一、前言 當前，高速發展的信息工業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 (MEMS)的深入研究，納米電子學和納米光電子學應運而生，納米量子器件也隨之產生。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 光電子技術正向光電子集成和納米光電子集成方向發展，其與納米電子技術相結合，便產生了納米光電子技術。而光學、光電子學、納米光學與納米電子學相結合，則產生了一門嶄新的學科—納米光電子學。納米光電子學是研究納米結構中電子與光子的相互作用及其器件的一門高技術學科，它是在納米半導體材料的基礎上發展起 來的，代表了納米電子學今后的發展方向，是納米光電子器件的基? ２⑶遙菇晌擅墜饌ㄐ偶際醴⒄溝幕 ? 納米電子學的遵循的發展過程是電子學→納米技術→納米光電子學→納米電子技術→納米電子工程，而納米光電子學的發展模式則是光學→光電子學→納米光學→納米電子學→納米光電子學→納米光電子技術→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、垂直腔面發射激光器陣列 （VCSEL）、聚光物發光二極管、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，據報道日本NTT公司尖端技術綜合研究所成功開發了制作光導集成電路芯片的基礎技術。這家研究所采用先進的納米技術在硅片上制作出可通過極細光束的通道（光導通路），使光束按直角方向轉彎，將其封閉在極為狹小的范圍內。由于不將光信號轉換成電信號，故這就是一種光導集成電路[6]。 2、納米光電子器件的最新發展現狀 （1）、納米導線激光器 2001年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員在只及人的頭發絲千分之一的納米光導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射 紫外激光，經過調整后還能發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，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是“培養”納米導 線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長度為10000nm的純氧化鋅導線。然后，當研究人員在溫室下用另一種激光將納米導線中的純氧化鋅晶體 激活時，純氧化鋅晶體會發射波長只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學物質，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的化學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，也是采用納米技術制造的首批實際器件之一[3、4]。 在開發的初始階段，研究人員就預言這種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用領域。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℃，產生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運到襯底上，在 2min~10min的生長過程內生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發現，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，發射光譜中會出現最高點，這些最高點的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發射頂點的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發射強度的迅 速提高使研究人員得出結論：受激發射的確發生在這些納米線中。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用在光計算、信息存儲和納米分析儀等領域中。 （3）、量子阱激光器 2010年前后，蝕刻在半導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。在量子力學中，把能夠對電子的運動產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，科學家研制出功率比傳統激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創造速度更快的計算機和通信設備邁進了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網及其他采用光纖網絡的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學、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的一堆物質構成或者相當于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沖突。科學家們希望用量子 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 子技術實驗室的松本和斯坦福大學的詹姆斯和哈里斯等少數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，開關速度不高，偶然的 電能容易使單個電子脫離預定的路線。因此，大多數科學家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計算機設計量子裝置。 （4）、微腔激光器 微腔激光器是當代半導體研究領域的熱點之一，它采用了現代超精細加工技術和超薄材料加工技術，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成功。其內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。由于半導體和空氣的折射率相差很大，微碟內產 生的光在此結構內發射，直到所產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室溫電抽運和連續室溫光抽運等多種工作方式實現了激光發射。美國加利福尼亞大學、伊利諾伊州Northwesten大學、貝爾實驗室、俄勒岡大學、日本YoKohama National大學和朝鮮科學與技術高級研究學院等均開展了InGaAs／InGaAsP量子阱的研究和量子級聯微碟激光器的開發和研究，并已取得了很大的進展。 在國內，長春光學精密機械學院高功率半導體激光國家重點實驗室和中國科學院北京半導體研究所從經典量子電動力學理論出發研究了微碟激光器的工作原理，采用 光刻、反應離子刻蝕和選擇化學腐蝕等微細加工技術制備出直徑為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、 光互聯和光信息處理等方面有著很好的應用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。 微腔光子技術，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研究的突破，可使超大規模集成光子回路成為現實。因此，包括美國在內的一 些發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，用光刻方法實現了碟型微腔激光器件的圖形轉移，用濕法及 干法刻蝕技術制作出碟型微腔結構，在國內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構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、可動態模式工作等優點，在光通信、光互連、光信息處理等方面的應用前景廣 闊，可用于大規模光子器件集成光路，并可與光纖通信網絡和大規模、超大規模集成電路匹配，組成光電子信息集成網絡，是當代信息高速公路技術中最理想的光 源；同時，可以和其他光電子元件實現單元集成，用于邏輯運算、光網絡中的光互連等。 （5）、新型納米激光器 據報道，世界上最早的納米激光器是由美國加州大學伯克利分校的科學家于2001年制造的，當時使用的是氧化鋅納米線，可發射紫外光，經過調整后還能發射從 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，其才會發射出激光。而新型納米激光器具備了電子自動開關的性能，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，美國哈佛大學成功開發出一種新型納米激光器，它比人的頭發絲還細千倍，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 據《photonics Spectra》報道，碳納米管光開關將成為未來超高速全光開關的主要競爭者。未來的時分復用通信和自由空間光計算系統采用的超高速全光開關將是一個集成化的模塊，而碳納米管的非線性光學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特性的主要參數—衰減時間和調制深度。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。因而，這種器件極易集成到光纖通信系統中。 四、納米光電子器件的發展趨勢 微電子器件是現代計算機和制動器的基礎，它的下一代就是納米電子器件。光電子器件是現代光通信、光計算機和成像顯示的基礎，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集成電路。納米量級(1nm~100nm)的集成器件不再遵循傳統電子學的基本規律，電子 的波動性和量子效應等將在此類器件中起重要作用，傳統的微電子技術將受到嚴重的挑戰。為了迎接這一挑戰，有遠見的科學家和企業家已經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。因此，納米器件（納米電子器件和納米光電子器件）有著廣闊的應用前景。 納米光電子器件的發展有有兩個方向：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材料有關的組裝功能材料的尺寸則越來越大，兩者的融合將構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展可以看出，其關鍵技術是納米材料的制作和納米光刻技術。從納米器件的發展趨勢可以預測，2015年，單電子晶 體管大規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位信息的存儲系統也很有希望開發成功。以納米技術制造的納米電子器件的性能大 大優于傳統的電子器件，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，可使各類電子產品的體積和重量大大減? ? 五、展望 盡管科學家們在近十幾年間已經研制了多種納米器件樣品，但是應該指出，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)和動作的執行諸多功能集成到納米結構中。因此，可以說研究納米結構和用它們做成的納米器件是納米科技中最具有挑戰性的領域之一。 在光通信領域，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，它們都已經成為備受矚目的納米光通信組件。 六、結論 納米電子技術和納米光電子技術是21世紀的主要信息技術之一，而納米電子器件和納米光電子器件的研制水平和應用程度更是進入納米電子和納米光電子時代的重要 標志。根據我國納米技術發展的現狀，必須大力倡導納米器件尤其是納米電子器件和納米光電子器件的研究、開發和應用研究。因為納米電子器件和納米光電子器件 的研究是納米技術和信息技術的支點，對經濟和科學技術將起著至關重要的作用。