Công nghệ nano và micro điện tử = micro and nanoelectronics technology

DÀO KHÄC AN CÔNG NGHÊ MICRO VÀ NANÔ DIÊN TU r i\ S d NHÀXUÂT BAN GlAO DUC VIETNAM Công ty cổ phần Dịch vụ xuất Giáo dục Hà Nôi Nhà xuất Giáo dục Việt Nam giữ quyền công bố tac phẩm 13 -> 0 /C X B /l-189/G D M ã số : B 14 H -N Đ N ỹ n i đ ầ w uốn sách biên soạn nhằm trình bày kiến thức số công nghệ cập nhật lĩnh vực công nghệ micrô điện tứ nanô điện tứ Công nghệ điện tứ bao gồm nhiều lĩnh vực, có lĩnh vực chế tạo vật liệu chế tạo linh kiện điện tứ bán dẫn vi mạch Công nghệ phát triển nhanh chóng có ảnh hướng mạnh đến phát triển xã hội Từ thập niên cuối cúa kí XX năm đầu kí XXI, sở cơng nghệ micrơ điện tứ tích hợp với nhiều liên ngành khác, cộng thêm số lĩnh vực công nghệ đời (công nghệ nanô sinh học, công nghệ điện tứ phân tứ, công nghệ micrô nanô điện tứ ), cơng nghệ nanơ nói chung cơng nghệ nanơ điện tứ nói riêng chiếm vai trị đặc biệt quan trọng, trọng phát triến Hi vọng tương lai không xa, chúng mang lại điều kì diệu có ánh hưởng to lớn đến nhiều mặt cúa phát triển xã hội C Bản thân công nghệ micrô nanô điện tứ lĩnh vực rộng lớn, trọng phát triến bốn thập kí qua Tính từ năm 1960, góp phần mang lại thành to lớn làm thay đối nhiều diện mạo sống xã hội loài người Một ví dụ thấy rõ nhờ có công nghệ micrô điện tứ mà hệ vi mạch khác đời, có nhớ máy tính CPU, tạo nên hệ máy tính cá nhân có vai trị to lớn, có ánh hương sâu sắc đến phát triển xã hội lồi người Lĩnh vực cong nghệ micrơ nanơ điện tứ phát triến nhanh mạnh nhất, có vai trị đặc biệt quan trọng ngành điện tứ, lcà lĩnh vực chế tạo vật liệu linh kiện bán dẫn, mạch tố hợp, linh kiện cám biến thông minh, linh kiện quang điện tứ bán dẫn lĩnh vực vật liệu mới, linh kiện điện tứ học phân tứ Các linh kiện bán dẫn vi điện tử tảng đế chế tạo thiết bị điện tử tiên tiến, hệ thống thiết bị truyền thơng, cơng nghệ thơng tin, máy tính quang lượng tứ, người máy, đo lường điều khiến đã, phát triển mạnh kỉ XXI Linh kiện bán dẫn mạch tố hợp phát triển vũ bão từ sau phát minh tranzito lưỡng cực J Bardeen, H Brattain w Shockley ; phát minh laze bới G Basov, M Prokhorov H Townes vào năm 1952 ; phát minh lí thuyết siêu dẫn, hiệu ứng Josephson ; phát minh sợi quang suy hao thấp vùng bước sóng 0,8 pm ,1,3 pm 1,55 pm Các phát minh trao giái thưởng Nobel Vào năm 1959 - 1960, mạch tố hợp (IC) đời s Kilby đề xuất đến năm 2000 tặng giái thướng Nobel Trong lễ kỉ niệm 50 năm ngày phát minh tranzito, tạp chí Thơng tin Khoa học Mỹ gọi thê kí XX thê kỉ cúa mạch rắn (solid State century) Năm 2004, Hãng CNN tố chức thàm dò thành khoa học công nghệ vĩ đại n^ât tron8 thời gian qua Kết là, công nghệ micrô điện tứ tạo nên mạch tố hợp đánh giá thành q khoa học cơng nghệ có tác động lớn nhất, p at minh mạch vi điện tứ xếp vào vị trí số t'êp đến phát minh máy tính ca n an, điện thoại di động, máy bay phán lực, T V y 0a„? thê kỉ XXI, công nghệ nanô UA'f nen m^c hồn thiện cịn có nhiều nhận ưươcơl đời mà COn người khó có thê đoán vực rộng, để viết quyến sách có nội dung đầy đú bao quát lĩnh vực vơ khó khăn khó đáp ứng nhu cầu độc giả muốn hiểu sâu vấn đề Mặt khác, lĩnh vực micrô nanô điện tứ giới phát triến nhanh chóng, Việt Nam, lĩnh vực cơng nghệ micrơ nanô điện tử lại chưa phát triển đáng kể Tuy vậy, số phịng thí nghiệm số viện nghiên cứu trường đại học Việt Nam nhiều quan tâm nghiên cửu triến khai số công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn rời rạc, số khâu công nghệ micrô nanô điện tử nhằm chế tạo mẫu vật liệu, mẫu linh kiện bán dẫn, linh kiện cảm biến (sensor) vi mạch tích hợp thấp nhằm phục vụ cho nghiên cứu, giảng dạy ứng dụng Trong tương lai gần, với xu tồn cầu hố, Việt Nam khơng thể không phát triển ngành công nghiệp mũi nhọn ngành lượng, khí, luyện kim, điện tứ, tự động hố, vật liệu mới, cơng nghệ sinh học có ngành cơng nghiệp mỉcrơ nanơ điện tử Các nước có kinh tế mạnh không nước nàc bỏ qua ngành công nghiệp micrô nanơ điện tử, chí cịn quan tâm đặc biệt Cuốn sách viết nhằm giới thiệu cách tương đối khái quát công nghệ micrô nanơ điện tứ cơng nghệ nanơ điện tứ lĩnh vực trọng yếu bao chùm ba lĩnh vực cúa cơng nghệ nanị (bán dẫn điện tứ, điện tử phân tứ điện tử nanô sinh học) quan tâm Song để nắm băt đươc công nghệ nanô điện tử, thiết phải hiểu ve cong nghệ micrô điện tứ vật liệu bán dẫn, đặc biệt la bán dẫn Si, GaAs, thành đạt cịn kéo dài nhiều thập kỉ nưa kỉ XXI Cụốn sách viết chuyên ngành rộng, bao gồm nhiều lĩnh vực khác : vat lí chất rắn, vật lí bán dẫn, khoa học vật liệu, hố - lí, sinh học, điện tử, mạch điện tử, thiết kế vi mạch, mơ phóng , linh vực lại phát triến thay đối hàng ngày hàng nên Irong trình biên soạn sách, chúng tơi gặp khơng khó khăn, mặt thuật ngữ khoa học công nghệ lĩnh vực Việt Nam chưa có tính thống cao Nội dung sách viết phần dựa sớ tống kết số kinh nghiệm làm việc, nghiên cứu cúa tác giá thời gian từ năm 1972 đến số viện nghiên cứu, công ty chế tạo linh kiện bán dẫn, vi mạch nước ; phần dựa sớ giáo trình mơn học Cơng nghệ nanơ — Đ iện tứ nanô tác giá biên soạn đế giáng dạy cho lớp cao học Điện tứ - Viễn thông cúa H ọ c viện Công nghệ Bưu - Viễn thơng từ năm 2002 đến năm 2009 phần nội dung quan trọng dựa tài liệu khoa học công nghệ thu thập từ sách, tạp chí từ thơng tin có internet biên soạn lại Tuy nhiên, kiến thức công nghệ nanô - điện tứ nanơ phát triến nhanh chóng, thay đối hàng ngày, sách không tránh khỏi khiếm khuyết nội dung hình thức Tác giá mong nhà chuyên môn, bạn đồng nghiệp bạn đọc xa gần đóng góp ý kiến đế sách hoàn thiện Mọi ý kiến góp ý xin gứi vê cơng ty cố phần Dịch vụ xuất bán Giáo dục Ha Nội - Nhà xuất bán Giáo dục Việt Nam, 187B Giáng Võ, Hà Nội Hà N ội, tháng năm 0 GS TSKH Đào Khắc An ñ d f P c A CỔNG NGHỆ MICRO ĐIỆN TỬ f j} f y u x m g / KHÁI QUÁT NHỮNG VẤN ĐÊ CHUNG LIÊN QUAN ĐẾN LỈNH vực MICRÔ VÀ NANÔ ĐIỆN TỪ 1.1 LĨNH VỰC ĐIỆN TỬ - CỔNG NGHIỆP ĐIỆN TỬ Ý nghĩa từ “điện tử” theo nghĩa hẹp hạt electron có điện tích 6.10“ 19 c có khối lượng nghỉ 0,91095.10~3° kg Khái niệm điện tử cịn có nghĩa rộng nghĩa tổng quát, ngành điện tử hay lĩnh vực điện tử Theo quan niệm trước đây, vào đầu kỉ XX, lĩnh vực điện tử chưa phát triển ngành điện thường chia thành hai lĩnh vực : “điện nặng” "điện nhẹ" Điện nặng bao gồm lĩnh vực sản xuất điện năng, truyền tải diện hạ điện áp trạm biến áp, phân phối cung cấp diện nâng qua đường dây cao Ihế đến noi cần thiết, cung cấp điện cho trang thiết bị, cac nhà máy, biín dổi chỉnh lưu dịng diện vớt cơng suất lớn ngày thuòng dưọc gọi chung ngành điện Còn lĩnh vực điện nhẹ đưực hiểu lĩnh ™c liên quan đến diện tử vói kĩ thuật telex điện báo, truyền tin, radio, v ề sau với ứng dụng phá minh liên quan đến điện từ, ngành phát triển nhanh phân chia thann ìa , v ' , * , ' „ Iriivpn hình điều khiển từ xa, đo lường, nhỏ khác vô tuyến điện, truyen niiui, uit e máy ' ' A «hiên lĩnh vưc khác Ngày nay, người tính, cơng nghệ thơng tin nhiêu nnn vục N “ ^ / * , , , „ ' , i;á„ rìiên tử hoăc kĩ thuât điện điện tứ ta thường nói với tên ngành điện va ẹ ■ , / * V* , • r>pn nav khó vạch rõ ranh (electrical and electronics engineeiing) ê y-1 ' ' * „ „Ann niôc cách mạng khoa học kĩ thuật giới lĩnh vưc, cống ọ c *■ k ll ' T / “ kĩ thuât điện điện tử phát triển vũ bão nay, k • " , đan T, xen vào V, b , ! , , „„Anh rác lĩnh vưc khác Từ ngành xâm nhập vào hầu hêt ngi I n Cu-nx.; ỉ điệii” theo tên gọi trước đẻ hai lĩnh vực có đặc thù riêng rõ rệt điện điện tử Trong lĩnh vực điện tử lại rẽ nhánh thành nhiều ngành quan trọng khác ngành vật liệu điện tử, ngành công nghệ linh kiện điện tử, ngành thiết bị điện tử, hệ thống thiết bị điện tử chung loại thiêt bị máy tính N gày nay, lĩnh vực công nghệ bán dẫn, tin học, đieu khiên từ xa, tự động hố, máy rơbơt, trí tuệ nhân tạo, quang điện tử, điẹn tư hang không - vũ trụ, lượng lĩnh vực thường nhắc đên Những ngành lại liên quan mật thiết với nhau, kho co the đinh ranh giới rõ ràng Công nghiệp điện công nghiệp điện tử bao gồm tất lĩnh vực san xuât chê tạo hoạt động k h ác liên quan đến lĩnh vực điện điện tư Đ ó hoạt động liên quan đến sản suất sản phẩm điện - điện tử Trong lĩnh vực này, đơi người ta cịn phân chia ngành công nghiệp nhỏ công nghiệp vật liệu điện tử, công nghiệp vật liệu bán dân, công nghiệp sản suất linh kiện điện tử - bán dẫn vi m ạch, công nghiệp chê tạo thiêt bị điện tử , hoạt động mua bán sản phẩm điện điện tử thương mại điện - điện tử Người ta cịn phân chia lĩnh vực điện - điện tử chuyên ngành nhỏ khác theo đặc thù sử dụng (như điện tử công nghiệp, điện tử quan sự, điẹn tưgia dụng ) phân chia theo đặc thù vật liệu c h ế tạo theo chưc nang cua chung sản phẩm điện tử bán dẫn, sản phẩm điẹn tư gom sư, cac hnh kiện điện tử thụ động, linh kiện tích cực, vi mạch, cac mạch điẹn tư thơng minh Có nói, ngành điện tử có tầm quan tiọng đạc biẹt, khơng co ngành khơng thể tiến hành cơng nghiệp hố đưọc Điẹn va điẹn tư co vai trị ví hệ thần kinh thể người đưa cac tin hiẹu va nang lượng dên phận thể để tham gia vào cac qua trinh song Do vậy, nói, phần điện - điện tử thiết bị phan hon , va mọt so trường hợp có vai trị “bộ não — trái tim", ví CPU máy tính cá nhân hay rơbơt Tên gọi Kí hiệu M0 * m Đơn vị, thứ nguyên Khối lượng nghỉ điện tử kg Khối lượng hiệu dụng kg m n’ m p Khối lượng điện tử lỗ trống kg n Chiết suất n Mật độ điện tử tự cm-3 ni Mật độ hạt tải cm' na Nồng độ tạp chất axepto cnrr3 Nc Mật độ hiệu dụng trạng thái vùng dẫn cm"3 Nd Nồng độ tạp chất đôno cm-3 Nv Mật độ hiệu dụng trạng thái vùng hoá trị cm-3 p Mật độ lỗ trống tự cm~3 p Áp suất N/m2 q Độ lớn điện tích (điện tử, lỗ trống) C e Chỉ độ lớn điện tích điện tử Q Điện tích c c R Điện trở Q WO.) Độ nhạy phổ, phổ độ nhạy theo bước sóng A/W *r t Hệ số phản xạ ánh sáng Thời gian s T Nhiệt độ tuyệt đối K T, T(E) Độ truyền qua rào V TỐC độ hạt tải cm/s vs Tốc độ bão hoà cm/s v th Tốc độ nhiệt cm/s V Thế hiệu V v bi Thế hiệu bên (của tiếp giáp) V Y eb Thế hiệu êmitơ-bazơ V Y b Thế đánh thủng V w Chiều dày miền nghèo cm ịxm WB Chiều dày miền cực gốc B tranzito cm pm C o N q NC,k ị MICRO VA NANƠ ditto Tơ 7J4 Tên gọi Kí hiệu Đơn vị, thứ nguyên X Chiều X toạ độ V Toán tử đạo hàm VT Građien nhiệt độ K/cm e0 Độ điện thẩm chân không F/cm es Độ điện thẩm bán dẫn F/cm e i , e ox Độ điện thẩm vật liệu cách điện, ôxit F/cm o kW co II co Hằng số điện môi T Thời gian sống thời gian phân rã s Góc rad X Bước sóng pm nm V T án s ố củ a ánh sấn« Hz Mo Độ từ thẩm chân không H/cm Mn Độ linh động điện tử cm2/ v.s Độ linh động lỗ trống cm2/ v.s p Điện trở suất Q.cm ^B n Chiều cao hàng rào bán dẫn loại n eV ^B p Chiều cao hàng rào thẹ bán dẫn loại p eV o Cơng kim loại eV CO Tần số góc Hz G, G(E) Độ dẫn điện 1/Q s (simen) XJ Chiều sâu khuếch tán, chiều sâu tiếp giáp jưm A Diện tích (pm)2, (cm)2 m2 F Lực N Rs Điện trở vuông /1 Ea Năng lượng kích hoạt eV V Hàm sóng D(E) Hàm mật độ trạng thái a Hệ số khuếch đại dòng cực gốc B nối đất p = 1/p Hệ sơ khuếch đại dịng cực phát E nối đất 111 Độ dẫn điện nghịch đảo điện trở suất 755 (Q.cm)-1 PHỤ LỤC E Các tính chất Ge, Si Và GaAs 300 K Các tính chất Ge Si GaAs Số nguyên tử/cm3 4,42.1022 5,0.1022 4,42.1022 Trường điện đánh thủng (V/cm) ~ 105 -3.105 ~ 4.105 Cấu trúc tinh thể Kim cương Kim cương Zincblende Mật độ (g/cm3) 5,3267 2,328 5,32 Hằng số điện môi 16,0 11,9 13,1 Mật độ hiệu dụng trạng thái vùng dẫn, Nc (em'3) 1,04.1019 2,8 1019 4,7.1017 Mật độ hiệu dụng trạng thái vùng hoá trị, Nv (em-3) 6,0.1018 1,04.1019 7,0.1018 Ái lực điện tử, X (V) 4,0 4,05 4,07 Dải lượng 300 K (eV) 0,66 1,12 1,424 Nồng độ hạt tải (em3) 2,4.1013 1,45.10'° 1,79.106 Độ dài Debye (pm) 0,68 24 2250 Điện trở suất (Q.cm) 47 2,3.105 103 Hằng số mạng (Ẳ ) 5,64613 5,43095 5,6533 Hệ số tuyến tính dãn nở nhiêt AL/ LAT (°C'1) 5,8.10~6 2,6.10"6 6,86.10"6 1415 1238 2,5.10- ~ 10-8 1500 450 8500 400 0,037 0,063 0,035 105 76 (điện tử) 55 (lỗ trống) 58 Nhiệt dung riêng (J/(g.độ)) 0,31 0,7 0,35 Độ dẫn nhiệt 300 K (W/(cm.độ)) 0,6 1.5 0,46 Hệ số khuếch tán nhiệt (cm2/s) 0,36 Áp suất pha (Pa) 1330°C 10“6 tai 760°C 0,9 1650°C 10“6 tai 900°C 0,44 100 tai 937 Điểm nóng chảy (°C) Thời gian sống hạt tải thiểu số (s) 10~3 Độ linh động (cm2/v.s) : 3900 - Điện tử 1900 - Lỗ trống Năng lượng phôtôn quang (eV) Qng đường tự trung bình phơnon X0 (Ẵ ) CíiNCị NCjhỂ MÌCIÚ» VÀ NANÕ đìỆN rú 756 1050óc tai 90ỏ°c PHỤ LỰC F Đặc điểm cấu trúc vùng luọng số liệu thực nghiệm Bán dẫn Loại vùng cấm Độ rộng vùng cấm thực nghiệm**) Sự phụ thuộc vùng cấm vào nhiệt độ AlAs Vùng cấm không thẳng 2,239 2,163 2,239 - [6,0 lO -^/C T + 408)] GaP Vùng cấm không thẳng 2,338 2,261 2,388 - [5,771.10_4T2/(T + 372)] GaAs Vùng cấm thẳng 1,519 2,261 1,519 - [5,405 lO -^/C T + 204)] GaSb Vùng cấm thẳng 0,810 0,726 0,810 - [3,78.10_4T2/(T + 94)] InP Vùng cấm thẳng 1,421 1,351 1,421 - [3,63.10~4T2/(T + 162)] InAs Vùng cấm thẳng 0,420 0,360 0,420 - [2,50.10_4T2/(T + 75)] InSb Vùng cấm thẳng 0,263 0,172 0,263 - [2,99.10_4T2/(T + 140)] Si Vùng cấm không thẳng 1,Ỉ7 1,11 1,17- [4,37.10"4T2/(T + 636)] Ge Vùng cấm không thẳng 0,66 0,74 0,74 - [4,77.1 0_4T2/(T + 235)] (*) Trong bảng ghi hai số liệu thực nghiệm công bố số tài liệu gần 757 PHỤ LỤC G Một số tính chất quan trọng bán dẫn họp chất AlAs 0,1 AlSb 0,12 GaN Khối lượng lỗ trống (m0) = ° ’98 0,19 GaP 0,82 m dos = ° ’60 GaAs 0,067 m|h = 0,082 GaSb 0,042 m dos = ° ’40 InP 0,073 m dos = °> InAs 0,027 m dos = ° ’4 InSb 0,13 m d o s= °> Si niị = 0,98, mt = 0,19 mih = 0,16, mhh = 0,49 Ge rriị = 1,64, mt = 0,082 mlh = 0,044, mhh = 0,28 C oN q Nqhẹ MÍCRÕ VÀ NANƠ đìỆN TỨ V m dos II o b\ o Khối lượng điện tử (m0) Q o Vật liệu 758 •HỤ LỤC H Một số thơng số vật liệu bán dẫn đon hợp chất 300 K Vật liệu Cấu trúc Đỏ rông băng tinh thể (eV) Hằng số điện Hằng số mạng môi tĩnh (Ã ) Mật độ (gm.cm-3) c DI 5,50 I 5,570 3,5668 3,5153 Si DI 1,1242 I 11,9 5,431 2,3290 SiC ZB 2,416 I 9,72 4,3596 3,166 Ge DI 0,664 I 16,2 5,658 5,323 AIN w 6,2 D s = 9,14 a = 3,111 c = 4,981 3,255 AIP ZB 2,45 I 9,8 5,4635 2,401 AIAs ZB 2,153 I 10,06 5,660 3,760 GaN w 3,44 D £// = 10,4 6,095 £j_ = 9,50 a = 3,175c = 5,158 GaP ZB 2,272 I 11,11 5,4505 4,138 GaAs ZB 1,424 D 13,18 5,653 5,318 GaSb ZB 0,75 D 15,69 6,0959 5,6137 759 Vật liệu Cấu trúc Đô rông băng (eV) tinh thể InN w 1,89 InP ZB 1,344 InAs ZB InSb D Hằng số điện Hằng số mạng Mật độ môi tĩnh (gm.cm-3) (Ă ) — a = 3,545 c = 8,703 6,81 D 12,56 5,8687 4,81 0,354 D 15,15 6,058 5,667 ZB 0,230 D 16,8 6,479 5,775 ZnS ZB 3,68 D 8,9 5,4102 4,079 ZnS w 3,9107 D = 9,600 a = 3,822 c = 6,620 4,084 ZnSe ZB 2,822 D 9,1 5,668 5,266 ZnTe ZB 2,394 D 8,7 6,104 5,636 CdS w 2,501 D £ = 9,380 a = 4,136 c = 6,714 4,82 CdS ZB 2,50 D — 5,818 — CdSe w 1,751 D = 10,16 e”= 9,290 a = 4,2999 c = 7,0109 5,81 CdTe ZB 1,475 D 10,2 6,482 5,87 R 0,41 D 169 5,936 7,597 PbSe R 0,278 D 210 6,117 8,26 PbSe R 0,310 D 414 6,462 8,219 ' PbS £ ỊỊ Chú giải : - DI : kim cương ; R : rockíatt (tinh thể muối đá) ; w : wurtzite ; ZB : zincblende (giả kẽm) - D : Vùng cấm thẳng ; I : không thẳng ; £/ỵ: song song với trục c ; £x : vng góc vội trục c CíìNCị Nr,kf MÌCRĨ VÀ đícN TU 760 PHỤ LỤC I Các tính chất ô*it cách điện Si02 Si3N4 300 K Tên ôxit cách điện Si3N4 S i0 Cấu trúc Amorf Điểm nóng chảy (°C) ~ 1600 Mật độ (g/cm3) 2,2 3,1 Chiết suất 1,46 2,05 Hằng số điện môi 3,9 7,5 Độ cách điện (V/cm) 107 107 Vùng hấp thụ IR (pm) 9,3 11,5-12,0 Độ rộng vùng cấm (eV) ~ 0,5 Hệ số dãn nở nhiệt ("C-1) 5.10- Độ dẫn nhiệt (W/(cm.K) 0,014 Điện trở dòng chiểu (íìcm) 25°c J014- 1016 TỐC độ ăn mòn HF đặc Amorf ~ 1014 ~ 1013 (Â /m in) 1000 + 10 Chú giải : Thành phần HF đạc : 34,6 % (wt.) NH4F ; 6,8% (wt.) HF ; 58,6% H20 761 Quan hệ giũa đại luọng xạ đại lừợng quang Hệ đại lượng xạ STT Hệ đại lượng quang Công suất xạ (radiant flux) : Oe [W] Quang thông (luminous flux) : Ov [lm] Năng lương xa (radiant energy) : Qe [W.s ] Quang nãng (luminous energy) : Qv [Im.s] Công suất phát diện tích (radiant emittance) : Mc [W/m2] Dịng phát quang diện tích (luminous emittance) : Mv [lm/m2] Cường độ xạ (radiant intensity) : Cường độ quang (luminous intensity) : Iv [cd = lm/sr], sr góc khối I [W/sr], sr góc khối Mật độ xạ (radiance) : Le [W/(m2.sr) ] Mật độ quang (luminance) : L* [Im/(m2.sr)] Hiệu suất phát xạ (radiance efficiency) : ne [WAV] Hiệu suất phát sáng (luminous efficiency) : nv [ImAV] Công suất xạ chiếu vào bề mặt (irradiance) : Ee [W/m2] Độ rọi (illuminance) Ev [lux = lm/m2] Lượng xạ chiếu vào (irradiation) : H [W.s/m2] ỉ CÓNCị NCịhÊ MÌCRỊ VÀ NANƠ dÍỄN TÚ Lượng ánh sáng chiếu vào (illumination) : Hv [lx.s = lm.s/m2] 762 MỤC LỤC Lời nói đầu PHẦN A -C Ơ N G NGHỆ MICRO ĐIỆN TỬ Chương Khái quát vấn để chung liên quan đến lĩnh vực micro nanô điện tử 1.1 1.3 Lĩnh vực điện tử - Công nghiệp điện tử Một số khái niệm lĩnh vực điện tử Các chủng loại công nghệ điện tử 11 24 1.4 Thiết kế mô micrô nanô điện tử 29 1.5 Mối quan hệ lĩnh vực điện tử 30 1.6 Một số hướng phát triển lĩnh vực micro nanô điện tử 31 Một số mốc quan trọng liên quan tới lĩnh vực micrô nanô điện tử 33 Chương Công nghệ micro điện tử Si - Các công đoạn thiết kế, chế tạo mặt nạ chế tạo vật liệu bán dẫn khối 37 2.1 Công nghệ micro điện tử số cơng đoạn cơng nghệ 37 2.2 Các điều kiện cần thiết cho chế tạo micrô nanô điện tử 40 2.3 Một số công đoạn dùng chế tạo micrô nanô điện tử 43 2.4 Công đoạn thiết kế cho mạch tổ hợp 45 2.5 Công đoạn thiết kế mặt nạ chế tạo mặt nạ 50 2.6 Công đoạn chế tạo vật liệu bán dẫn khôi cho micrô nanô điện tử 54 2.7 Cơng nghệ cắt mài đánh bóng phiến vật liệu bán dẫn 57 2.8 Một sô vật liệu bán dẫn hợp chất quan trọng sử dụng micro nanô quang điện tử 58 1.7 Chương Công nghệ lớp mặt số công nghệ chế tạo màng mỏng kích thước micrơ nanõ 3.1 63 Về cơng nghệ planar chế tạo chip linh kiện bán dẫn Si mạch tích hợp dựa khả che chắn lớp S i0 63 3.2 Chế tạo lớp S i0 bề mặt phiến Si ôxl hố nhiệt 65 3.3 Một sơ cống đoạn cơng nghệ chê tạo màng vật liệu bán dẫn, màng điện môi, màng kim loại micrô nanô điện tử 71 767 Chương Cơng nghệ xử lí hố ăn mịn micrơ nanơ điện tử 101 4.1 C ác q trình xử lí cơng nghệ micrơ nanơ điện tử 101 4.2 C ác q trình ăn mòn 104 Ăn mòn số vật liệu thông dụng micrô nanôđiện tử 118 Chương Các công nghệ khắc micrô nanôđiện tử 137 5.1 C ác khái niệm, định nghĩa phân loại công nghệ khắc 137 5.2 Độ phân giải công nghệ khắc 138 5.3 Công nghệ quang khắc 139 5.4 Công nghệ khắc chùm tia điện tử 152 5.5 Công nghệ khắc tia X 157 5.6 Khắc chùm tia ion 160 5.7 Công nghệ khắc in nhãn kích thước nanơ 160 5.8 Khắc tự xếp (Self - Assembled Lithograph) 163 Chương Công nghệ pha nguyên tử tạp chất micrô nanô điện tử 165 6.1 Khái quát phương pháp pha nguyên tử tạp chất phân loại 165 6.2 Phương pháp pha nguyên tử tạp chất khuếch tán 169 6.3 Một số mơ hình khuếch tán nhanh phụ thuộc vào nồng độ tạp chất 190 6.4 Pha tạp chất vào bán dẫn phương pháp cấy ion 196 6.5 C ác nguồn dùng công nghệ pha tạp nguyên tử tạp chất cấy ion 217 6 C ác hệ lị khuếch tán thơng dụng thực tế 218 6.7 Một sô' vấn đề sinh sai hỏng trình pha tạp 222 Một số tượng khuếch tán dị thường xảy trình pha tạp 227 6.9 Xác định số thông số lớp pha tạp 230 Chương Công nghệ chế tạo màng kim loại làm điện cực micrô nanô điện tử 243 Vai tro việc tạo dây dẫn kim loại linh kiện bán dẫn micrô nanô, trình phát triển 243 7.2 Một số phương pháp bốc bay tạo màng kim loại làm dây dẫn 245 7.3 Bốc bay chùm tia điện tử 253 7.4 Phương pháp phun xạ 255 7.5 Phương pháp mạ điện hố tạo dây dẫn micrơ nanơ điện tử 260 764 7.6 Một số sai hỏng thường gặp q trình tạo mạng lưới dây dẫn 262 • 7.7 Sử dụng kim loại Cu làm dây dẫn sô' ưu nhược điểm 263 7.8 Hệ thống dây dẫn nhiều tầng vi mạch điện tử siêu cỡ lớn 265 7.9 Các vấn đề khó khăn dây dẫn linh kiện nanô mạch tổ hợp siêu cỡ lớn 267 Chương Một số công nghệ lắp ráp đóng vỏ micrơ nanơ điện tử 269 8.1 Công đoạn đo phân loại chip phiến bándẫn 270 8.2 Công đoạn rạch phiến, cắt tách chip đãđothành nhóm riêng 8.3 Cơng nghệ hàn chip lên đế IC 272 8.4 Công nghệ hàn dây Au từ cổng vào - chip chân đế IC 275 8.5 Những ưu điểm nhược điểm hệ thống hàn dây Au - AI - Si 277 Phủ slicôn bảo vệ chip dây Au 278 8.7 Công đoạn công nghệ dập khuôn đóng vỏ lĩnh vực micrơ nanơ điện tử 279 271 PHẦN B - NANÔ ĐIỆN TỬ 287 Chương Một số vấn để chung khoa học cơng nghệ nanơ 289 9.1 Sự hình thành phát triển khái niệm khoa học công nghệ nanô 289 9.2 Miền kích thước khoa học cơng nghệ nanô 294 9.3 Hai phương pháp tiếp cận công nghệ để chê tạo cấu trúc nanô 297 9.4 Một sơ lĩnh vực khoa học cơng nghệ nanơ tích hợp chúng tương lai 298 Một số kết công nghệ nanô, dự kiến sản phẩm hội 303 9.6 Một sơ'địi hỏi cấp thiết để phát triển thách thức 310 9.7 Một số ảnh hưởng tới phát triển xã hội công nghệ nanô 319 9.8 Một số mặt trái công nghệ nanô 322 9.9 Một sô' hướng phát triển dự kiến sản phẩm công nghệ nanô vài thập niên tới 325 9.5 Chương 10 Tóm lược sơ hiệu ứng vật lí lượng tử quan trọng liên quan đến cơng nghệ micrô nanô điện tử 331 10.1 Hiệu ứng quang điện 331 10.2 Ngun lí lưỡng tính sóng - hạt hệ thức De Broglie 332 10.3 Nguyên lí loại trừ Pauli 334 10.4 Nguyên lí bất định Heisenberg 335 765 10.5 Áp suất lượng tử 336 10.6 Khái niệm cấu trúc vùng lượng 337 10.7 Phương trình sóng Shrodinger dạng lời giải sơ' trường hợp đơn giản 344 10.8 Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử 352 10.9 Hiệu ứng khuềch đại dòng tranzito 360 10.10 Hiệu ứng laze 369 10.11 Kính hiển vi lực nguyên tử kính hiển vi quét xuyên hầm 381 10.12 Hiệu ứng xuyên hầm Josephson 394 10.13 Hiệu ứng từ trở khổng lồ ứng dụng nanô điện tử 396 10.14 Hiệu ứng hoá bề mặt úng dụng công nghệnanô điện tử 399 10.15 Các hiệu ứng Điện - Nhiệt - Cơ - Quang xuất kích thước vật liệu giảm xuống kích thước nanơ 400 Chương 11 Vận chuyển hạt tải câu trúc nanơ số tính chất dặc trưng số câu hình nanơ tiếp giáp dị chất, giếng lượng tử, dây lượng tử, châm lượng tử 401 11.1 Đặc điểm cấu trúc nanơ 401 11.2 Mật độ dịng điện J chảy qua cấu trúc nanơ 404 11.3 C ác hàm sóng cấu trúc nanơ 405 11.4 Độ dẫn lượng tử hoá 408 11.5 Hàm mật độ trạng thái bán dẫn khối (3D), giếng lượng tử (2D), dây lượng tử (1D) chấm lượng tử (0D) 413 11.6 Hiệu ứng giam hạt tải tách mức lượng cấu trúc nanô đặc trưng 421 11.7 Các khái niệm siêu mạng, bề mặt biên phân cách 425 11.8 Chuyển tiếp dị chất 430 11.9 Dây nanô - số đặc điểm, công nghệ chế tạo ứngdụng 441 11.10 Chấm lượng tử, họ linh kiện đơn điện tử ứng dụng 451 11.11 Một số phương pháp chế tạo chấm lượng tử 471 Chương 12 Nanô điện tử, s ố công nghệ ch ế tạo nanô, vật liệu nanô linh kiện nanô trội 12.1 479 Nanô điện tử bao gồm ba lĩnh vực lĩnh vực quan trọng khoa học công nghệ nanô 479 12.2 Một vài trạng công nghệ micro điện tử CMOS 481 12.3 Chế tạo nanô số kĩ thuật khắc trội 484 766 12.4 Khái quát số vấn đề vật liệu nanô 497 12.5 Một số công nghệ chế tạo linh kiện nanô trội 510 Chương 13 Nanơ điện tử vật liệu Si : cấu hình MOSFET, CMOS, BiCMOS, MEMS - NEMS hệ thống mạch nanô điện tử 537 13.1 Linh kiện M OSFET, số tính chất xu hướng phát triển linh kiện 537 13.2 CMOS - đặc điểm, cấu tạo,nguyên lí hoạt động ứng dụng 564 13.3 BiCMOS - đặc điểm, cấu tạo, nguyên lí hoạt động ứng dụng 567 13.4 Hệ thống vi nanô điện : Khái niệm, trạng, thành xu hướng phát triển 570 13.5 Một số vấn đề mạch điện hệ thống điện tử tích hợp điện tử nanô 585 Chương 14 Nanô điện tử sinh học điện tỉr phân tử 603 14.1 Công nghệ nanô sinh học số đặc điểm cấu trúc sinh học 603 14.2 Một số nội dung công nghệ điện tử nanô sinh học ứng dụng 616 14.3 Hệ thống sinh học nanô ngày quan trọng, có tính độc lập, đà phát triển mạnh 625 14.4 Công nghệ nanô y học 627 14.5 Điện tử phân tử 632 Chương 15 Công nghệ nanô điện tử lĩnh vực quang điện tử - quang tử, ống nanô cacbon điện tử spin 649 15.1 Khái quát công nghệ nanô điện tử lĩnh vực quang điện tử - quang tử 649 15.2 Vật liệu ống nanô cacbon ứng dụng điện tử nanô 660 15.3 Sự phát triển điện tử spin ứng dụng 685 Chương 16 Một sô' vấn để mơ hình hố mơ nanơ điện tử 703 16.1 Một số khái niệm chung có liên quan 703 16.2 Một số phương pháp mơ nanơ điện tử 709 16.3 Mơ hình hố mơ phổng vật liệu micrô nanô điện tử 711 16.4 Mơ hình hố mơ vật lí công nghệ linh kiện micrô nanô điện tử 718 16.5 Một số khó khăn xu phát triển 732 Tài liệu tham khảo Phụ lục 733 750 767 Chịu trách nhiệm xuất : Chủ tịch HĐQT kiêm Tổng Giám đốc NGƠ TRAN i Phó Tổng Giám đốc kiêm Tổng biên tập NGUYẼN q u ý t h a o TỔ chức thao chịu trách nhiệm nội dung : Phó Tổng biên tập PHAN XUÂN THÀNH Giám đốc CTCP Dịch vụ xuất Hà Nội PHAN KẾ THÁI Biên tập nội dung : NGUYỄN TIẾN BÍNH - PHẠM ĐÌNH LƯỢNG Biên tập mĩ thuật: NGUYỄN THỊ HồNG VI Trình bày bìa, thiết k ế sách : NGUYỄN THỊ HổNG VI Sửa in : VƯƠNG THỊ TRÌNH - LÊ NHƯ HÀ Tổng phát hành: NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC TẠI TP ĐÀ NẢNG CÔNG NGHỆ MICRÔ VÀ NANỔ ĐIỆN TỬ MÃ SÔ': 7B614H9-NĐN In 1.000 cuốn, khổ 16 X 24cm In Công ty cổ phần In Dịch vụ TT Huế, 57 Bà Triệu-Huế Số ĐKKH xuất ban : 138 - 2009/CXB/1-189/GD In xong nộp lưu chiểu tháng 10 năm 2009