隨著集成電路的發(fā)展，摩爾定律逐漸失效，尋求硅以外的替換材料成為了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的一大方向，其中碳納米管就是一個(gè)十分有潛力的競爭者。但是國外的科研人員在采用傳統(tǒng)的摻雜工藝制備碳納米管晶體管的過程中遇到了極大的困難，即使是全球半導(dǎo)體領(lǐng)先廠商Intel公司也在2005年發(fā)表論文稱，想要制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件是不可能的。
我國從2000年就開始了針對碳基電子學(xué)的研究工作。2007年，北京大學(xué)彭練矛院士、張志勇教授團(tuán)隊(duì)就提出了非摻雜制備碳納米管CMOS器件的方法，制備出了第一個(gè)性能超過同尺寸硅基晶體管的碳納米管晶體管器件。2017年，團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)文，首次制備了5 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的頂柵碳納米管場效應(yīng)晶體管，器件的本征性能和功耗綜合指標(biāo)上性能相較同尺寸的傳統(tǒng)硅基晶體管器件約有10倍的優(yōu)勢，展現(xiàn)了碳納米管電子學(xué)的巨大潛力。
今年5月份，該團(tuán)隊(duì)再次在Science發(fā)文，采用多次提純和限域自組裝的方法，在四英寸基底上制備了高密度，純度超過99.9999%的碳納米管平行陣列，達(dá)到了超大規(guī)模碳納米管集成電路的需求，為推進(jìn)碳基集成電路的實(shí)用化和工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
近日，該團(tuán)隊(duì)針對極端環(huán)境下運(yùn)行的電子設(shè)備易受高強(qiáng)度輻射破壞問題，提出新的解決方案。眾所周知，電子設(shè)備運(yùn)行在外太空或核反應(yīng)堆環(huán)境下時(shí), 高強(qiáng)度的輻射會破壞晶體管中的溝道、柵極氧化層和基底，導(dǎo)致晶體管失效。因此，人們發(fā)展了許多方法來保護(hù)晶體管不受輻射損傷。如采用碳納米管和更寬帶隙的半導(dǎo)體材料提高晶體管溝道的輻射耐受，或是利用絕緣體上硅（silicon-on-insulator, SOI）技術(shù)來減少輻射在基底中的寄生效應(yīng)。然而這種方法極為昂貴且會降低晶體管的性能。因此，設(shè)計(jì)制備高性能的抗輻射晶體管器件仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。針對該問題，北京大學(xué)彭練矛院士、張志勇教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一個(gè)抗輻射的場效應(yīng)晶體管器件，采用半導(dǎo)體性的碳納米管作為溝道材料，離子凝膠作為柵極材料，并以聚酰亞胺作為基底。晶體管在劑量率為66.7 rad/s的情況下展現(xiàn)了高達(dá)15 Mrad的輻射耐受，遠(yuǎn)高于硅基晶體管器件（1 Mrad）?；谠摼w管制備的CMOS類逆變器具有相似的輻射耐受性。此外，受到輻射損傷的晶體管器件能夠在100℃退火處理10分鐘后恢復(fù)原先的電性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)特征。該研究以題為“Radiation-hardened and repairable integrated circuits based on carbon nanotube transistors with ion gel gates”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Electronics》上。
【抗輻射晶體管器件的結(jié)構(gòu)】
作者采用了氣溶膠噴射打印法制備了碳納米管溝道，用作柵極的離子凝膠由離子液體（EMIM）（TFSI）和共聚物PS-PMMA凝膠化制備而成。在碳納米管表面形成的電雙層（electrical double layer, EDL）充當(dāng)了柵極電介質(zhì)（圖1a），與傳統(tǒng)電介質(zhì)相比，離子凝膠表現(xiàn)出高度的極化和更高的柵電容。最后采用了PI作為基底進(jìn)一步提升該晶體管器件的輻射耐受性。作者還對器件在輻射前后的轉(zhuǎn)移曲線進(jìn)行了表征（圖1c），證明器件可以在輻射劑量率560 rad/s，總輻射量4 Mrad的條件下正常工作。
【抗輻射集成電路設(shè)計(jì)】
作者以離子凝膠碳納米管晶體管器件為單元器件，制備了典型的逆變器集成電路來表征該技術(shù)的輻射耐受性。圖2a-c分別表征了單元器件的轉(zhuǎn)移特征曲線、Ion+/Ion-比、Vmin?(Ids為最小值時(shí)所對應(yīng)的Vds)以及電壓轉(zhuǎn)移曲線在遭受不同劑量輻射前后的變化。當(dāng)輻射總劑量小于3Mrad時(shí)，單元器件的Ion+/Ion-比變化范圍在9%以內(nèi)，Vmin從0.2 V變化到了0.3 V。當(dāng)輻射總劑量超過3 Mrad時(shí)，單元器件的性能和閾值電壓也僅出現(xiàn)了輕微的變化，說明在碳納米管溝道周圍的離子凝膠柵極中，強(qiáng)輻射形成的介電阱電荷或界面阱電荷都很少?；谠搯卧骷傻哪孀兤髟诮?jīng)受總劑量超過3 Mrad的輻射后，性能有輕微的衰減（圖2d,電壓增益從17降至13，過渡電壓從0.6 V漂移至0.7 V）。值得注意的是，當(dāng)作者采用更符合實(shí)際的低劑量率（66.7 rad/s）對逆變器進(jìn)行輻射耐受性測試時(shí)，器件性能在經(jīng)受總量達(dá)15 Mrad的電離輻射后，性能衰減仍然保持在可接受范圍內(nèi)（圖2e,f）。
除了溝道和柵極介質(zhì)之外，場效應(yīng)晶體管的基底也是一個(gè)重要組成部分，如果采用硅材料作為基底，將會導(dǎo)致界面電荷陷阱與電荷交換，降低器件性能（圖3a）。此外，硅基底還可能將輻照的高能粒子反射到有源區(qū)和柵極介質(zhì)中，導(dǎo)致二次輻射損傷。然而，采用PI作為基底材料時(shí)，離子凝膠中由輻照產(chǎn)生的電子離子對中的部分離子將與電子重新結(jié)合，部分離子則會遷移至碳納米管-凝膠界面處，誘導(dǎo)界面附近電荷陷阱的形成，并捕獲電子，從而導(dǎo)致晶體管Vmin的漂移。而離子凝膠中擴(kuò)散距離較短的重離子很難穿過EDL層，因此EDL層下的離子誘導(dǎo)的界面陷阱密度將大大降低（圖3b）。此外，對于輻照的高能粒子而言，PI基底具有比硅基底更松散的結(jié)構(gòu)和更小的散射截面，因此射線更容易穿透PI基底，而不是滯留在基底內(nèi)或是在基底表面產(chǎn)生反射，從而降低了輻照效應(yīng)的損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用PI作為基底材料時(shí)，器件的漏電流更低（圖3d,e）。此外，作者還對基于PI基底的晶體管器件在不同輻射總劑量下的電壓轉(zhuǎn)移曲線，過渡電壓和Vmin進(jìn)行了表征（圖g, h）。
【溫和溫度下抗輻射晶體管器件自修復(fù)功能】
盡管該器件能夠承受相當(dāng)于外太空環(huán)境下工作十年的輻射劑量，其性能不可避免的受到了衰減（可接受范圍內(nèi)），而輻射損傷的進(jìn)一步累積最終會導(dǎo)致晶體管和集成電路失效。目前最廣泛的研究方法是采用高溫?zé)嵬嘶鸸に噷杌募呻娐愤M(jìn)行修復(fù)（400℃，1 h）。而離子凝膠晶體管器件中，離子凝膠具有準(zhǔn)液體性質(zhì)，在室溫下能夠保持有序的彈性狀態(tài)。隨著溫度的升高，凝膠中離子的流動(dòng)性增加。由于正負(fù)離子更加易于流動(dòng)，退火過程不僅能使輻射誘導(dǎo)的捕獲電荷逃逸，同時(shí)還使溝道表面的EDL恢復(fù)平衡（圖4a）。在適中溫度下（100℃）進(jìn)行退火，不僅能顯著提高凝膠中離子的流動(dòng)性，還保持了離子凝膠的形態(tài)不會融化。作者對單元器件以及逆變器集成電路進(jìn)行了輻射-退火循環(huán)情況下的電性能表征，證明了抗輻射晶體管單元器件和集成電路的自修復(fù)性能（圖4b-d）。此外，在同類抗輻射器件中，本文中的器件性能明顯優(yōu)于其他器件(圖4e)。
總結(jié)：作者制備了具有超強(qiáng)耐輻射能力的碳納米管晶體管器件。離子凝膠在碳管溝道表面形成的EDL能夠減少輻射陷阱電荷，PI基底能夠消除高能輻照粒子的散射和反射造成的二次輻照效應(yīng)。此外，器件在100℃下退火10分鐘還能夠修復(fù)電學(xué)性能和耐輻照能力。這項(xiàng)工作大大推動(dòng)了碳基耐輻射芯片的發(fā)展。
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https://www.nature.com/articles/s41928-020-0465-1
