專利名稱：半導(dǎo)體納米材料和器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可再生能源技術(shù)、電學(xué)技術(shù)、納米技術(shù)(Nano technology)、光學(xué)技術(shù) 和半導(dǎo)體物理和器件技術(shù)等。
背景技術(shù)：
在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的緊密接觸處，由于擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)(圖1)。空 間電荷區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷之間形成一個(gè)電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。它使得N區(qū)和P區(qū)之間存在電勢(shì)差。 利用光電導(dǎo)效應(yīng)可以制成各種用途的光電元件，如光電導(dǎo)探測(cè)器和光敏電阻等。 它們結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，而且通過選用不同的材料，可以適用于紅外輻射到X射線的各種 波長。 發(fā)光二極管(LED)是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的特殊二極管。它的基本結(jié)構(gòu)也由一 個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。 半導(dǎo)體二極管無論是P區(qū)、N區(qū)還是PN區(qū)受到光線照射時(shí)，只要光子能量大于禁 帶寬度的光線，都能發(fā)生本征激發(fā)，生成電子_空穴對(duì)。在自建電場(chǎng)的作用下，能夠到達(dá)空 間電荷區(qū)的P區(qū)光生電子或空間電荷區(qū)中的光生電子可移到N區(qū)；能夠到達(dá)空間電荷區(qū)的 N區(qū)光生空穴或空間電荷區(qū)中的光生空穴可移到P區(qū)。在開路狀況下，由于電荷積累，形成 光生電壓。光生電壓的方向與自建電場(chǎng)的方向相反(圖2)。 化合物半導(dǎo)體呈現(xiàn)天然晶體材料中沒有的許多新效應(yīng)。例如半導(dǎo)體超晶格和量子 阱。由兩種或兩種以上半導(dǎo)體的N型和P型極薄層交替排列組成的周期陣列，稱為超晶格。 半導(dǎo)體還有很多其他的物理效應(yīng)。 納米是長度單位之一，等于lO—9米。納米微粒是大小介于0. 1-100納米的物質(zhì)結(jié) 構(gòu)顆粒，簡稱納粒；約為原子半徑的1倍-1000倍，是一種典型的介觀系統(tǒng)。納米技術(shù)是涉 及原子和分子級(jí)層次的科學(xué)和技術(shù)。 掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM)是用來檢測(cè)微觀形貌 的。它具有極高的空間分辨能力，即平行方向的分辨率為0. 04納米，垂直方向的分辨率為 0. 01納米。STM的原理是量子隧道效應(yīng)。其主要構(gòu)成有頂部直徑約為50-100納米的極細(xì) 探針(通常是金屬鎢制的針尖)、用于三維掃描的三個(gè)相互垂直的壓電陶瓷(PpPy、P》、以 及用于掃描和電流反饋的控制器(Controller)等(圖4)。
STM有兩種工作模式恒電流模式和恒高度模式。 恒電流模式是在STM圖像掃描時(shí)始終保持隧道電流恒定。它用探針和被研究物質(zhì) (樣品)的表面作為兩個(gè)電極；當(dāng)探針與樣品表面非常接近(一般小于l納米)時(shí)，在控針 和樣品施加一定電壓后，隧道電流會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的絕緣層(一般為空氣或液體)。該 電流的大小強(qiáng)烈依賴于針尖與樣品表面之間的距離。它可利用反饋回路控制針尖和樣品之 間的距離保持恒定。當(dāng)壓電陶瓷Px和PY控制針尖在樣品表面上掃描時(shí)，從反饋回路中取 出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息，該信息反映樣品表面的平面形貌；當(dāng)壓電陶瓷Pz控制針尖隨著樣品表面高低起伏時(shí)，通過信號(hào)反饋電路控制針尖和樣品 之間的高低距離，則探針就會(huì)隨著樣品表面的高低相應(yīng)地作高低起伏的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)探針在 垂直方向上的高低變化就反映樣品表面的起伏；這些信息通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)顯示器 上獲得反映該物體表面形貌的直觀圖像(圖4)。 STM和原子力顯微鏡(AFM)都具有掃描工作的探針，所以統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡 (SPM)，此外還有其他的掃描探針顯微鏡，包括摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡和 化學(xué)力顯微鏡等。它們之間除了針尖-微懸臂因測(cè)力的原理不同而異和掃描模式有不同要 求外，其他基本相同。STM不僅是觀察工具，而且是微觀世界的加工工具，可按需要進(jìn)行人工 排布原子。例如，利用STM的針尖(即針端原子)對(duì)樣品原子或分子的吸引力來操縱和移 動(dòng)原子或分子，使它們重新排布。 STM針尖與樣品間存在范德瓦耳斯力和靜電力兩種作用力；調(diào)節(jié)針尖位置和所加 偏壓，可以改變力的大小和方向。當(dāng)針尖與樣品之間的凈力是引力時(shí)，可以操縱原子或分 子，進(jìn)行納米加工。 STM的單原子或單分子操縱技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)將樣品表面的原子或分子從一處 移到另一處，從而可以在樣品表面上進(jìn)行直接刻寫、誘導(dǎo)沉積和刻蝕等技術(shù)；而且可以進(jìn)行 分子組裝技術(shù)。 AFM與STM —樣，主要利用電場(chǎng)蒸發(fā)和電子束激勵(lì)等物理過程對(duì)樣品表面的原子 進(jìn)行操縱。由于AFM不受材料種類的選擇，以及具有原子分辨能力，使它在尺寸小于100納 米的結(jié)構(gòu)加工中占有明顯的優(yōu)越性。 用電子束直接進(jìn)行刻蝕，電子束斑可以調(diào)到很小，可分辨的幾何尺寸小于100納 米，其刻蝕精度可以達(dá)到IO納米線寬；能在計(jì)算機(jī)的控制下，刻蝕時(shí)不用掩膜板在硅晶片 生成特征尺寸為亞微米范圍內(nèi)的圖案，簡化了刻蝕工藝。但這種加工方法效率很低，不能滿 足集成電路大規(guī)模生產(chǎn)的要求。 由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過各種工藝手段組合而成的復(fù)合體，稱為 復(fù)合材料。其中一種材料為連續(xù)相，稱為基體；而另一種材料是以一定的形態(tài)分布于連續(xù)相 中的分散相，稱為增強(qiáng)體。 物體單位體積所具有的顆粒表面積，稱為該物體比表面積。球形顆粒的表面積與 直徑平方成正比；其體積與直徑的立方成正比。所以其比表面積與直徑成正比。隨著顆粒 直徑變小，比表面積顯著增大而產(chǎn)生 I納粒與光波波長的尺寸為同一數(shù)量級(jí)時(shí)所引起材料的物理或化學(xué)性質(zhì)顯著變化 的效應(yīng)，稱為小尺寸效應(yīng)。納粒小尺寸效應(yīng)表現(xiàn)在特殊的光學(xué)、熱學(xué)、懸浮液和動(dòng)力學(xué)性質(zhì) 以及優(yōu)異半導(dǎo)體性能等。 納米顆粒體積小、重量輕、存在布朗運(yùn)動(dòng)；它在液體中可形成懸浮液。這樣納粒不 會(huì)因重力而發(fā)生沉淀。這種不容易在液體中沉淀的特性，在納米材料的制備中具有極大的 作用。 II材料顆粒的比表面積與直徑成反比。其顆粒直徑越小，比表面積越大。材料的 表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比也隨著顆粒尺寸的減小而大幅度地增加。則材料原子的表面能 和表面張力也隨著增加，從而引起該材料性質(zhì)的變化。由于納米材料的比表面積激劇增加 使其性質(zhì)發(fā)生明顯變化的效應(yīng)，稱為納米表面效應(yīng)。
III物體能級(jí)的間距與其顆粒中的總電子數(shù)N成反比。即物體能級(jí)之間的間距隨 著其顆粒尺寸減小而增大。納粒的能量是量子化的。即納粒與分子或原子一樣，將能帶分裂 為分立的能級(jí)。納粒的電場(chǎng)能、熱能或磁場(chǎng)能的間距比它們平均的能級(jí)間距還大。因此納米 顆粒呈現(xiàn)出的光、電、熱、磁等性能與宏觀物體截然不同，這種反常特性，稱為量子效應(yīng)。例 如，半導(dǎo)體納米器件是具有導(dǎo)電性能的良導(dǎo)體。 上述三種效應(yīng)是納米材料的基本特性。它們相互聯(lián)系，相互滲透，難以截然區(qū)分。
半導(dǎo)體納米器件中電子只要具備一定的能量，就可以進(jìn)入或逸出量子點(diǎn)，這就稱 為"隧穿效應(yīng)"。 如果兩個(gè)金屬電極之間有一個(gè)極薄的絕緣層(約1納米厚)，被稱為隧道結(jié) (Tunnel junction)。它可看作是一個(gè)孤立的平板電容(圖3)。設(shè)隧道結(jié)電容為C，其電壓 為U，正負(fù)兩塊電極板上的電荷分別為Q(正值)和-Q(負(fù)值)，則電極板上具有的靜電能為 E = Q7 (2C)，得 eU<e2/(2C) (1) 在隧道結(jié)兩端電壓U不能滿足一定條件時(shí)，隧穿電流等于零的現(xiàn)象，稱為庫侖阻 塞(Coulomb blockade)。 從(1)式，定義一個(gè)電子充入某個(gè)納粒體系所需的能量，稱為充電能(Charging energy)Ec。 Ec = e2/ (2C) (2) (2)式表示電子隧穿的條件就是電子的能量eU必須大于充電能Ec。 E?？梢宰鳛?電子在進(jìn)入(或離開)這個(gè)體系時(shí)被前一個(gè)同樣帶負(fù)電荷的電子排斥而感受到的能量，因 而Ee又被稱為"庫侖阻塞能"。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明任務(wù)是制造半導(dǎo)體納米材料；并利用半導(dǎo)體納米材料制成能將光能轉(zhuǎn)換成
電能的光電納米轉(zhuǎn)換器，能將電能轉(zhuǎn)換成光能的電致發(fā)光的納米轉(zhuǎn)換器等各種半導(dǎo)體納米
器件；利用半導(dǎo)體納米材料制成放大器、振蕩器、變頻器、邏輯電路、運(yùn)算電路和存儲(chǔ)器等， 推動(dòng)半導(dǎo)體納米器件高性能化和微型化；進(jìn)一步節(jié)約能源和資源；促進(jìn)生態(tài)環(huán)境繼續(xù)良好 和取代現(xiàn)有許多半導(dǎo)體晶體或微米技術(shù)的生產(chǎn)模式。 將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電轉(zhuǎn)換器(包括光電納米轉(zhuǎn)換器)，在被光線照射時(shí)，光子 被該半導(dǎo)體器件表面中的原子吸收而產(chǎn)生的空穴-電子對(duì)是非平衡載流子。由于非平衡載 流子的濃度不相同，引起它們擴(kuò)散。 非平衡載流子沿著垂直于表面的X方向運(yùn)動(dòng)(圖2)。非平衡載流子空穴(或電 子)濃度隨X變化可寫為A P (x)(或A N(x))，則d A P (x) /dx是非平衡載流子空穴濃度沿 x方向的濃度變化率，稱為濃度梯度。 定義空穴擴(kuò)散流密度jp為單位時(shí)間垂直通過單位面積的空穴數(shù)。擴(kuò)散流密度與
空穴濃度梯度成正比 jp = -DPd A P (x) /dx (3) 其中DP是比例系數(shù)，稱為空穴的擴(kuò)散系數(shù)(單位cm7s)。
(3)式中負(fù)號(hào)表示空穴自濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。即擴(kuò)散流方向與濃
7度梯度方向相反。 若光照的強(qiáng)度恒定，則被照物體表面的非平衡載流子濃度(AP)。恒定。在表面光 強(qiáng)度恒定的條件下，半導(dǎo)體內(nèi)部各處的空穴濃度或電子濃度不隨時(shí)間而改變，形成空穴或 電子的穩(wěn)定分布，稱為穩(wěn)定擴(kuò)散。 在一維穩(wěn)定擴(kuò)散情況下，擴(kuò)散流密度jp也隨位置x而變化。擴(kuò)散流的改變率(即 單位時(shí)間在單位體積內(nèi)積累的空穴數(shù)的增加量)為
d jp (x) /dx = -DPd2 A P (x) /dx2 (4) 非平衡載流子由于復(fù)合而減少。設(shè)t p是非平衡載流子空穴的壽命。在單位時(shí)間、 單位體積中空穴-電子對(duì)復(fù)合的非平衡載流子中的空穴數(shù)，稱為空穴的凈復(fù)合率AP(x)/ t P。在穩(wěn)定擴(kuò)散下，該區(qū)域的任意處的非平衡少子的空穴凈復(fù)合率等于少子擴(kuò)散流的改變 率?？傻梅瞧胶馍僮涌昭ǖ姆€(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程
DPd2 A P (x) /dx2 = A P (x) / t p (5)
它是一個(gè)二階常系數(shù)微分方程。其一般解為
A P (x) = A exp (_x/Lp) +B exp (x/Lp) (6) 其中Lp是空穴的擴(kuò)散長度，Lp = (Dp t p)1/2 ;系數(shù)A、 B根據(jù)邊界條件確定。
設(shè)N型半導(dǎo)體厚度為W，單位為cm。則 1、當(dāng)半導(dǎo)體樣品足夠厚，即￥>>14)(擴(kuò)散長度)；邊界條件為 當(dāng)x = 0時(shí)，AP = ( AP)。
x—^時(shí)，AP —0 因此得出(6)式中常數(shù)A = (AP)。 ；B = 0 特解為AP(x) = (AP)。
e鄧(-x/Lp) (7) 將(7)式代入(3)式，得擴(kuò)散流密度為 jp = (Dp/Lp) (AP)。e鄧(-x/Lp) = (Dp/Lp) AP(x) (8) 11、當(dāng)半導(dǎo)體樣品足夠薄，即￥<<1^(擴(kuò)散長度)；邊界條件為 當(dāng)x二O時(shí)，AP二(AP)。 x二W時(shí)，AP二O 因此得出(6)式中常數(shù)A = ( A P) 。e鄧(W/Lp) / (exp (W/Lp) —exp (_W/Lp)) (9); B = ( A P) 。exp (_W/Lp) / (exp (_W/Lp) -exp (W/Lp)) (10); 應(yīng)用雙曲函數(shù)進(jìn)行變換，得到特解為 AP(x) = ( A P) 。sh ((W-x)/Lp)/sh (W/Lp) (11) 由于W << Lp，上式可簡化為 AP(x) " ( A P) o ((W-x)/Lp) / (W/Lp) = (AP)0(l-x/W) (12) 此時(shí)，非平衡載流子濃度在樣品中呈線性分布，其濃度梯度為 dAP(x)/dx = (AP)0/W (13) 得擴(kuò)散流密度為 jp = (AP)0DP/W (14) 上式表明，在穩(wěn)態(tài)情況(電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合處于平衡之中)下，擴(kuò)散流密 度是一個(gè)常數(shù)，即在單位時(shí)間和單位體積中，非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合處于平衡狀態(tài)之 中。 從(8)式和(14)式表明，非平衡載流子擴(kuò)散流密度與(AP)。成正比，也與擴(kuò)散系 數(shù)成正比，與非平衡載流子分布的這段距離成反比。
因?yàn)殡娮訋в?q電荷，空穴帶有+q電荷。其中q = 1.6X10—19C。所以它們的擴(kuò)
散運(yùn)動(dòng)也必然伴隨電流的產(chǎn)生，而形成擴(kuò)散電流。這種擴(kuò)散電流也稱為光生電流。從(3)
式，空穴的擴(kuò)散電流為 Jpr=-qDPdAP(x)/dx (15) 同理可得出，電子的擴(kuò)散電流為 JnF= qDndAN(x)/dx (16) 同樣，設(shè)圖2中N型半導(dǎo)體的厚度W〉Lp(擴(kuò)散長度)；空穴的擴(kuò)散電流為
Jpr=-q(DP/Lp) (AP)。e鄧(-x/Lp) = (Dp/Lp) AP(x) (17)
設(shè)圖2中N型半導(dǎo)體的厚度W<<Lp(擴(kuò)散長度)；空穴的擴(kuò)散電流為
Jpr=-qDPdAP(x)/dx =-qDP(AP)0/W (18) 當(dāng)二極管的N型區(qū)受到大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度的光子能量激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體的原 子由于獲得光能而釋放電子，形成電子_空穴對(duì)；就迫使它處于與熱平衡相偏離的狀態(tài)，即 非平衡狀態(tài)；這些大量產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)(圖2)中非平衡載流子空穴(或電子)被稱為 光生非平衡載流子，簡稱光生載流子。 由光生載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的電勢(shì)差，稱為光生電勢(shì)差U力。能形成光生電勢(shì)差 的物體稱為光生電源。 設(shè)光線強(qiáng)度為IkW/m2 ;光的吸收率為a ;采光面積為Am2 ;則光電轉(zhuǎn)換器的吸收功 率P(瓦特): P = (I a )A (19) 光電轉(zhuǎn)換器的吸收功率P等于其光生電壓U力和非平衡載流子所形成的擴(kuò)散電流 JjT之乘積。即 P二U光J擴(kuò) (20) 設(shè)圖2中N型半導(dǎo)體厚度W<<Lp(擴(kuò)散長度)；根據(jù)能量守恒定律和(18)式、 (19)式、(20)式: U光二 -(I a )AW/(qDP( AP)0) (21) 上式中單位光線強(qiáng)度I為W/m2 ;光的吸收效率a是無量綱單位；采光面積A為 m2 ;N型半導(dǎo)體厚度W為cm ;電荷為C，空穴電荷q = +1. 6 X 10—19C ;空穴擴(kuò)散系數(shù)DP為cm2/ s ;空穴濃度AP為/cm3。 同理，如果半導(dǎo)體二極管的P型區(qū)被光線照射，其厚度W << Ln(擴(kuò)散長度)；可 得 U光二 (I a )AW/(qDn( AN)0) (22) 上式中單位光線強(qiáng)度I為W/m2 ;光的吸收效率a是無量綱單位；采光面積A為 m2 ;P型半導(dǎo)體厚度W為cm ;電荷為C，電子電荷q = _1. 6 X 10—19C ;電子擴(kuò)散系數(shù)Dn為cm2/ s ;電子濃度AN為/cm3。 將電能轉(zhuǎn)換成光能的電致發(fā)光納米器件加上正向電壓，即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接 負(fù)極時(shí)，自建電場(chǎng)被削弱，打破原來平衡PN結(jié)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)，使 載流子的擴(kuò)散趨勢(shì)大于漂移趨勢(shì)，電子從N區(qū)注入到P區(qū)，空穴從P區(qū)注入到N區(qū)；PN結(jié)處 于非平衡狀態(tài)；這種現(xiàn)象稱為正向注入效應(yīng)(即非平衡載流子的電注入)。它們向PN結(jié)擴(kuò) 散時(shí)，在PN結(jié)上電子_空穴對(duì)復(fù)合，形成光子向外發(fā)光(圖5)。
若非平衡載流子沿著垂直于表面的X方向運(yùn)動(dòng)。非平衡載流子濃度隨X的變化為 AP(x)， dAP(x)/dx是非平衡空穴載流子濃度沿x方向的濃度梯度(圖5)。設(shè)引起電子 (或空穴)移動(dòng)的正向電壓為U(單位為伏特)，電致發(fā)光的半導(dǎo)體發(fā)光器的發(fā)射功率為P力 (單位為瓦特)，擴(kuò)散電流J擴(kuò)的單位為安培，得
P光二 UJ擴(kuò) (23) 設(shè)二極管N型區(qū)被光線照射，厚度W < < Lp (擴(kuò)散長度)；根據(jù)能量守恒定律，從 (18)式和(23)式 P光=UJ擴(kuò)=-qUDPd A P (x) /dx = -qUDP ( A P) 0/W (24)
P光二 -q(UDP( AP)0)/W (25) 同理，如果半導(dǎo)體二極管的P型區(qū)被光線照射，其厚度W < < Ln (擴(kuò)散長度)；可 得 P光二 q(UDN(AN)0)/W (26) 由納粒構(gòu)成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的并且在三維空間中至少有一維大尺度線條上的相鄰 納粒之間的距離都在納米尺度范圍內(nèi)的材料，稱為納米材料。該線條可以是直線或曲線。 只有大尺度一維線上的相鄰鈉粒之間的距離都在納米尺度范圍內(nèi)的納米材料，稱為量子線 (或納米絲)。只有大尺度二維面上的相鄰鈉粒之間的距離都在納米尺度范圍內(nèi)的納米材 料，稱為量子面(或納米薄膜)。該面可以是平面或曲面。在大尺度三維空間的相鄰鈉粒之 間的距離都在納米尺度范圍內(nèi)的納米材料，稱為量子體(或納米塊體)。顆粒直徑在i-ioo 納米之間的量子體，稱為量子點(diǎn)。它們的聚合物稱為納米粉。研究納米材料的科學(xué)技術(shù)，稱 為納米技術(shù)。 納粒的外表平面，稱為納面。兩個(gè)納面之間的夾角，稱為納面角。兩個(gè)納面相交的 直線，稱為納棱。 納米材料內(nèi)部的納粒之間排列是有序的；在其外形上表現(xiàn)出一定的規(guī)則性。納粒 外表為規(guī)則平面所包圍；它就是納面。由于生成條件的不同，同一種的納米材料，其納面的 規(guī)則不一定是相同的。納面的大小和形狀受納米材料生成時(shí)外界條件的影響，不是納米材 料的特征因素。納米材料受內(nèi)部品質(zhì)或結(jié)構(gòu)決定而不受外界條件影響的因素是納面之間的 夾角。每一個(gè)品種的納米材料都具有一套特征性夾角。 納面角守恒定律屬于同一品種的納米材料，每個(gè)納粒的對(duì)應(yīng)納面角相等。這是一 個(gè)普遍的規(guī)律。 納粒的重心位置，稱為納米空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)。納米材料的納粒重心，稱為納 點(diǎn)。這些納點(diǎn)的總體，稱為空間點(diǎn)陣。通過空間點(diǎn)陣中的納點(diǎn)，可以作許多不同方向的平行 于納棱的直線族和平行于納面的平面族。通過納米材料空間點(diǎn)陣形成的相交直線族組成許 多網(wǎng)格，這些網(wǎng)格稱為納格。納格具有明顯幾何形狀。 納米材料的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是由納點(diǎn)沿3個(gè)互不相關(guān)的納棱方向，各按一定的距 離周期性地平移而構(gòu)成的。每一次平移的距離，稱為該方向上的納棱周期。不同方向上的 納棱周期一般是不相同的。 任何三維納格都能以某個(gè)適當(dāng)?shù)钠叫辛骟w作為基本單元，沿互不相關(guān)的3個(gè)一 維空間作周期性的堆砌而獲得。這種周期性重復(fù)的幾何單元稱為納元。納米材料納元的選 取是任意的；有實(shí)際意義選法有兩種
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—種是納米材料中具有最小周期性重復(fù)的納元，稱為原胞。即它包含的原子、離 子、分子或簇粒最少。 另一種是能夠最大限度反映納格對(duì)稱性質(zhì)的最小單元，稱為納胞。它各個(gè)邊的實(shí) 際長度稱為納格常數(shù)。 原胞中只包含一個(gè)原子的納格，稱為簡式納格；包含一個(gè)以上原子(離子)的納 格，稱為復(fù)式納格。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全規(guī)則的納米材料，稱為完整納材(或理想納材)。納米材料實(shí)際存 在或多或少的不規(guī)則性，形成了長程有序中的極少量的無序成分。存在于納米材料內(nèi)部的 微量納粒不規(guī)則性，稱為缺陷。按照幾何特征，納米材料的缺陷分為"點(diǎn)"缺陷、"線"缺陷和 "面"缺陷。它對(duì)納米材料的性能影響很大。例如外來慘進(jìn)的雜質(zhì)就是一種缺陷；硅納米材 料被控制性摻入微量的雜質(zhì)，就成為靈敏的半導(dǎo)體納米材料。 如果納粒是由完全相同的一種原子所組成，則拓?fù)浣Y(jié)點(diǎn)是原子的重心(基元)。納 粒含有數(shù)種原子和離子結(jié)構(gòu)時(shí)的基本單元，稱為基元。該納粒的結(jié)點(diǎn)既可以代表基元的重 心，也可以代表各基元中任意等同點(diǎn)。 納粒是單個(gè)原子、離子、分子或它們組成的微粒。由它們構(gòu)成納米材料的固體結(jié)構(gòu) 可分為有序與無序。 納粒在小尺度空間有規(guī)則作周期性長程有序排列的納米材料，稱為有序排列的納 米材料，簡稱為序料。 納粒的空間排列沒有周期性或無規(guī)則結(jié)合的納米材料，稱為無序排列的納米材 料，簡稱無(非)序材。 序料是長程有序的，具有平移對(duì)稱性；非序材是平移對(duì)稱性破缺，失去長程有序。 這是它們之間的基本區(qū)別。納米材料是無數(shù)納米顆粒的聚合物。納米材料并非物體顆粒單 純的尺寸微小，而是具有特殊的功能。"納米"的含義還表示它與大塊物質(zhì)相比較，具有顯著 不同的物理或化學(xué)性質(zhì)。 序料的有序性表現(xiàn)在3個(gè)方面所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)上納粒的尺度相同；每個(gè)納粒 的近鄰納粒數(shù)(配位數(shù))相同；每個(gè)納粒排列的幾何位置(微粒之間的間距、方位角等)是 有序的。 各個(gè)納粒在整個(gè)材料的大尺度空間點(diǎn)陣中都是長程有序排列的納米材料，稱為純 有序納材，簡稱序材。 許多無規(guī)則地排列的小尺度空間序料組成的納米材料，稱為混序材。其中的小塊 序料，也簡稱為序料。 在納粒內(nèi)部，可以存在各向異性有序排列的序態(tài)(或晶態(tài))或各向同性無序排列 的非序態(tài)(或非晶態(tài))。 納米材料構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，稱為半導(dǎo)體納米器件。這種器件的特征尺寸在1-100 納米范圍內(nèi)；是由有限個(gè)原子(102_109個(gè))構(gòu)成的納粒所組成的體系。其中電子或光子不 是單純粒子，是波粒二像性的粒子。 半導(dǎo)體納米器件比現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件更小、更快、更低能耗。利用半導(dǎo)體納米材料 制成的二極管、放大器、振蕩器、變頻器、邏輯電路、運(yùn)算電路和存儲(chǔ)器等，都是半導(dǎo)體納米 器件；通稱為半導(dǎo)體序材管。
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現(xiàn)有的微細(xì)工程(micro engineering)也稱為微米技術(shù)。微米技術(shù)(簡稱微電子) 是研究微米數(shù)量級(jí)尺度(0. 1-lOOOym)上物質(zhì)特性和應(yīng)用的技術(shù)。微電子器件中晶體、多 晶體或非晶體的顆粒之間某些距離因遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子或光子的波長。因此，在微米技術(shù)中電 子或光子可以作為一種不涉及波動(dòng)力學(xué)的粒子。 晶體與序材的根本區(qū)別是晶體結(jié)構(gòu)中存在微米數(shù)量級(jí)尺度的各種裂隙或缺陷， 并且這些裂隙或缺陷使得晶體中不存在它具有的每個(gè)大尺度晶棱方向的基本結(jié)構(gòu)單元 (基元)之間的距離全部都小于100納米。 多晶體與混序材的根本區(qū)別是多晶體結(jié)構(gòu)中存在微米數(shù)量級(jí)尺度的各種裂隙或 缺陷，并且這些裂隙或缺陷使得該多晶體中不存在它具有的每個(gè)大尺度方向的晶粒之間的 距離都小于100納米。 非晶體與非序材的根本區(qū)別是非晶體結(jié)構(gòu)中存在微米數(shù)量級(jí)尺度的各種裂隙或 缺陷，并且這些裂隙或缺陷使得該非晶體中不存在它具有的每個(gè)大尺度方向的基本結(jié)構(gòu)單 元(基元)之間距離都小于100納米。 納米材料某方向的納格與運(yùn)動(dòng)電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小，則納點(diǎn)周期性的 邊界條件被改變，必然導(dǎo)致它的光電轉(zhuǎn)換和其他的各種性能發(fā)生根本變化。這種體積效應(yīng)； 是納米材料與普通物體的本質(zhì)區(qū)別。 當(dāng)金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)和錫(Sn)等金屬納粒之間距離小于光波波長的尺寸 (幾百納米)時(shí)，均失去原有的光澤而呈黑色，尺寸越小，色澤越黑。這是由于納米材料的光 吸收引起的。 納粒是指粒徑小于100納米的顆粒；大于100納米顆粒，稱為粉末；小于2納米顆 粒，也稱為原子簇。 納米材料與普通材料相比，不是簡單的顆粒之間距離的量變，而是物體的特征發(fā) 生了質(zhì)變。當(dāng)物體變成為納米材料時(shí)，呈現(xiàn)許多奇異的物理和化學(xué)特性。這些特性來源于 小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)。 半導(dǎo)體納米材料的大尺度方向納粒之間距離足夠小，呈量子化效應(yīng)，宏觀的電荷 數(shù)和能量是量子化的。 普通半導(dǎo)體材料中顆粒之間的距離不是處處足夠小，沒有量子化效應(yīng)，宏觀的電 荷數(shù)和能量是連續(xù)的。 由具有一種以上功能特性的單個(gè)分子(或原子)作為半導(dǎo)體納米材料而制造的半 導(dǎo)體序材管，稱為分子(或原子)電子器件。例如，單個(gè)分子的量子點(diǎn)和量子導(dǎo)線、單個(gè)分 子作為中心島的單電子器件、單個(gè)分子的二極管和三極管等。它可包含具有某些特定功能 的多個(gè)分子的電子器件。例如半導(dǎo)體納米電子器件。 具有組成半導(dǎo)體納米器件功能的基礎(chǔ)元件，稱為量子單元。量子單元包括量子點(diǎn) (納米粉末)、量子線(納米纖維)、二維量子阱，二維納米薄膜、三維納米塊體以及由它們構(gòu) 成的納米二極管和半導(dǎo)體序材管等。 納米二極管作為光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器和電致發(fā)光或光致發(fā)光的發(fā)光器件等，具 有極優(yōu)良的性能。 由于納粒體系的電容C非常小，庫侖阻塞能Ec可以遠(yuǎn)大于熱運(yùn)動(dòng)能量；它的充電 和放電的過程就呈現(xiàn)不連續(xù)性；達(dá)到量子化。此時(shí)電子不能連續(xù)地集體傳輸，這是由于納粒的能帶被分立的能級(jí)所代替。這種電子必須一個(gè)接一個(gè)地通過納米縫隙，稱為單電子隧穿。 因此電導(dǎo)率G不是常數(shù)，而是h/V的整數(shù)倍。這就是電導(dǎo)的量子化。單電子隧穿和電導(dǎo)量 子化是所有半導(dǎo)體納米器件具有的特性和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 遵循量子力學(xué)規(guī)律的電子系統(tǒng)，稱為納電子系統(tǒng)。半導(dǎo)體納米器件是納電子系統(tǒng)。 它約束電子作為粒子的運(yùn)動(dòng)。它的充電和放電過程與微電子體系不同；其電子不能吸收連 續(xù)的能量，只能吸收分立的能量。由于半導(dǎo)體納米器件中納粒的極小空間尺度，電子在進(jìn)入 或離開時(shí)，會(huì)受到原子的庫侖力的約束作用。如果電子具有與原子外層的電子相同的費(fèi)密 能級(jí)時(shí)，它們將相互排斥，不能兼容；只有更高分立能級(jí)的電子才能進(jìn)入這個(gè)納電子體系。 該體系的電導(dǎo)將顯示不同費(fèi)密能級(jí)之間的電子躍遷，呈量子化的臺(tái)階電導(dǎo)率。
導(dǎo)體或半導(dǎo)體的納米材料中，任何原子都受到左右、前后和上下這三個(gè)方向的作 用。但是某些晶體，例如二硫化鉬(MoS2)或云母，其某一個(gè)方向(如Z方向)的作用不大， 即電子在某一個(gè)方向的自由度受到限制，則變成為二維量子阱(二維材料)。如果將某一種 材料制成很細(xì)的線，使X方向和Y方向的作用也可忽略，即電子只有一個(gè)方向的自由度，則 形成為一維量子線(一維材料)。如果電子在X、Y、Z三個(gè)方向的自由度都受限制，則形成 量子點(diǎn)(零維材料)。半導(dǎo)體納米器件主要是由量子點(diǎn)和量子線為核心所組成的。
經(jīng)過精確定向的某種半導(dǎo)體材料的小塊序材，稱為籽納材；小條的絲狀籽納材，稱
為籽納絲；小片的片狀籽納材，稱為籽納片；小塊的圓柱狀籽納材，稱為籽納塊。
1.半導(dǎo)體納米材料。 半導(dǎo)體納米材料只有在其生長速度非常緩慢，周圍有自由空間時(shí)，才能形成有規(guī) 則的幾何形狀；由于納粒不同，生成條件(熔液的溫度、壓力、稠度和冷凝的速度等)不同， 形成各種各樣的序材。這種技術(shù)應(yīng)具備兩個(gè)前提條件一個(gè)是應(yīng)滿足納米材料形成的生長 機(jī)制；第二是應(yīng)滿足納米材料形成的工藝參數(shù)。 半導(dǎo)體納米材料基本生成技術(shù)某種高純度半導(dǎo)體材料在含有熔爐的拉晶儀的熔 融坩堝中融化，由拉著該種材料的籽納材的機(jī)械裝置(例如夾持器)非常緩慢地順著逆時(shí) 針方向旋轉(zhuǎn)，將浸入該種材料的熔融液中的籽納材向上拉起；起先接觸籽納材上的熔融半 導(dǎo)體材料將按照該籽納材的納面和納面角以及納胞的納格形狀等首先形成有規(guī)則、長程有 序排列的序材；然后隨著向上拉起而逐漸緩慢地形成序材錠。 半導(dǎo)體納材料外延生成技術(shù)以某種材料的籽納材(或籽納絲、籽納片、籽納塊) 作為襯底，讓高純度半導(dǎo)體材料的原子有規(guī)則地排列在序材襯底上，形成一層具有一定導(dǎo) 電類型、電阻率、厚度及完整納格結(jié)構(gòu)的序材層。它分為化學(xué)氣相淀積(CVD)技術(shù)和分子束 夕卜延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)技術(shù)。 在純凈的半導(dǎo)體序材中適當(dāng)?shù)負(fù)饺胛⒘侩s質(zhì)，可制造各種不同用途、精密度高的 半導(dǎo)體納米器件。 1. 1量子點(diǎn)(序材納粒)在三個(gè)方向上的電子態(tài)都是量子化的。它限制電子使其 具有零維自由度與分立數(shù)目的電子和能級(jí)。量子點(diǎn)具有奇異的特殊性能，流經(jīng)量子點(diǎn)的電 流，在量子單元中增加或減少一個(gè)或幾個(gè)電子時(shí)，電流變化可達(dá)一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)。能量比 勢(shì)壘低的電子，也具有一定的幾率進(jìn)入或離開量子點(diǎn)。電子吸收一定的能量隧穿勢(shì)壘，在勢(shì) 壘的另一端必定有一個(gè)具有相同能量的空穴。 半導(dǎo)體納米材料只有避免熱噪聲能量超過電子的隧穿能量，量子點(diǎn)才出現(xiàn)庫侖阻塞和電子隧穿量子效應(yīng)。這就要求隧道結(jié)電容極小及其電阻大于量子電阻；即要求隧道結(jié) 面積極小。如果納粒的尺寸為IO納米，假定它有105個(gè)原子，實(shí)驗(yàn)證明其隧道結(jié)的電容為1 阿法拉(laF= 10—18F);在高溫下也存在庫侖阻塞現(xiàn)象。因此納粒才有條件成為量子點(diǎn)。量 子點(diǎn)有三維處于納米尺度，如納米顆粒和原子團(tuán)簇等。 序材納粒主要的制備方法采用真空冷凝法或機(jī)械球磨法(以粉碎與研磨相結(jié) 合，實(shí)現(xiàn)序材的粉末化)。 半導(dǎo)體的量子點(diǎn)必須與基體絕緣。量子點(diǎn)通過隧道結(jié)和納米電極或納米電引線耦 合在一起，可以制成半導(dǎo)體序材管和半導(dǎo)體納米器件。其中量子點(diǎn)也被稱為庫侖島(或中 心島)。利用電化學(xué)方法或半導(dǎo)體納米加工技術(shù)，可以生產(chǎn)出具有量子效應(yīng)的半導(dǎo)體序材納 粒，并能夠在納粒之外生成要求的絕緣層，形成具有量子點(diǎn)特征的半導(dǎo)體納米二極管或半 導(dǎo)體序材管。利用超紫外線激光光刻技術(shù)(EUV)可使光刻的線寬小于70納米；遠(yuǎn)優(yōu)越于現(xiàn) 有的微電子集成電路的光刻技術(shù)(Photo Lithography)的極限0. 1 y m。
1. 2當(dāng)量子線的直徑小到一定程度時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在絲的軸線方向，而不能 在與軸線垂直的平面上運(yùn)動(dòng)，即限制電子只有一維自由度。它就是量子線(納米絲)。半導(dǎo) 體量子線具有一維自由度以及分立數(shù)目的電子和分立的能級(jí)。電子在量子線的軸線方向運(yùn) 動(dòng)，存在庫侖阻塞效應(yīng)；并可以通過隧道結(jié)和電極或?qū)Ь€耦合，形成電子隧穿效應(yīng)。量子線 有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米細(xì)棒和納米細(xì)管等。 半導(dǎo)體納米材料中，量子線可以用作庫侖島(或中心島)，通過隧道結(jié)和電極耦合 組成半導(dǎo)體納米二極管或半導(dǎo)體序材管。它主要是應(yīng)用量子線的量子效應(yīng)，其功能與量子 點(diǎn)極為相似。量子線如果是由單分子組成的，稱為分子半導(dǎo)體。它可分為兩種類型一種是 納米絲分子半導(dǎo)體和納米管分子半導(dǎo)體；另一種是有機(jī)大分子組成的分子半導(dǎo)體。量子線 的性能強(qiáng)烈依賴于其納粒，也體現(xiàn)了一定的納米結(jié)構(gòu)特征。 量子線(納米絲)的主要生成方法將某種高純度半導(dǎo)體材料在拉晶儀的熔爐中 的熔融坩堝融化，由拉著許多根該種材料籽納絲的機(jī)械裝置(其夾持器同時(shí)安裝許多平行 的獨(dú)立籽納絲，并且可以控制這些籽納絲各自獨(dú)立地非常緩慢地順著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))，非 常緩慢地將浸入該種半導(dǎo)體材料的熔融液中的籽納絲向上旋轉(zhuǎn)拉起；起先接觸籽納絲上的 熔融高純度半導(dǎo)體，將按照該籽納絲的納面和納面角以及納胞的納格形狀等，形成有規(guī)則、 長程有序排列的該材料的序材；然后隨著旋轉(zhuǎn)和向上移動(dòng)逐漸緩慢地形成獨(dú)立量子線。
納米絲與現(xiàn)有的微電子半導(dǎo)體相比，具有顯著優(yōu)良特征，是制造半導(dǎo)體序材管，尤 其是集成化和平面化敏感的量子元件的重要材料之一；也是多功能納米傳感器的主要材 料。 1.3量子薄膜(納米薄膜)在兩個(gè)方向上的電子態(tài)都是量子化的。它具有二維自 由度與分立數(shù)目的電子和能級(jí)。電子在量子薄膜內(nèi)的大尺度平面上運(yùn)動(dòng)，存在庫侖阻塞效 應(yīng)；并可以通過隧道結(jié)和電極或?qū)Ь€耦合，形成電子隧穿效應(yīng)。量子薄膜有一維處于納米尺 度，如納米薄膜和納米多層薄膜等。 現(xiàn)有的薄膜按構(gòu)成和致密程度，可以分為顆粒膜與致密膜。該薄膜晶粒粘在一起 而中間有微米級(jí)的極小間隙的薄膜，稱為顆粒膜。若膜層致密且晶粒之間存在尺寸為微米 數(shù)量級(jí)裂隙的連續(xù)薄膜，稱為致密膜。 量子薄膜的主要合成方法將某種高純度半導(dǎo)體材料在含有熔爐的拉晶儀的熔融坩堝中融化，由拉著該種材料籽納片的機(jī)械裝置(其夾持器可以同時(shí)安裝許多平行的獨(dú)立 籽納片，并且可以控制這些籽納片獨(dú)立地非常緩慢地順著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))，非常緩慢地旋 轉(zhuǎn)將浸入該種半導(dǎo)體材料的熔融液中的籽納片向上拉起；起先接觸籽納片上高純度熔融半 導(dǎo)體材料將按照該籽納片的納面和納面角以及納胞的納格形狀等首先形成有規(guī)則、長程有 序排列的該材料序材；然后隨著旋轉(zhuǎn)和向上移動(dòng)逐漸緩慢地形成許多分開的納米薄膜。
電致發(fā)光(EL)器件包含有能夠發(fā)光的半導(dǎo)體序材。透明導(dǎo)電氧化物序材可制成 太陽能光電池的部件。 納米薄膜與現(xiàn)有的微電子膜相比，具有顯著的結(jié)構(gòu)特征，是制造半導(dǎo)體納米膜的 優(yōu)良材料，尤其是集成化和平面化敏感的量子元件的重要材料之一；也是多功能納米傳感 器的主要材料。 1.4納米塊體是指由納粒構(gòu)成的塊體。它是納粒的凝聚體，屬于有三維自由度的納 米材料。它具有分立數(shù)目的電子和能級(jí)。納米塊體按組成結(jié)構(gòu)可分為納米單相材料和納 米復(fù)合材料。 半導(dǎo)體納米材料中，納米塊體的構(gòu)成是由納粒(尺寸為1-100納米)和它們之間 的分界面(簡稱界面)組成的。由于納米粒子尺寸極小，界面在塊體材料中所占的體積百 分比，往往與納粒所占體積的百分比差不多。若納米塊體中納粒的粒徑d為5nm，界面厚 度S為lnm，假設(shè)納粒為球體，則界面原子的體積百分比Cr二 (4 ji d3/3-4 ji (d-S )3/3)/ (4jid3/3) = (3dS (d-S)+S3)/d3 = 48.8% ;遠(yuǎn)大于晶體的晶粒界面的原子體積百分比。 這是序材與晶體的本質(zhì)差別。界面分為兩種組元晶體的微米組元和序材的納米組元。
該界面在納米塊體材料中的作用類似一般固體材料的晶粒間界；但它們?cè)诒举|(zhì)上 是不同的。 納米塊體的主要合成方法將某種高純度半導(dǎo)體材料在含有熔爐的拉晶儀的熔融 坩堝中融化，由拉著該種材料籽納塊的機(jī)械裝置(其夾持器同時(shí)安裝幾個(gè)平行的獨(dú)立籽納 塊，并且可以控制這些籽納塊獨(dú)立地非常緩慢地順著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))，非常緩慢地將浸入 該種高純度半導(dǎo)體材料的熔融液中的籽納塊拉起；起先接觸籽納塊上的熔融半導(dǎo)體材料， 將按照該籽納塊的納面和納面角以及納胞的納格形狀等首先形成有規(guī)則、長程有序排列的 該材料序材；然后隨著旋轉(zhuǎn)和向上移動(dòng)逐漸緩慢地形成各自的納米塊體。
納米塊體的熔點(diǎn)明顯降低。如銀的熔點(diǎn)通常為670。，而納米銀的熔點(diǎn)可低于 IO(TC;用納米銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)。這樣半導(dǎo)體納米器件的基片可用硅 基或納米復(fù)合塑料替代耐高溫陶瓷等。 納米塊體與現(xiàn)有的微電子晶體相比，具有顯著的優(yōu)良特征，是制造半導(dǎo)體器件的 優(yōu)良納米材料。它尤其是集成化和平面化敏感的量子元件的重要材料之一 ；也是多功能納 米傳感器的主要材料。 1.5至少有一個(gè)大尺度方向的各個(gè)原子簇之間距離都屬于納米尺度范圍內(nèi)的序 材，稱為原子簇序材。 原子簇(納點(diǎn))在空間排列沒有周期性或無規(guī)則結(jié)合的納米材料，稱為原子簇非 序材。 由許多無規(guī)則地排列的小尺度空間原子簇序材組成的納米材料，稱為原子簇混序 材(或納米原子簇)。
原子簇多晶體與原子簇混序材的根本區(qū)別是多晶體結(jié)構(gòu)中存在微米數(shù)量級(jí)尺度 的各種裂隙或缺陷，并且這些裂隙或缺陷使得該多晶體中不存在它具有的各個(gè)大尺度方向 的原子簇之間的距離都小于100納米。 納米原子團(tuán)簇具有納米材料的性質(zhì)外，其物理化學(xué)性質(zhì)隨著所含有的原子數(shù)而發(fā) 生變化。它有許多奇異的特性，如極大的比表面積使它們具有極高的物理化學(xué)活性、光的 量子效應(yīng)、電導(dǎo)的幾何尺寸效應(yīng)、摻雜物質(zhì)的導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性、碳納米管和碳蔥的導(dǎo)電性 等。納米原子簇是半導(dǎo)體納米器件的極優(yōu)良材料。 原子簇序材的制備方法序材基本生成技術(shù)。它可以生成原子簇序材和碳納米管 序材。 現(xiàn)有的原子簇是尺寸等于或小于2納米的原子聚集物。它一般是幾個(gè)至幾百個(gè)原 子的聚合體。其典型代表是Fen、CUnSm、C;Hm(n和m都是整數(shù))與碳簇(C2。、C36、C5。、C6。、C7。、 C8。和富勒烯等)。 原子簇可分為一元原子團(tuán)簇、二元原子團(tuán)簇、多元原子團(tuán)簇和原子簇化合物。
現(xiàn)有原子團(tuán)簇是介于單個(gè)原子與固態(tài)之間的原子集合體。它們的原子排列結(jié)構(gòu)和 電子運(yùn)動(dòng)既不同于分子，也不同于塊體。原子團(tuán)簇是以弱力結(jié)合的松散團(tuán)簇和周期性很強(qiáng) 的晶體。它們大都是通過化學(xué)鍵結(jié)合的；形狀是多種多樣的。原子團(tuán)簇有球狀、管狀、線狀、 層狀和洋蔥狀等。目前尚未形成規(guī)整的晶體。 碳納米管(carbon nanotubes， CNT)是由 一層或多層石墨層片按照一定螺旋 角巻曲而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)、直徑為納米數(shù)量級(jí)的圓柱殼體。根據(jù)石墨層片的不同，碳 納米管可分為單壁碳納米管(single-walledcarbon nanotubes， SWCNT)、雙壁碳納米管 (double-walled carbon nanotubes, DWCNT)禾口多壁碳纟內(nèi)米管(multi-walled carbon nanotubes,麗CNT)。它們電學(xué)和光學(xué)等性能與其幾何結(jié)構(gòu)，如直徑和螺旋角相關(guān)。
碳納米管分子半導(dǎo)體具有直徑小、長徑比大、可作為導(dǎo)體也可作為半導(dǎo)體等優(yōu)異 性能。 碳納米管又可以根據(jù)其螺旋角的不同，分為螺旋型和非螺旋型碳納米管。它的性 質(zhì)與其納米結(jié)構(gòu)有關(guān)。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體碳納米管的主要合成方法石墨電弧法、激光蒸發(fā)法和催化裂解法等。 1. 6由與基體不同的納粒(或納米材料)摻入非納米基體而組成的復(fù)合材料，稱為 納米復(fù)合材料。 納米復(fù)合材料是由分散相(也稱為增強(qiáng)體)以納米的形態(tài)分布于其他非納米物質(zhì) 連續(xù)相(也稱為非納米基體)中的復(fù)合材料。增強(qiáng)體可以是納米顆粒、納米晶片、納米晶須、 納米纖維等。它可采用非納米材料基本制造技術(shù)；制造過程中，在粉末或熔融液中事先摻入 增強(qiáng)體。它生成方法還有Langmuir-Blodgett(LB)。 納米復(fù)合材料熔點(diǎn)下降等性質(zhì)，可用于半導(dǎo)體納米器件的制造工藝。在硅中加入 0. 1-0. 5X重量比鎳納粒后，可使燒結(jié)溫度從300(TC降低到120(TC，可在較低的溫度下燒 制成大功率半導(dǎo)體序材管的基片。 1. 7由與基體不同的微米顆粒(或納粒)摻入納米基體而組成的納米材料，稱為復(fù) 合納米材料。
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復(fù)合納米材料是由分散相(也稱為增強(qiáng)體)以微米顆粒(或納米)的形態(tài)分布于 其他納米基體物質(zhì)中的復(fù)合材料。增強(qiáng)體可以是微米(或納米)顆粒、微米(或納米)晶 片、微米(或納米)晶須、微米(或納米)纖維等。它可以采用序材基本生成技術(shù)；但在序 材生長時(shí)，在熔融液中事先摻入增強(qiáng)體。 復(fù)合納米材料的主要合成方法還有離子注入、真空蒸發(fā)法、濺射法、等離子體沉 積和溶膠凝膠法等。 納米材料的熔點(diǎn)明顯降低。如銀的熔點(diǎn)通常為670。，而納米銀的熔點(diǎn)可低于 IO(TC;用納米銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)。這樣半導(dǎo)體納米器件的基片可用硅 基或納米復(fù)合塑料替代耐高溫陶瓷等。 采用納米銀粉漿料，可使納米薄膜的厚度均勻，覆蓋面積大，即省料又高質(zhì)量
2.導(dǎo)體或半導(dǎo)體納米器件。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體納米器件和集成電路的納米芯片等的非線性基本結(jié)構(gòu)是納米隧道 結(jié)。它能構(gòu)成半導(dǎo)體二端和三端器件，相應(yīng)的電路稱為電子盒和單電子三極盒。由電子盒 組合，可以產(chǎn)生變頻、調(diào)相、邏輯、運(yùn)算和存儲(chǔ)電路等，以此完成信號(hào)加工任務(wù)。電子盒利用 量子效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有半導(dǎo)體晶體二極管不能實(shí)現(xiàn)的功能。單電子三極盒可以調(diào)節(jié)門電位， 通過改變納粒的量子勢(shì)能，從而調(diào)節(jié)電子的隧穿。所以單電子三極盒具有控制量子電流輸 運(yùn)的作用。單電子三極管是放大器件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有半導(dǎo)體晶體管不能實(shí)現(xiàn)的功能。
納米發(fā)光二極管的伏安特征曲線與普通半導(dǎo)體二極管類似。由于納米發(fā)光二極 管是輸出光信號(hào)的；所以它所采用的材料與結(jié)構(gòu)，除了具有電學(xué)特性外，還必須具有光學(xué)特 征。發(fā)光二極管的發(fā)光能力是依靠PN結(jié)注入的電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量。其中的 一部分變?yōu)楣饽苁拱雽?dǎo)體發(fā)光。發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦?；并且其中的正向電流越大?發(fā)光越強(qiáng)。它包括可見光、不可見光和激光等不同類型；其發(fā)光顏色決定于所用材料?，F(xiàn)有 的顏色是紅、綠、黃和橙等色。發(fā)光二極管可以制成各種形狀，如長方形、圓形等。
導(dǎo)體或半導(dǎo)體納米器件和集成電路的納米芯片等制備技術(shù)的關(guān)鍵是序材芯片的 制造技術(shù)。 具有兩個(gè)隧道結(jié)的半導(dǎo)體納米器件，稱為半導(dǎo)體三極納材管，也簡稱半導(dǎo)體序材 管。它分為兩種類型。 2. 1電子盒依靠摻雜序材桂的隧道結(jié)和量子點(diǎn)的量子隧道效應(yīng)靈敏，可觀測(cè)到 單電子行為。隧道結(jié)和量子點(diǎn)是半導(dǎo)體納米器件或者單電子器件(Single electron devices, SED)的基本單元。其重要參量是隧穿速率和閥值電壓。 一般要求隧道結(jié)電阻& >> RK = h/e2 " 26k Q (庫侖阻塞電阻)。 半導(dǎo)體納米器件是超高密度的集成電子器件。每個(gè)基本單元的尺寸小于10納米； 電路的集成度可達(dá)到1012B/cm2。它要求功耗小于0.46 W/cm2。每開關(guān)一次，傳輸?shù)碾娮訑?shù) 必須小于10個(gè)。因此納米器件中的量子單元的操作接近單電子行為。其中最主要的基礎(chǔ) 器件是電子盒、半導(dǎo)體序材管和單電子存儲(chǔ)器等。 高純度硅棒在柴可拉斯基式拉晶儀中的熔融坩堝融化，由拉著籽納材硅的機(jī)械裝 置(例如籽納材硅夾持器)非常緩慢地順著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，將浸入熔融硅中的籽納材硅 向上拉起；起先接觸籽納材硅上的熔融硅按照該籽納材硅的納格和納面角等首先形成有規(guī) 則、長程有序排列的序材硅；然后逐漸形成序材硅錠。
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在序材硅生長時(shí)，如果在熔融硅中摻入雜質(zhì)硼(或磷)原子，就可以獲得P型(或 N型)半導(dǎo)體序材硅。序材硅錠經(jīng)過切割、研磨、拋光等步驟，獲得拋光序材硅片。以拋光序 材硅片為襯底，在它的上面就可以制造半導(dǎo)體納米器件或集成電路的納米芯片。
2. 2數(shù)量不少的序材硅二極管、半導(dǎo)體序材管和集成電路納米芯片都要在納米外 延片上制造。納米外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行序材生長的技術(shù)。在一定條件下，以襯 底的序材硅片(或序材硅絲)作為籽納材硅，讓原子(如硅原子)有規(guī)則地按照該籽納材 硅的結(jié)構(gòu)逐漸排列在該襯底上，形成一層具有一定導(dǎo)電類型、電阻率、厚度和完整納格結(jié)構(gòu) 的序材層。外延生長溫度比柴可拉斯基式拉晶儀中熔融硅的溫度低很多。外延生長溫度低 于硅的熔點(diǎn)約為30% -50%。 還原硅化合物所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，生成的游離態(tài)硅原子性質(zhì)非常活潑，在高溫下 具有大量的熱能。當(dāng)它落下與襯底序材表面的硅原子進(jìn)行撞擊時(shí)，將熱能放出，并按照襯底 序材硅的原子排列的規(guī)律而依次排在其表面上。游離態(tài)硅原子源源不斷地沉積下來，依照 籽納材硅的結(jié)構(gòu)整齊地形成序材硅外延層。 外延生長技術(shù)一般采用化學(xué)氣相淀積(CVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)方法。 2. 2. 1用CVD方法生長序材硅外延層的原理，如圖6所示。這是采用硅烷熱分解的 方法。它是在高溫下將硅烷熱分解生成硅原子淀積在序材硅襯底上而形成的。其中的上部 為氣相反應(yīng)，中間部分是沉積的外延層，下邊部分是序材硅襯底。 這種方法的生長原理與用氫還原四氯化硅生成游離硅相似。其優(yōu)點(diǎn)是硅烷熱分解 所需要的溫度較低，可減小自摻雜效應(yīng)和反擴(kuò)散效應(yīng)等，容易制備高純度的序材硅外延層。 該反應(yīng)一般在常壓CVD反應(yīng)爐中進(jìn)行，通過在反應(yīng)氣體中增加氫化物雜質(zhì)摻雜(如乙硼烷、 砷烷、磷烷等)，可以獲得P型或N型半導(dǎo)體序材。 2. 2. 2分子束外延(MBE)是一種特殊的真空蒸發(fā)法。該方法生長序材硅外延層，主 要有等離子增強(qiáng)(P-MBE)和激光增強(qiáng)(LASER MBE，L-MBE)兩種。它是在系統(tǒng)維持超高真空 和襯底原子級(jí)清潔的條件下，通過原子、分子或離子的物理沉積實(shí)現(xiàn)序材外延生成，特別適 合生長超薄多層量子阱和超納格序材。 —個(gè)或多個(gè)熱原子(或熱分子)束蒸發(fā)到襯底序材硅的表面上，沿著某一序材的 納面外延生長出來原子級(jí)厚度和平整度的量子序材薄膜，并且該薄膜厚度、組分、摻雜等都 可精確控制，適合制備優(yōu)質(zhì)的序材薄膜和超納格薄膜。MBE應(yīng)用的關(guān)鍵是納米材料和序材襯 底的納格常數(shù)以及類型匹配。 MBE既能精確控制序材外延層的化學(xué)配比，又能精確控制雜質(zhì)分布，序材襯底溫度 低并能夠有效抑制固相外擴(kuò)散和自摻雜。它制備的ZnO序材薄膜具有很高的純度，半導(dǎo)體 的性能很好，具有很好的光電特性。 2.3兩種載流子(電子和空穴)都參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體序材管，稱為雙極型半導(dǎo)體 序材管，簡稱雙納管(圖8)。雙納管的基本結(jié)構(gòu)(圖9)是由兩個(gè)隧道結(jié)(Rpig串聯(lián)組成 的。兩個(gè)隧道結(jié)相連接的中間部分是中心島(Central island)。它的三個(gè)極分別稱為源 極(Source)，漏極(Drain)和柵極(Gate)。柵極也稱為門極。在總電位U的作用下，隧道 電流穿過隧道結(jié)&的勢(shì)壘，經(jīng)過中心島后再穿過隧道結(jié)R2的勢(shì)壘，最終流到漏極。外加的 柵極偏壓Ug可以控制遂道結(jié)&和隧道結(jié)R2量子電流的大小；該柵極通過電阻或電容與中
18心島耦合，改變中心島的電子狀態(tài)，達(dá)到控制隧道電流的目的。它實(shí)質(zhì)上是一薄層P型納米 半導(dǎo)體夾在(或串聯(lián)在)兩層N型納米半導(dǎo)體中間，稱為NPN型雙納管；或者是一薄層N型 納米半導(dǎo)體夾在(或串聯(lián)在)兩層P型納米半導(dǎo)體中間，稱為PNP型雙納管。
雙納管的基本結(jié)構(gòu)和等效電路與現(xiàn)有的雙極型晶體管器件十分相似，都有源極、 漏極和柵極，但它們的工作原理卻并不相同。雙納管是由兩個(gè)隧道結(jié)和中心島控制電子的 隧穿運(yùn)動(dòng)；電流是由量子化的單個(gè)或多個(gè)電子的階梯式運(yùn)動(dòng)形成的。現(xiàn)有晶體管是通過兩 個(gè)背靠背的PN結(jié)控制大量電子流動(dòng)，電流是連續(xù)的。 雜質(zhì)擴(kuò)散方法主要有恒定表面源擴(kuò)散和限定源擴(kuò)散。恒定表面源擴(kuò)散方法主要有 固態(tài)源擴(kuò)散(圖12)和液態(tài)源擴(kuò)散兩種。在固態(tài)源擴(kuò)散中，大多數(shù)固態(tài)源是雜質(zhì)的氧化物 或其他化合物，如B203、 BN、 P205等。 2. 3. 1平面雙納管采用序材硅片作為襯底，其兩個(gè)隧道結(jié)可由擴(kuò)散工藝形成，亦稱 為雙擴(kuò)散納米平面管。其主要過程是在N型序材硅片上生長一層二氧化硅薄膜，利用光刻 技術(shù)在氧化膜上刻出擴(kuò)散窗口，進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成隧道結(jié)和P型納米中心島；然后在P型納 米中心島的該氧化膜上再光刻一個(gè)窗口 ，進(jìn)行高濃度的磷擴(kuò)散，形成另一個(gè)隧道結(jié)，并獲得 N+型納米源極。最后采用鋁蒸發(fā)工藝制備出柵極和源極的引出電極，從原P型序材引出漏 極。因序材硅片表面全部被氧化層所覆蓋，所以稱為平面雙納管，結(jié)構(gòu)如圖10。
2. 3. 2外延平面雙納管是在平面雙納管的基礎(chǔ)上發(fā)展的另一種雙納管。其制備過 程為在電阻率較低的N+型序材硅片上，先用外延技術(shù)生長一層電阻率較高的N型納米層， 然后在外延層上利用氧化、光刻、擴(kuò)散等平面工藝，依次進(jìn)行受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)擴(kuò)散，以獲 得P型納米中心島和^型源極和柵極；從原P型序材引出漏極。其結(jié)構(gòu)如圖ll所示。
外延平面雙納管的中心島電阻率很低，漏極隧道結(jié)串聯(lián)電阻很小，使漏極飽和壓 降減小，中心島寬度Wb很薄，從而使外延平面雙納管在頻率特性、開關(guān)速度和功率等方面 都比平面雙納管有很大的提高與改善。 2.4只有一種載流子(電子或空穴)參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體序材管，稱為單極型半導(dǎo) 體序材管，簡稱單納管。它是不同于雙納管的另一類半導(dǎo)體序材管；是一種電壓型控制器； 分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)單納管、金屬_半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)單納管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)單納管。在絕緣柵場(chǎng) 效應(yīng)單納管中可用半導(dǎo)體鍺或硅為襯底納米材料，也可用半導(dǎo)體納米化合物砷化鎵、磷化 銦為襯底納米材料。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)單納管的絕緣層可選二氧化硅、四氮化硅和氧化鋁等。 M-Si02-Si是絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)單納管的代表，稱為M0S場(chǎng)效應(yīng)單納管，簡稱M0S單納管。
金屬-氧化物-半導(dǎo)體納材硅的結(jié)構(gòu)是M0S單納管的基本結(jié)構(gòu)(圖13)。以半導(dǎo) 體P型序材硅作為襯底，采用平面工藝制作N型溝道M0S場(chǎng)效應(yīng)單納管的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè) 四端器件。其是在輕摻雜濃度均勻的P型序材硅襯底上，用擴(kuò)散或/和離子注入方法形成 兩個(gè)N"區(qū)，分別為納米源區(qū)和納米漏區(qū)，并制作歐姆接觸電極，作為源極S和漏極D ;在源區(qū) 和漏區(qū)之間的區(qū)域上，用氧化工藝生長一層優(yōu)質(zhì)的二氧化硅薄膜，在氧化膜的上面用蒸發(fā) 合金工藝制作歐姆接觸電極，覆蓋一層金屬作為柵極G。這樣就形成MOS單納管的管芯。另 外還有一個(gè)納米襯底電極B。在單納管應(yīng)用時(shí)， 一般將源極S和襯底B短接，形成一個(gè)三端 器件。在集成電路中源極不與襯底B相連而成為四端器件。單納管的P型納米襯底和兩個(gè) N"區(qū)，稱為M0S中心島。 M0S單納管工作原理(圖14)最關(guān)鍵是在柵極與源_襯底之間的正電壓Ues大于閥值電壓UT時(shí)，中心島在與氧化層結(jié)合處形成導(dǎo)電溝道，將納米源區(qū)和納米漏區(qū)連通；然后在其正向偏置電壓UDS下，產(chǎn)生量子漏電流IDS，實(shí)現(xiàn)柵電壓對(duì)漏電流的控制。它服從量子效應(yīng)，故可作納米放大器和納米開關(guān)元件等。 單個(gè)原子團(tuán)(或原子)具有M0S中心島功能的半導(dǎo)體序材管，稱為單原子團(tuán)(或單原子)半導(dǎo)體序材管，簡稱原子管。單個(gè)分子具有MOS中心島功能的半導(dǎo)體序材管，稱為單分子半導(dǎo)體序材管，簡稱分子管。它們包括原子團(tuán)(或分子)半導(dǎo)體單納管；原子團(tuán)(或分子)開關(guān)；原子團(tuán)(或分子)繼電器；原子團(tuán)(或分子)存儲(chǔ)器等。它們基礎(chǔ)元件是在半導(dǎo)體序材管的源極、柵極和漏極之間放一個(gè)與外界不相連的單個(gè)原子團(tuán)(或原子)或者單
個(gè)分子(圖8)。因此納米材料的電/光的特性是由分子或原子的結(jié)構(gòu)決定的。 將單納管結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體換成具有MOS功能的原子團(tuán)(原子)或分子，就構(gòu)成原
子管或分子管(圖16)。 納米材料的納粒中，每個(gè)原子團(tuán)(或分子)中各個(gè)原子的價(jià)帶電子都不再屬于該原子團(tuán)，而為所有原子團(tuán)共有，稱為導(dǎo)電電子；每個(gè)原子團(tuán)(或分子)中各個(gè)原子的滿帶空穴都不再屬于該原子團(tuán)，而為所有原子團(tuán)共有，稱為導(dǎo)電空穴。分子(或原子團(tuán))具有導(dǎo)電電子，稱其為施主原子團(tuán)或N型納點(diǎn)。分子(或原子團(tuán))具有接受價(jià)電子的導(dǎo)電空穴，稱其為受主原子團(tuán)或P型納點(diǎn)。例如，一個(gè)III族元素與二個(gè)VI族元素組成的原子團(tuán)多出一個(gè)導(dǎo)電空穴，是P型原子團(tuán)。單個(gè)III族元素的原子多出三個(gè)導(dǎo)電電子，是N型原子團(tuán)。將P型原子團(tuán)置于N型原子團(tuán)的兩邊，才有可能獲得兩個(gè)隧道結(jié)，構(gòu)成一個(gè)具有M0S中心島功能的單納管。將N型原子團(tuán)置于P型原子團(tuán)的兩邊，也有可能獲得兩個(gè)隧道結(jié)，構(gòu)成一個(gè)具有M0S中心島功能的單納管。 原子管定律施主原子團(tuán)和受主原子團(tuán)共同形成的隧道結(jié)具有中心島功能時(shí)，才有可能構(gòu)成原子管。 這些量子單納管的基本結(jié)構(gòu)和等效電路與現(xiàn)有的單極型晶體管中結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISFET)十分相似，但它們的工作原理卻并不相同。 2. 4. 1原子管序材硅基板上隔離一層二氧化硅層，其上面的元件是厚度為3納米的IIIA族或VB族的金屬膜。這些金屬氧化物隧道結(jié)是用掃描探針顯微鏡(包括STM、AFM)對(duì)該金屬膜進(jìn)行陽極氧化而形成的。圖15是原子管的等效電路。單納管的源極S和漏極D分別與金屬銦(In)連接，它的兩個(gè)隧道結(jié)是由兩條InOx納米線構(gòu)成。中心島區(qū)域是由兩端被In0x圍住的金屬銦。柵極G通過Si02板與其他的元件隔離。 2. 4. 2單原子存儲(chǔ)器可以利用與制作原子管的陽極氧化加工相同的方法。圖15是其等效電路。它具有一個(gè)控制單個(gè)電子隧穿的多隧道結(jié)Ctt是由5-7個(gè)單隧道結(jié)連接組成的。每個(gè)隧道結(jié)有一個(gè)用于存儲(chǔ)電子的電容Cgt和一個(gè)用于檢測(cè)存儲(chǔ)電子數(shù)量的單納管的中心島，通過電子存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)器柵極電容Cg相耦合連接。整個(gè)存儲(chǔ)器中共有4個(gè)電極電壓，其中電極電壓U皿用于電子的存儲(chǔ)控制；另外3個(gè)電極電壓是測(cè)量用的單納管的源極電壓Us、漏極電壓Ud和柵極電壓Ug(圖15)。 2. 4. 3有機(jī)分子單納管某些有機(jī)大分子具有半導(dǎo)體性能，即它具有M0S中心島功能。每個(gè)脫氧核糖核酸(DNA)分子是由雙股螺旋狀的脫氧核糖核苷酸構(gòu)成的多核甘酸鏈；是盤曲折疊的高分子，其中堿基CG、AT成對(duì)出現(xiàn)。這種獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使它不僅能在生物體存儲(chǔ)和傳輸信息，同時(shí)還可通過DNA堿基堆積形成隧道結(jié)。這種隧道結(jié)是生物半導(dǎo)體納米二極管和納米三極管的基礎(chǔ)單元。 分子自組裝超薄膜具有優(yōu)良的光、電、磁和機(jī)械等功能。它包括自組裝單層膜(self-assembly monolayermembrane， SAM)禾口自組裝多層膜(self-assembly multiplayermembrane, SA匪s)。 2. 4. 4納粒是碳原子團(tuán)簇的序材所構(gòu)成的單納管，稱為碳納材管。它的光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)和電致發(fā)光性能與碳原子之間的化學(xué)鍵密切相關(guān)。碳納材管可當(dāng)作石墨烯片巻曲構(gòu)成的；在很大范圍內(nèi)改變電學(xué)或光學(xué)性能。 按照碳納材管的導(dǎo)電性能，它可分為定向的和無序的碳納材管。單壁碳納材管的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，其導(dǎo)電性能取決于碳納材管的直徑和螺旋角。對(duì)于半導(dǎo)體單壁碳納材管，其能隙寬度與其直徑呈反比關(guān)系。小直徑的碳納材管可以出現(xiàn)量子效應(yīng)。碳納材管中的結(jié)構(gòu)缺陷可以改變其電學(xué)和光伏性能。 碳納材管既具有金屬導(dǎo)電性，也有半導(dǎo)體導(dǎo)電性。這主要與其直徑和螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。直徑與螺旋結(jié)構(gòu)主要由手性矢量所決定。當(dāng)手性矢量符合一定數(shù)時(shí)，單壁碳納材管為金屬導(dǎo)電性；否則它為半導(dǎo)體導(dǎo)電性。 某些特別的結(jié)構(gòu)缺陷可導(dǎo)致同一個(gè)碳納材管既具有金屬的導(dǎo)電性又具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，如通過將單壁碳納材管進(jìn)行折彎，從而使碳納材管在折彎處具有與本體不同的電學(xué)性能，由此可以獲得納米二極管。 2. 4. 4. 1碳納材管的光能轉(zhuǎn)換電能性質(zhì)是由其單向?qū)щ姾凸夥?yīng)所引起的。半導(dǎo)體納米二極管中的電子(或空穴)吸收大于其原子束縛能的光子能量而被激發(fā)成為非平衡載流子并作定向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生光生電流和電動(dòng)勢(shì)。 2. 4. 4. 2碳納材管的電致發(fā)光性質(zhì)是由其納米結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體納米二極管在
吸收電能后，引起電子在不同能級(jí)之間跳遷的同時(shí)反射光子，產(chǎn)生電致發(fā)光效應(yīng)。 2. 4. 4. 3碳納材管由于制造工藝的限制，完美的碳納材管在實(shí)際制備中幾乎無法
獲得；管壁中不可避免地含有缺陷。通過調(diào)整缺陷在碳納材管的位置而制成的半導(dǎo)體材管，
可以分為兩類。其中一類是具有放大功能和量子效應(yīng)的單納管；另一類是具有開關(guān)功能的
納米開關(guān)器。 2. 4. 4. 4碳納材管的光致發(fā)光性質(zhì)是多壁碳納材管的一種功能。利用遠(yuǎn)紅外線激發(fā)碳納材管，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的可見光。采用化學(xué)氣相淀積(CVD)法，制備高定向多壁碳納材管膜(A麗NT)。將該薄膜在真空中放在鋁矩陣上，用波長為10. 6 ii m和1. 06 ii m的兩種激光對(duì)納材管進(jìn)行激發(fā)，納材管發(fā)出強(qiáng)烈耀眼的可見光。


圖l空間電荷區(qū)示意圖?？臻g電荷區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷形成一個(gè)電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。
它使得N區(qū)和P區(qū)之間存在電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差稱為PN結(jié)的接觸電勢(shì)差。 圖2納米光電器示意圖。半導(dǎo)體二極管受到光線照射時(shí)，無論是P區(qū)、N區(qū)還是空
間電荷區(qū)，只要光子能量大于禁帶寬度的光子，都能生成電子-空穴對(duì)；N區(qū)有電子積累，P
區(qū)有空穴積累，就形成光生電壓。 圖3納米材料電容示意圖。兩個(gè)金屬電極之間有一個(gè)極薄的絕緣層，可看作是一個(gè)孤立的平板電容。若隧道結(jié)上有電壓，則該電極板上具的靜電能。 圖4掃描隧道顯微鏡示意圖。它是用來檢測(cè)微觀形貌和加工的；具有極高的空間分辨能力。其主要構(gòu)成有頂部極細(xì)控針、用于三維掃描的三個(gè)相互垂直的壓電陶瓷、以及用于掃描和電流反饋的控制器等。 圖5電致發(fā)光納米器件示意圖。它加上正向電壓時(shí)；非平衡載流子在其邊界附近積累形成濃度梯度，非平衡載流子的濃度不相同，引起它們自表面向內(nèi)部擴(kuò)散。它們向PN結(jié)擴(kuò)散時(shí)，形成光子向外發(fā)光。 圖6硅烷熱分解生成外延層的示意圖。它的上部表示氣相反應(yīng)，中間部分是沉積的外延層，下邊部分是序材硅襯底。游離態(tài)硅原子落在襯底上序材表面，并規(guī)則整齊地排列在序材表面形成序材硅外延層。 圖7納米砷化鎵相關(guān)的III族-V族化合物的MBE系統(tǒng)的示意圖。采用熱解氮酸硼制作的噴射爐用來分別填裝鎵、砷以及其他的摻雜劑；所有的噴射爐全部裝置在一個(gè)超高真空腔中；以獲得均勻的外延層。 圖8納米單電子三極管或半導(dǎo)體序材管的示意圖。它是由兩個(gè)隧道結(jié)和中心島控
制電子的隧穿運(yùn)動(dòng)；電流是由量子化的單個(gè)或多個(gè)電子的階梯式運(yùn)動(dòng)形成的。 圖9半導(dǎo)體序材管的基本結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩個(gè)隧道結(jié)(Rp R2)串聯(lián)組成的。兩
個(gè)隧道結(jié)相連接的中間部分是中心島。它的三個(gè)極分別為源極、漏極和柵極。柵極偏壓Ug
可以控制隧道電流的大小。 圖IO平面半導(dǎo)體序材管示意圖。其主要過程是在N型序材硅片上生長一層二氧化硅薄膜，利用光刻技術(shù)在氧化膜上刻出擴(kuò)散窗口 ，進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成隧道結(jié)和P型納米中心島；并獲得N+型納米源極。 圖ll外延平面半導(dǎo)體序材管示意圖。它是在電阻率較低的N+型序材硅片上，生長一層電阻率較高N型納米層，然后在外延層上進(jìn)行受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)擴(kuò)散，獲得P型納米中心島和N+型源極和柵極。 圖12固態(tài)源擴(kuò)散裝置示意圖。在固態(tài)源擴(kuò)散中，大多數(shù)固態(tài)源是雜質(zhì)的氧化物或其他化合物；由于每種雜質(zhì)源的性質(zhì)不同，擴(kuò)散系統(tǒng)也有所不同， 一般采用開管擴(kuò)散。
圖13M0S單納管的基本結(jié)構(gòu)示意圖。用擴(kuò)散或/和離子注入方法形成兩個(gè)N+區(qū)，分別為納米源區(qū)和納米漏區(qū)，并制作歐姆接觸電極，作為源極S和漏極D ;在其上生長二氧化硅薄膜，并制作電極作為柵極G。 圖14M0S單納管工作原理示意圖。在柵極與源_襯底之間的正電壓Ues大于閥值電壓UT時(shí)，在漏極和源極之間加上正向偏置電壓U^載流子就會(huì)通過導(dǎo)電溝道從源極流向漏極，實(shí)現(xiàn)柵電壓對(duì)漏電流的控制。 圖15單原子存儲(chǔ)器的等效電路示意圖。它具有一個(gè)控制單個(gè)電子隧穿的多隧道結(jié)Ctt。每個(gè)隧道結(jié)有用于存儲(chǔ)電子的電容Cgt和單納管的中心島；其他是測(cè)量用的源極電壓、漏極電壓和柵極電壓。 圖16單納管結(jié)構(gòu)示意圖。它是將單納管結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體換成具有MOS功能的原子團(tuán)(原子)或分子。
具體實(shí)施例方式
序材中原子的電子殼層是交疊的；電子不再完全局限在某一個(gè)原子上，它可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上。因此，原子殼層中的外層價(jià)電子可以在整個(gè)納米材料中運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)稱之為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。各個(gè)原子中只有能量相同的相應(yīng)殼層上的電子互相交疊時(shí)，電子才能在這些殼層之間轉(zhuǎn)移，引起與之相應(yīng)的共有化運(yùn)動(dòng)。序材的原子中一個(gè)電子從充滿價(jià)電子的滿帶被激發(fā)到導(dǎo)帶之后，則該滿帶出現(xiàn)空穴。它等同一個(gè)帶+e的電荷運(yùn)動(dòng)；引起空穴的共有化。顯然序材中這些電子(空穴)的運(yùn)動(dòng)是不同于原子中的其他電子(空穴)。這些電子(空穴)的共有化只是電子由一個(gè)殼層轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相應(yīng)殼層。
當(dāng)電子經(jīng)過每一個(gè)原子時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)仍接近于原來在原子殼層上的運(yùn)動(dòng)。因此序材中共有化電子還會(huì)保留著它們?cè)谠又械哪承┨卣?。另外，自由電子可在整個(gè)空間中運(yùn)動(dòng)，序材的共有化電子可在整個(gè)納米材料內(nèi)運(yùn)動(dòng)；因此共有化的電子基本特點(diǎn)也與自由電子有相似之處。當(dāng)然，序材中共有化電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用，與自由電子是不同的。由于長程有序的周期性重復(fù)的結(jié)構(gòu)，序材有其共性，例如均勻性、各向異性、對(duì)稱性和固定的熔點(diǎn)等。序材結(jié)構(gòu)的多樣性和組成的千變?nèi)f化，決定了序材各種各樣的具體特性。
序材中的納粒(包括分子、原子或離子等)的表面存在電荷；其在空間的排列呈規(guī)則的、周期性的陣列形式，一方面是由于兩個(gè)納粒中的原子之間存在電磁相互作用；另一方面也是由于兩個(gè)相鄰納粒的表面上電子云的"量子鍵合作用"。不同的電子云能導(dǎo)致納粒在空間作不同的排列，產(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)的序材。 按結(jié)合力的不同，可以將序材大略分為五個(gè)典型的結(jié)合類型離子鍵合(離子序材)、共價(jià)鍵合(原子序材)、范德瓦爾斯鍵合(分子序材)、金屬鍵合(金屬序材)和氫鍵合(氫鍵序材)。這種根據(jù)結(jié)合力的性質(zhì)，將序材分為五種典型的分類是相對(duì)的。例如，在大多數(shù)情況下，離子鍵合與共價(jià)鍵合并無明顯的界限，而是具有部分離子性和部分共價(jià)性的。金屬鍵合與共價(jià)鍵合之間的分界也不是明確的。有些金屬鍵合中含有共價(jià)的成分。對(duì)于大多數(shù)序材，結(jié)合力的性質(zhì)是綜合性的。 光能轉(zhuǎn)換為電能的納米器(圖2)不需要任何外加電源，只要有適當(dāng)頻率的具有一定光照強(qiáng)度的光線照射其表面，可產(chǎn)生光生電勢(shì)差。它接上蓄電池后，就可以對(duì)其進(jìn)行充電；接上負(fù)載電路后，就有光生電流。 電致發(fā)光納米器件(圖5)加上正向電壓后；非平衡載流子在其邊界附近積累形成濃度梯度。因非平衡載流子的濃度不相同，引起它們自表面向內(nèi)部擴(kuò)散。它們向PN結(jié)擴(kuò)散時(shí)，PN結(jié)上發(fā)生電子-空穴對(duì)復(fù)合，就形成光子向外發(fā)光。電致發(fā)光納米器件伏安特征曲線與普通半導(dǎo)體二極管類似。該納米器件是輸出光信號(hào)的；固它所采用的材料與結(jié)構(gòu)，除了具有電學(xué)特性外，還必須具有光學(xué)特征。發(fā)光納米器件的發(fā)光能力是依靠電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量，變?yōu)楣饽苁蛊浒l(fā)光。它也具有單向?qū)щ娦?；并且其中的正向電流越大，發(fā)光越強(qiáng)。電致發(fā)光納米器件包括可見光、不可見光和激光等不同類型；發(fā)光顏色決定于所用材料。 1.半導(dǎo)體納米材料的制備技術(shù)。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體納米材料的制備方法按反應(yīng)介質(zhì)，可分為固相法、液相法和氣相法；按反應(yīng)物狀態(tài)分為干法和濕法。 一種常用的分類方法是按反應(yīng)類型，它可分為物理法和化學(xué)法。
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物理法主要有真空冷凝法、機(jī)械球磨法、濺射法、液態(tài)金屬離子源法、機(jī)械合金化 法、非晶晶化法等。 化學(xué)法主要有沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法、溶液熱反應(yīng)法、溶液蒸發(fā)法、溶液還 原法、電化學(xué)法。 1. 1物理制備方法主要采用光、電等技術(shù)，使材料在真空或惰性氣體中蒸發(fā)，然后 使原子或分子形成納米材料的納粒，從而形成序材。以下是幾種主要的物理制備方法
1. 1. 1真空冷凝法用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法，使金屬或半導(dǎo)體原料汽 化或形成等離子體，然后快速或緩慢冷卻，最終在冷凝管(包括襯底)上形成納米尺度粒徑 的納粒；通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度場(chǎng)和氣體壓力等參數(shù)，可以控制納粒的尺寸和納粒之間的距離； 獲得良好的序材。用這種方法制備的納粒純度高、結(jié)晶組織好、粒度分布均勻并可控制，納 粒的最小粒徑可達(dá)2納米；適用于任何可蒸發(fā)的元素和化合物。 1. 1. 2機(jī)械球磨法以粉碎與研磨相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)材料粉末的納米化。適當(dāng)控 制機(jī)械球磨法的條件，可以獲得純?cè)?、合金或?fù)合材料的納粒。這種方法操作工藝簡單、 成本低廉、制備效率高、能夠制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬合金納?；虬雽?dǎo)體材 料納粒。但它的顆粒分布不均勻、純度較低。 1. 1. 3離子注入在離子注入機(jī)中離子源將某種元素的原子或分子轉(zhuǎn)換為離子， 然后這些離子在高達(dá)幾十至幾百千伏的電場(chǎng)下，注入到試樣(半導(dǎo)體、合金、聚合物等)的 表面，并進(jìn)入表面下的一定深度。 1. 2化學(xué)制備方法與物理制備方法主要區(qū)別在于化學(xué)制備法中伴隨著化學(xué)反應(yīng)。 以下為主要化學(xué)法 1. 2. 1氣相沉積法利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)來合成納粒。例如，利用激光 誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，可以精確控制納粒的粒徑和納粒間距等，制備出高純度、無粘結(jié)、 粒度分布均勻的納粒。氣相沉積法可以制備出幾納米至幾十納米的非序材或序材納粒，從 而獲得半導(dǎo)體非序材和序材。 1. 2. 2化學(xué)沉淀法(包括共沉淀法、均相沉淀法、多元醇沉淀法、沉淀轉(zhuǎn)化法和直 接轉(zhuǎn)化法等方法)將沉淀劑加入到包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，使溶液發(fā)生 水解反應(yīng)，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類而從溶液中析出；然后，將溶劑和溶 液之中原有的陰離子洗去；經(jīng)過熱分解或脫水處理，就可以得到納米尺度的粉體材料。這種 方法工藝簡單，適合制備納米氧化物粉體材料；但純度較低。 1. 2. 3水熱合成法(高溫水解法)制備序材時(shí)，在高溫高壓的條件下，先在水溶液 或水蒸氣等流體中合成，再經(jīng)過分離和熱處理來獲得納粒。它的優(yōu)點(diǎn)是純度高，粒度容易控 制。用水熱合成法可以制備出粒徑只有幾納米的序材。
1. 2. 4溶膠凝膠法它的基本原理是，金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)過水解后形成溶膠，然
后溶質(zhì)聚合凝膠化，再經(jīng)凝膠干燥、焙燒等低溫?zé)崽幚砣ニ挠袡C(jī)成分，最終得到無機(jī)材
料的納粒。這種方法的制備過程容易控制，納粒均勻，適合于制備無機(jī)材料的納粒。
1. 2. 5催化裂解法合成碳納材管的基本原理是有機(jī)碳源在高溫作用下分解出活
性的碳原子簇，在催化劑納粒的作用下，在一定環(huán)境和氣氛中重新排列形成碳納材管。因
此，通過調(diào)節(jié)碳源的種類、催化劑納粒的大小和種類、反應(yīng)溫度、氣氛等參數(shù)，可調(diào)控碳納材
管的類型、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和排列。
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1. 3原子簇C6?；煨虿牡氖娀》ㄔ谡婵辗磻?yīng)室內(nèi)充有壓力約13. 3kPa的高溫 氦氣，采用較粗的石墨棒作為陰極，較細(xì)的石墨棒作為陽極。在兩石墨電極棒之間接有直流 電壓時(shí)，在該室內(nèi)發(fā)生電弧放電，石墨陰極上沉淀出環(huán)狀產(chǎn)物，在反應(yīng)室內(nèi)壁沉淀出灰塵狀 產(chǎn)物，其中都含有C6。的黑色煙塵；在閥門和儀表控制下碳的煙灰緩慢冷卻；惰性氣體He使 碳弧釋放出的聚合成層片的碳原子在電弧附近保持較長時(shí)間，碳層片中的碳原子逐漸自動(dòng) 封閉而形成Ce。。 Ce。的提純過程為先凈化煙灰，再用乙醚洗滌除去碳?xì)浠衔?。Ce。精選方 法是在進(jìn)給溶液苯中添加適量的蒸餾水，除去非晶碳和不溶物質(zhì)，再緩緩加熱，干燥后獲得 比較純凈的Ce。序材。適量體積比的蒸餾水不影響Ce。的定向性；降低了原子簇的生長速率， 能制成缺陷較小的Ce。。 Ce。經(jīng)測(cè)量禁帶寬度為1. 7eV，是一種半導(dǎo)體材料。在C6。序材中摻入硼或磷之后可 制成雜質(zhì)半導(dǎo)體。 碳納米管混序材的橫截面是由兩個(gè)或多個(gè)同軸管組成；相鄰兩層管壁之間距離約 為0.34納米。這種管狀結(jié)構(gòu)是由類似于石墨的六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物。碳納米管一 般兩頭封閉，直徑在零點(diǎn)幾納米至幾十納米之間，長度可達(dá)幾微米至幾十微米。其中C6。富 勒烯可制成半導(dǎo)體序材管。碳納米管是半導(dǎo)體二極管。
2.導(dǎo)體或半導(dǎo)體納米器件制備技術(shù)。 單電子三極管或半導(dǎo)體序材管(圖8)中的量子電流是由量子化的單個(gè)或多個(gè)電 子的階梯式運(yùn)動(dòng)形成的。它們出現(xiàn)庫侖阻塞和電子隧穿的條件，在室溫下必須滿足兩個(gè)條 件①庫侖阻塞能必須大于熱擾動(dòng)能，否則熱噪聲將超過電子的量子隧穿過程；要出現(xiàn)庫 侖阻塞效應(yīng)，應(yīng)減小隧道結(jié)電容C。在室溫(T " 300K)時(shí)，熱擾動(dòng)能KBT = 25meV，電容C < 3. 2aF ;要求隧道結(jié)的面積極小，達(dá)到納米數(shù)量級(jí)；②隧道結(jié)的電阻&和!^，都必須大于 量子電阻，即VR2 > h/e2 " 26kQ 。 半導(dǎo)體序材管的基本結(jié)構(gòu)(圖9)是由兩個(gè)隧道結(jié)(R"ig串聯(lián)組成的。兩個(gè)隧道 結(jié)相連接的中間部分是中心島。它的三個(gè)極分別為源極、漏極和柵極。在總電位U的作用 下，隧道電流穿過隧道結(jié)Ri的勢(shì)壘，經(jīng)過中心島后再穿過隧道結(jié)1 2的勢(shì)壘，最終流到漏極。 柵極偏壓Ug可以控制隧道電流的大小。 平面半導(dǎo)體序材管的結(jié)構(gòu)如圖10 ;其采用序材硅片作為襯底，其兩個(gè)隧道結(jié)可由 擴(kuò)散工藝形成。它是在N型序材硅片上生長一層二氧化硅薄膜，利用光刻技術(shù)在氧化膜上 刻出擴(kuò)散窗口，進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成隧道結(jié)和P型納米中心島；然后在P型納米中心島的氧化 膜上再光刻一個(gè)窗口 ，進(jìn)行高濃度的磷擴(kuò)散，形成另一個(gè)隧道結(jié)，并獲得N+型納米源極與柵 極。最后采用鋁蒸發(fā)工藝制備出柵極和源極的引出電極，從原P型序材引出漏極。
外延平面半導(dǎo)體序材管的結(jié)構(gòu)如圖11 ;它是在平面半導(dǎo)體序材管的基礎(chǔ)上發(fā)展 的另一種半導(dǎo)體序材管。其制備過程為在電阻率較低的N+型序材硅片上，先用外延技術(shù) 生長一層電阻率較高的N型層，然后在外延層上利用氧化、光刻、擴(kuò)散等平面工藝，依次進(jìn) 行受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)擴(kuò)散，以獲得P型中心島和N+型源極和柵極，從原P型序材引出漏極。
半導(dǎo)體納米器件和集成電路的納米芯片制備技術(shù)均采用基于固態(tài)擴(kuò)散技術(shù)的平 面工藝，其工藝包括外延、氧化、光刻、雜質(zhì)擴(kuò)散及金屬化。制造一個(gè)完整的納米器件或集成 電路需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、掩膜版制造、納米芯片制造、裝配、檢測(cè)等幾十道工序才能完成。其中關(guān) 鍵和核心技術(shù)是納米芯片制備技術(shù)。
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2. 1序材硅是通過硅的化合物(如SiCl4和SiHCl3)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)分解或是通過 碳在爐內(nèi)對(duì)二氧化硅(硅砂SiO》進(jìn)行還原而獲得的。以后者為例，制造硅的原始材料是 用一種高純度的硅砂(Si02)和不同形式的碳(如焦炭、煤)放入爐管中加熱，則會(huì)發(fā)生以 下化學(xué)反應(yīng) SiC(固體)+Si02(固體)—Si(固體)+Si0(固體)+C0(氣體) 上述步驟可形成冶金級(jí)的硅，純度約為98%，將冶金級(jí)的硅粉碎并和氯化氫反應(yīng)，
生成三氯硅烷SiHCl3 Si (固體)+3HC1 (氣體)—SiHCl3 (氣體)+H2 (氣體) 三氯硅烷在室溫下為液態(tài)(沸點(diǎn)為30°C )，可利用分餾法將液體中不要的雜質(zhì)去 除，提純后的三氯硅烷再與氫作還原反應(yīng)生成電子級(jí)硅
SiHCl3(氣體)+H2(氣體)—Si(固體)+3HCl(氣體) 該電子級(jí)的硅為超高純度的多晶硅棒。它是包含許多不同大小以及方向的單晶區(qū) 域的硅材料；可作為制備序材硅的基本原料。 將高純度多晶硅放在柴可拉斯基式拉晶儀內(nèi)進(jìn)行序材的制備。最基本的方法是提 拉法，首先使多晶硅熔融成為液態(tài)，然后將一塊做過精確定向的序材硅(即籽納材硅)浸入 熔融硅中，旋轉(zhuǎn)籽納材硅并同時(shí)非常緩慢地從熔融液中向上拉起。這樣熔融硅在籽晶上按 其形態(tài)不斷生成，就拉出柱狀序材硅棒。 柴可拉斯基式拉晶儀有三個(gè)主要部分①爐子，包含一個(gè)熔融多晶硅(Si)的坩 堝、一個(gè)石墨基座、一個(gè)順時(shí)針方向(CW)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置、一個(gè)加熱裝置和一個(gè)電源供應(yīng) 器；②拉籽納材機(jī)械裝置，包括籽納材夾持器和逆時(shí)針方向(CCW)旋轉(zhuǎn)裝置；③環(huán)境控制， 包括氣體的供應(yīng)(如氬氣)、流量控制和排氣系統(tǒng)。另外，拉晶儀的溫度、籽納材直徑、拉籽 納材的速率和旋轉(zhuǎn)速率等參數(shù)都是用微機(jī)控制的，并用程序控制工藝步驟。此外，還有各種 傳感器和反饋回路，使整個(gè)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地反應(yīng)，確保序材硅錠的質(zhì)量。
序材硅生長時(shí)，如果在熔融硅中摻入雜質(zhì)硼(或磷)原子，就可以獲得P型(或N 型)序材。序材硅錠可用金剛石刀切成序材硅片，切割決定4個(gè)序材硅片參數(shù)表面方向 (如〈100〉或〈110>)，厚度(如0. 5-0. 7毫米)，傾斜度(從一端到另一端的序材硅片厚度 的差異)和彎曲度(從序材硅片的中心到邊緣的彎曲程度)。切割后的序材硅片經(jīng)研磨、拋 光等步驟，獲得拋光序材硅片。以拋光序材硅片為襯底，在它的上面就可以制造半導(dǎo)體納米 器件或集成電路的納米芯片。 2. 2納米外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行序材生長的技術(shù)。在一定條件下，以襯底 序材硅作為籽納材硅，讓原子(如硅原子)有規(guī)則地排列在該襯底上，形成一層具有一定導(dǎo) 電類型、電阻率、厚度和完整納格結(jié)構(gòu)的序材層。這個(gè)新的序材層是在原來襯底納面向外延 伸的結(jié)果。這個(gè)新生長的序材層，就是外延層。外延生長溫度比柴可拉斯基式拉晶儀中熔 融硅的溫度低很多(一般約低于30%_50%)，外延生長技術(shù)一般采用化學(xué)氣相沉積(CVD) 和分子束外延生長(MBE)。 2. 2. 1化學(xué)氣相淀積(CVD)是指通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜 材料的過程。CVD膜的結(jié)構(gòu)可以是序材、混序材或非序材。淀積序材硅薄膜的CVD過程，通 常稱為外延。常用的CVD方法主要有三種常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD)、低壓化學(xué)氣相淀積 (LPCVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)。 CVD的機(jī)制包含主要步驟①反應(yīng)物(例如氣體和摻雜物質(zhì))輸送到襯底的區(qū)域范圍；②它們被轉(zhuǎn)移到襯底表面并且被吸收；③發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)，在表面催化并伴隨外延層的生長；④氣相生成物被釋放到主氣體流中；⑤反應(yīng) 生成物被輸出到反應(yīng)爐之外。用CVD方法生長序材硅外延層的反應(yīng)劑主要有四種四氯化
硅(sici4)、二氯硅烷(siH2cg、三氯硅烷(siHcg和硅烷(siH4)。 采用硅烷熱分解生成外延層，是在高溫下將硅烷熱分解生成硅原子沉積在序材襯 底上，其分解反應(yīng)為 SiH4(氣體)一Si (固體)+2H2(氣體) 圖6中的上部表示氣相反應(yīng)，中間部分是沉積的外延層，下邊部分是序材硅襯底。 反應(yīng)生成的游離態(tài)硅原子性質(zhì)非?；顫?，在高溫下具有大量的熱能。當(dāng)它落下與襯底表面 的硅原子進(jìn)行撞擊時(shí)，將熱能放出，并按照襯底序材硅的納面原子排列的規(guī)律而依次排在 表面上?？傊磻?yīng)生成的游離態(tài)硅原子源源不斷地沉積下來，依照籽納材硅的規(guī)則整齊地 排列在襯底表面形成序材硅外延層。 這種方法的生長工藝與用氫還原四氯化硅相比較，優(yōu)點(diǎn)是硅烷熱分解所需要的溫 度較低，可以減小自摻雜效應(yīng)和反擴(kuò)散效應(yīng)等，容易制備高純度的外延層。該反應(yīng)一般在常 壓CVD反應(yīng)爐中進(jìn)行，通過在反應(yīng)氣體中摻雜氫化物雜質(zhì)(如乙硼烷、砷烷、磷烷等)，可以 獲得P型或N型半導(dǎo)體序材。 2.2.2用分子束外延(MBE)方法生長序材硅外延層，是在超高真空(約
10—8-10—1QPa)條件下，一個(gè)或多個(gè)熱原子或熱分子束蒸發(fā)到襯底表面上形成外延層的方法。 這些游離態(tài)硅原子在高溫下性質(zhì)非?；顫姟．?dāng)它源源不斷地沉積下來，就依照籽納材硅的 規(guī)則整齊地排列在襯底表面形成序材硅外延層。 MBE既能精確控制外延層的化學(xué)配比，又能精確控制雜質(zhì)分布，還具有溫度低 (400-800°C )特點(diǎn)。 圖7是納米砷化鎵相關(guān)的III-V族化合物的MBE系統(tǒng)的示意圖。此系統(tǒng)代表了 薄膜淀積控制、潔凈度和臨場(chǎng)化學(xué)特性分析能力的理想狀況。采用熱解氮酸硼制作的噴射 爐用來分別填裝鎵、砷以及其他的摻雜劑；所有的噴射爐全部裝置在一個(gè)超高真空腔中。 每個(gè)爐子溫度可調(diào)整到所需的蒸發(fā)速率。襯底架不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)以獲得均勻的外延層(可達(dá) ±1%的摻雜變化率和±5%的厚度變化率)。采用MBE生長的ZnO序材，載流子濃度為 7. 6X 10—16cm—3，電子遷移率達(dá)到120cm7V s。 L-MBE裝置配有兩個(gè)真空室， 一個(gè)是進(jìn)樣室，真空度達(dá)1. 33X 10—5Pa ;另一個(gè)是膜 層生長室，極限真空度達(dá)1.33X10—8Pa。系統(tǒng)配有反射式高能電子衍射儀(PHEED)、四極質(zhì) 譜儀(QMS)和石英晶體原位膜厚監(jiān)測(cè)等。同樣大小的四個(gè)靶安裝在可公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的靶托 上，激光光束經(jīng)過反射聚焦后通過石英窗口打在靶面上，反射鏡由計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以 便光束在靶面上實(shí)現(xiàn)二維掃描。樣品架可實(shí)現(xiàn)三維移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。 2. 3雙納管和電子存儲(chǔ)器等半導(dǎo)體納米器件，可以采用擴(kuò)散和離子注入兩種技術(shù) 相輔相成，實(shí)現(xiàn)不同雜質(zhì)的摻雜。擴(kuò)散是在高溫、高濃度梯度情況下，由雜質(zhì)原子在納格中 的運(yùn)動(dòng)來完成；雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物而擴(kuò)散或淀積到序材硅片表面，然 后從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，其雜質(zhì)分布主要是由溫度與擴(kuò)散時(shí)間決定的。離子注入是摻雜 離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體序材內(nèi)的；雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個(gè)峰值分布，雜質(zhì)分布 主要由離子質(zhì)量和注入能量決定的。擴(kuò)散和離子注入都被用來制造分立半導(dǎo)體納米器件和集成電路納米芯片。 雙納管放大功能的機(jī)理主要是依靠其源極隧道電流能夠通過中心島傳送，其中絕 大部分到達(dá)漏極而實(shí)現(xiàn)的。為了確保從源極發(fā)出的隧道電流經(jīng)過源極隧道結(jié)，絕大多數(shù)能 輸送到漏極隧道結(jié)附近，則要求雙納管在結(jié)構(gòu)上滿足3個(gè)條件①具有兩層隧道結(jié)和中心 島的三層結(jié)構(gòu)；②中心島的寬度要求非常薄，遠(yuǎn)小于非平衡少子的擴(kuò)散長度；③源極的雜 質(zhì)濃度要求遠(yuǎn)大于中心島雜質(zhì)濃度。滿足了這3個(gè)條件的序材三極管，就具備了放大作用 的內(nèi)部條件。雙納管再有合理的源極隧道結(jié)正偏壓、漏極隧道結(jié)負(fù)偏壓等外部條件，則可實(shí) 現(xiàn)其放大功能 —般情況下，擴(kuò)散適用隧道結(jié)較深、線條較粗的半導(dǎo)體序材器件；離子注入則適用 于淺隧道結(jié)細(xì)線條圖形。兩者在功能上具有一定的互補(bǔ)性。在這兩者聯(lián)合使用技術(shù)中，整個(gè) 半導(dǎo)體序材硅片的表面先生長一層氧化層(一般為二氧化硅層)；再用圖形曝光刻蝕工藝， 將部分的氧化層移除，并留下窗口 ，然后將雜質(zhì)通過窗口摻雜到半導(dǎo)體序材硅片，形成隧道 結(jié)。這項(xiàng)技術(shù)的工藝包括外延、氧化、光刻、雜質(zhì)擴(kuò)散和注入以及金屬化等。
2. 3. l擴(kuò)散是納粒(包括離子、原子或分子)熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體 序材硅片之后，有兩種擴(kuò)散方式占據(jù)原來硅的位置的替位式擴(kuò)散和位于納格間隙中的隙
式擴(kuò)散。ni族、v族元素在序材硅中的擴(kuò)散均為替位式擴(kuò)散。它需要足夠的能量克服納格
中的勢(shì)壘才會(huì)發(fā)生。III族、V族雜質(zhì)在序材硅中的擴(kuò)散一般在很高的溫度(950-1280°C ) 下進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)選擇擴(kuò)散，在不需要擴(kuò)散的區(qū)域必須有一層阻擋掩蔽層；由于半導(dǎo)體常用 的幾種雜質(zhì)，如硼、磷、砷(鋁和鎵除外)在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò) 散系數(shù)；可以利用該氧化層作為這些雜質(zhì)的掩蔽層。 擴(kuò)散方式有兩種恒定表面源擴(kuò)散和限定源擴(kuò)散。恒定表面源擴(kuò)散方法主要有固 態(tài)源擴(kuò)散和液態(tài)源擴(kuò)散兩種。在固態(tài)源擴(kuò)散中，大多數(shù)固態(tài)源是雜質(zhì)的氧化物或其他化合 物，如8203、8隊(duì)&05等；由于每種雜質(zhì)源的性質(zhì)不同，擴(kuò)散系統(tǒng)也有所不同，一般采用開管擴(kuò) 散。固態(tài)源擴(kuò)散裝置如圖12所示。雜質(zhì)源與序材硅片相隔一定的距離，并且都放在石英擴(kuò) 散管內(nèi)，通過氮?dú)鈱㈦s質(zhì)源蒸氣輸運(yùn)到序材硅片表面上；在高溫下雜質(zhì)化合物會(huì)與硅發(fā)生 反應(yīng)，生成摻雜物質(zhì)的單質(zhì)原子擴(kuò)散進(jìn)入硅中。在利用雜質(zhì)8203擴(kuò)硼時(shí)，也可將雜質(zhì)源制成 片狀，其尺寸與硅片相等或略大，雜質(zhì)源片與硅片交替均勻地放在石英舟；在高溫下，雜質(zhì) 源蒸氣將包圍在序材硅片周圍，并與硅發(fā)生反應(yīng)釋放出雜質(zhì)原子擴(kuò)散入序材硅內(nèi)。
2. 3. 2離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入序材襯底的系統(tǒng)。它靠離 子注入機(jī)完成；主要包括離子源、磁分析器、加速管、聚焦、掃描器和靶室等。離子源通過加 熱，分解氣體源(如BF3或AsH》成為帶電離子；在約40kV左右的電壓下，引導(dǎo)這些帶電離 子移出離子源腔體并進(jìn)入磁分析器。通過選擇磁分析器的磁場(chǎng)，使只有質(zhì)量/電荷比符合 要求的離子得以穿過而不被過濾掉。被選出來的離子接著進(jìn)入加速管，在管內(nèi)被電場(chǎng)加速 到高能狀態(tài)。注入機(jī)內(nèi)的壓力維持在低于10—4Pa以下，再利用靜電偏折板，使這些離子束得 以掃描整個(gè)序材硅片的表面并注入到襯底序材。其中一部分雜質(zhì)離子只受到電子散射，在 納格空隙中穿行，運(yùn)動(dòng)方向沿納棱方向基本不變，射程可以很遠(yuǎn)；另一部分與納格上的原子 核碰撞，射程較短。 2. 4將單原子的STM鎵針尖放置在非常接近砷試件的位置(漏極d)，如圖16所示。 在針尖末端的原子非常突出時(shí)，該系統(tǒng)可作為一個(gè)單原子尺度的單納管(具有兩個(gè)隧道結(jié)
2結(jié)構(gòu))的基本結(jié)構(gòu)。針尖末端突出的鎵原子，就形成該單原子單納管的基本結(jié)構(gòu)的中心島。 它與砷試件的兩個(gè)原子之間的間隙(電容C，電阻R)形成兩個(gè)隧道結(jié)，并可以控制電子的隧穿。 2. 4. l原子管是用多層納米材料制成的。序材硅基板上的隔離層是二氧化硅層，上 面的元件是厚度為3納米的金屬銦(In)膜。構(gòu)成隧道結(jié)的TiOx線是用STM對(duì)In膜進(jìn)行陽 極氧化而成的。原子管的源極S和漏極D分別與銦連接，中心島區(qū)域是由兩端被In0x圍住 的金屬銦組成的。柵極G連接在序材硅基板上。原子管的漏極電壓測(cè)量范圍約為0—0.75 伏時(shí)，可觀察到電子隧穿特性和量子電流。 根據(jù)原子管定律，可用替代In的金屬鉭(Ta)、鉈(Tl)、鎵(Ga)等的氧化物制成納 米尺度的隧道結(jié)。 1996年，E. Snow等用鋁(Al)的氧化物制成納米尺度的隧道結(jié)，1998年，又用鈮 (Nb)的氧化物制成納米尺度的隧道結(jié)。日本電子技術(shù)綜合研究所(K Matsumoto)用金屬鈦 (Ti)的氧化物制成納米隧道結(jié)。 2. 4. 2單原子存儲(chǔ)器可以利用與制作原子管的陽極氧化加工相同的方法。其等效 電路圖15具有由5-7個(gè)單隧道結(jié)連接組成的多隧道結(jié)Ctt ;。每個(gè)隧道結(jié)的長度和寬度約 為15納米。有一個(gè)用于存儲(chǔ)電子的電容Cgt和一個(gè)用于檢測(cè)存儲(chǔ)電子數(shù)量的單電子單納 管的中心島，通過電子存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)器柵極電容Cg相耦合連接。整個(gè)存儲(chǔ)器中共有4個(gè) 電極電壓，即存儲(chǔ)電壓U皿、源極電壓Us、漏極電壓Ud和柵極電壓Ug。這種縱向雙隧道結(jié)體 系可通過控制隧道結(jié)上的電壓控制單電子隧穿的速率；它是納米器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)元件。
當(dāng)存儲(chǔ)偏壓從0伏逐步增加到10伏時(shí)，有幾十個(gè)電子被逐個(gè)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)內(nèi)； 當(dāng)存儲(chǔ)偏壓從10伏逐步降低到0伏時(shí)，這些被存儲(chǔ)電子又從存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)中逐個(gè)地被釋放出 來，可實(shí)現(xiàn)和完成信息存儲(chǔ)和釋放功能。 2. 4. 3有機(jī)分子單納管中某些有機(jī)分子具有MOS中心島。自組裝需要建造基本模 塊(building block)，通常是在特定溶劑中及合適的溶液條件下，由原子、分子形成確定 組分的原子團(tuán)、超分子、分子集合體和納粒等基本粒子。 一個(gè)簡單的自組裝膜的組裝過程， 需要一種含有表面活性物質(zhì)的溶液和一個(gè)基片；將預(yù)先清洗或預(yù)處理活化過的基片浸泡 在溶液中，經(jīng)過一定的反應(yīng)時(shí)間后，表面活性物質(zhì)就可在基片上形成一個(gè)排列致密有序的 自組裝膜。表面活性物質(zhì)一般含有一個(gè)活性基團(tuán)，通過它與基片相連接；常用的活性基團(tuán) 有-C00H、-P03、-S03、-0H和-NH2等。由于自組裝單層膜是有機(jī)分子在溶液中(或有機(jī)分子 蒸氣)自發(fā)通過化學(xué)鍵牢固地吸附在固體基底上所形成的超薄有機(jī)膜，因此它具有原位自 發(fā)形成、成鍵有序排列、結(jié)合力強(qiáng)、呈"規(guī)則態(tài)"等特點(diǎn)。其中有機(jī)硅烷-氧化物體系的制備 過程為 依靠有機(jī)硅烷一端的官能團(tuán)(bonding group)發(fā)生水解縮合，水解產(chǎn)物Si0H與基 底物羥基(-0H)產(chǎn)生化學(xué)吸附，其鍵能大于100kJ/mol(如三氯硅烷和三甲氧基硅烷水解為 硅烷醇后，與序材硅、玻璃基底成鍵)，其他硅氧鍵之間發(fā)生縮合；而分子另一側(cè)的官能團(tuán) (surface group)則決定所形成自組裝單層膜的化學(xué)性質(zhì)，如極性或非極性等。它可在金 屬、序材硅等基底上生長出多種形態(tài)及納粒大小可控的無機(jī)物薄膜。有機(jī)硅烷也是一種偶 聯(lián)劑，用于無機(jī)物表面接枝聚合物的改性，可顯著地改善基底表面的粘附等性能。
自組裝單層膜是SAMs通過在固體表面吸附一種表面活性劑形成的有序分子組裝
29的頭基與基底之間產(chǎn)生化學(xué)吸附，自發(fā)的界面化學(xué)反應(yīng)，自發(fā)形 成有序的二維單分子層。通過對(duì)DNA分子導(dǎo)電性能的檢測(cè)，可獲得半導(dǎo)體的DNA和金屬的 DNA (或絕緣體的DNA)。如金屬DNA與Zn2+、Ni+ Co2+等二價(jià)金屬離子形成的復(fù)合物，表現(xiàn)分 子導(dǎo)線性質(zhì)。半導(dǎo)體DNA與N+離子(或P—離子)等形成的復(fù)合物表現(xiàn)N(或P)型半導(dǎo)體 性質(zhì)。 2. 4. 4將少量的碳納材管加入到其他材料中，還可以明顯提高材料的導(dǎo)電性。例 如在高分子材料中加入一定量的碳納材管，可以使高分子材料的電阻率降低3個(gè)數(shù)量級(jí)以 上。碳納材管中鍵的結(jié)構(gòu)和石墨相似。利用這種高分子材料可以制成半導(dǎo)體納米二極管或 雙納管。其中半導(dǎo)體納米二極管可以分為納米金屬_半導(dǎo)體接觸二極管、納米同質(zhì)結(jié)半導(dǎo) 體二極管和納米異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體二極管。 納米金屬-半導(dǎo)體接觸二極管是由一種雜合的碳納材管組成的。它一端具有金屬 導(dǎo)電性，而另一端具有半導(dǎo)體導(dǎo)電性。它也是一種真正分子二極管，電流可以沿著管軸方 向，由半導(dǎo)體一端向金屬一端移動(dòng)，而反方向則沒有電流。 納米同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體二極管是由同一種半導(dǎo)體納米材料所構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的 半導(dǎo)體納米二極管。 納米異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體二極管是用兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體納米材料在相接觸的 界面上構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)PN結(jié)的半導(dǎo)體納米二極管。兩個(gè)相連的碳納材管之間存在明顯的隧 道效應(yīng)，其特征由它們的手性因子所決定。它可以用作半導(dǎo)體納米器件的異質(zhì)結(jié)。另外通 過在單個(gè)碳納材管上引入缺陷，或者改變碳納材管的手性，也可以制造碳納材管的異質(zhì)結(jié)； 構(gòu)成納米二極管。 如果在碳納材管內(nèi)臨近異質(zhì)結(jié)的地方引入第三電極，則能夠形成柵極控制的導(dǎo)電 溝道。利用這個(gè)原理可以制成單納管。它可以在室溫下進(jìn)行操作并具有很高的開關(guān)速度， 調(diào)節(jié)柵極電壓。這種半導(dǎo)體序材管的電阻可以從導(dǎo)體到絕緣體的范圍內(nèi)變動(dòng)。采用兩碳針 與四碳針相比較的方法，可以測(cè)量柵極電壓對(duì)異質(zhì)結(jié)碳納材管的電流傳輸性質(zhì)。
權(quán)利要求
量子點(diǎn)(半導(dǎo)體序材納粒)可用作庫侖島，通過隧道結(jié)和納米電極或納米電引線耦合在一起，可制成半導(dǎo)體納材管和半導(dǎo)體納米器件；在具有量子效應(yīng)的半導(dǎo)體序材納粒外生成要求的絕緣層，形成具有量子點(diǎn)特征的半導(dǎo)體納米二極管或半導(dǎo)體序材管；利用超紫外線激光光刻技術(shù)可使光刻線寬小于70納米。
2. 量子線(半導(dǎo)體序材納米絲)可以用作庫侖島(或中心島)，通過隧道結(jié)和電極耦 合組成半導(dǎo)體納米二極管或半導(dǎo)體序材管；半導(dǎo)體納米絲可以是由單分子組成的分子半導(dǎo) 體；它分為兩種類型一種是納米絲分子半導(dǎo)體和納米管分子半導(dǎo)體；另一種是有機(jī)大分 子組成的分子半導(dǎo)體。
3. 在純凈的半導(dǎo)體序材中適當(dāng)?shù)負(fù)饺胛⒘侩s質(zhì)，可制造各種不同用途、精密度高的半 導(dǎo)體納米器件；電致發(fā)光(EL)器件包含有發(fā)光的半導(dǎo)體序材襯底；透明導(dǎo)電氧化物序材可制成太陽 能光電池的部件；納米薄膜是制造半導(dǎo)體納米膜的優(yōu)良材料，尤其是集成化和平面化敏感的量子元件的 重要材料之一 ；也是多功能納米傳感器的主要材料。
4. 納米原子團(tuán)簇具有極大的比表面積，使它具有極高的物理化學(xué)活性、光的量子效應(yīng)、 電導(dǎo)的幾何尺寸效應(yīng)、摻雜物質(zhì)的導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性、碳納米管和碳蔥的導(dǎo)電性等；原子團(tuán) 簇序材是半導(dǎo)體納米器件的極優(yōu)良材料；碳納米管分子半導(dǎo)體具有直徑小、長徑比大、可作 為導(dǎo)體也可作為半導(dǎo)體等優(yōu)異性能；碳納米管又可以根據(jù)其螺旋角的不同，分為螺旋型和非螺旋型碳納米管；它的性質(zhì)與 其納米結(jié)構(gòu)有關(guān)。
5. 電子盒、半導(dǎo)體序材管和單電子存儲(chǔ)器等，依靠摻雜序材硅的隧道結(jié)和量子點(diǎn)的量 子隧道效應(yīng)，可制成超高密度的集成電子納米器件；其最理想的情況每個(gè)基本電子單元 的尺寸小于10納米；電路的集成度可達(dá)到1012B/cm2 ;功耗可小于0. 46W/cm2 ;每開關(guān)一次， 傳輸?shù)碾娮訑?shù)小于10個(gè)；序材硅錠經(jīng)過切割、研磨、拋光等步驟，獲得拋光序材硅片；以拋光序材硅片為襯底，在 它的上面就可以制造半導(dǎo)體納米器件或集成電路的納米芯片。
6. 采用硅烷熱分解的CVD方法生長序材硅外延層；是在高溫下將硅烷熱分解生成硅原 子淀積在序材硅襯底上而形成的；它還可采用氫還原四氯化硅的CVD方法生成的游離硅原 子淀積在序材硅襯底上而形成序材硅外延層；它們一般在常壓CVD反應(yīng)爐中進(jìn)行，通過在 反應(yīng)氣體中增加氫化物雜質(zhì)摻雜(如乙硼烷、砷烷、磷烷等)，可以獲得P型或N型半導(dǎo)體序 材。
7. 采用分子束外延(MBE)方法生長序材硅外延層，主要有等離子增強(qiáng)(P-MBE)和激光 增強(qiáng)(LASER MBE， L-MBE)兩種；它們是在系統(tǒng)維持超高真空和序材襯底原子級(jí)清潔的條件 下，通過原子、分子或離子的物理沉積實(shí)現(xiàn)外延生成，特別適合生長超薄多層量子阱和超納 格材料；一個(gè)或多個(gè)熱原子(或熱分子)束蒸發(fā)到序材硅的襯底表面上，可沿著某一納面 外延生長出來原子級(jí)厚度和平整度的量子薄膜，并且該薄膜厚度、組分、摻雜等都可精確控 制，適合制備優(yōu)質(zhì)的序材和超納格序材薄膜。MBE既能精確控制序材外延層的化學(xué)配比，又能精確控制雜質(zhì)分布，序材襯底溫度低并 能夠有效抑制固相外擴(kuò)散和自摻雜；它制備的Zn0序材薄膜具有很高的純度，半導(dǎo)體的性能很好，而且氧缺陷濃度低，具有很好的光電特性。
8. 雙納管的基本結(jié)構(gòu)和等效電路有源極、漏極和柵極；它是由序材制成的兩個(gè)隧道結(jié) 和中心島控制電子的隧穿運(yùn)動(dòng)；電流是由量子化的單個(gè)或多個(gè)電子的階梯式運(yùn)動(dòng)形成的；雙納管生成采用的雜質(zhì)擴(kuò)散方法，其主要有恒定表面源擴(kuò)散和限定源擴(kuò)散；恒定表面 源擴(kuò)散方法主要有固態(tài)源擴(kuò)散和液態(tài)源擴(kuò)散兩種；在固態(tài)源擴(kuò)散中，大多數(shù)固態(tài)源是雜質(zhì) 的氧化物或其他化合物；平面雙納管采用序材硅片作為襯底，其兩個(gè)隧道結(jié)可由擴(kuò)散工藝形成；其主要過程是 在N型序材硅片上生長一層二氧化硅薄膜，利用光刻技術(shù)在氧化膜上刻出擴(kuò)散窗口 ，進(jìn)行 硼擴(kuò)散，形成隧道結(jié)和P型納米中心島；然后在P型納米中心島的該氧化膜上再光刻一個(gè)窗 口 ，進(jìn)行高濃度的磷擴(kuò)散，形成另一個(gè)隧道結(jié)，并獲得^型納米源極；最后采用鋁蒸發(fā)工藝制備出柵極和源極的引出電極，從原P型序材引出漏極；序材硅片表面全部被氧化層所覆圭.rm.，外延平面雙納管制備過程為在電阻率較低的N+型序材硅片上，先用外延技術(shù)生長一 層電阻率較高的N型納米層，然后在外延層上利用氧化、光刻、擴(kuò)散等平面工藝，依次進(jìn)行 受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)擴(kuò)散，以獲得P型納米中心島和N+型源極和柵極；從原P型序材引出漏 極。
9. M0S單納管可作納米放大器和納米開關(guān)元件等；其中①原子管生成方法序材硅基 板上的隔離層是二氧化硅層，其上面的元件是厚度為3納米的IIIA族或VB族的金屬膜；這些金屬氧化物隧道結(jié)是用掃描探針顯微鏡(包括STM、 AFM)對(duì)該金屬膜進(jìn)行陽極氧化而 形成的；單納管的源極S和漏極D分別與金屬銦(In)連接，它的兩個(gè)隧道結(jié)是由兩條In0x 納米線構(gòu)成；中心島區(qū)域是由兩端被In0x圍住的金屬銦；柵極G用SiOd反與上面的元件隔 離；②單原子存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)它具有一個(gè)控制單個(gè)電子隧穿的多隧道結(jié)；每個(gè)隧道結(jié)有一 個(gè)用于存儲(chǔ)電子的電容Cgt和一個(gè)用于檢測(cè)存儲(chǔ)電子數(shù)量的單納管的中心島，通過電子存 儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)器柵極電容Cg相耦合連接；整個(gè)存儲(chǔ)器中共有4個(gè)電極電壓，其中電極電壓 UMEM用于電子的存儲(chǔ)控制；另外3個(gè)電極電壓是測(cè)量用的單納管的源極電壓Us、漏極電壓Ud 和柵極電壓Ug ;分子自組裝超薄膜具有優(yōu)良的光、電、磁和機(jī)械等功能；自組裝單層膜是SAMs通過在 固體表面吸附一種表面活性劑形成的有序分子組裝體系；它通過表面活性劑的頭基與基底 之間產(chǎn)生化學(xué)吸附，自發(fā)的界面化學(xué)反應(yīng)，自發(fā)形成有序的二維單分子層；通過對(duì)DNA分子 導(dǎo)電性能的檢測(cè)，可獲得半導(dǎo)體的DNA和金屬的DNA (或絕緣體的DNA);如金屬DNA與Zn2+、 Ni+ Co"等二價(jià)金屬離子形成的復(fù)合物，表現(xiàn)分子導(dǎo)線性質(zhì)；半導(dǎo)體DNA與N+離子(或P—離 子)等形成的復(fù)合物表現(xiàn)N(或P)型半導(dǎo)體性質(zhì)。
10. 碳納材管既具有金屬導(dǎo)電性，也有半導(dǎo)體導(dǎo)電性；這主要與其直徑和螺旋結(jié)構(gòu)有 關(guān)；某些特別的結(jié)構(gòu)缺陷可導(dǎo)致同一個(gè)碳納材管既具有金屬的導(dǎo)電性又具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電 性，如通過將單壁碳納材管進(jìn)行折彎，從而使碳納材管在折彎處具有與本體不同的電學(xué)性 能，由此可以獲得納米二極管；它具有光能轉(zhuǎn)換電能性質(zhì)、電致發(fā)光性質(zhì)等；它制成的半導(dǎo) 體序材管，可以分為兩類其中一類是具有放大功能和量子效應(yīng)的序材管；另一類是具有 開關(guān)功能的序材管；碳納材管的光致發(fā)光性質(zhì)是多壁碳納材管的一種功能；利用遠(yuǎn)紅外線激發(fā)碳納材管，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的可見光；采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，制備高定向多壁碳納材管膜 (A麗NT)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體納米材料和器件；指出晶體和序材的本質(zhì)區(qū)別；任務(wù)是制造半導(dǎo)體納米材料；并利用半導(dǎo)體納米材料制成能將光能轉(zhuǎn)換成電能的納米轉(zhuǎn)換器和能將電能轉(zhuǎn)換成光能的電致發(fā)光納米轉(zhuǎn)換器等各種半導(dǎo)體納米器件；利用半導(dǎo)體納米材料制成放大器、振蕩器、變頻器、邏輯電路、運(yùn)算電路和存儲(chǔ)器等，推動(dòng)半導(dǎo)體器件高性能化和微型納米化；進(jìn)一步節(jié)約能源和資源；促進(jìn)生態(tài)環(huán)境繼續(xù)良好和取代現(xiàn)有許多半導(dǎo)體晶體或微米技術(shù)的生產(chǎn)模式。納米材料與普通材料相比，不是簡單的量變，而是物性特征發(fā)生了質(zhì)變。當(dāng)將宏觀物體細(xì)分成納粒之后，會(huì)顯示出許多奇異的物理和化學(xué)特性。它來源于小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)?，F(xiàn)有微米技術(shù)中粒子不涉及波動(dòng)力學(xué)。
文檔編號(hào)B81B7/02GK101734609SQ20091011293
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者劉文祥 申請(qǐng)人:劉文祥