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 【就技术论技术之结束篇】太阳能和纳米技术（二） |
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hwarrensen
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作者：hwarrensen 在 海归茶馆 发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com
2011-05-30
我理解的纳米技术，关键有两条：首先顾名思义，纳米技术的对象是100纳米以下的结构；但纳米技术不光是指尺度，更重要的是，是通过对100纳米以下的结构的调制，大幅度改变物质的力学，物理，化学，和生物学性质。
我之所以从 半导体技术着手，因为半导体的核心技术和产业链中的大部分产业其实都可称之为纳米技术。比如半导体装置的基本单元，无论是Logic (典型如cpu), 或者memory的DRAM或Flash，都是所谓的门电路。门电路的基本结构是场效应三极管 （me<x>tal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。现在State-of-the-Art的32 nm 门电路的尺度已经深度在纳米技术范围。而由此带来的逻辑运算功能，材料电子学性质发生了根本性的变化。
图一 常规场效应三极管 （MOSFET）
器件的开关效应是中间突起的门。其中的“M”是指上面的金属电极，电极下面的 “Gate Oxide”就是第二个字母 “O”。其中的金属可能是所谓的 “否定之否定”吧 ———— 最初的电极确实用的是金属。但不久就用多晶硅，也就是所谓的Poly-Silicon，简称 “Poly”的了。但最近为了加快开关速度，电极又重新启用金属，但这和早先的金属并不一样，而是多层结构，下面是一层金属，上面还是多晶硅。典型的金属材料比如说是氮化钛 (TiN)。而相应的Gate Oxide也不再用氧化硅 （SiO2, 也就是所谓的 “Oxide”）, 而是用二氧化铪 （HfO2）, 也就是所谓的 High-k Gate Oxide。这就是下一代半导体的结构之一，所谓的 HKMG (High-k me<x>tal Gate)。
下一代高速门电路的另一种就是现在网上有人开始关注的所谓的3D 半导体。其实准确的名称应该是Multi-Gate Finfet, 或简称Finfet。那是在MOSFET的后三个字母上做文章，将多个场效应管通过侧面的象鱼翅鳍 (所谓的 “Fin”) 一样的结构联结起来。其中单体的结构如下图：
图二 Finfet 结构示意图
图三 FinFet电镜照片
具体的工作愿理我就不在这里描述了。在结束半导体结构之前，再举一个IBM的纳米门电路的例子。IBM早在2002年就发明了纳米碳管三极管 （发表在Applied Physics Letters 2002年五月号，摘要见Building Carbon Nanotube Transistors 和 IBM says carbon nanotube transistors could double speed of silicon devices) 声称能将硅技术的三极管速度翻两番。
图四 IBM 纳米碳管三极管
纳米碳管(Carbon Nanotube, CNT)最早由NEC的Sumio Iijima在1991年通过电子显微镜在石墨(graphite) 上观察到。那是多层管壁CNT。稍后在1993年，单层管壁CNT也通过人工合成观察到。
CNT的最显著的特点是其几何特性为基础而带来的一系列特殊机械及电子学性质。CNT的直径一般在1 ～ 3纳米范围。其长度却可达数毫米长：其长度跟直径的比例竟相差9个数量级！其直接后果是，CNT是一个一维系统，由此带来两个在半导体中特别有用的特性：
首先，由于CNT的超小直径，其电子特性由量子力学决定。换句话说，CNT量子态的变化决定CNT可以从类似于金属的导体变成半导体。通过控制CNT的量子态，人们能实现现在的场效应管(MOSFET) 的开关功能，从而设计出纳米晶体管晶片。
CNT的另一重要特性也是其一维结构的结果。在高质量的金属态CNT中，电子运动呈弹道式(ballistic) ，散射损耗小到几乎可忽略不计。因而在金属态CNT中的电流传输密度比金属导体高出两到三个数量级。一般铜导线每平方厘米允许的电流密度大概在一百万安培左右。CNT每平方厘米允许的电流密度可达十亿安培。
上述两特性导致人们产生用CNT结合CMOS技术开发下一代晶体管的构想。1998年，IBM和荷兰的Delft大学同时独立制成了世界上第一个CNT三极管装置。此后HP以及大学如斯坦福，哈佛，加大伯克利及洛城分校等都投入了纳米晶体管研究。除了CNT，人们也成功应用纳米线(硅或氧化锌制成的nanowires或nanorods) 。
纳米管还有一特殊的应用特性。由于电子在CNT中呈弹道方式运动，人们可以应用电子的自旋量子态，而不是象常规晶体管用电荷，作为开关状态。这就是所谓的 “Spintronics” 器件。
一般来说，一个新的高科技产品从实验室验发成功到量产大概需要10年左右时间。IBM的纳米碳管三极管过去差不多10年了，但没有任何会被批量生产的迹象。实际上现在几乎没人注意了。原因何在呢？
这就是我想要强调的，验发出样品或样机和量产是两码事。半导体生产的基本工艺，首先是光刻 (Lithougraphy, 或Litho)， 其次是蚀刻 (Etch)。简单说，都是“减法”——— 先镀上一层均匀的薄膜，再通过光刻和蚀刻去掉不需要的部分，制成设计的图形 (Paterns)。这种减法工艺可以在一张300毫米直径的硅片上做出几十亿个半导体装置, 而且保证所有装置的几何尺寸和物理性质都均匀一致。这充分表明了现代微电子制造技术的巨大威力。
另一方面，纳米碳管三极管是所谓的 “加法”工艺：你要在门电路下面长出纳米碳管，而且要保证几十亿个纳米碳管的直径，长度，方向，相对于门电路的位置。。。都高精度一致，这在目前的制造工艺几乎是一个不可能完成的任务，而且也看不出将来如何能达成这个目标。
我在这里要传达的信息是，以现代半导体微电子制造工艺为基础，人们可以通过调制优化物质的结构，设计并批量生产出所希望的力学，物理，化学，和生物性质。将这技术应用于太阳能光电池，那就意味着高效率低成本，也就是下一代或第三代光电池的方向。
从这个角度看，太阳能的将来比风能要“亮”得多。
临结束前，让我举个通过结构调制物质性质在太阳能应用的的例子：所谓的纳米“量子同轴线”太阳能薄膜 ：薄膜太阳能电池的膜，直观理解，为了提高效率，最好是能尽量厚一些，这样能多吸收光。但另一方面，从电学的角度，这膜却是越薄越好，因为越薄，电阻越低，电流损耗就越小，同样是提高效率的途径。这两个互相矛盾的要求，波士顿学院 (Boston College)的Michael Naughton在2010年7月发明的纳米同轴线薄膜却有可能达成：因为这种纳米结构薄膜，在光学上是厚膜，而在电学上却是薄膜。
图五 纳米同轴线结构示意图
而且这种周期结构完全可以通过半导体的光刻和蚀刻制程批量生产。
作者：hwarrensen 在 海归茶馆 发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com
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 【就技术论技术之结束篇】太阳能和纳米技术（二） -- hwarrensen - (4957 Byte) 2011-5-30 周一, 08:12 (3722 reads)
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