微电子技术发展的新领域

作者:未知

  摘要:微电子技术是目前电子产业的核心之一,拥有良好的发展前景。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。本文就微电子技术发展的新领域展开探讨。
  关键词:微电子;信息技术;新领域
  引言
  数字和网络信息技术具有较强的渗透性,正改变着人类的生产和生活方式,同时也是微电子技术的基础之一。近年来,微电子技术的发展大大增加了计算机容量,降低了硬件成本,极大地促进了工业和信息产业的发展。此外,激光和传感器的研究和应用都离不开微电子学。
  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,再例如你手中的电话,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微电子技术的发展限制因素
  2.1物理规律的客观限制
  集成电路芯片制造技术是微电子技术的核心,在微电子技术的发展过程中,不断突破单个芯片元件集成数量的极限,单个芯片上可以集成5亿个元件,远远超过了特大集成规模。从物理规律来看,微电子技术的发展面临着客观限制。硅基CMOS是微电子技术发展的基础,通过对器件尺寸进行压缩,能够提高IC性能。但是,随着器件尺寸的缩小,器件氧化层厚度、沟道长度等一再被压缩,“穿通效应”的克服难度越来越大。比如,随着量子隧道穿透效应的增加会增大器件静态耗功,当达到占总耗功的比例上限时,就到达了晶体管缩小的极限。目前科技水平还无法解决这些违反客观物理规律的限制问题。
  2.2材料限制
  微电子技术一般常使用的材料为硅晶体,该材料由于其自身的特性在一定程度上阻碍了微电子技术的进步。现今,研究人员开始逐渐借助氧化物半导体材料和超导体材料替代常用的硅晶体材料,此外,使用碳纳米管做成的晶体管更是为微电子技术的革新提供了新的思路。学者经过实验研究得出:新纳米管电路中总输出信号是大于输入信号,该结论的得出也表明该纳米管电路是具有一定的放大功能。
  2.3工艺技术限制
  微电子元器件的工艺有着严格的条件限制与技术要求,主要包括微细线条加工以及高质量薄膜的离子注入控制技术工艺。最为困难的工艺在于光刻设备的利用,现阶段的光刻设备应用摩尔定律已经从1微米推进到了0.05微米,已经不可能进一步推进微化光刻设备。
  3微电子技术发展的新领域
  3.1微机电系统
  MEMS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生物芯片技术
  微电子技术与其他学科的相互融合是其未来发展的必然趋势,而生物芯片技术就是未来微电子技术发展的一个重要防线。对生物芯片技术的研究始于上世纪90年代,该时期研发的DNA基因芯片就与现今的计算机芯片相类似,该芯片可以在数秒内将数万,类物种的基因进行解码,近几年来,随着科学技术水平的不断提上,人们发现可以借助有机聚合物导电材料制备生物芯片,该芯片的容量是计算机的10亿倍。
  3.3纳米技术
  微电子技术的IC线宽度正在缩小,纳米技术的应用可以克服半导体技术的困难。纳米技术为微电子技术的发展提供了支撑。相关研究人员要从材料入手,寻找能够替代硅的半导体制造材料,解决IC收缩的技术问题。IBM率发现了单层碳纳米管,并将其应用于电子学,利用碳纳米管制造晶体管并取得了成功,推动半导体技术发展进入了一个新阶段。随后,碳纳米管被广泛应用于微电子元器件、通信设备、显示器和电力设备等领域。IBM还开发了一种基于碳纳米管的电压逆变器,开创了分子内逻辑电路的制造先河。新型纳米管电路具有较强的输出信号和较好的信号增益效果。碳纳米管可以放大硅晶体管,实现硅晶体管的功能。目前,纳米技术已广泛应用于微电子产品制造。
  结语
  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,光子集成如光電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。
  参考文献
  [1]甘云汉.我国微电子技术及产业发展战略研究[J].中国新通信,2018,20(4):220-221.
  [2]吴丽娟,雷冰,张银艳.半导体器件研究生培养探索与实践[J].科教导刊,2018(1):46-47.
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