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纳米光电子器件的最新进展及发展趋势

一、前言

当前，高速发展的信息工业对集成电路器件集成度的要求越来越高，这促使了人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。随着对亚微米、深亚微米和微电子机械系统 (MEMS)的深入研究，纳米电子学和纳玩具模具米光电子学应运而生，纳米量子器件也随之产生。纳米量子器件可简单地分为纳米电子器件和纳米光电子器件。纳米电子 器件包括共振隧穿器件(7.在交换头模时1定要关闭电源开关；RTD)、量子点(QD)器件和单电子器件(单电子晶体管和单电子存储器)等；纳米光电子器件则主要包括基于应变自组装的纳米激光器(如量子点、量子线、量子阱激光器)、量子点红外光电探侧器、纳米级硅化铂薄膜肖特基势垒红外光电探测器等。

二、纳米光电子学

光电子技术正向光电子集成和纳米光电子集成方向发展，其与纳米电子技术相结合，便产生了纳米光电子技术。而光学、光电子学、纳米光学与纳米电子学相结合，则产生了一门崭新的学科—纳米光电子学。纳米光电子学是研究纳米结构中电子与光子的相互作用及其器件的一门高技术学科，它是在纳米半导体材料的基础上发展起 来的，代表了纳米电子学今后的发展方向，是纳米光电子器件的基础。并且，它还将成为纳米光通信技术发展的基础。

纳米电子学的遵循的发展过程是电子学→纳米技术→纳米光电子学→纳米电子技术→纳米电子工程，而纳米光电子学的发展模式则是光学→光电子学→纳米光学→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。

三、纳米光电子器件

1、纳米光电子器件概述

目前，已面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）、聚光物发光二极管、谐振腔增强型光电探测器（RCE-PD）、纳米级薄膜制作的红外摄像器件（如纳米级硅化铂薄膜肖特基势垒红外焦平面阵 列）等[1、2]。此外，据报道日本NTT公司尖端技术综合研究所成功开发了制作光导集成电路芯片的基础技术。这家研究所采用先进的纳米技术在硅片上制作出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范围内。由于不将光信号转换成电信号，故这就是一种光导集成电路[6]。

2、纳米光电子器件的最新发展现状

（1）、纳米导线激光器

2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器—纳米激光器。这种激光器不仅能发射 紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是“培养”纳米导 线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体 激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。

（2）、紫外纳米激光器

继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一[3、4]。 在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所 以，ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首 先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1 nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生Zn蒸汽，再将Zn蒸汽输运到衬底上，在 2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，ZnO纳米线形成天然的激光腔，其直径为 20nm~150nm，其大部分（95％）直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用Nd:YAG激光器（266nm波 长，3ns脉宽）的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过ZnO纳米线的阈值（约为 40kW／cm）时，发射光谱中会据初略统计出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅 速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这 种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。

（3）、量子阱激光器

2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。

①、量子线激光器

近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特及其他采用光纤络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km（50mile）安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱（中继器）。

②、量子点激光器

由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子 点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子 装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量滚光设备子点能够更牢地约束电子，日本电 子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决，开关速度不高，偶然的 电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。

（4）、微腔激光器

微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一，它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术，具有高集成度、低噪声的特点，其功耗低的特点尤为显著，100万个激光器同时工作绵阳，功耗只有5W。

该激光器主要的类型就是微碟激光器，即一种形如碟型的微腔激光器，最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀 刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟，园碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产 生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后沿着它的边缘折射，这种激光器的工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100μA的电 流。

自从McCall等人1992年报道了用低温光抽运 InGaAsP系材料制造的微腔激光器以来，半导体微碟激光器先后在GaAlAs／GaAs、GaN／A1GaN、InGaN／GaN等多种新材料体系中 以脉冲室温电抽运和连续室温电抽运和连续室温光抽运等多种工作方式实现了激光发射。美国加利福尼亚大学、伊利诺伊州Northwesten大学、贝尔实验室、俄勒冈大学、日本YoKohama National大学和朝鲜科学与技术高级研究学院等均开展了InGaAs／InGaAsP量子阱的研究和量子级联微碟激光器的开发和研究，并已取得了很大的进展。

在国内，长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半还要提升产品环保标准导体研究所从经典量子电动力学理论出发研究了微碟激光器的工作原理，采用 光刻、反应离子刻蚀和选择化学腐蚀等微细加工技术制备出直径为9.5μm、低温光抽运InGaAs／InGaAsP多量子阱碟状微腔激光器网站制作。它在光通讯、 光互联和光信息处理等方面有着很好的应用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。

微腔光子技术，如微腔探测器、微腔谐振器、微腔光晶体管、微腔放大器及其集成技术研究的突破，可使超大规模集成光子回路成为现实。因此，包括美国在内的一 些发达国家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。长春光机与物理所的科技人员打破常规，用光刻方法实现了碟型微腔激光器件的图形转移，用湿法及 干法刻蚀技术制作出碟型微腔结构，在国内首次研制出直径分别为8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器。其中，2μm 直径的微碟激光器在77K温度下的激射阔值功率为5μW，是目前国际上报道中的最好水平。此外，他们还在国内首次研制出激射波长为1.55μm，激射阈值 电流为2.3mA，在77K下激射直径为10μm的电泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器以及国际上首个带有引出电极结构的电泵浦微柱激光器。值 得一提的是，这种微碟激光器具有高集成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模式工作等优点，在光通信、光互连、光信息处理等方面的应用前景广 阔，可用于大规模光子器件集成光路，并可与光纤通信络和大规模、超大规模集成电路匹配，组成光电子信息集成络，是当代信息高速公路技术中最理想的光 源；同时，可以和其他光电子元件实现单元集成，用于逻辑运算、光络中的光互连等。

（5）、新型纳米激光器

据报道，世界上最早的纳米激光器是由美国加州大学伯克利分校的科学家于2001年制造的，当时使用的是氧化锌纳米线，可发射紫外光，经过调整后还能发射从 蓝色到深紫外的激光。但是，美中不足的是只有用另一束激光将纳米线中的氧化锌晶体激活，其才会发射出激光。而新型纳米激光器具备了电子自动开关的性能，无 需借助外力激活，这无疑会使其实用性大为增强。

2003年1月16日出版的《自然》杂志曾报道，美国哈佛大学成功开发出一种新型纳米激光器，它比人的头发丝还细千倍，安装在微芯片上，能提高计算机磁盘 和光子计算机的信息存储量。这种新型激光器乃是用半导体硫化镉制成的纳米线，直径只有万分之一毫米。

（6）、纳米管光开关

据《photonics Spectra》报道，碳纳米管光开关将成为未来超高速全光开关的主要竞争者。未来的时分复用通信和自由空间光计算系统采用的超高速全光开关将是一个集成化的模块，而碳纳米管的非线性光学特性正适合这些要求。

美国纽约Rensselaer Polytechnic 研究所正在研究单壁碳纳米管和聚合物的组成特性，以确定这种单壁纳米管光开关特性的主要参数—衰减时间和调制深度。实验验证，因为特有的水平对称性，这种 纳米管的延迟时间小于1ps，传输调制比率高达。其和聚合物的组合体的厚度为20μm，用24μm/cm2脉冲泵浦，可作为高速开关。因而，这种器件极易集成到光纤通信系统中。

四、纳米光电子器件的发展趋势

微电子器件是现代计算机和制动器的基础，它的下一代就是纳米电子器件。光电子器件是现代光通信、光计算机和成像显示的基础，其下一代是纳米光电子器件（如纳 米激光器、纳米级红外光电探测器）、纳米光电集成电路和纳米光导集成电路。纳米量级(1nm~100nm)的集成器件不再遵循传统电子学的基本规律，电子 的波动性和量子效应等将在此类器件中起重要作用，传统的微电子技术将受到严重的挑战。为了迎接这一挑战，有远见的科学家和企业家已经把目光瞄向新一代电子器件—纳米电子器件、纳米光电子器件的研究和开发。因此，纳米器件（纳米电子器件和纳米光电子器件）有着广阔的应用前景。

纳米光电子器件的发展有有两个方向：以Si和GaAs为主的固体电子器件的尺寸愈来愈小，而与基于有机高分子和生物学材料有关的组装功能材料的尺寸则越来越大，两者的融合将构成新型的电子和光电子器件—信息功能器件。

从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技术。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实用化将成为可能；2022年，1个原子/1个分子存储1位信息的存储系统也很有希望开发成功。以纳米技术制造的纳米电子器件的性能大 大优于传统的电子器件，它具有以下特点：

①工作速度快，是硅器件的1000倍，产品性能大幅度提高；

②功耗低，为硅器件的1/1000；

③信息存储量大，在一张不足手掌大的直径为13cm光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书；

④体积小，重量轻，可使各类电子产品的体积和重量大大减小。

五、展望

尽管科学家们在近十几年间已经研制了多种纳米器件样品，但是应该指出，仅靠目前的研究水平，对可实用纳米电子器件和纳米光电子器件进行设计和制造还为时过 早。未来的纳米电子器件和纳米光电子器件应该是高集成、多功能和智能化的，它能将信息的探测(传感器)、运算(芯片)、运输(通信)和动作的执行诸多功能集成到纳米结构中。因此，可以说研究纳米结构和用它们做成的纳米器件是纳米科技中最具有挑战性的领域之一。

在光通信领域，光通信组件成本昂 贵的原因很多，其中，最主要的原因是处理光信号的组件的体积相当大，不像电子组件一样能大规模地集成，且一般使用的衬底材料是InP，价格高、易碎、尺寸 小、不适合制造大尺寸的衬底。利用纳米光电子器件将缩小光通信组件的体积，降低光通信组件的制作成本，并增加络频宽。纳米光通信组件的体积比普通光通信 器件缩小了约100倍，且可在单一衬底上集成不同功能的组件，比如1.5μm GaAs激光器组件及蓝光量子点激光器组件，它们都已经成为备受瞩目的纳米光通信组件。

六、结论

纳米电子技术和纳米光电子技术是21世纪的主要信息技术之一，而纳米电子器件和纳米光电子器件的研制水平和应用程度更是进入纳米电子和纳米光电子时代的重要 标志。根据我国纳米技术发展的现状，必须大力倡导纳米器件尤其是纳米电子器件和纳米光电子器件的研究、开发和应用研究。因为纳米电子器件和纳米光电子器件 的研究是纳米技术和信息技术的支点，对经济和科学技术将起着至关重要的作用。(end)