制备和加工技术
5 光刻技术
通过掩模、曝光等工艺将设计的器件图形结构转移到半导体
基片上的IC加工技术即称为光刻
——一般分为光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技三种
——随着光刻线宽的不断减小，光刻技术已在纳米CMOS器
件、纳米集成电路等加工领域表现出了很好的应用前景。
除上述的方法外，还有所谓“自下而上”的制备技术来生长
纳米半导体材料，主要有：在图形化衬底和不同取向晶面上
选择外延生长技术。如利用不同晶面生长速度不同的V型槽
生长技术，解理面再生长技术。高指数面生长技术；在纳米
碳管中，通过物理或化学方法制备量子点（线）技术等。
10.4 纳米电子学
随着集成电路集成度的不断提高，特征尺寸的不断下降，微电
子遇到了越来越多的瓶颈。比如短沟道效应，热载流子效应，
源漏寄生串联电阻等问题。同时，MOS晶体管的栅氧化层厚度
和沟道长度一起按比例缩小，除了工艺技术的限制，还存在氧
化层的击穿和可靠性、薄氧化层的隧穿电流对器件和电路性能
的影响、多晶硅栅的耗尽和反型层电容引起的器件性能退化等
问题。特别是器件尺寸不断下降后，必须考虑量子效应的影响。
这就不得不将我们从微电子领域带入纳米电子领域。
主要新效应有：量子相干效应，A-B效应，即弹性散射不破坏
电子相干性，量子霍尔效应，普适电导涨落特性，库仑阻塞效
应，海森堡不确定效应等。
10.4 纳米电子学
1 量子电导
ne2 / m*
n kF2 /
m*l / kF h
(e2 / h) 2kF l
即满足量子条件的电导率是(e2/h)因子的函数，
在单电子输运情况中，此因子为量子化的台
阶值。
对于一维体系，考虑电子的自洽屏蔽作用，则电导率与跃迁几率
之间关系为
(e2 / h) CT / (1 T )
10.4 纳米电子学
2 电子的弹道输运
当电子的弹性散射的平均自由程和体系的尺度相当时，杂质
散射一般可以忽略，电子以弹道输运为主。
Te2 / h
对于纳米电子器件来说，在二维的方向上，其宽度与电子波
长可比拟，使得单个二维亚能带进一步分裂为一系列的一维
子能带，从而电子被限制在一维方向运动。
这类器件就称为电子波导，器件中电荷输运属于一维弹道。
目前，对碳纳米管这种准一维体系的弹道输运特性已有研究。
10.4 纳米电子学
3 量子相干效应
当系统的物理尺度小于相干长度时，电子输运过程可能经历很
多次弹性散射，其量子相干特性显著，主要有A-B效应、AAS效
应、普适电导涨落等。
图10.12示出了金属圆环中存在
散射时电子被量子相干效应的
三种典型路径。其中路径a（实
线）对应AAS效应，路径b（实
箭头短划线）对应A-B效应，
路径c’、c"(空箭头点划线)之间
的相干对应普适电导涨落。
10.4 纳米电子学
3 量子相干效应
A-B效应
电子在磁场中沿路径L运动时获得附加相位
(e / ) A dL
L
当电子围绕一个磁通的路径a±运动（即图10.12路径b，加、减
号角标分别代表环绕磁通的方向为顺时针和逆时针），获得相
e
位附加为
(e / ) A dL 2 (e / )
a
如果一束相干电子被分开为两束，包围一定磁通，再重新组合
成一束时，无论在路径上有无磁场存在，其叠加后将出现振幅
随磁通量变化的振荡，振荡周期为磁通量子Φ0=h/e(即Φ/Φ0为整
数)。Aharonov和Bohm的研究结果后来被实验所证实，称为AB效应。
10.4 纳米电子学
3 量子相干效应
AAS效应
在观测A-B效应的实验中，人们发现其傅里叶谱上除h/e峰外，
还有h/2e峰。这个以h/2e峰所表明的特征，称为AAS效应。
这种周期振荡与相干背散射有关。其物理图像是这样的，当电子波被初始散射
体散射后，两个分波分别沿顺时针和逆时针路径传播，也就是沿着互为反演的
路径传播，见图10.12中的路径a。尽管每次散射，振幅可能有所削弱，但对于
散射体n，弹性散射过程“→n→”和逆过程“←n←”的振幅和相位的变化应该
是相同的。结果，两个分波在回到初始散射体时振幅和相位相同，因而发生相
位干涉。这是电子波局域化倾向的表现，导致了样品电导的降低。当磁通Φ由
环形路径包围时，沿顺时针方向路径，磁矢势的相位改变为-φ，而逆时针方向
相位改变为φ。两个波在初始点相遇时的相位差为2φ于是所产生干涉的相应周
期为h/2e，而不是h/e。
10.4 纳米电子学
3 量子相干效应
普适电导涨落
由于费米能的变化，载流子可能经过不同的路径绕道杂质。在
这些路径上费米能略有差异。
stone证明这种量子涨落是介观系统中相当普通的现象。而且这
些涨落是与时间无关的。也就是说，涨落的产生与费米能级的
变化相关，在时间上是相当稳定的。涨落与散射中心在样品中
精确位置分布有关。所以不同的样品有不同的涨落。
电导涨落幅值的数量级是e2/h，是一个普适量，与样品特性无
关。理论研究还表明，电导涨落的幅值与样品的形状及空间维
数只有微弱的依赖关系。由于电导涨落的幅值具有这一普适特
性，故称为普适电导涨落。
10.4 纳米电子学
4 量子霍尔效应
2DEG
e 2i
xy
h
电子能量的本征值
(i 1, 2,3, )
2 2
k z2
1
kz
E n
n 0
2m
2
2m
2
表明：电子在垂直磁场平面内的圆周运动对应一种简谐运动，以
ω0为园频率，能量是量子化的，这些量子化的能级称为朗道能级。
1 eB
2
2 ns
若2DEG的面密度为ns，定义 ns / nl
eB
朗道能级可容纳电子的面密度 nl
为朗道能级的填充因子
10.4 纳米电子学
4 量子霍尔效应
可以得出，2DEG系统的电子密度
ns ieB / h
•填充因子v为整数，表明整数量子霍尔效应是朗道能
级被填满的情况。
•出现电导平台，即B或ns变化时，在一定的范围内，
电导保持不变。
•因此量子霍耳效应是与因无序而存在的局域态相关，
而与材料无关。
•又发现了分数型量子霍尔效应 ，如1/3，2/3，2/7，
5/9，8/3…
10.5 纳米电子器件
纳米电子器件主要有两类：一是固态纳电子器件，
主要包括量子点(QD)器件、谐振隧穿器件(RTD)、
单电子晶体管(SET)和单电子存储器(SEM)等；二
是分子器件，主要包括量子效应分子器件和电机
械分子电子器件。
也可以简单划分为电子波器件和单电子器件。
10.5 纳米电子器件
1 共振隧穿器件
——利用量子力学量子隧道效应
——包括谐振隧穿二极管（RTD）和谐振隧穿晶体管（RTT）
谐振隧穿二极管（RTD）
——基于双势垒-量子阱结构的量子力学性质
①势阱中存在电子的分离的束缚态能级Ei。
②具有Ei能量的电子有较高几率出现在势阱中，以速度 v k / m
来回振荡，振荡周期为 2 L / v 。
③对双势垒而言，穿透整个双势垒-量子阱结构的几率可达到
100%。即可实现谐振隧穿现象。
10.5 纳米电子器件
10.5 纳米电子器件
谐振隧穿二极管（RTD）
RTD的I-V特性存在有负阻（如图10.14(b)所示）。因为当电压使
得发生谐振隧穿时，通过的电流很大，而逃离谐振时电流即变得
很小，从而产生负阻；谷值电流主要来自过剩电路（包括经由势
垒材料高能的隧穿过程和声子、杂质协助的隧穿过程所形成的电
流）；在电压高于谷值电压时，电流时热离子电流（由越过势垒
的热电子和经过量子阱较高分离能级注入的电子所形成，类似隧
道而激光中的热扩散电流）。
此外，TRD的I-V特性还存在有过个峰值和多个谷值的现象，这正
好是对应于势阱中不同能级的谐振情况。
10.5 纳米电子器件
谐振隧穿二极管（RTD）
——RTD的工作频率高达712GHz （0.3μW ）； IMPATT二极
管400GHz（0.2W ） ；耿氏二极管193GHz（34mW）
——易于与其他器件进行集成
表10.1 用不同器件技术实现数字逻辑功能时，所需的有源器件的数目
10.5 纳米电子器件
谐振隧穿晶体管（RTT）
——包含一个RTD和一个晶体管
——考虑将RTD结构引入到BJT晶体管的发射极，并将该BJT
晶体管连接成共发射极电路
10.5 纳米电子器件
共集电极
连接的单
极RTT的
工作原理
10.5 纳米电子器件
谐振隧穿晶体管（RTT）
——① 谐振隧穿器件都是电压控制器件。通过改变栅极电压来
把量子阱相对于源的能级进行调整，使得实现电流开关或放
大。因此，用小的栅极电压可以控制流过器件的大电流。
——② 谐振隧穿器件可用作为开关或（和）放大器。这种纳米
尺寸的量子效应器件，在开关性能上比MOSFET更为优越。
——③ 谐振隧穿器件可实现多态逻辑功能。减少器件数目，降
低热耗散。
10.5 纳米电子器件
2 单电子器件
单电子晶体管主要基于纳米隧道结的库仑阻塞效应来工作。它是
一个栅控串连双隧穿结三端开关器件，电子将一个接一个地从源
端转移到漏端。
SET的结构与MOSFET的结构几乎相同，它采用隧穿结代替
MOSFET 的pn结，采用岛代替M0SFET的沟道区域。
SET工作必须满足的基本条件，也是要实现库仑堵塞需要满足
的基本条件，主要有：（1）源-漏之间的电阻>量子电阻
h/q2≈26kΩ；（2）量子岛的电容要足够小（使得q2/2C>>kT）。
10.5 纳米电子器件
图10.18 SET的基本结构
这种结构可以看成是由两个隧道结
夹有一个量子岛而构成的
图10.19 SET的库仑阻塞
电子的隧穿过程是：若开始量子岛中N=0，则随着电压的上升，首
先结2脱离阻塞而隧穿，然后结1脱离而隧穿，产生隧穿电流。因此量
子岛的状态变化是
N=0→(-1)→0→(-1) →…
10.5 纳米电子器件
图10.20 SET的库仑台阶
台阶的宽度(库仑间隙对电荷Qp很敏感（即使有0.1q的变化，也
能够清楚的反映出来），从而I-V特性相对于V=0轴不对称，而
且这种不对称情况可用来检测微量的电荷。
10.5 纳米电子器件
实际观察到的
各个振荡幅度
大小不一，这
反映了量子点
内的电子能谱
或状态密度的
变化情况。
图10.22 库仑振荡现象
10.5 纳米电子器件
图10.23 量子点中的电子数
与库仑振荡的关系
图10.24 磁场所致的库仑振荡
10.5 纳米电子器件
2 单电子器件
库仑振荡：在VDS一定时，IDS随着VG，而振荡（当量子岛中
的电子数较大时或单电子岛中的能级效应可忽略时，电流的
振荡是周期性的）；
库仑台阶：在VG一定时，IDS随着VDS而呈现为台阶式的变化
（量子岛与源极和漏极之间的势垒越高。台阶数目越多、台
阶的出现即对应于SET的开关现象)；
超导量子岛SET的电荷宇称性质：若量子岛是超导的，则当
其中的电子数力偶数（都是库柏对）时，能量最低；如果通
过隧穿注入一个电子到量子岛中，则能量将升高Δ；但若超
导量子岛中的电子数为奇数，则通过隧穿注入一个电子到量
子岛中，正好可构成库柏电子对，反而使能量降低Δ。
10.5 纳米电子器件
2 单电子器件
传统的表面栅极SET
波导型SET
点接触平面栅极SET
10.5 纳米电子器件
3 纳米CMOS器件与电路
常规平面型CMOS器件的纳米化
图10.28 栅极长度为5nm的CMOS器件
10.5 纳米电子器件
3 纳米CMOS器件与电路
非常规CMOS器件
图10.29 非常规的MOS晶体管器件结构
10.6 纳米技术的发展
纳米硅薄膜器件
EMS系统和物联网