一、前言 當前，高速發(fā)展的信息工業(yè)對集成電路器件集成度的要求越來越高，這促使了人們不斷探索能夠突破器件尺寸極限的途徑。隨著對亞微米、深亞微米和微電子機械系統(tǒng) (MEMS)的深入研究，納米電子學(xué)和納米光電子學(xué)應(yīng)運而生，納米量子器件也隨之產(chǎn)生。納米量子器件可簡單地分為納米電子器件和納米光電子器件。納米電子 器件包括共振隧穿器件(RTD)、量子點(QD)器件和單電子器件(單電子晶體管和單電子存儲器)等；納米光電子器件則主要包括基于應(yīng)變自組裝的納米激光器(如量子點、量子線、量子阱激光器)、量子點紅外光電探側(cè)器、納米級硅化鉑薄膜肖特基勢壘紅外光電探測器等。 二、納米光電子學(xué) 光電子技術(shù)正向光電子集成和納米光電子集成方向發(fā)展，其與納米電子技術(shù)相結(jié)合，便產(chǎn)生了納米光電子技術(shù)。而光學(xué)、光電子學(xué)、納米光學(xué)與納米電子學(xué)相結(jié)合，則產(chǎn)生了一門嶄新的學(xué)科—納米光電子學(xué)。納米光電子學(xué)是研究納米結(jié)構(gòu)中電子與光子的相互作用及其器件的一門高技術(shù)學(xué)科，它是在納米半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的，代表了納米電子學(xué)今后的發(fā)展方向，是納米光電子器件的基? ２⑶遙菇晌擅墜饌ㄐ偶際醴⒄溝幕 ? 納米電子學(xué)的遵循的發(fā)展過程是電子學(xué)→納米技術(shù)→納米光電子學(xué)→納米電子技術(shù)→納米電子工程，而納米光電子學(xué)的發(fā)展模式則是光學(xué)→光電子學(xué)→納米光學(xué)→納米電子學(xué)→納米光電子學(xué)→納米光電子技術(shù)→納米光電子工程。 三、納米光電子器件 1、納米光電子器件概述 目前，已面世的納米光電子器件有納米激光器(如量子阱激光器、量子線激光器、量子點激光器)、量子點紅外光電探測器、InGaAs／GaAs多量子阱自電 光效應(yīng)器件(MQW-SEED)、CMOS／SEED光電子集成器件、AlGaAs／GaAs超晶格多量子阱紅外光電探測器陣列、垂直腔面發(fā)射激光器陣列 （VCSEL）、聚光物發(fā)光二極管、諧振腔增強型光電探測器（RCE-PD）、納米級薄膜制作的紅外攝像器件（如納米級硅化鉑薄膜肖特基勢壘紅外焦平面陣 列）等[1、2]。此外，據(jù)報道日本NTT公司尖端技術(shù)綜合研究所成功開發(fā)了制作光導(dǎo)集成電路芯片的基礎(chǔ)技術(shù)。這家研究所采用先進的納米技術(shù)在硅片上制作出可通過極細光束的通道（光導(dǎo)通路），使光束按直角方向轉(zhuǎn)彎，將其封閉在極為狹小的范圍內(nèi)。由于不將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，故這就是一種光導(dǎo)集成電路[6]。 2、納米光電子器件的最新發(fā)展現(xiàn)狀 （1）、納米導(dǎo)線激光器 2001年，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導(dǎo)線上制造出世界最小的激光器—納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射 紫外激光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標準技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是“培養(yǎng)”納米導(dǎo) 線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線。然后，當研究人員在溫室下用另一種激光將納米導(dǎo)線中的純氧化鋅晶體 激活時，純氧化鋅晶體會發(fā)射波長只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計算機磁盤和光子計算機的信息存儲量。 （2）、紫外納米激光器 繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問世后，美國加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵下能發(fā)射線寬小于0.3nm、波長為385nm的激光，被認為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實際器件之一[3、4]。 在開發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所 以，ZnO納米激光器可以進入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長的氣相輸運法合成。首 先，在藍寶石襯底上涂敷一層1 nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運到襯底上，在 2min~10min的生長過程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線形成天然的激光腔，其直徑為 20nm~150nm，其大部分（95％）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波 長，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對樣品進行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當激射超過ZnO納米線的閾值（約為 40kW／cm）時，發(fā)射光譜中會出現(xiàn)最高點，這些最高點的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發(fā)射強度的迅 速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這 種短波長納米激光器可應(yīng)用在光計算、信息存儲和納米分析儀等領(lǐng)域中。 （3）、量子阱激光器 2010年前后，蝕刻在半導(dǎo)體片上的線路寬度將達到100nm以下，在電路中移動的將只有少數(shù)幾個電子，一個電子的增加和減少都會給電路的運行造成很大影響。為了解決這一問題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學(xué)中，把能夠?qū)﹄娮拥倪\動產(chǎn)生約束并使其量子化的勢場稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導(dǎo)體激光器的有源層中形成量子能級，使能級之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器和量子點激光器。 ①、量子線激光器 近日，科學(xué)家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計算機和通信設(shè)備邁進了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學(xué)、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實驗室及德國德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學(xué)家們共同研制的。這些較高功率的激光器會減少對昂貴的中繼器的要求，因為這些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時強度會減弱（中繼器）。 ②、量子點激光器 由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當于60個硅原子排成一串的長度的量子點，可以控制非常小的電子群的運動而不與量子效應(yīng)沖突。科學(xué)家們希望用量子 點代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子 裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過改變材料使量子點能夠更牢地約束電子，日本電 子技術(shù)實驗室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決，開關(guān)速度不高，偶然的 電能容易使單個電子脫離預(yù)定的路線。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計算機設(shè)計量子裝置。 （4）、微腔激光器 微腔激光器是當代半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點之一，它采用了現(xiàn)代超精細加工技術(shù)和超薄材料加工技術(shù)，具有高集成度、低噪聲的特點，其功耗低的特點尤為顯著，100萬個激光器同時工作，功耗只有5W。 該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實驗室開發(fā)成功。其內(nèi)部為采用先進的蝕刻工藝蝕 刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個微小的底座支撐。由于半導(dǎo)體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn) 生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時只需大約100μA的電 流。 自從McCall等人1992年報道了用低溫光抽運 InGaAsP系材料制造的微腔激光器以來，半導(dǎo)體微碟激光器先后在GaAlAs／GaAs、GaN／A1GaN、InGaN／GaN等多種新材料體系中 以脈沖室溫電抽運和連續(xù)室溫電抽運和連續(xù)室溫光抽運等多種工作方式實現(xiàn)了激光發(fā)射。美國加利福尼亞大學(xué)、伊利諾伊州Northwesten大學(xué)、貝爾實驗室、俄勒岡大學(xué)、日本YoKohama National大學(xué)和朝鮮科學(xué)與技術(shù)高級研究學(xué)院等均開展了InGaAs／InGaAsP量子阱的研究和量子級聯(lián)微碟激光器的開發(fā)和研究，并已取得了很大的進展。 在國內(nèi)，長春光學(xué)精密機械學(xué)院高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室和中國科學(xué)院北京半導(dǎo)體研究所從經(jīng)典量子電動力學(xué)理論出發(fā)研究了微碟激光器的工作原理，采用 光刻、反應(yīng)離子刻蝕和選擇化學(xué)腐蝕等微細加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運InGaAs／InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、 光互聯(lián)和光信息處理等方面有著很好的應(yīng)用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。 微腔光子技術(shù)，如微腔探測器、微腔諧振器、微腔光晶體管、微腔放大器及其集成技術(shù)研究的突破，可使超大規(guī)模集成光子回路成為現(xiàn)實。因此，包括美國在內(nèi)的一 些發(fā)達國家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。長春光機與物理所的科技人員打破常規(guī)，用光刻方法實現(xiàn)了碟型微腔激光器件的圖形轉(zhuǎn)移，用濕法及 干法刻蝕技術(shù)制作出碟型微腔結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)首次研制出直徑分別為8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器。其中，2μm 直徑的微碟激光器在77K溫度下的激射闊值功率為5μW，是目前國際上報道中的最好水平。此外，他們還在國內(nèi)首次研制出激射波長為1.55μm，激射閾值 電流為2.3mA，在77K下激射直徑為10μm的電泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器以及國際上首個帶有引出電極結(jié)構(gòu)的電泵浦微柱激光器。值 得一提的是，這種微碟激光器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的響應(yīng)、可動態(tài)模式工作等優(yōu)點，在光通信、光互連、光信息處理等方面的應(yīng)用前景廣 闊，可用于大規(guī)模光子器件集成光路，并可與光纖通信網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路匹配，組成光電子信息集成網(wǎng)絡(luò)，是當代信息高速公路技術(shù)中最理想的光 源；同時，可以和其他光電子元件實現(xiàn)單元集成，用于邏輯運算、光網(wǎng)絡(luò)中的光互連等。 （5）、新型納米激光器 據(jù)報道，世界上最早的納米激光器是由美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家于2001年制造的，當時使用的是氧化鋅納米線，可發(fā)射紫外光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從 藍色到深紫外的激光。但是，美中不足的是只有用另一束激光將納米線中的氧化鋅晶體激活，其才會發(fā)射出激光。而新型納米激光器具備了電子自動開關(guān)的性能，無 需借助外力激活，這無疑會使其實用性大為增強。 2003年1月16日出版的《自然》雜志曾報道，美國哈佛大學(xué)成功開發(fā)出一種新型納米激光器，它比人的頭發(fā)絲還細千倍，安裝在微芯片上，能提高計算機磁盤 和光子計算機的信息存儲量。這種新型激光器乃是用半導(dǎo)體硫化鎘制成的納米線，直徑只有萬分之一毫米。 （6）、納米管光開關(guān) 據(jù)《photonics Spectra》報道，碳納米管光開關(guān)將成為未來超高速全光開關(guān)的主要競爭者。未來的時分復(fù)用通信和自由空間光計算系統(tǒng)采用的超高速全光開關(guān)將是一個集成化的模塊，而碳納米管的非線性光學(xué)特性正適合這些要求。 美國紐約Rensselaer Polytechnic 研究所正在研究單壁碳納米管和聚合物的組成特性，以確定這種單壁納米管光開關(guān)特性的主要參數(shù)—衰減時間和調(diào)制深度。實驗驗證，因為特有的水平對稱性，這種 納米管的延遲時間小于1ps，傳輸調(diào)制比率高達10-4。其和聚合物的組合體的厚度為20μm，用24μm/cm2脈沖泵浦，可作為高速開關(guān)。因而，這種器件極易集成到光纖通信系統(tǒng)中。 四、納米光電子器件的發(fā)展趨勢 微電子器件是現(xiàn)代計算機和制動器的基礎(chǔ)，它的下一代就是納米電子器件。光電子器件是現(xiàn)代光通信、光計算機和成像顯示的基礎(chǔ)，其下一代是納米光電子器件（如納 米激光器、納米級紅外光電探測器）、納米光電集成電路和納米光導(dǎo)集成電路。納米量級(1nm~100nm)的集成器件不再遵循傳統(tǒng)電子學(xué)的基本規(guī)律，電子 的波動性和量子效應(yīng)等將在此類器件中起重要作用，傳統(tǒng)的微電子技術(shù)將受到嚴重的挑戰(zhàn)。為了迎接這一挑戰(zhàn)，有遠見的科學(xué)家和企業(yè)家已經(jīng)把目光瞄向新一代電子器件—納米電子器件、納米光電子器件的研究和開發(fā)。因此，納米器件（納米電子器件和納米光電子器件）有著廣闊的應(yīng)用前景。 納米光電子器件的發(fā)展有有兩個方向：以Si和GaAs為主的固體電子器件的尺寸愈來愈小，而與基于有機高分子和生物學(xué)材料有關(guān)的組裝功能材料的尺寸則越來越大，兩者的融合將構(gòu)成新型的電子和光電子器件—信息功能器件。 從納米電子器件和納米光電子器件的研制和發(fā)展可以看出，其關(guān)鍵技術(shù)是納米材料的制作和納米光刻技術(shù)。從納米器件的發(fā)展趨勢可以預(yù)測，2015年，單電子晶 體管大規(guī)模集成電路實用化將成為可能；2022年，1個原子/1個分子存儲1位信息的存儲系統(tǒng)也很有希望開發(fā)成功。以納米技術(shù)制造的納米電子器件的性能大 大優(yōu)于傳統(tǒng)的電子器件，它具有以下特點： ①工作速度快，是硅器件的1000倍，產(chǎn)品性能大幅度提高； ②功耗低，為硅器件的1/1000； ③信息存儲量大，在一張不足手掌大的直徑為13cm光盤上，至少可以存儲30個北京圖書館的全部藏書； ④體積小，重量輕，可使各類電子產(chǎn)品的體積和重量大大減? ? 五、展望 盡管科學(xué)家們在近十幾年間已經(jīng)研制了多種納米器件樣品，但是應(yīng)該指出，僅靠目前的研究水平，對可實用納米電子器件和納米光電子器件進行設(shè)計和制造還為時過 早。未來的納米電子器件和納米光電子器件應(yīng)該是高集成、多功能和智能化的，它能將信息的探測(傳感器)、運算(芯片)、運輸(通信)和動作的執(zhí)行諸多功能集成到納米結(jié)構(gòu)中。因此，可以說研究納米結(jié)構(gòu)和用它們做成的納米器件是納米科技中最具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。 在光通信領(lǐng)域，光通信組件成本昂 貴的原因很多，其中，最主要的原因是處理光信號的組件的體積相當大，不像電子組件一樣能大規(guī)模地集成，且一般使用的襯底材料是InP，價格高、易碎、尺寸 ? ⒉皇屎現(xiàn)圃齏蟪嘰緄某牡住＠媚擅墜獾繾悠骷跣」饌ㄐ拋榧奶寤檔凸饌ㄐ拋榧鬧譜鞒殺荊⒃黽油縉悼懟Ｄ擅墜饌ㄐ拋榧奶寤繞脹ü饌ㄐ?器件縮小了約100倍，且可在單一襯底上集成不同功能的組件，比如1.5μm GaAs激光器組件及藍光量子點激光器組件，它們都已經(jīng)成為備受矚目的納米光通信組件。 六、結(jié)論 納米電子技術(shù)和納米光電子技術(shù)是21世紀的主要信息技術(shù)之一，而納米電子器件和納米光電子器件的研制水平和應(yīng)用程度更是進入納米電子和納米光電子時代的重要 標志。根據(jù)我國納米技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，必須大力倡導(dǎo)納米器件尤其是納米電子器件和納米光電子器件的研究、開發(fā)和應(yīng)用研究。因為納米電子器件和納米光電子器件 的研究是納米技術(shù)和信息技術(shù)的支點，對經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)將起著至關(guān)重要的作用。