随着集成电路的发展，摩尔定律逐渐失效，寻求硅以外的替换材料成为了整个信息产业的一大方向，其中碳纳米管就是一个十分有潜力的竞争者。但是国外的科研人员在采用传统的掺杂工艺制备碳纳米管晶体管的过程中遇到了极大的困难，即使是全球半导体领先厂商Intel公司也在2005年发表论文称，想要制备出性能超越硅基n型晶体管的碳纳米管器件是不可能的。
我国从2000年就开始了针对碳基电子学的研究工作。2007年，北京大学彭练矛院士、张志勇教授团队就提出了非掺杂制备碳纳米管CMOS器件的方法，制备出了第一个性能超过同尺寸硅基晶体管的碳纳米管晶体管器件。2017年，团队在Science上发文，首次制备了5 nm技术节点的顶栅碳纳米管场效应晶体管，器件的本征性能和功耗综合指标上性能相较同尺寸的传统硅基晶体管器件约有10倍的优势，展现了碳纳米管电子学的巨大潜力。
今年5月份，该团队再次在Science发文，采用多次提纯和限域自组装的方法，在四英寸基底上制备了高密度，纯度超过99.9999%的碳纳米管平行阵列，达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求，为推进碳基集成电路的实用化和工业化奠定了基础。
近日，该团队针对极端环境下运行的电子设备易受高强度辐射破坏问题，提出新的解决方案。众所周知，电子设备运行在外太空或核反应堆环境下时, 高强度的辐射会破坏晶体管中的沟道、栅极氧化层和基底，导致晶体管失效。因此，人们发展了许多方法来保护晶体管不受辐射损伤。如采用碳纳米管和更宽带隙的半导体材料提高晶体管沟道的辐射耐受，或是利用绝缘体上硅（silicon-on-insulator, SOI）技术来减少辐射在基底中的寄生效应。然而这种方法极为昂贵且会降低晶体管的性能。因此，设计制备高性能的抗辐射晶体管器件仍然是一个重大挑战。针对该问题，北京大学彭练矛院士、张志勇教授团队设计制备了一个抗辐射的场效应晶体管器件，采用半导体性的碳纳米管作为沟道材料，离子凝胶作为栅极材料，并以聚酰亚胺作为基底。晶体管在剂量率为66.7 rad/s的情况下展现了高达15 Mrad的辐射耐受，远高于硅基晶体管器件（1 Mrad）。基于该晶体管制备的CMOS类逆变器具有相似的辐射耐受性。此外，受到辐射损伤的晶体管器件能够在100℃退火处理10分钟后恢复原先的电性能，展现出优异的自修复特征。该研究以题为“Radiation-hardened and repairable integrated circuits based on carbon nanotube transistors with ion gel gates”的论文发表在最新一期的《Nature Electronics》上。
【抗辐射晶体管器件的结构】
作者采用了气溶胶喷射打印法制备了碳纳米管沟道，用作栅极的离子凝胶由离子液体（EMIM）（TFSI）和共聚物PS-PMMA凝胶化制备而成。在碳纳米管表面形成的电双层（electrical double layer, EDL）充当了栅极电介质（图1a），与传统电介质相比，离子凝胶表现出高度的极化和更高的栅电容。最后采用了PI作为基底进一步提升该晶体管器件的辐射耐受性。作者还对器件在辐射前后的转移曲线进行了表征（图1c），证明器件可以在辐射剂量率560 rad/s，总辐射量4 Mrad的条件下正常工作。
【抗辐射集成电路设计】
作者以离子凝胶碳纳米管晶体管器件为单元器件，制备了典型的逆变器集成电路来表征该技术的辐射耐受性。图2a-c分别表征了单元器件的转移特征曲线、Ion+/Ion-比、Vmin (Ids为最小值时所对应的Vds)以及电压转移曲线在遭受不同剂量辐射前后的变化。当辐射总剂量小于3Mrad时，单元器件的Ion+/Ion-比变化范围在9%以内，Vmin从0.2 V变化到了0.3 V。当辐射总剂量超过3 Mrad时，单元器件的性能和阈值电压也仅出现了轻微的变化，说明在碳纳米管沟道周围的离子凝胶栅极中，强辐射形成的介电阱电荷或界面阱电荷都很少。基于该单元器件集成的逆变器在经受总剂量超过3 Mrad的辐射后，性能有轻微的衰减（图2d,电压增益从17降至13，过渡电压从0.6 V漂移至0.7 V）。值得注意的是，当作者采用更符合实际的低剂量率（66.7 rad/s）对逆变器进行辐射耐受性测试时，器件性能在经受总量达15 Mrad的电离辐射后，性能衰减仍然保持在可接受范围内（图2e,f）。
除了沟道和栅极介质之外，场效应晶体管的基底也是一个重要组成部分，如果采用硅材料作为基底，将会导致界面电荷陷阱与电荷交换，降低器件性能（图3a）。此外，硅基底还可能将辐照的高能粒子反射到有源区和栅极介质中，导致二次辐射损伤。然而，采用PI作为基底材料时，离子凝胶中由辐照产生的电子离子对中的部分离子将与电子重新结合，部分离子则会迁移至碳纳米管-凝胶界面处，诱导界面附近电荷陷阱的形成，并捕获电子，从而导致晶体管Vmin的漂移。而离子凝胶中扩散距离较短的重离子很难穿过EDL层，因此EDL层下的离子诱导的界面陷阱密度将大大降低（图3b）。此外，对于辐照的高能粒子而言，PI基底具有比硅基底更松散的结构和更小的散射截面，因此射线更容易穿透PI基底，而不是滞留在基底内或是在基底表面产生反射，从而降低了辐照效应的损伤。实验结果表明，当采用PI作为基底材料时，器件的漏电流更低（图3d,e）。此外，作者还对基于PI基底的晶体管器件在不同辐射总剂量下的电压转移曲线，过渡电压和Vmin进行了表征（图g, h）。
【温和温度下抗辐射晶体管器件自修复功能】
尽管该器件能够承受相当于外太空环境下工作十年的辐射剂量，其性能不可避免的受到了衰减（可接受范围内），而辐射损伤的进一步累积最终会导致晶体管和集成电路失效。目前最广泛的研究方法是采用高温热退火工艺对硅基的集成电路进行修复（400℃，1 h）。而离子凝胶晶体管器件中，离子凝胶具有准液体性质，在室温下能够保持有序的弹性状态。随着温度的升高，凝胶中离子的流动性增加。由于正负离子更加易于流动，退火过程不仅能使辐射诱导的捕获电荷逃逸，同时还使沟道表面的EDL恢复平衡（图4a）。在适中温度下（100℃）进行退火，不仅能显著提高凝胶中离子的流动性，还保持了离子凝胶的形态不会融化。作者对单元器件以及逆变器集成电路进行了辐射-退火循环情况下的电性能表征，证明了抗辐射晶体管单元器件和集成电路的自修复性能（图4b-d）。此外，在同类抗辐射器件中，本文中的器件性能明显优于其他器件(图4e)。
总结：作者制备了具有超强耐辐射能力的碳纳米管晶体管器件。离子凝胶在碳管沟道表面形成的EDL能够减少辐射陷阱电荷，PI基底能够消除高能辐照粒子的散射和反射造成的二次辐照效应。此外，器件在100℃下退火10分钟还能够修复电学性能和耐辐照能力。这项工作大大推动了碳基耐辐射芯片的发展。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-020-0465-1
