摘要：本文主要概述了纳米
电子／光电子器件的分类，并提出发展纳米电子／光电子器件的几点建议。
1引言
纳米技术是一门在0.1~100μm尺度空间内，对电子、原子和分子的运动规律和特性进行研究并加以应用的高科技学科，它的目标是用单原子、分子制造具有特定功能的产品。国内外科技界已普遍认为纳米技术已成为当今研究领域中富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革，它不仅将促使人类认识的革命，而且将引发一场新的工业革命。
纳米技术是20世纪末期崛起的崭新科学技术领域，是一个全新的高科技学科群，它包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米光子学、纳米物理学、纳米光学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学、纳米医学、纳米显微学、纳米信息技术、纳米环境工程和纳米制造等。是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴技术。
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是传统微电子学发展的必然结果，是纳米技术发展的主要动力。纳米电子学在传统的固态电子学基础上，借助的物理理论和的工艺手段，按照全新的概念来构造电子器件与系统。纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力，使单位体积物质储存和处理信息的功能提高百万倍以上，实现了信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学与光电子学、生物学、机械学等学科结合，可以制成纳米电子／光电子器件、分子器件、纳米电子机械系统、纳米光电子机械系统、微型机器人等，将对人类的生产和生活方式产生变革性的影响，纳米电子／光电子学将成为21世纪信息时代的关键科学技术。
2纳米器件分类
自从纳米技术、信息技术、材料科学技术和生物技术被列为21世纪的四大科学技术以来，在国际和国内出现了一个纳米技术研究和开发的热潮。尤其在国内?quot;纳米"变成了热的名词之一，变成了人们谈论的热门话题之一。但在纳米"热"潮的同时，也出现了对纳米概念的某些误解和"泛"用纳米以及伪纳米产品的出现。针对这种情况，白春礼院士及时地提出"全面理解内涵促进健康发展"的发展方针，指出对纳米器件，尤其是纳米电子器件的认识和大力发展纳米电子器件研究是一个非常重要的问题[1]。例如：什么是纳米电子器件?什么是纳米光电子器件?纳米电子／光电子器件如何分类?纳米电子／光电子器件在纳米技术中处于什么地位?在纳米技术发展中应该注意哪些问题?等等。有关纳米电子器件的分类方法等问题，在国际上和国内学术界存在着不同的看法，本文的目的就是试图回答以上问题，概述纳米电子器件和纳米光电子器件，使读者有一个全面正确的认识。
纳米器件(即纳米电子器件[2]，和纳米光电子器件[3])可以被认为是利用纳米级加工和制备技术，如①外延技术；金属有机化学汽相淀积(MOCVD)技术、分子束外延(MBE)技术、原子层外延(AEE)、化学束外延(BE)；②光刻技术：电子束(EB)光刻技术、纳米光刻技术、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等；③微细加工技术：扫描控针显微镜(SPM)的应用研究、纳米材料制备方法(自组装生长、分子合成)等设计制备的具有纳米级(1nm~100nmC尺度以及具有一定功能的器件。
基于目前的发展和对未来的预测，如果将主要纳米电子器件进一步分类，纳米CMOS器件主要有：绝缘层上硅MOSFET即(SOI-MOSFET)、硅-锗异质结MOSFET、低温MOSFET、双极MOSFET、本征硅沟道隧道型MOSFET等；量子效应器件包括：量子干涉器件、量子点器件和谐振隧道器件，而谐振隧道器件又包括：横向谐振遂道器件、谐振隧道
晶体管(RTT)，谐振隧道场效应晶体管(RTEET)、双极量子谐振隧道晶体管(BiQuaRTT)、谐振隧道热电子晶体管(RHET)、纵向谐振隧道器件和隧道势垒调制晶体管等；单电子器件主要包括：单电子箱、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子神经网络晶体管、单电子结阵列、单电子泵浦、单电子陷阱和单电子旋转门第单原子器件和单分子器件包括：单电子开关、单原子点
接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等。纳米传感器将包括：量子隧道传感器和纳米生物传感器；纳米集成电路包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路纳米
存储器包括：超高容量纳米存储器、超高密度数据存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基MOS存储器、单电子存储器、单电子量子存储器；纳米CMOS混合电路包括：纳米CMOS电路和Ⅲ-V族化合物半导体共振隧道效应电路，纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路，纳米CMOS电路和超导单磁通量子电路，纳米CMOS电路和碳纳米管电路，纳米CMOS电路和人造原子电路与人造分子电路，纳米CMOS电路和DNA电路，纳米CMOS电路和纳米金属基自旋电路等主流电路的联姻，为纳米电子学开创了全新的发展。纳米Ⅲ-V族化合物半导体器件和电路是指i9振隧道二极管和谐振隧道晶体管与电路，它在高速、高频和光电子领域有强大的潜力，科学家预测，21世纪纳米电子器件、纳米光电子器件、纳米集成电路、纳米光电子集成电路是有发展前途的。
关于纳米器件(如：纳米电子器件和纳米光电子器件)如何划分以及纳米磁性器件、纳米级CMOS、纳米级光电集成电路、纳米级红外光电探测器阵列，纳米级太阳能电池、纳米激光器等是否应该纳入纳米电子器件和纳米光电器件范畴以内等问题属于纳米电子器件和纳米光电器件分类学的问题。对这个问题，在国际国内存在着不同的看法。本文作者比较倾向于DvidG．Gordon和MichealS．Montemerlo等人的看法，将纳米电子器件的范畴限制在满足以下两个条件以内：(1)器件的工作原理基于量子效应；(2)都具有相类似的典型的器件结构--隧穿势垒包围"岛"(或势阱)的结构。按照这两个条件，像纳米CMOS器件、纳米DSP、纳米磁性器件、纳米电子机械系统(NEMS)、纳米光电子机械系统(NOEMS)等虽然器件本身尺度为纳米量级，也是用纳米加工技术研制成功的，但它只能归属在纳米器件的大类中而不属于纳米电子器件的范畴之内。按照这两个条件，纳米电子器件可分成两类[2]：一类是固体纳米电子器件，它主要包括共振隧穿器件(共振隧穿二极管RTD和共振隧穿晶体管RTT)、量子点(QD)器件和量子点单电子器件(SED)；另一类是分子电子开关器件，主要包括量子效应分子电子器件和机电分子电子器件。
2．1 纳米电子／光电子器件的应用
主要研究在电子、量子功能通信系统、信息智能系统中的应用。利用纳米结构中的各种量子效应制作的纳米量子芯片具有尺寸小、速度快、功耗低的特点，可用于研制速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
2.2 纳米电子器件的分类
2．2．1纳米单电子器件
利用纳米电子学采用纳米电子材料和纳米光刻技术已研制出了许多纳米电子器件，如：电子共振隧穿器件、电子谐振隧穿器件、共振二极管(RTD)、三端的共振隧穿晶体管(RTT)、单电子晶体管(SET)、单岛单电子晶体管(SET)、金属基SET、半导体SET、纳米粒子SET、多岛SET、单电子静电计、单电子存储器(SEM)、单电子逻辑电路、单电子CMOS电路、金属基单电子晶体管(SET)存储器、半导体SET存储器、硅纳米晶体制造的存储器、纳米浮栅存储器、单电子数字集成电路、单电子晶体管(SET)逻辑集成电路、纳米硅微晶薄膜器件(如
谐振隧穿二极管(RTD))和聚合体电子器件等。
2.2.2电子波器件
电子波干涉器件、短线波导型干涉器件、Mach Zender干涉计(静电干涉器件)、定向耦合器件、衍射器件、量子线沟道场效应晶体管(FET)、平面超晶格FET、电子速度调制FET谐振隧穿器件等。
2．2．3量子波器件
这类器件中的电子处于相位相干结构中，其行为以波动性为主，这类器件包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧穿二极管晶体管等。
23 纳米光电子器件的分类
利用纳米光电子学采用纳米光电子材料和纳米光刻技术已研制出许多纳米光电子器件[3]，如：纳米激光器(量子线激光器、量子阱激光器、量子点激光器、红外量子级联激光器、光电调制器、超晶格多量子阱激光器、垂直腔面发射激光器)，InGaAs／GaAs多量子阱自电光效应器件(MQW-SEED)、(CMOS／SEED)光电集成器件、纳米光导集成电路、i9振隧穿二极管(RTD)光电集成电路、硅纳米颗粒光电元件、用UCT-PD和RTD构成了高速光电双稳态逻辑单元、应用于80Gb／s的时分复用(TDM)系统、还用RTD的结构制成新的光电负阻RTD器件、纳米级硅化铂肖特基势垒红外焦平面阵列(Nano-PtSi SBIRFPA)、纳米CMOS自电光效应器4q(SEED)、单电子纳米光开关、紫外纳米激光器、纳米阵列激光器、微型传感器、纳米电容器阵列、纳米结构离子分离器等。
2．3．1纳米光电探测器
纳米光电探测器是在纳米光电子材料的基础上发展起来的。利用纳米丝、纳米棒制成的微型探测器，量子点红外探测器，如：InAs量子点红外光电探测器，Ge／Si量子点红外光电探测器、SiGe／Si量子点发光二极管、超高灵敏度红外探测器、谐振腔增强型(RCE)光电探测器等。
2．3．2纳米发光器件
利用纳米光电子学采用纳米发光材料和纳米光刻技术已研制出纳米发光器件。如：纳米硅粒子制成的硅发光二极管以及用不同纳米尺度的CdSe做成的红、绿、蓝光可调谐的纳米发光二极管等。
2．3．3纳米光子器件
纳米量子结构、量子元件纳米寄存器、量子电路及其集成技术基础研究包蕴着极其丰富的研究内容，如：可以用作三维光电子晶体
天线，光子晶体二极管、无损耗光波导、光开关、光阈值激光器，光放大器等的新一代纳米光子器件。以及量子保密通信用的关键器件--纳米单光子发射探测器。
2．3．4纳米显示器
碳纳米管显示器、碳纳米管场发射显示器。
纳米电子学、纳米光电子学、纳米光子学与磁学微电子器件的极限线宽一般认为是70nm(0．07μm)，几十年内就实现了。为了尽快形成一种新概念的器件，单原子操纵是重要方式之一，可以预计，用它制成计算机，其计算能力可提高千倍，而所需功率仅为目前计算机的百万分之一。利用纳米磁学，信息存储量可成千倍提高。纳米光电子学可使通信带宽增加百倍。
此外，除了上述基于纳米半导体范畴的量子功能器件即半导体量子效应器件和单电子器件外，从广义上讲纳米器件还包括基于分子电子学的分子电子器件，分子器件在原理和材料结构上都与半导体量子器件不同，而且更为"年轻"，它们包括分子电子开关、电化学分子器件等。发展纳米器件的几点建议
必须重视和大力开展纳米器件，尤其是纳米电子器件和纳米光电子器件的研究工作。白春礼院士曾经指出"纳米器件的研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代的重要标志"，并指出"中国必须重视纳米器件研制和纳米尺度的检测和表征的研究工作"。根据目前我国纳米技术发展的现状，必须大力倡导开展纳米器件，尤其是纳米电子器件和纳米光电子器件的研究、开发和应用方面的工作。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(电子信息和光电子信息)技术两大技术的支点，对经济和整个科学技术起着至关重要的作用。
在纳米电子器件和纳米光电子器件研究和开发方面，除了加强对RTD和SED等纳米电子器件以及纳米激光器、纳米红外光电探测器、纳米光电集成电路等纳米光电子器件的研究外，还必须及时地大力开展关于分子电子器件的研究工作。在国际上，美国和日本非常重视分子电子学的研究。世界十大科技进展就报道了美国研制出分子晶体管的消息，即贝尔实验室用单一的有机分子制造出了世界上的晶体管，这就是分子电子器件。这类用化学有机合成的方法制造电子器件比用EB，MSE等技术制造RTD、SED可大幅度降低成本，且适宜大规模生产。应该呼吁化学家、电子学家和光电子学家紧密结合起来，共同开展对分子电子器件的研究。
有效地组织国内有关纳米技术研究部门，尤其是纳米器件研究单位，集中技术力量，瞄准纳米器件中的关键技术、重点问题，避免研究内容的重复，尽快取得源头创新的成果。希望纳米科技指导协调委员会能充分、具体地了解国内纳米器件研究单位的实际情况，调动各个单位研究的积极性，注重培养纳米技术人才，谁具有管理和纳米人才，谁就掌握了未来纳米高科技的制高点。
4结论
以微电子器件为基础的计算机和自动化设备进入社会的各个领域，成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米科技，这是由于当电子功能元件尺寸小到纳米级时，器件的运行机理，加工技术和材料与微电子器件有很大的不同，有着丰富的理论研究内容，同时纳米器件的诱人应用前景，被发达国家和国际大公司所重视。
纳米电子器件是微电子器件发展的下一代产物，但它有不同于微电子器件的材料、加工组装技术和运行机理。纳米电子器件的研发涉及较广的学科交叉，需要多学科的协同攻关才能实现。实际上反映一个国家纳米技术研究水平的关键首要是纳米材料的研制和纳米电子器件的研制。纳米电子器件研制的未来方向是纳米光电子器件，纳米光电子器件是光电子器件发展的下一代产品。在纳米光电子材料的基础上采用自组装技术研制的这种新颖器件将在未来的通信领域扮演重要的角色。目前研究纳米电子器件有两条途径：一是微电子器件尺寸逐渐小下去的方法称为自上而下路线；二是利用有机／无机分子组装功能器件，称为自下而上路线。
由于纳米电子学和纳米光电子学有极其重要的理论意义和应用前景，其研究的直接目标--纳米电子器件和纳米光电子器件，将是21世纪高科技的基础，它关系到国家未来的科技地位和经济实力，因此，各国政府和国际大公司都十分重视，人们正注视着纳米电子学和纳米光电子学领域的新进展。
