半导体技术的纳米技术

纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主，后者则以半导体技术为主。

以前我们都称 IC 技术是「微电子」技术，那是因为晶体管的大小是在微米（10-6米）等级。但是半导体技术发展得非常快，每隔两年就会进步一个世代，尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（Moore’s Law）。

大约在 15 年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，尔后更有深次微米，比微米小很多的时代。到了 2001 年，晶体管尺寸甚至已经小于 0.1 微米，也就是小于 100 纳米。因此是纳米电子时代，未来的 IC 大部分会由纳米技术做成。但是为了达到纳米的要求，半导体制程的改变须从基本步骤做起。每进步一个世代，制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。

电子组件进入纳米等级后，在材料方面也开始遭遇到一些瓶颈，因为原来使用的材料性能已不能满足要求。最简单的一个例子，是所谓的闸极介电层材料；这层材料的基本要求是要能绝缘，不让电流通过。使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅，在一般状况下这是一个非常好的绝缘材料。

但因组件的微缩，使得这层材料需要越做越薄。在纳米尺度时，如果继续使用这个材料，这层薄膜只能有约 1 纳米的厚度，也就是 3 ~ 4 层分子的厚度。但是在这种厚度下，任何绝缘材料都会因为量子穿隧效应而导通电流，造成组件漏电，以致失去应有的功能，因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已经沿用了三十多年，几乎是集各种优点于一身，这也是使硅能够在所有的半导体中脱颖而出的关键，要找到比它功能更好的材料与更合适的制作方式，实在难如登天。

而且，材料是组件或 IC 的基础，一旦改变，所有相关的设备与后续的流程都要跟着改变，真的是牵一发而动全身，所以半导体产业还在坚持，不到最后一刻绝对不去改变它。这也是为什么 CPU 会越来越烫，消耗的电力越来越多的原因。因为CPU 中，晶体管数量甚多，运作又快速，而每一个晶体管都会「漏电」所造成。这种情形对桌上型计算机可能影响不大，但在可携式的产品如笔记型计算机或手机，就会出现待机或可用时间无法很长的缺点。

也因为这样，许多学者相继提出各种新颖的结构或材料，例如利用自组装技术制作纳米碳管晶体管，想利用纳米碳管的优异特性改善其功能或把组件做得更小。但整个产业要做这么大的更动，在实务上是不可行的，顶多只能在特殊的应用上，如特殊感测组件，找到新的出路。