微电子技术的新领域

【摘 要】介绍“微电子”及其微电子技术的主要内容,对微电子技术和其它学科结合而衍生出一系列新的交叉学科,如微机电系统,生物芯片等进行论证,展望微电子技术的发展方向.

【关 键 词】微电子；延伸领域；发展方向

1.引言

微电子技术是随着集成电路,尤其是大规模集成电路发展起来的一门新技术.微电子产业包括系统电路设计,器件物理,工艺技术,材料制备,自动测试及封装等一系列专门的技术的产业.微电子产业发展非常迅速,它已经渗透到了国民经济的各个领域,特别是以集成电路为关键技术的电子战和信息战都要依托于微电子产业.

微电子技术是微电子产业的核心,是在电子电路和系统的超小型化和微型化的过程中逐渐形成和发展起来的.微电子技术也是信息技术的基础和心脏,是当今发展最快的技术之一.近年来,微电子技术已经开始向相关行业渗透,形成新的研究领域.

2.微电子技术概述

2.1认识微电子

微电子技术的发展水平已经成为衡量一个国家科技进步和综合国力的重要标志之一.因此,学习微电子,认识微电子,使用微电子,发展微电子,是信息社会发展过程中,当代大学生所渴求的一个重要课程.

生活在当代的人们,没有不使用微电子技术产品的,如人们每天随身携带的手机；工作中使用的笔记本电脑,乘坐公交、地铁的IC卡,孩子玩的智能电子玩具,在电视上欣赏从卫星上发来的电视节目等等,这些产品与设备中都有基本的微电子电路.微电子的本领很大,但你要看到它如何工作却相当难,例如有一个像我们头脑中起记忆作用的小硅片―它的名字叫存储器,是电脑的记忆部分,上面有许许多多小单元,它与神经细胞类似,这种小单元工作一次所消耗的能源只有神经元的六十分之一,再例如你手中的,将你的话音从空中发射出去并将对方说的话送回来告诉你,就是靠一种叫“射频微电子电路”或叫“微波单片集成电路”进行工作的.它们会将你要表达的信息发送给对方,甚至是通过通信卫星发送到地球上的任何地方.其传递的速度达到300000KM/S,即以光速进行传送,可实现双方及时通信.

“微电子”不是“微型的电子”,其完整的名字应该是“微型电子电路”,微电子技术则是微型电子电路技术.微电子技术对我们社会发展起着重要作用,是使我们的社会高速信息化,并将迅速地把人类带入高度社会化的社会.“信息经济”和“信息社会”是伴随着微电子技术发展所必然产生的.

2.2微电子技术的基础材料――取之不尽的硅

位于元素周期表第14位的硅是微电子技术的基础材料,硅的优点是工作温度高,可达200摄氏度；二是能在高温下氧化生成二氧化硅薄膜,这种氧化硅薄膜可以用作为杂质扩散的掩护膜,从而能使扩散、光刻等工艺结合起来制成各种结构的电路,而氧化硅层又是一种很好的绝缘体,在集成电路制造中它可以作为电路互联的载体.此外,氧化硅膜还是一种很好的保护膜,它能防止器件工作时受周围环境影响而导致性能退化.第三个优点是受主和施主杂质有几乎相同的扩散系数.这就为硅器件和电路工艺的制作提供了更大的自由度.硅材料的这些优越性能促成了平面工艺的发展,简化了工艺程序,降低了制造成本,改善了可靠性,并大大提高了集成度,使超大规模集成电路得到了迅猛的发展.

2.3集成电路的发展过程

20世纪晶体管的发明是整个微电子发展史上一个划时代的突破.从而使得电子学家们开始考虑晶体管的组合与集成问题,制成了固体电路块―集成电路.从此,集成电路迅速从小规模发展到大规模和超大规模集成电路,如图1所示.

图1集成电路发展示意图

集成电路的分类方法很多,按领域可分为：通用集成电路和专用集成电路；按电路功能可分为：数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路；按器件结构可分为：MOS集成电路、双极型集成电路和BiIMOS集成电路；按集成电路集成度可分为：小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI、超导规模集成电路VLSI、特大规模集成电路ULSI和巨大规模集成电路CSI.

随着微电子技术的发展,出现了集成电路（IC）,集成电路是微电子学的研究对象,其正在向着高集成度、低功耗、高性能、高可靠性的方向发展.

2.4走进人们生活的微电子

IC卡,是现代微电子技术的结晶,是硬件与软件技术的高度结合.存储IC卡也称记忆IC卡,它包括有存储器等微电路芯片而具有数据记忆存储功能.在智能IC卡中必须包括微处理器,它实际上具有微电脑功能,不但具有暂时或永久存储、读取、处理数据的能力,而且还具备其他逻辑处理能力,还具有一定的对外界环境响应、识别和判断处理能力.

IC卡在人们工作生活中无处不在,广泛应用于金融、商贸、保健、安全、通信及管理等多种方面,例如：移动卡,付费电视卡,公交卡,地铁卡,电子钱包,识别卡,健康卡,门禁控制卡以及购物卡等等.IC卡几乎可以替代所有类型的支付工具.

随着IC技术的成熟,IC卡的芯片已由最初的存储卡发展到逻辑加密卡装有微控制器的各种智能卡.它们的存储量也愈来愈大,运算功能越来越强,保密性也愈来愈高.在一张卡上赋予身份识别,资料（如、主要数据、等）存储,支付等功能已非难事,“手持一卡走遍天下”将会成为现实.

3.微电子技术发展的新领域

微电子技术是电子科学与技术的二级学科.电子信息科学与技术是当代最活跃,渗透力最强的高新技术.由于集成电路对各个产业的强烈渗透,使得微电子出现了一些新领域.

3.1微机电系统

MEMS（Micro-Electro-Mechanicalsystems）微机电系统主要由微传感器、微执行器、信号处理电路和控制电路、通信接口和电源等部件组成,主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分,它融合多种微细加工技术,并将微电子技术和精密机械加工技术、微电子与机械融为一体的系统.是在现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科.当前,常用的制作MEMS器件的技术主要由三种：一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段,即利用大机械制造小机械,再利用小机械制造微机械的方法,可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置,如微型机器人,微型手术台等.第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工,形成硅基MEMS器件,它与传统IC工艺兼容,可以实现微机械和微电子的系统集成,而且适合于批量生产,已成为目前MEMS的主流技术,第三种是以德国为代表的LIGA（即光刻,电铸如塑造）技术,它是利用X射线光刻技术,通过电铸成型和塑造形成深层微结构的方法,人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等.

MEMS的应用领域十分广泛,在信息技术,航空航天,科学仪器和医疗方面将起到分别采用机械和电子技术所不能实现的作用.

3.2生物芯片

生物芯片（Biochip）将微电子技术与生物科学相结合的产物,它以生物科学基础,利用生物体、生物组织或细胞功能,在固体芯片表面构建微分析单元,以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞及其他生物组分的正确、快速的检测.目前已有DNA基因检测芯片问世.如Santford和Affymetrize公司制作的DNA芯片包含有600余种DNA基本片段.其制作方法是在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽,然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维,不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基本片段.采用施加电场等措施可使一些特殊物质反映出某些基因的特性从而达到检测基因的目的.以DNA芯片为代表的生物工程芯片将微电子与生物技术紧密结合,采用微电子加工技术,在指甲大小的硅片上制作包含多达20万种DNA基本片段的芯片.DNA芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化,对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用.生物工程芯片是21世纪微电子领域的一个热点并且具有广阔的应用前景.

3.3纳米电子技术

在半导体领域中,利用超晶格量子阱材料的特性研制出了新一代电子器件,如：高电子迁移晶体管（HEMT）,异质结双极晶体管（HBT）,低阈值电流量子激光器等.

在半导体超薄层中,主要的量子效应有尺寸效应、隧道效应和干涉效应.这三种效应,已在研制新器件时得到不同程度的应用.

（1）在FET中,采用异质结构,利用电子的量子限定效应,可使施主杂质与电子空间分离,从而消除了杂质散射,获得高电子迁移率,这种晶体管,在低场下有高跨度,工作频率,进入毫米波,有极好的噪声特性.

（2）利用谐振隧道效应制成谐振隧道二极管和晶体管.用于逻辑集成电路,不仅可以减小所需晶体管数目,还有利于实现低功耗和高速化.

（3）制成新型光探测器.在量子阱内,电子可形成多个能级,利用能级间跃迁,可制成红外线探测器.

利用量子线、量子点结构作激光器的有源区,比量子阱激光器更加优越.在量子遂道中,当电子通过隧道结时,隧道势垒两侧的电位差发生变化,如果势垒的静电能量的变化比热能还大,那么就能对下一个电子隧道结起阻碍作用.基于这一原理,可制作放大器件,振荡器件或存储器件.

量子微结构大体分为微细加工和晶体生长两大类.

4.微电子技术的主要研究方向

目前微电子技术正朝着三个方向发展.第一,继续增大晶圆尺寸并缩小特征尺寸.第二,集成电路向系统芯片（systemonchip,SOC）方向发展.第三,微电子技术与其他领域相结合将产生新产业和新学科,如微机电系统和生物芯片.随着微电子学与其他学科的交叉日趋深入,相关的新现象,新材料,新器件的探索日益增加,光子集成如光电子集成技术也不断发展,这些研究的不断深入,彼此间的交叉融合,将是未来的研究方向.