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面向21世纪的纳米电子/纳米光电子技术
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Nano Meter Electronic/Nano Meter Optoelectronic
Technology in The 21th
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■信息产业部电子第44研究所 程开富
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引言
信息社会对集成电路的集成度要求越来越高，促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。纳米电子学和纳米光电子学在此背景下应运而生。
纳米电子学
1.纳米电子学的基本概念
纳米电子学是指在纳米尺寸范围内研究物质的物理、化学、声学和电子学现象及其运动规律，构筑纳米和量子器件，集成实现纳米电路，从而建立量子基计算机和量子通信系统的信息计算、传输、处理的一门科学和技术。纳米电子学正处在蓬勃发展时期。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统。它将突破传统的极限，开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质的储存和处理信息的能力提高百万倍以上，实现信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。
2.纳米电子学的分类
纳米电子学分为两大类,如图1所示。利用电子的量子效应原理制作的量子器件也称量子波器件，要实现量子效应，在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几十纳米的微小导电区域，这样当电子被关闭在纳米导电区域时，才有可能产生量子效应，这是制作量子器件的关键所在。
3. 纳米电子器件的种类
到目前为止已研制出以下三类纳米电子器件：（1） 量子点（QD），岛是以零维自由度限制电子；（2）谐振隧穿器件（RTD），岛是以一维或二维自由度限制电子；（3）
单电子晶体管（SET），岛是以三维自由度限制电子。纳米电子器件中岛的最小尺寸大约在5~100nm之间。
纳米光电子学
1. 纳米光电子学的基本概念
光电子技术正向光电子集成，进而将向纳米光电子集成方向发展。纳米光电子学是在纳米半导体材料的基础上发展起来的，是纳米电子学发展的方向。纳米光电子学是研究纳米结构中电子与光子的互作用及其器件的一门高技术学科。光电子技术与纳米电子技术相结合而产生了纳米光电子技术。半导体硅不能发光，但采用纳米技术后，它能发出耀眼的蓝光，这也就开拓出了一门崭新的学科--纳米光电子学。纳米光电子学应该是纳米科技发展的重点。
2.纳米电子学和纳米光电子学的发展模式
纳米电子学和纳米光电子学的发展模式为：
（1）纳米电子学的发展模式：电子学→纳米技术→纳米电子学→纳米电子技术→纳米电子工程→纳米电子产业。（2）纳米光电子学的发展模式：光电子学→纳米电子学→纳米光电子学→纳米光电子技术→纳米光电子工程→纳米光电子产业。
除此之外还发展了分子电子学、塑料电子学和有机电子学等。
3. 纳米光电子器件
目前已问世的纳米光电子器件有：纳米激光器（如：量子阱激光器、量子线激光器、量子点激光器）、量子点红外光电探测器、InGaAs/GaAs多量子阱自电光效应器件（MQW-SEED）、CMOS/SEED光电子集成器件、AlGaAs/GaAs超晶格多量子阱红外光电探测器阵列、垂直腔面发射激光器阵列（VCSEL）、聚合物发光二极管、纳米级薄膜制作的红外摄像器件（如：纳米硅化铂肖特基势垒红外焦平面阵列）等。据计算机世界网消息，日本NTT公司尖端技术综合研究所，开发成功了制作光导集成电路芯片的基础技术。NTT的这家研究所采用先进的纳米技术，在硅芯片上制作出了可通过极细光束的通道（光导通路），使光束按直角方向转弯，将其封闭在极为狭小的场所之中。由于不将光信号转换成电信号，故这是直接处理光信号的光导集成电路。
光具有一种特殊的性质，它不进入具有与本身波长周期相同的晶体之中。为了能应用这种特性，NTT的科学家在夹有玻璃薄膜的硅芯片上，按照与光的波长相同的间距开发微细加工技术。在一排排的孔之间，形成了没有孔的线状区域。
如果从线状区域的端部射入光线，则光通信中最常用的1.3至1.6 m波长光，就基本没有什么光线向周围漏出。经检测后确认，这部分光是沿着线传播的。只要能找出控制出最优的线状区域宽度，就能成功地使光通过。
从纳米器件（如：纳米电子器件和纳米光电子器件）的研制和发展可以看出，其关键技术是纳米材料的制作和纳米光刻。
从纳米器件的发展趋势可以预测，2015年，单电子晶体管大规模集成电路（LSI）实用化将成为可能，2022年，开发出1个原子/1个分子存储1位信息的存储系统也将不无道理。
纳米高技术群
随着纳米科技的不断发展和纳米技术研究的不断深入,纳米技术领域已涌现出以下高技术群：即，纳米材料学、纳米电子学、纳米制造学、纳米表征测量学、纳米计量学、纳米显微学、纳米磨擦学、纳米医学、纳米机械学、纳米生物学、纳米化学、纳米物理学、纳米力学、纳米地质天文学、纳米机器学、纳米工程学、纳米分析学、纳米光学、纳米光子学、纳米动力学、介观物理学、纳米药物学、纳米光电子学等。在这些高技术群中，首要的是纳米电子学和纳米光电子学，这是因为它与现今在科技和生产中起着重要作用的微电子器件和光电子器件有着重要的关系。微电子器件是现在计算机和制动器的基础，它发展的下一代就是纳米电子器件。光电子器件是现在光通信、光计算机和成像显示的基础，它发展的下一代是纳米光电子器件、纳米光电子集成电路和纳米光导集成电路。因此，纳米电子器件和纳米光电子器件均有广阔的应用前景，它的发展对社会和科技都将起极大的推动作用。在纳米科技时代，纳米电子学和纳米光电子学也将继续给人类社会的发展起更大的作用。在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米光学、纳米电子学和纳米光电子学的研究，特别是利用扫描隧道电子显微镜（STM）的相关技术进行超高密度信息存储的研究。
在微电子器件与分子电子器件之间，可能有个过渡阶段--纳米电子器件。即信息加工的功能元件不是单个分子，而是原子团（含102~109个原子）。这样，人们就从两个方向去研究纳米光电子器件；以Si和GaAs为主的固体电子器件尺寸小下去；与基于化学有机高分子和生物学材料组装功能材料尺度大起来，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件--跨世纪的信息功能器件。功能元件尺寸达到纳米量级(1nm~100nm)的集成器件不再遵循传统微电子学的基本运行规律，电子的波动性、量子效应等在此类器件中起重要作用，传统的微电子工艺也将受到严重的挑战，为了迎接这一挑战，当今世界上有远见的科学家和企业家，已经把目光瞄向了新一代电子器件--纳米电子器件、纳米光电子器件（如：纳米光电子集成电路、纳米光导集成电路）的研究和开发。
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