晶体管的未来

八、晶体管的未来——纳米器件

纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题，涉及生物医学、包装、电信、发电、航空航天、汽车、计算机等许多领域。所谓纳米技术，是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。纳米技术涉及的范围很广。牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有四十多个，其中主要的有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。

纳米技术是指在0.1～100纳米尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高新技术学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品，它包括纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米显微学和纳米计量学等。它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术。

晶体管是当今计算机的基本元素。Intel的创始人之一戈登·摩尔于1965年预言，到2010年，一个芯片上晶体管的数量将超过10亿。科学界中绝大多数人都认为，传统的硅芯片技术将在未来的10～15年内达到物理极限，到那时硅晶体管不可能再缩小。那么用什么来取代硅晶体管呢？纳米晶体管是取代硅晶体管的首选。这是因为迄今为止，在微电子器件领域只利用了电子波粒二象性中的粒子性。其次，各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。随着集成度的提高，功耗、速度便会成为严重的问题。现有的硅和砷化镓器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10～12纳秒，功耗最低只能降低到1微瓦。

利用电子的量子效应原理制作的器件称为“量子器件”或“纳米器件”，也叫“单电子晶体管”。在量子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子的自旋方向或波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，从根本上解决了日益严重的功耗问题。

由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点，因此，有理由相信纳米电子学的发展必将在电子学领域中引起一次新的技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。

要实现量子效应，在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几到几十纳米的微小导电区域（称为势阱），这样，当电子被关闭在此纳米导电区域中时，才有可能产生量子效应，这也是制作量子器件的关键所在。

如果制作若干纳米级导电区域，那么在导电区域之间将形成薄薄的势垒区，由于电子的波动性质，可以从某势阱穿越势垒进入另一势阱，这就是量子隧道效应。

势阱中形成电子能级，当电子受激励时，将从低能级跃迁到高能级，而当电子从高能级向低能级弛豫时，会发射一定颜色的光。这样一些量子效应在纳米技术中将得到有效的应用。制作量子势阱的方法有分子束外延（MBE）、原子层外延（ALE）、等离子体增强化学汽相淀积（PECVD）和有机金属化学汽相淀积（MOCVD）等方法。

2002年10月18日，美国朗讯科技公司的贝尔实验室宣布：用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的晶体管，针尖般大小的尺寸上可以容纳1 000万个这种晶体管。这种晶体管被称为“纳米晶体管”，因为它们的大小接近1纳米，即1/1×10⁹米。纳米晶体管的问世对芯片产业具有革命性的意义，表明科学家在超越晶体管技术障碍方面迈出了新的一步。

纳米器件制成的计算机的计算能力可以提高千倍，而所需的能量仅为目前的百万分之一，纳米光电子学使通信带宽增加百倍，利用纳米技术可使信息存量成千倍提高，我们现在的计算机使用了超大规模集成电路，包括我们使用的微型手机、笔记本电脑，同样使用了超大规模集成电路。目前，所有电路都是在亚微米的尺寸上来设计加工的，世界上最新的一分钱硬币大小的信息存储装置可以存储千兆信息单元，如果说一张光盘就可以把图书馆的书全部带走，那你要出门便可只将资料往光盘里一放就行了，而且密度提高了，能耗减少了，大大改变了我们的生活方式。我国科学院物理所正在研制的纳米有机薄膜存储器，每一个亮点就是一个纳米左右，存储量要比目前水平提高一百倍。

以纳米颗粒效应为基础的纳米器件是纳米科技体系的产物，利用具有半导体性质的纳米管与具有金属性质的纳米管。组装成具有隧道结构的纳米碳管很可能发展成为新型的纳米器件，特别是按自组织原理设计的新型材料，该材料在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学上有着广阔的应用前景。21世纪初的主要任务之一是依据纳米结构的各种新颖物理性质，设计制作顺应2l世纪高密度信息处理技术需要的新一代量子电子器件。这些器件包括谐振隧道晶体管、超快速逻辑器件、大容量电子存储器、横向量子干涉器件等。随着信息革命的深入，高密度存储和快速的传输发展十分迅速，高集成要求集成线路上所有器件和连接器件的接线高度微型化，这种接线在纳米电子学、生物电子学和分子电子领域及印刷技术、传感器技术、中子技术、纳米真空电子技术和纳米测量传感技术等方面有广阔的应用。

正如IBM公司的首席科学家阿姆斯特朗所说：“正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一个信息时代的核心”。美国前总统克林顿也说，需要纳米科学技术使人类真正进入信息时代。真正实现电脑通信的高速公路，还欠缺一点什么呢？目前可以说的，至少是这个公路还非常狭窄，所要通过的载荷又太沉重。最近人类又开始破解生物基因之谜。但是要在基因基础上再造动植物的生命，人类用什么手段呢？还是需要新的工具与方法。按克林顿的说法，纳米技术就是一种能在原子或分子水平上操纵物质的技术，现在很多国家经多方面论证确认，在众彩纷纭的技术革命的洪流中，纳米一枝独秀，它将领导下一场产业革命。克林顿因此认为纳米技术可以使21世纪革命化，从而更新晶体管的制作方法，让因特网真正把人类引入信息时代。