微纳米电子器件的技术应用发展趋势

微纳米电子器件指利用纳米级的微机电加工和制备技术，设计制备而成的具有纳米级尺度和特定功能的电子器件。要制备微纳米电子器件及实现其集成电路，有两种可能的方式。一种方式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。

微纳米电子器件“由上到下”的制备方法主要包括光学光刻、电子束光刻和离子束刻蚀等技术；“由下到上”的制备方法则包括金属有机化学气相沉积，分子束外延、原子层外延等外延技术，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。通过上述两种加工方式，可以制备出多种多样的微纳米电子器件，并将其应用于各个领域。

图1-2　MOSFET的器件示意图

依据微纳米器件的加工技术和分类组成，将其应用于各行各业，主要包括机电器械、生物医疗、材料制备、微电子和计算机行业。20世纪60年代，Kahng和Atalla应用热SiO2结构提出并制造了世界上第一只金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）。在此后的几十年里，以硅基MOS集成电路为代表的微电子技术迅速发展，单一芯片上集成的晶体管数量，即集成电路的集成度，从发明初的几颗扩展为现今的数十亿颗，且其发展速度基本上符合摩尔定律。图1-2展示了MOSFET的器件示意图。

在集成电路与器件物理的高速发展过程中，摩尔定律与MOSFET的器件始终处于核心指导地位，为微电子技术的发展奠定了扎实的基础，不断定义先进的技术节点。

在航空航天、汽车检测、超声医疗、无损检测等领域，基于压电效应实现微纳尺度的压电材料，在微纳器件上具有很多应用，主要包括压电陶瓷（PZT）、压电晶体、压电纤维、压电薄膜、压电聚合物等，具有响应速度快、测量精度高等特点，既能用于制作传感器又能用于制作执行器。国内外对压电材料的研究已经有几十年了，但在结构的改进、新器件的开发应用上仍然有很大的探索空间。

压电材料在微电子领域已经有很多的应用，主要集中在各类传感器和执行器中的压电谐振器，它是微电子器件的一个重要分支，也是压电材料的一个重要应用。常见的压电谐振器是薄膜体声波谐振器（film bulk acoustic resonator，FBAR），以及压电微机械梁谐振器。美国的Kerherve等研究出了第一款集成FBAR滤波器的WCDMA（宽带码分多路访问）接收芯片，该芯片采用的是AlN作为传感部分，如图1-3所示。虽然该芯片在工艺程度及成本上都未达到产业化的地步，但这一成果促进了薄膜体声波传感器的集成化。

图1-3　AlN压电谐振器(https://www.xing528.com)

图1-4　碳纳米管

经过多年的发展，压电材料更加广泛地应用于基于压电纤维的能量收集器、超声换能器等，基于压电薄膜的ZnO压力传感器、PZT压电薄膜的微驱动器、压电微加速度计等。

图1-4所示的碳纳米管（carbon nanotube，CNT），因优异的电学、热学、机械特性和化学稳定性，以及独特的一维纳米结构，成为应用在微纳米电子器件中的理想功能材料。与传统电子器件相比，采用CNT制作的微纳米电子器件性能更为优异。

CNT与金刚石、石墨、富勒烯一样，是碳的一种同素异形体，具有以一种管状的碳分子形成的六边形组成的蜂窝状结构骨架。作为一维纳米材料，CNT质量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。因此，它被广泛应用于诸多领域，例如，基于导电性，被应用于锂电池的设计优化中；基于质量轻盈与新生产物氮化硼纳米管（boron nitride nanotube，BNNT）等高级纳米材料，被广泛用作3D打印材质，对航空航天、国防、能源、汽车、健康等多个行业意义重大；基于六边形的完美结构，被应用于液晶显示器和部分传感器，如CNT热膜传感器、CNT化学传感器等。这些应用CNT制作的传感器具有灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低和恢复性强等优点，具有传统传感器无法比拟的优势，可广泛应用在环境、农业、机械和医药等领域。

在当前电子技术微型化和高度集成化的趋势下，多铁性纳米材料的研究正逐渐成为一个重要主题。通过对多铁性材料中多重铁性能顺序参量共存、竞争、耦合行为的深入细致探索，不断挖掘出各种新颖的物理机制，可开发全新概念的量子信息器件，如多铁磁感应探头，非易失性多铁逻辑器件、高速高密度的电读、磁写、随机存储器件等。依据如图1-5所示的多铁纳米点制备方法，结合压印技术，还可制备长程有序的纳米点阵列，并制造高密度多铁性器件。在此基础上，还可以设计纳米点复合多铁性材料，实现室温下的多铁性。

综上所述，微纳米电子器件有很多制备方法，应用也多种多样，主要表现为压电陶瓷半导体材料和硅质材料微纳米电子器件，生物医疗器械中的纳米材料电子器件，机械领域内3D打印的微组件、微机电纳米电子元器件，以及化学领域内的多铁纳米结构和锂电池中的应用，涉及的领域非常多，研究应用的空间也很广阔。

图1-5　多铁纳米点制备方法示意图