突破性的量子點電晶體創造了無毒的柔性集成電路

突破性的量子點電晶體創造了無毒的柔性集成電路

美國加州大學歐文分校的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員及其合作者利用稱為量子點的微小結構創建了基本的電子構建塊，並將其用於組裝功能邏輯電路。這項創新有望為複雜的電子設備提供一種更便宜，更易於製造的方法，該方法可以通過基於解決方案的簡單技術在化學實驗室中進行製造，並且可以為許多創新設備提供長期尋找的組件。

通過沉積金（Au）和銦（In）觸點，研究人員可以在同一基板上創建兩種關鍵類型的量子點電晶體，從而為眾多創新電子產品打開了大門。圖片提供：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

Victor Klimov說："這種新方法對基於無毒量子點的電子設備的潛在應用包括可印刷電路，柔性顯示器，晶片實驗室診斷，可穿戴設備，醫療測試，智能植入物和生物識別技術。"洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）的專門研究半導體納米晶體的物理學家，以及作者的論文發表在10月19日的"Nature Communications"上的新結果上。

幾十年來，微電子技術一直依靠在特別創建的潔淨室環境中加工的超高純度矽製成。近來，基於矽的微電子學受到多種替代技術的挑戰，這些替代技術允許通過廉價，易於獲得的化學技術在潔淨室外部製造複雜的電子電路。用化學方法在不太嚴格的環境中製成的膠體半導體納米顆粒就是這樣一種新興技術。由於它們的小尺寸和直接受量子力學控制的獨特屬性，這些粒子被稱為量子點。

膠體量子點由覆蓋有有機分子的半導體核組成。由於具有這種混合特性，它們將易於理解的傳統半導體的優勢與分子系統的化學多功能性相結合。這些特性對於實現新型的柔性電子電路具有吸引力，該電路可以印刷到幾乎任何表面上，包括塑料，紙張甚至人體皮膚。此功能可以使許多領域受益，包括消費電子，安全性，數字標牌和醫療診斷。

電子電路的關鍵元件是電晶體，該電晶體充當由施加的電壓激活的電流的開關。通常，電晶體分為成對的n型和p型器件，分別控制負電荷和正電荷的流動。這樣的互補電晶體對是現代CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術的基石，該技術使微處理器，存儲晶片，圖像傳感器和其他電子設備成為可能。

用於基於p溝道和n溝道CuInSe 2 CQD FET（分別為PFET和NFET）製造互補金屬氧化物半導體（CMOS）反相器的處理步驟。

第一個量子點電晶體是在大約二十年前展示的。然而，在同一量子點層中集成互補的n型和p型器件仍然是一個長期的挑戰。另外，該領域的大多數努力都集中在基於鉛和鎘的納米晶體上。這些元素是劇毒的重金屬，極大地限制了演示設備的實用性。

加州大學歐文分校的Los Alamos研究人員及其合作者的團隊證明，通過使用硒化銅銦（CuInSe2）不含重金屬的量子點，他們既可以解決毒性問題，又可以實現n的直接積分-和p電晶體位於同一量子點層中。為了證明所開發方法的實用性，他們創建了執行邏輯運算的功能電路。

用於基於CuInSe 2 CQD PFET和NFET製造CMOS NAND門的處理步驟。

Klimov及其同事在其新論文中提出的創新技術使他們可以通過應用兩種不同類型的金屬觸點（分別為金和銦）來定義p型和n型電晶體。他們通過在預構圖的觸點頂部沉積一個公共量子點層來完成器件。克利莫夫說："這種方法允許將任意數量的互補p型和n型電晶體直接集成到同一量子點層中，該量子點層通過標準旋塗法製成連續的無圖案膜。"這種方法不需要對CQD層進行構圖，並且可以在FET觸點和連接金屬電路的沉積階段對器件功能進行"編程"。這將大大簡化將來在設備小型化和大規模，高度集成的CMOS電路的實際實現方面的工作。