固体纳米电子器件和分子器件

　　自从纳米技术和信息技术、材料科学技术、生物技术被列为21世纪的四大科学技术以来，在国际和国内出现了一个纳米技术研究和开发的热潮。

　　尤其在国内，“纳米”变成了*热的名词之一，变成了家喻户晓谈论的热门话题之一。但在纳米士对纳米技术及时地提出“全面理解内涵促进健康发展”的发展方针，指出，对纳米器件，尤其是纳米电子器件的认识和大力发展纳米电子器件的研究是一个非常重要的问题。例如什么是纳米器件，什么是纳米电子器件，纳米电子器件如何分类，纳米电子器件在纳米技术中处于什么地位，在纳米技术发展中应该注意哪些问题，等等。本文的目的就是试图回答以上问题，介绍两类主要的纳米电子器件一固体纳米电子器件和分子电子器件，使读者对纳米电子器件有一个全面正确地认识。另一方面，有关纳米电子器件的分类方法等问题，在国际上和国内学术界存在着不同的看法，本文愿作为一个“引子”，挑起有关纳米电子器件的学术讨论，这对纳米技术的发展是非常有益的。

　　纳米器件可以被认为是利用纳米级加工和制备技术（如金属有机化合物沉积技术（M0CVD）、分子束外延技术（MBE）、电子束技术（EB）、扫描探针显微镜（SPM）、纳米材料制备方法（自组装生长、分子合成）等），设计制备的具有纳米级（1~100纳米）尺度以及具有一定功能的器件。

　　关于纳米器件和纳米电子器件如何划分，纳米器件！共振隧穿器件量子点器件固体纳米电子器件纳米电子器件"分子电子器件的看法。将纳米电子器件的范畴限制在满足以下两个条件以内：（1）器件的工作原理基于量子效应；（2）都具有相类似的典型的器件结构一隧穿势垒包围“岛（或势阱）的结构。按照这两个条件，像纳米CMOS器件、纳米磁性器件、纳电子机械系统（NEMS）等虽然器件本身尺度为纳米量级，也是用纳米加工技术研制成功的，但它们只能归属在纳米器件的大类中而不属于纳米电子器件的范畴之内。按照这两个条件，纳米电子器件可分成两类：一类是固体纳米电子器件，它主要包括共振隧穿器件（共振隧穿二极管RTD和共振隧穿晶体管RTT）、量子点（QD）器件和单电子器件（SED）；另一类是分子电子器件，主要包括量子效应分子电子器件和电机械分子电子器件。上述分类方法示于表1中。

　　表1纳米器件分类表纳米光电器件纳米磁性器件纳米级CMOS器件纳电子机械系统其它纳米器件（量子干涉器件等）p单电子晶体单电子器件"单管储〕量子效应分子电子器件电机械分子电子器件2固体纳米电子器件2.1固体纳米电子器件的分类固体纳米电子器件是纳米电子器件中的一个主要分支。它的出现是与纳米制备、加工技术的发展、介观物理的发展和微电子技术发展中面临的各种“极限”分不开的。它具有量子效应和隧穿势垒包围“岛”（势阱）的器件结构。在该器件结构中，由于“岛”或势阱的具体尺度和量子化的“维”数不同，固体纳米电子器件又可分成表2中所示的三种纳米电子器件。

　　表2固体纳米电子器件分类表名称量子化维数器件工作机理器件端数的关系！-特性共振隧穿器件，量子线一维或二维量子化量子共振隧穿效应两端或三端单电子晶体管三维皆纳米量级，但皆未量子化库仑阻塞效应三端量子点器件三维都量子化，岛由量子点构成量子化效应两端2.2势阱量子化的维数和势阱中的能量分布完整的固体纳米电子器件是由上述势垒包围过隧穿势垒向岛中注入，然后经过另一个势垒运动到集电极。对三端器件，通过栅极电压控制流过器件电流的大小。在这种情况下器件的/-特性直接与势阱中电子能量的分布状况有关。而势阱中的能量分布又取决于势阱量子化的维数和势阱的三维尺度。表2中的共振隧穿器件只有一维（势阱宽度）尺度为几个纳米量级，量子线器件有二维（与“线”垂直的两个方向）的尺度为几个纳米量级，它们其余方向的尺度为微米量级。因为只有几个纳米的尺度才会发生显著的量子化现象，故RTD只有一维发生量子化，量子线在二维发生量子化。量子点器件则三维尺度皆为几个纳米，故三维都发生量子化。而单电子器件虽然三维的尺度都比常规器件小很多（几十或几百纳米），但没有一维能达到几纳米的量级（与电子运动相同的方向），故量子化维数为零。发生量子化的结果是在“岛”或势阱中出现分立的能级，量子化程度愈强，能级间隙能量就愈大。另一方面势垒和势阱结构可看成一个孤立的电子系统。势阱中的电子能稳定地处于阱内而不逸出，其能量必然低于势垒高度。从外界将一个电子移入阱内，必须克服阱内所有电子对该电子的排斥作用，而具备！的能量才有可能，此！称为充电能。！与势阱的三维尺度有关，势阱的体积愈小，阱内电荷相距愈近，相互作用愈强，就愈大。反之，阱的体积愈大，值愈小。RTD或量子线器件在一维或二维发生量子化，较大，但体积较大，很小，故有4e！！，起主导作用。D三维尺度都为几纳米量级，都发生量子化，故和！都较大，上"！。而SED三维都达不到量子化的尺度，故较小，但其总体积远小于常规器件，较大，则！4e，起主导作用。

　　综上所述，对于RTD或量子线器件，势阱中电子能量分布为很大的分立能级。当发射极"'以下的电子与阱中基态能级".发生共振隧穿时，特性出现一个电流峰，随着电压增大，电子与**激发态能级发生共振隧穿时，/-%特性上出现第二个电流峰，由于较大，故二峰间对应的电压偏移较大；对于SED的情况，4e，势阱中的能量分布为在！很大的基础上能级间隙很小的准连续分布。忽略了的影响，电子从发射极必须提供！的能量才可进入势阱，故/-%特性为一平滑的大台阶状（见表2）；对于D的情况，"4e，势阱中的能量分布为在！的基础上能量间隙与！幅度同量级的能级分布，相应地出现了表2中所示的大台阶套小台阶的-%特性。

　　2.3共振隧穿器件2.3.1共振隧穿器件的工作原理共振隧穿器件包括两端的共振二极管RTD和三端的共振隧穿晶体管RTT.它们是研究得*早、*多、*深入、比较成熟的一种固体纳米电子器件。目前在国外已研制出包含2000个RTD的高速数字电路。其基本结构RTD为一典型的两势垒单势阱系统，如（a）所示。势垒一般由AlAs或AlGaAs构成，势阱由GaAs或InGaAs构成。左侧发射极和右侧集电极用与势阱相同的材料重掺层构成。势垒宽度为1.5~3.0nm，势阱宽度为3.0~5.0nm，通过用MBE技术制备。在势阱中因量子化出现分立的能级，基态能量为"0.在不加偏压时，"0高于发射极中的费米能级"'.加偏压后，"0相对于下降，位于与其导带底"c之间（（b）），当"F的电子能量与".重合，满足能量守恒与横向动量守恒时，则发生共振隧穿，出现隧穿电流。随着的增加，在波矢量！空间的费米盘（图（；））中有阴影的圆盘表示满足以上共振隧穿条件的电子态）沿<轴下降，电子的态密度正比于盘的面积，随着下降，盘面积增大，隧穿电流也增大。当"（与"9重合或费米盘达到坐标圆点时，隧穿电流达到*大，在-%特性上形成峰值电流=.再增加，"（位于"9以下，共振隧穿停止，电流骤降，出现负阻特性。由于阱宽很小，很大，第二个电流峰出现在较高电压处（图工2.3.2共振隧穿器件特点与常规的双极和场效应器件相比，RTD和RTT具有以下特点：高频高速工作：由于隧穿是载流子输运的*快机制之一，和RTD活性尺度极小，决定了RTD具有非常快的工作速度和非常高的工作频率。

　　理论预计RTD的峰谷间的转换频率可达到1.5~2.5THz，实际RTD的已达到650GHz，*短的开关时间为1.5ps.低工作电压和低功耗：典型RTD的工作电压为0.2~0.5V，一般工作电流为mA量级，如在材料生长中加入预势垒层，电流为A量级，可实现低功耗运用。用RTD做成的SRAM功耗为50nW/单元。

　　负阻、双稳和自锁特性：负阻为RTD和RTT的基本特性，由RTD构成的反相器具有双稳和自锁特性。

　　完成一定的逻辑功能，只需很少的RTD器件：由于其自锁特性，可用少量的器件完成多个常规器件才能完成的逻辑功能。例如构成一个异或（XOR）门，对TTL需33个器件，对CMOS需16个器件，对ECL需11个器件，而对RTD只需4个器件。

　　将RTD应用于微波振荡：RTD可做成微波振荡器和混频器，但在功率方面受到一定的限制。

　　将RTD等用于高速数字电路：由于RTD和RTT构成了下列逻辑单元，如RTD+HBT双稳逻辑单元、RTD+MODFET双稳逻辑单元、RTBT（以RTD作发射极的双极型RTT）+HBT异或门逻辑、单稳-双稳态转换逻辑单元（MOBILE）、Schottky/RITD流水线逻辑门等，用这些基本逻辑单元可进一步构成不同的基础逻辑门、触发器、SRAM、分频器、A/D和D/A转换器、移位寄存器、加法器等。

　　RTD光电集成电路：用UCT-PD和RTD构成了高速光电双稳态逻辑单元，应用于80Gb/s的时分复用（TDM）系统。还用RTD的结构制成新的光电负阻RTD器件。

　　2.4单电子器件单电子器件包括单电子晶体管（SET）和单电子存储器（SEM）。SET比较更普遍，本文只介绍SET. 2.4.1单电子晶体管的工作原理上部为单电子晶体管的示意图，源、漏和岛由半导体或金属构成。源和岛间、岛和漏间的隧道结形成围绕岛的势垒，是由绝缘层或宽带的半导体以及负电压形成的电位势垒构成。栅极上加电压！g可控制岛中电子的位能。下部给出相应的能带图，岛对应于两个势垒间的势阱。如前所述，对于SET，充电能"起主导作用，即将一电子从源移入岛时必须拥有"=2/2C（其中为电子电荷，C为岛对周围部分的总电容）的能量，克服岛内电荷对它的作用才有可能。如果电子不具备这个能量"则导电过程就不可能发生，这种现象称为库仑阻塞效应。如果通过！g或为电子提供能量"则库仑阻塞消失，导电现象重新恢复。因此随着！d（或！g）的增大，便出现了台阶状的d-！d特性和振荡波形的-！d特性曲线，如所示。由于发射极中的电子（其能量为（f）获取"=2/2C的能量后才可进入势阱，故电子在势阱中的能量必然比（f高出）2/2C的能量。由于发射极中的电子和阱中空穴有吸引作用，故阱中空穴能级比（f低）2/2，因此在势阱中，电子能级和空穴能级差）2/C.如下部所示。在这里，阱中的电子能量高于（f，也反映库仑阻塞效应的2.4.2单电子晶体管的特点高频高速工作：由于隧穿机制为一高速过程，同时SET具有极小的电容，故工作速度非常快。

　　功耗非常小：因其输运过程为单电子性的，所以电流和功耗非常低。

　　集成度高：由于SET器件尺度很小，故集成度高。

　　2.4.3单电子晶体管的应用用SET制作下一代高速高密度1C：由于上面所述的特点，SET是下一代高速高密度1C的*佳候选器件之一。

　　超高灵敏度静电计：由于SET可以实现单电子导电，故适合作超高灵敏度的静电计，预计比现有的静电计提高灵敏度1000倍。

　　可实现单光子器件：由于SET可以实现单电子输运，若再用一单空穴器件（用+型材料制作）与之相配合，则可控制单电子与单空穴复合，制作单光子发生器。

　　高灵敏度红外辐射探测器：已发现SET在库仑阻塞阈值电压附近，隧穿电流对红外辐射感应非常灵敏也可称作“光致隧穿”效应。

　　2.5量子点器件在这里必须明确一个概念，此处的量子点是指在三维空间中每维尺度均为几个纳米，发生显著量子化的情况。对于尺寸为微米级，甚至102纳米级的点、颗粒没有显著的量子化效应的，不能列入此QD范畴。从能量上讲，必须是，而且二者都很大。如果三维都是微米级，"4e，则属于SET范畴了。故有些对SET和，D是分不清的。真正的，D器件，的报道很少，请参阅。

　　3分子电子器件3.1固体纳米电子器件存在的问题固体纳米电子器件虽然目前在纳米电子器件中占据着主导的地位，某些器件（如RTD）已经步入应用的阶段，但总的说来它们存在以下几个问题。

　　3.1.1RTD存在的问题RTD是目前速度*快的器件之一，但它是一个两端器件，输入与输出之间不能隔离，没有电流增益。如果将它做成栅控型GRTD或与HEMT并联，则工作速度和频率便会大幅度降低。

　　3.1.2低温工作目前RTD已能室温工作，但SET多数器件只能在低温下工作。在室温工作的SET对制作工艺要求非常高，只有将岛和隧穿结的电容减到几个aF（10-18F）才有可能，工艺难度非常大。

　　3.1.3材料问题用化合物制作的RTD和SET性能相对优于用Si基材料的。应大力开展Si基材料RTD和SET的研究，并与成熟的Si工艺相结合。

　　3.1.4背景电荷问题随机分布的背景电荷常积累在量子效应器件和单电子器件附近，通过静电感应影响器件正常工作。

　　3.1.5制作工艺精确性与一致性的控制问题隧穿电流非常敏感地依赖于势垒宽度，而垒宽和“岛”尺度的精度和一致性的控制，在工艺上是一个难题。

　　由于上述问题的存在，固体纳米电子器件研究在近一个时期步入了一个平缓的阶段，而分子电子学却进入了一个较快的发展时期。

　　3.2分子电子学概念分子电子学的概念不同于前一个时期出现的有机微型晶体管或电子在“体”材料中传输和“体”效应制成的有机器件。分子电子学也称“分子内电子学”，它是由与“体”衬底电隔离的共价键分子结构组成，或者是将分立分子和纳米量级的超分子结构组成的分子导线和分子开关连接而成。从制备工艺方面看，分子电子学比固体纳米电子器件更容易制作出成本较低的亿万个几乎完全等同的纳米量级的结构。这主要归因于纳米加工和纳米操作新方法的出现，即纳米量级结构的机械合成和化学合成技术。机械合成是指用扫描隧穿显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）和新的微电机械系统来控5微纳电子技术给出了Reed所测得的分子RTD的I-性，其电流峰谷比约为1.3：1.子，子继底上公司的一个研究小组模拟的结果如所示。两个原子导线借助一个可动的开关原子连接起来构成一个继电器。如果开关原子位于原位上，则整个器件能够导电；假若开关原子脱离原位，则造成的空隙骤然减低了流过原子导线的电流，使整个器件变为制、操作分子进行合成。化学合成包括纳米结构的化学自组装生长，从生物化学和分子遗传学借用过来的方法等。用化学合成的方法可以在有机分子中合成分子电子器件。

　　3.3量子效应分子电子器件量子效应分子电子器件的代表就是分子共振隧穿二极管，简称分子RTD.它具有与固体RTD相似的势垒包围势阱的器件结构和相同的工作原理。在中给出了近来由Tour合成，由Reed所证实的分子RTD的结构和工作原理示意图。从图可见，分子RTD由四部分构成：（1）主干分子导线分子RTD的发射极和集电极由聚苯撑基分子链构成。这种芳香族有机分子具有共轭的v电子轨道。一个以上这种长的未被填充或部分填充的甘轨道可以提供一个沟道。当分子两端有偏压存在时，电子便可从分子的一端运动到另一端。据估计，每个分子中每秒可以通过2-1011个电子，这种分子导线通常称为Tour分子导线；（2）由单个脂肪环构成的“岛”或势阱具有较低的能量，其尺寸约为1个纳米，比固体RTD势阱尺度还小，即！更大或！>4e；（3）由两个脂肪甲撑分子构成两个势垒，即将具有绝缘性质的两个甲撑分子（一CH，―）插入“岛”两侧，与左右分子导线之间，形成分子RTD的两个势垒；（4）分子电子器件的端引线，分子器件的两端常常通过硫醇（一SH）粘贴在金（Au）电极上，作为其引出端，这种将分子紧紧接在金属上的（一SH）常称其为分子器件的“鳄鱼夹”。分子RTD的工作原理与固体RTD基本上相同，当电子被限制在很窄的势阱中时，其能量发生量子化形成分立的能级，当势阱中能级与发射极中未被电子填充的分子轨道能量没对准时，不发生共振隧穿，器件不导通。当加偏压后，阱中能级与被电子填充的轨道能量对准，同时阱中能级与集电极空能态也对准时，共振隧穿效应发生态。

　　偏压/V分子RTD的/-F特性电机械分子电子器件电机械分子电子器件种类很多，现举两个例给予说明。

　　原子继电器原子继电器类似于一个分子闸门式开关。在原电器中，一个可动的原子不是固定地贴附在衬，而是在两个电极间，向前或向后移动。日立断路。距开关原子很近的第三个原子导线构成了原子继电器的栅极，在栅导线放置一很小的负电荷，使开关原子移开其原有位置而使器件关断，借助第二个“复位”栅，开关原子重新拉回到原来位置而且器件再次导通。原子继电器的实际，“开关”原子可以贴附在一个“转子”上，此“转子”可以通过摆动使“开关”原子填充原子导线的空隙，而使原子继电器导通（见（a））；或者使“开关”原子通过摆动，脱离原子导线而使电流关断（见（b））。转子的方向是通过调节栅分子（位于图上部）上电荷的极性来控制的。分子开关器件类型很多，限于篇幅，只介绍这些。

　　4关于发展纳米电子器件的几点建议必须重视和大力开展纳米器件，尤其是纳米电子器件的研究工作。白春礼院士曾经提出“纳米器件的研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代的重要标志”，并指出“中国必须重视纳米器件研制和纳米尺度的检测和表征的研究工作”。根据目前我国纳米技术发展的现状，必须大力倡导开展纳米器件，尤其是纳米电子器件的研究、开发和应用方面的工作。因为纳米电子器件的研究是纳米技术和信息技术两大技术的支点，对经济和整个科学技术起着至关重要的作用。

　　在纳米电子器件研究和开发方面，除了加强对RTD和SED等固体纳米电子器件研究外，还必须及时地大力开展关于分子电子器件的研究工作。在国际上，美国和日本非常重视分子电子学的研究。

　　世界十大科技进展就报道了美国研制出分子晶体管的消息，称贝尔实验室用单一的有机分子制造出了世界上*小的晶体管，这就是分子电子器件。这类用化学有机合成的方法制造电子器件比用EB，MBE等技术制造RTD，SED可大幅度降低成本，且适宜大规模生产。应该呼吁化学家和电子学家紧密结合起来，共同开展对分子电子器件的研究。

　　有效地组织国内有关部门纳米技术，尤其是纳米器件研究单位，集中技术力量，猫准纳米器件中的关键、重点问题，避免研究内容间的重复，尽快取得源头创新的成果。希望纳米科技指导协调委员会能充分、具体了解国内纳米器件研究单位的实际情况，调动各个单位研究积极性，为纳米技术的发展作出贡献。