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纳米电子纳米光电子技术

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第

卷第

期

飞通光电子技术

年

月

纳米电子纳米光电子技术

程开富

值息产业部电子第料研究所摘

关妞词

庆《口阅

、

、

要主要介绍纳米技术领域里纳米电子学纳米光电子学的基本概念纳米电子学的分类

、

纳米电子器件

纳米光电子器件纳米电子学

、

纳米电子学和纳米光电子学的发展模式以及纳米高技术群纳米光电子学

。

纳米技术

纳米电子器件

纳米光电子器件

引言

在人类的科学技术史上

工业化时代

曾经发生了两次产业革命

。

。

即蒸汽机的发明使人类由农业化进入了

晶体管的发明使人类进入了信息时代

在人类文明历史的发展进程中

没有任何事

物可以和科学技术对人类产生的巨大影响相比

活带来更重要的影响生产时代

今天又一次产业革命即将到来

并会对人类的生纳米技术

这就是

“

纳米技术

”

’米,内光电子技术

”。

众多科学家认为

。

纳米光电子技术有可能是人类历史上的第三次产业革命

它将使人类进入智能化的类生物体系的

、

将会直接推动信息

、

生命和环境科学等诸多领域的发展

从现在到

年的近十年中微电子技术仍将围绕着大容量

。

高速度

、

高密度

、

高频率

、

低

功耗以及多功能方向继续发展

而相继出现

。

在传统的微电子技术继续推进的同时据预测

新的领域也将随着技术的进步

,

以及理论研究的深入

基于纳米

级尺寸加工的纳米技术

基于真空电子器件电子输运原理

和与微电子器件制造技术相结合的真空微电子技术

以及通过半导体微细加工技术和特殊的工艺

如微电子机械加工技术和微光电机械加工技术

的微电子机械系统

在半导体基片上制造微型或超微型机械部件

技术以及电子器件和微光学元件集成而构成的微光电机械系统

。

将成为

。

世纪的新型微电子技术在半导体超微细加工技术基础上发展起来的纳米加工技术不

仅能制作出单电子存储器

另外

而且也可制作出精巧的微电子机械系统

和

和微光电机械系统

。

把微电子技术与

等技术结合起来

还可以制造出纳米机器人

这

种机器人能注入到人体血管中实施检查和治疗等

这对人类健康和生活必将带来重大的影响

。

随

着纳米技术的发展

基于量子效应的单电子器件和高密度的量子集成电路

。

将成为半导体器

件一个新的发展方向

径

。

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

纳米电子学和纳米光电子学在此背景下应运而生

处于半导体科学和工程研究的前沿

“

。

采用纳米量子结构的光电子信息技术革命与

伟大变革具有同样重大的意义

。

年前用的微电子集成芯片取代晶体管引发的联姻

”

光电子技术是电子技术与光子技术

。

。

的产物

。

光电子技术

在

技术

世纪后期异军突起取得了长足的进展光电子技术与纳米技术相结合而产生的纳米光电子

为光电子技术的发展开辟了一个全新的领域

。

世纪将是光电子技术和纳米光电子技术发

展顶新的时代

纳米电子学

纳米电子学的基本概念

纳米电子学

。

是纳米技术的重要组成部分

是纳米技术发展的主要动力是

第

卷第

期

、

飞通光电子技术

八十年代中期初露端倪

九十年代崛起的崭新科学技术

、

。

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

仁’」

。

构筑纳米和量子器件传输

、

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正处在蓬勃发展时期

处理的一门科学和技术

,

纳米电子学

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

成为果

。

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世纪信息时代的核心

”

实现信息采集和处理能力的革命性突破

年代起

。

纳米电子学将

“

因此

。

自

许多国家都先后把纳米电子学作为

国家关

键技术之一

并投入巨资进行研究和开发

经过几年的努力

己经取得了一系列震动世界的成

目前正处在重大突破的前夜

纳米电子学的分类

纳米电子学就是研究电子在量子阱

的器件和电路的一门新兴学科塞效应与单个电子晶体管

。

‘〔一‘〕、

量子线

、

量子点等纳米尺度范围内的运动规律及其相应其一为单个电子的电子学

。

纳米电子学分为两大类

库仑阻

其二为电子波电子学

电子波的干涉与电子波器件单原子开关

,

前者代表性器

后者代表性器

件是单电子开关件是电子波

、

单电子对开关

、

单磁通量子开关

单分子开关等

。

原子波

分子波

、

量子点波等的相干波器件

其灵敏度极高

图

给出了纳米电子

学的分类

时

。

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才有可能产生量子效应

这样当电子被关闭在纳米导电区域

。

这是制作量子器件的关键所在

纳米电子学量子功能电子学

量子波电子学

单量子电子学

相干量子波

不相干量子波

单电子电子学单电子对电子学

单磁通量子电子学

干涉效应

共振效应

单原子电子学

分子电子学

扩散效应

隧道效应

量子波量结构尺寸小于波子机械波长

单量子

量子粒子粒子

例如电子波长量子点

、

一

、

量子点小于或等于。

量子阱

二维量子线

一

耐

量子线

超导

超导量子面

仁

圈

纳米电子学分类

〔卜〕

倒

纳米电子器件的种类迄今为止已研制出下述类型的纳米电子器件

量子点

岛是以零维自由度限制电子

飞通光电子技术

年

月

谐振隧穿器件单电子晶体管

岛是以一维或二维自由度限制电子

岛是以三维自由度限制电子

一

。

纳米电子器件中岛的最小尺寸大约在

之间

。

纳米光电子学的概念和发展模式

纳米光电子学的基本概念

光电子技术正向光电子集成导体材料的基础上发展起来的

,

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

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

电子技术

一

光电子技术与纳米电子技术相结合而产生了纳米光

。

半导体硅不能发光纳米光电子学

。

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

—对于纳米光电子学和纳米光电子器件以及纳米光电子技术方面的内容

纳米光电子学应该是纳米科技发展的重点

、。

。

至今除零星报道外还

未见到专门的报道从电子学展模式为

、

纳米电子学和纳米光电子学的发展模式

微电子学真空微电子学

、

光子学

、

光电子学

、

纳米电子学到纳米光电子学的发

。

电子学的发展模式

电学一电子学

电子技术一电子工程一电子产业电子学一微电子学

微电子学的发展模式

程

微米半导体技术

微电子技术

微电子工

微电子产业

。

真空微电子学的发展模式

一真空微电子工程

真空电子学

。

微电子学一真空微电子学一真空微电子技术

光子产业

。

真空微电子产业

光学

光子学的发展模式

光子学

光子技术一光子工程

光电子学的发展模式

光电子产业

工程

。

光学一电子学一光子学一光电子学一光电子技术一光电子

电子学一纳米技术一纳米电子学

工程

纳米电子学的发展模式

纳米电子产业

。

纳米电子技术一纳米电子

纳米光电子学的发展模式

一纳米光电子工程

光电子学一纳米电子学一纳米光电子学一纳米光电子技术

。

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

。

。

纳米光电子器件

纳米光电子器件是在纳米光电子材料的基础上发展起来的光电子器件

纳米电子器件的发展方向是纳米

目前己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

一

、、

、

量子点激光器

量子点红外光电探测器

、、

、

多量子阱自电光效应器件

光电子集成器件

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

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

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制作出了可通过极细光束的通道场所之中

。

的这家研究所采用先进的纳米技术

在硅芯片仁

。

光导通路

使光束按直角方向转弯

将其封闭在极为狭小的

。

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

。

换句话说

就是光

不能射入与其波长周期相同的晶体

为了能应用这种特性

。

的科学家在夹有玻璃薄膜的硅芯

片匕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

第

卷第

。

期

飞通光电子技术

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这部分光是沿着线传播的

一

。

协

波长光

就基本没有

什么光线向周围漏出

区域宽度

。

经检测后确认

。

只要能找出控制出最优的线状

就能成功地使光通过

这是日本

公司尖端技术研究所在光芯片技术上取得的重要

、

成果

。

纳米光电子器件的研发刚刚开始电子集成电路的自身发展将成为可能

密切联系在一起的生物计算机

、

预计从微电子到纳米电子器件

、

纳米光电子器件及纳米光

、

纳米电子学和纳米光电子学的发展与其相关学科的发展是光子计算机

许多前沿学科和技术的突破将实现纳米计算机

。

分子计算机

、

量子计算机

如

从电子科学技术发展角度看

如果

世纪是微米世纪

则

世纪是

纳米世纪

。

从纳米器件

重要的意义

。

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

因为纳米光刻对纳米电子学和纳米光电子学的研究与发展具有非常

从纳米器件的发展趋势可以预测成为可能

年

单电子晶体管大规模集成电路

实用化将

。

年

开发出

个原子

个分子存储

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

、

、

纳米磨擦学质天文学物理学学系

。

、

纳米医学

、

纳米机械学纳米工程学

纳米生物学纳米分析学

。

纳米化学

纳米光学

、

纳米物理学

纳米光子学

纳米力学

纳米地

、

纳米机器学

、

、

纳米动力学

介观

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

。

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了决定性的作用

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

应当指出的是

由于电子学在人类的发展和生活中起

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

。

。

因此

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

的相关技术进行超高密度信息存储的纳米电子器件

。

研究

在微电子器件与分子电子器件之间能元件不是单个分子电子器件

息功能器件以

。

可能有个过渡阶段

一

而是原子团

含

个原子

。

这样

—们就从两个方向去研究纳米光人

即信息加工的功

和

为主的固体电子器件尺寸小下去

两者的交叠构成

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

世纪初期新型电子和光电子器件

功能元件尺寸达到纳米量级

、

—的集成器件不再遵循传统微电子学的基本

传统的微电子工艺也将受到严

跨世纪的信

运行规律

重的挑战电子器件

电子的波动性

量子效应等在此类器件中起重要作用

、

为了迎接这一挑战

纳米电子器件

。

当今世界上有远见的科学家和企业家如

已经把目光瞄向了新一代

、

—的研究和开发

者认为

纳米光电子器件

、

纳米光电子集成电路

纳米光导集成电路

。

纳米光电子技术是光子技术

光电子技术与纳米技术相结合而成的一门多学科交叉技术

笔

在全球纳米科技发展正处于热门时期

是我国本世纪发展的大好时期

而且是微电子技

飞通光电子技术

年

月

术发展和应用以来世界面临的关键时期米电子器件

、

要用

“

两弹一星

。

”

精神

由国家组织抓纳米电

学和纳

纳米光电子学和纳米光电子器件的研究