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电子工业迎来纳米时代
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科学人
网站 2004-08-06
法国国家科研中心最近指出，随着纳米技术日新月异的发展，２００５年全球电子工业加工精度将达到１００纳米，从而普遍进入纳米时代。
纳米技术是指在０．１０至１００纳米（一纳米等于十亿分之一米）尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。该中心认为，如今全球电子工业的元器件加工精度普遍达到１２０纳米，到２００５年，将达到１００纳米以下，这标志着全球电子工业将进入纳米时代。
统计资料显示，目前发达国家国民生产总值的约１０％来自半导体产品。随着电子工业逐步进入纳米时代，纳米技术将有巨大的应用潜力。美国电子工业协会预测，今后１０年，纳米技术在电子工业中的应用规模将达到３０００亿美元。２００３年１２月，美国众议院通过立法，将发展纳米科技作为国家科研发展的重点。美国科学院已将信息、生物、纳米作为科研的三大支柱。
业内权威人士认为，电子元器件进入纳米级意味着存储元件体积更小、存储信息更多、功能更强。据统计，２００３年单位芯片的晶体管数目与１９６３年相比，增加了１０亿倍。进入纳米时代后，这一数目将保持每５年就增加１０倍的速度。
崭新的纳米电子时代
鉴于纳米研究领域接连取得一连串实质性的突破，一个崭新的纳米电子时代可望提前到来。
美国科学促进协会最近的调查报告指出，用比现有硅芯片集成度高上万倍的纳米元件，在分子水平上制造更小、更快、更轻的计算机很可能在不久的将来成为现实。目前已有不少纳米电子研究成果接近工业化生产阶段。该领域的研究开发进度，可能已经比原先预想的“提前了５到６年”。该协会首席顾问克拉斯·托弗雷蒂博士预测说，也许只要再过３到７年，纳米电子技术就会改变计算机业的发展走向。
这实际上意味着，纳米电子技术，有望水到渠成地成为目前以硅等为基础的微米级集成电路技术的“接班人”。现有集成电路所用的微米级电子晶体管，尺度在１微米到１０００纳米之间。但硅芯片存在着物理极限，用它制造的集成电路尺寸不可能无止境地缩小。不少专家认为，硅芯片技术在２０１０年之前可能就将无路可走。
纳米晶体管技术的突破
为了发展超微型晶体管，美国新泽西州ＬｕｃｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司贝尔实验室的研究人员正在从事这种超大规模集成电路的研究并获得突破。２００３年５月，该公司研制成功迄今为止有源区（称为有效沟道长度）最小的Ｐ沟道ＭＯＳＦＥＴ晶体管。该有源区的大小仅为２０ｎｍ，大约是６０个原子，ｐＭＯＳ晶体管的总长度只有约８０ｎｍ。至此，目前最新的纳米晶体管研究成果已使晶体管尺寸缩小到１００ｎｍ以下，使开关速度显著提高，功耗大减。科学家认为，这一进展开辟了一个在硅芯片上集成数十亿个晶体管的高性能集成电路的发展道路。
随着ＣＭＯＳ工艺向小于１００ｎｍ的尺寸挺进，ｐＭＯＳ遇到最大的难题。为了做出这么小的有源区，必须克服两大障碍：制作极薄（＜３ｎｍ）的绝缘层，即栅与沟道之间的氧化栅层。这一层尽管很薄，但必须很牢固；制造尽可能浅的源结和漏结，以便在低电源电压下能产生很大的饱和电流。此外，必须设法控制短沟道效应。虽然很薄的氧化栅层可以提高开关速度，但也容易受到场效应管的栅极、源极和漏极的电极原子的伤害，特别容易受到硅掺杂时所用的硼原子的伤害。
为了解决这个问题，研究人员采用快速热氧化工艺来生长二氧化硅，把硅暴露在１０００℃以下，时间为１０秒钟。常规的氧化工艺是，把硅放入８００℃的炉子中，时间长达３小时之久。实践证实，新方法使氧化栅层的厚度只有１．３ｎｍ或大约３层原子，硼的穿透量几乎可以忽略不计。
由于源结和漏结能制成更浅，这就提高了器件的开关速度。但是，更浅的结构也意味着研究人员必须确保硼不会扩散进氧化栅层。解决的办法是，用约２５０～５００ｅＶ的超低能量把硼注入硅中。在典型的０．１８μｍ工艺中，硼注入能量为７～１０ｋｅＶ。贝尔实验室的科学家相信，如把栅氧化层厚度减至１．０ｎｍ，以及降低栅、源和漏接点的表面电阻，采用上述新工艺可保证研制成功栅长度仅为５０ｎｍ的晶体管。
生产纳米导线
研制纳米导线是制造大多数纳米器件和装置的关键因素。
美国加州大学伯克利分校最近在改进纳米导线特性方面获得重大进展，被公认为纳米导线的先驱。为了制成纳米导线，该校采用能融化金薄膜或其他金属的特殊小室，小室中金属形成纳米尺寸的微滴，在微滴上空喷发诸如硅烷等化学蒸汽，其分子会被分解。短时间内，这些分子在融化的微滴上达到超饱和，形成纳米晶体。随着更多的蒸汽分子在金属微滴上被分解，晶体则长成树状。如果在几百万个金属微滴上同时发生这一过程，则能形成大量的纳米线。
开发纳米计算机
而纳米计算机指的是它的基本元器件尺寸在几到几十纳米范围。随着晶体管元器件尺寸的缩小，芯片上集成的元器件越来越多，计算机处理器的功能也越来越强。但科学家们发现，当晶体管的尺寸进一步缩小，达到０．１微米１００纳米以下时，半导体晶体管赖以工作的基本原理将受到较大的限制，甚至严重到使器件不能正常工作。研究人员需要另辟蹊径，突破０．１微米界，实现纳米级器件。
科学家们一直在研究以不同的原理实现纳米级计算，目前提出了四种不同的工作机制，它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。这四种工作机制是：电子式纳米计算技术，基于ＤＮＡ的纳米计算机，机械式纳米计算机以及量子波相干计算。[科学]
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