納米電子技術(shù)的現(xiàn)狀及未來(lái)展望

楊懿

摘要：隨著納米技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)突破了發(fā)展的瓶頸， 集成電路設(shè)計(jì)和制作方法了取得了非常好的成效?？梢哉f(shuō)納米電子技術(shù)是一場(chǎng)新的電子技術(shù)革命，雖然納米技術(shù)發(fā)展的時(shí)間較短，但隨著各種獨(dú)特的納米電子產(chǎn)品的產(chǎn)生，掀起了人類(lèi)認(rèn)識(shí)上的新突破。納米電子技術(shù)研究是提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力和搶占科技制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)信息科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展的主要途徑。本文主要介紹納米電子技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)展望，旨在拋磚引玉，開(kāi)啟納米電子技術(shù)的神秘大門(mén)。

關(guān)鍵詞：納米；電子技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展

進(jìn)入第二十一世紀(jì)以來(lái)，專(zhuān)家們認(rèn)識(shí)到，納米技術(shù)將作為科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，為納米技術(shù)的深入研究，納米電子技術(shù)可能帶來(lái)革命性的突破，新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。納米電子元件的速率非常高，可用于高度集成的器件，且能耗低，具有一定的節(jié)能效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)領(lǐng)域，已成為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，納米電子技術(shù)的研究還不夠深入，應(yīng)用還不夠，但納米電子技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力和較強(qiáng)的應(yīng)用前景。目前，對(duì)納米電子技術(shù)產(chǎn)品的研究主要包括納米電子器件和納米電子材料，這些產(chǎn)品不僅功能齊全，而且性能良好。

1 納米電子技術(shù)產(chǎn)生的概述

1.1 納米技術(shù)產(chǎn)生的背景

1.1.1 微電子技術(shù)遇到挑戰(zhàn)

20世紀(jì)有很多重大的發(fā)明，電子器件是其中對(duì)我們生活和工作最具有深遠(yuǎn)影響的發(fā)明之一。集成電路芯片的發(fā)展基木上遵循了摩爾定律，即每隔3年集成度增加4倍，特征尺寸縮小2倍微電子產(chǎn)業(yè)已沿著摩爾軌道運(yùn)行了30余年。

21世紀(jì)微電子技術(shù)仍在快速發(fā)展，但是它遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著電子元件尺寸的不斷縮小，集成電路的集成度也要求越來(lái)越高，在未來(lái)若干年如何制造出具有更低功率消耗、更低成木、更小尺寸及更穩(wěn)定更好性能的半導(dǎo)體芯片就成了擺在我們而前的當(dāng)務(wù)之急。

1.1.2 納米電子技術(shù)的產(chǎn)生

為了能夠產(chǎn)生較低的功耗，降低到木材，更小的尺寸和更穩(wěn)定的半導(dǎo)體芯片的電子器件的性能更好的納米器件和納米電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它解決了微電子技術(shù)的問(wèn)題：納米電子器件不僅是微電子器件的尺寸進(jìn)一步減小，更重要的是他們的工作將取決于器件的量子特性，所以他們也被稱(chēng)為量子器件。它主要是通過(guò)對(duì)電子波相位的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的功能，因此，量子器件具有較高的響應(yīng)速度和較低的功耗，將從根本上解決日益嚴(yán)重的功耗問(wèn)題。

1.2 納米電子技術(shù)的定義

納米電子技術(shù)是一種新的科學(xué)技術(shù)，作為現(xiàn)代物理學(xué)和先進(jìn)工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用的產(chǎn)物，是納米技術(shù)和電子技術(shù)的產(chǎn)物，其最終目的是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可以根據(jù)自己的意志來(lái)進(jìn)行單原子操縱，納米電子產(chǎn)品包括納米電子器件和電子材料。

2 納米電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 納米電子材料的應(yīng)用

目前大多數(shù)納米材料包括：納米硅薄膜、納米硅材料以及納米半導(dǎo)體材料。其中，納米硅材料最具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，非常符合新世紀(jì)人類(lèi)對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展需求。硅電子材料的技術(shù)相較于其他材料的優(yōu)勢(shì)在于：

1.能耗低、準(zhǔn)確可靠、運(yùn)行時(shí)間較短、不易受外界的環(huán)境影響。

2.得益于科技的保證和不斷地開(kāi)發(fā)研究應(yīng)用，使得其成本價(jià)錢(qián)有所降低。

3.由于其短距離的分子間距，使得硅電子材料在運(yùn)行過(guò)程中，反應(yīng)速度很快，這就從另一方面降低了材料能耗，提高工作效率。

2.2 納米電子元件的應(yīng)用

納米電子元件問(wèn)世之前，電子元件經(jīng)過(guò)了集成元件、超大規(guī)模集成元件兩個(gè)發(fā)展歷程，因此，納米電子元件是在“兩位前輩”的發(fā)展基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

隨著集成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電子元件的尺寸卻要越做越小，要達(dá)到納米尺寸的范圍（0.1-100nm），例如剛剛面試的單電子晶體管，它的一個(gè)電子信號(hào)就代表了一位信息的數(shù)據(jù)，意思就是晶體管的尺寸要小到極致，從而顛覆了現(xiàn)代電子技術(shù)的高集成、高速度下，一定要高能耗的格局。

2.3 納米電子技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)

納米電子技術(shù)的發(fā)展有助于細(xì)微部位的研究，而這些細(xì)微之處通過(guò)普通顯微

鏡是無(wú)法做到的，納米電子技術(shù)的應(yīng)用還能有助于納米傳感器的發(fā)明，通過(guò)納米傳感器可以觀察到生化反應(yīng)的各種不同的化學(xué)信息以及電化學(xué)信息。

納米電子學(xué)作為新技術(shù)交叉口的生物醫(yī)學(xué)和電子技術(shù)，具有極大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，其研究潛力是無(wú)限的。結(jié)合生物醫(yī)學(xué)電子作為生物醫(yī)學(xué)和電子的兩大主題，在生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的集成和小型化方向的研究有很大的發(fā)展空間，本研究主要是基于微電子器件的發(fā)展，當(dāng)器件的規(guī)模發(fā)展到原子或分子水平的大小，人們對(duì)于微小生物的研究將進(jìn)入一個(gè)前所未有的新階段。

3 納米電子技術(shù)的未來(lái)展望

3.1 新型電子元器件

電子元器件技術(shù)將會(huì)在未來(lái)10至20年飛速發(fā)展，而市場(chǎng)對(duì)新型的電子元器件在不斷提出要求，電子元器件技術(shù)將需要不斷適應(yīng)市場(chǎng)的要求，走向?qū)嵱眯?。單電子器件、共振隧穿電子器件、納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管、納米尺度MOS器件、分子電子器件、自旋量子器件、單原子開(kāi)關(guān)等新型信息器件的研究將不斷取得突破，促使納米電子技術(shù)向著延續(xù)、擴(kuò)展摩爾定律和超越CMOS的方向發(fā)展，大規(guī)模納米集成電路將初步實(shí)現(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)發(fā)展等產(chǎn)生重大影響。

3.2 石墨烯

石墨烯是質(zhì)地堅(jiān)硬且非常薄的一種納米材料，它在常溫下傳遞電子的速度，比一般導(dǎo)體都快。正是由于它具有這樣的特點(diǎn)，對(duì)石墨烯的研究與開(kāi)發(fā)更具意義。大家都知道，電子和原子碰撞會(huì)產(chǎn)生能量，這就是一般的導(dǎo)體釋放能量的方式。但同時(shí)我們可以看到，這樣釋放能量的方式也是能量的浪費(fèi)?？墒┎煌谝话愕膶?dǎo)體，它具有異常的特性，使得能量不會(huì)在碰撞中耗損。據(jù)專(zhuān)家預(yù)計(jì)，2020年左右將研制成功性能優(yōu)異的石墨烯材料和晶體管，并解決其互連和集成等技術(shù)問(wèn)題；2030年左右可研制成功石墨烯系統(tǒng)芯片，并形成規(guī)?；a(chǎn)。這將使碳基COMS取代長(zhǎng)期占據(jù)集成電路主導(dǎo)地位的硅基CMOS，引發(fā)集成電路領(lǐng)域發(fā)生革命性的變化。

3.3 碳納米管

碳納米管是一種一維的納米材料，整體重量輕和完美的六邊形構(gòu)成是它的特點(diǎn)，由于它具有這樣的特點(diǎn)也導(dǎo)致了它異于一般導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)：良好的力學(xué)性能（金剛石的強(qiáng)度卻又有極大的柔韌度）；良好的導(dǎo)電性能；良好的傳熱性能；良好的光學(xué)性能和儲(chǔ)氫性能。碳納米管在納米電子方面有著非常重要的用途，是場(chǎng)效應(yīng)晶體管和單電子器件的一種具有發(fā)展前途的重要材料，以實(shí)現(xiàn)集成電路高速且耗能低的目標(biāo)。

3.4 憶阻器

憶阻器顧名思義就是記憶電阻器，是繼電阻器、電容器、電感元件之后的第四種電子元件。憶阻器是一種基于模擬信號(hào)的非線性動(dòng)態(tài)納米元件，可以構(gòu)成交叉開(kāi)關(guān)，且其材料可以與CMOS工藝兼容。憶阻器體積小、功率低、不受輻射影響，特別是用憶阻器實(shí)現(xiàn)的器件可兼有運(yùn)算和存儲(chǔ)功能，被認(rèn)為是替代硅芯片、延續(xù)摩爾定律的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

4 總結(jié)

納米電子技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，其影響力是深遠(yuǎn)的，所以在這個(gè)特殊的階段，我們需要抓住這個(gè)好機(jī)會(huì)，集中優(yōu)勢(shì)力量，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，在納米電子學(xué)、前沿捕捉納米電子技術(shù)，我國(guó)的信息技術(shù)得到了更新和升級(jí)，加快了發(fā)展步伐。

面對(duì)上述的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)前景，我們可以看到，它是一種具有巨大潛力、應(yīng)用廣泛、產(chǎn)品性能優(yōu)良、符合人類(lèi)未來(lái)需求的科學(xué)技術(shù)。如果它能應(yīng)用于其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，將促進(jìn)我國(guó)新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展。

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