纳米电子器件指利用纳米级加工和制备技术，如光刻、外延、微细加工、自组装生长及分子合成技术等[!"#]，设计制备而成的具有纳米级尺度和特定功能的电子器件。目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件共振二极管、三极共振隧穿晶体管、单电子晶体管、金属基、半导体、纳米粒子、单电子静电计、单电子存储器、单电子逻辑电路、金属基单电子晶体管存储器、半导体 存储器、硅纳米晶体制造的存储器、纳米浮栅存储器、纳米硅微晶薄膜器件和聚合体电子器件等。

纳米电子技术是指在纳米尺寸范围内构筑纳米和量子器件，集成纳米电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的信息计算、传输与处理的相关技术，其中，纳米电子器件是目前纳米电子技术发展的关键与核心。现在，纳米电子技术正处在蓬勃发展时期，其最终目标在于立足最新的物理理论和最先进的工艺手段，突破传统的物理尺寸与技术极限，开发物质潜在的信息和结构潜力，按照全新的概念设计制造纳米器件、构造电子系统，使电子系统的储存和处理信息能力实现革命性的飞跃。

要制备纳米电子器件及实现其集成电路，有两种可能的方式。一种是将现有的电子器件、集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件，即所谓的"由上到下"的方式。另一种方式是利用先进的纳米技术与纳米结构的量子效应直接构成全新的量子器件和量子结构体系，即所谓的"由下到上"的方式。

纳米电子器件"由上到下"的制备方式主要是指光学光刻、电子束光刻和离子束光刻等技术。

"由下到上"的制备方法则包括金属有机化学汽相沉积、分子束外延、原子层外延、化学束外延等外延技术、扫描探针显微镜技术、分子自组装合成技术以及特种超微细加工技术等。

光刻技术

光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术统称三束光刻技术，是通过掩模、曝光等工艺将设

计的器件图形结构转移到半导体基片上的加工技术。目前， 随着光刻技术线宽的不断减小，光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术已在纳米器件、纳米集成电路、纳米混合电路等加工领域表现出了很好的应用前景，并开始在一些纳米电子器件加工方面取得了应用。

光学光刻技术

光学光刻是通过光学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结构图形"刻"在涂有光刻胶硅片上的技术。它是现在产业半导体加工的主流技术。在这种技术中，通常甲基丙烯酸酯聚合物被用作抗蚀涂层，甲基异丁酮和异丙醇合剂被用作显像剂。

目前国际微电子领域最引人关注的热点是新一代光刻技术。限制光刻所能获得的最小线宽与光刻系统的分辨率直接相关，而减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。现在，商品化光刻机的光源波长已经从过去的汞灯光源紫外光波段进入到深紫外波段，除此之外，利用光的干涉特性以及电磁理论结合光刻实际对曝光成像的深入分析，采用各种波前技术优化工艺参数也是提高光刻分辨率的重要手段。

电子束光刻技术

电子束光刻是采用高能电子束对光刻胶进行曝光而获得结构图形的光刻技术。

最近，美国朗讯公司开发的角度限制散射投影电子束光刻技术令人瞩目，该技术如同光学光刻那样对掩模图形进行缩小投影，并采用特殊滤波技术去除掩模吸收体产生的散射电子，从而在保证分辨率条件下提高产出效率。应该指出，无论未来光刻采用何种技术，都将是集成电路研究与生产不可缺少的基础设施。

离子束光刻

离子束光刻是采用液态原子或气态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚焦或准直后对光刻胶进行曝光的光刻技术。其原理与电子束光刻类似，但德布罗意波长更短，且具有无邻近效应小、曝光场大等优点。离子束光刻主要包括聚焦离子束光刻、离子投影光刻等。外延技术

金属有机化学汽相淀积、分子束外延、原子层外延与化学束外延技术统称外延技术，是在基体上生长纳米薄膜的一种纳米制造技术，可用于纳米集成电路用硅基半导体材料、纳米半导体结构: 器件的加工与制备。

束流强度比例喷射到加热的衬底表面，最终与表面相互作用进行单晶薄膜的外延生长。各喷射炉前的挡板用来改变外延膜的组分和掺杂。根据设定的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间，则可生长出不同厚度的化合物或不同组分比的三元、四元固溶体以及它们的异质结，从而制备出各种超薄微结构材料。

纳米技术是一门在0.1-100um 尺度空间内, 对电子、原子和分子的运动规律和特性进行研究并加以应用的高科技学科, 它的目标是用单原子、分子制造具有特定功能的产品。国内外科技界已普遍认为纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革, 它不仅将促使人类认识的革命, 而且将引发一场新的工业革命。

纳米技术是2 0 世纪末期崛起的崭新科学技术领域, 是一个全新的高科技学科群, 它包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米光子学、纳米物理学、纳米光学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学、纳米医学、纳米显微学、纳米信息技术、纳米环境工程和纳米制造等。是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴技术。

纳米电子学是在0. 1~ 100nm的纳米结构(量子点) 内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律, 研究单个原子、分子人工组装和自组装技术, 研究在量子点内, 单个量子或量子波表现出来的特征和功能用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科, 也称为量子功能电子学。

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分, 是传统微电子学发展的必然结果, 是纳米技术发展的主要动力。纳米电子学在传统的固态电子学基础上, 借助最新的物理理论和最先进的工艺手段, 按照全新的概念来构造电子器件与系统。纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力, 使单位体积物质储存和处理信息的功能提高百万倍以上,实现了信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学与光电子学、生物学、机械学等学科结合, 可以制成纳米电子/ 光电子器件、分子器件、纳米电子机械系统、纳米光电子机械系统、微型机器人等, 将对人类的生产和生活方式产生变革性的影响, 纳米电子/光电子学将成为21 世纪信息时代的关键科学技术。

按摩尔定律推算， 在未来的10余年里， 继续提高计算机的储存密度和运算能力将面临严峻的挑战。这些挑战既有原理性的物理限制，又有技术性的工艺限制 。其主要表现为:电子器件的尺寸处于微米量级时，其中的电子主要呈粒子性。但是当器件的尺寸小到纳米量级时，电子则以波动性为主。电子的波动性是一种量子效应，这时电子器件将在一个全新的原理下进行工作;任何多体系统都存在热的统计起伏，当器件尺寸缩小到纳米量级时，这种热起伏便会限制器件性能的一致性， 以致集成芯片无法正常工作。

然而，纳米电子技术、纳米电子器件与纳米电子学的出现为微电子技术的发展提供了新的途径和转机。这一方面可归功于微电子技术与纳米技术的不断发展;另一方面则要归功于半个多世纪来微电子学与量子物理学对纳米电子器件的制备、特性、机理与表征提供的有力支持。

基于目前的发展和对未来的预测, 如果将主要纳米电子器件进一步分类, 纳米CMOS 器件主要有: 绝缘层上硅MOSFET、硅一锗异质MOSFET、低温MOSFET、双极MOSFE T、本征硅沟道隧道型MOSFET等; 量子效应器件包括: 量子干涉器件、量子点器件和谐振隧道器件, 而谐振隧道器件又包括: 横向谐振遂道器件、谐振隧道晶体管, 谐振隧道场效应晶体管( RTEET)、双极量子谐振隧道晶体管、谐振隧道热电子晶体管、纵向谐振隧道器件和隧道势垒调制晶体管等; 单电子器件主要包括: 单电子箱、电容祸合和电阻祸合单电子晶体管、单电子神经网络晶体管、单电子结阵列、单电子泵浦、单电子陷阱和单电子旋转门等; 单原子器件和单分子器件包括: 单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等。

纳米传感器将包括:

量子隧道传感器和纳米生物传感器; 纳米集成电路包撬纳米电子集成电路和纳米光电集成电路纳米存储器包括: 超高容量纳米存储器、超高密度数据存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基M O S 存储器、单电子存储器、单电子量子存储器; 纳米CMOS混合电路包括: 纳米CMOS电路和1一V 族化合物半导体共振隧道效应电路, 纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路, 纳米CMOS 电路和超导单磁通量子电路, 纳米CMOS电路和碳纳米管电路, 纳米CMOS电路和人造原子电路与人造分子电路, 纳米CMOS电路和DNA电路, 纳米CMOS 电路和纳米金属基自旋电路等主流电路的联姻, 为纳米电子学开创了全新的发展。纳米1`v 族化合物半导体器件和电路是指谐振隧道二极管和谐振隧道晶体管与电路, 它在高速、高频和光电子领域有强大的潜力, 科学家预测,21 世纪纳米电子器件、纳米光电子器件、纳米集成电路、纳米光电子集成电路是最有发展前途的。

纳米单电子器件

利用纳米电子学采用纳米电子材料和纳米光刻技术已研制出了许多纳米电子器件, 如: 电子共振隧穿器件、电子谐振隧穿器件、共振二极管( R T D )、三端的共振隧穿晶体管( RTT )、单电子晶体管( SET )、单岛单电子晶体管( SET )、金属基SET、半导体SET、纳米粒子SET、多岛SET、单电子静电计、单电子存储器( SEM )、单电子逻辑电路、单电子c M o s 电路、金属基单电子晶体管( s E T ) 存储器、半导体S E T 存储器、硅纳米晶体制造的存储器、纳米浮栅存储器、单电子数字集成电路、单电子晶体管( s ET ) 逻辑集成电路、纳米硅微晶薄膜器件( 如谐振隧穿二极管( RTD ) ) 和聚合体电子器件等。

电子波器件

电子波干涉器件、短线波导型干涉器件、MachZender干涉计( 静电干涉器件)、定向祸合器件、衍射器件、量子线沟道场效应晶体管(FET)、平面超晶格FET、电子速度调制FET谐振隧穿器件等。

量子波器件这类器件中的电子处于相位相干结构中, 其行为以波动性为主, 这类器件包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧穿二极管晶体管等。

全书主要分为三个部分:(1) 主要概述纳电子学的发展和基础理论;(2) 主要介绍纳电子器件(包括:共振隧穿器件、单电子器件、量子点电子器件、纳米CMOS器件和碳纳米管器件等);(3) 由纳电子器件构成的电路及其应用。

全书共分八章，包括:纳米电子学和纳电子器件发展概述;纳电子学基础理论;共振隧穿器件;单电子器件;量子点电子器件;SET/MOS混合器件;碳纳米管器件;纳电子电路及应用中的问题。

电子器件的发展已经将计算机从几间房子大小的庞然大物缩小为可以装入口袋的小型笔记本, 这种翻天覆地的变化使人们对未来计算机的发展寄予了很高的期望。计算机的高性能和小体积化主要取决于构成它的电子器件, 近年来纳米分子器件的发展受到很大关注, 纳米分子器件具有高集成度的优势, 一个指甲盖上能够集成一百万亿个分子电子元件, 计算机集成度的提高帮助运算速度大幅提高。纳米分子器件还可以大批量合成, 这样势必会大幅度缩减生产成本, 从而更具有竞争优势。所以纳米分子器件正在成为未来电子器件发展的一个重要方向。

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。

分子电子器件就是采用有机功能分子材料来构筑电子线路中的各种元器件, 例如分子导线、分子开关、分子二极管、分子场效应晶体管、分子存储器件等,测量并解析这些分子尺度元器件的电学特性。其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子元件组装逻辑电路, 乃至组装完整的分子计算机。