《Science》之後！又雙叒叕是一篇頂刊，碳電子時代即將來臨？

隨著集成電路的發展，摩爾定律逐漸失效，尋求矽以外的替換材料成為了整個信息產業的一大方向，其中碳納米管就是一個十分有潛力的競爭者。但是國外的科研人員在採用傳統的摻雜工藝製備碳納米管電晶體的過程中遇到了極大的困難，即使是全球半導體領先廠商Intel公司也在2005年發表論文稱，想要製備出性能超越矽基n型電晶體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的研究工作。2007年，北京大學彭練矛院士、張志勇教授團隊就提出了非摻雜製備碳納米管CMOS器件的方法，製備出了第一個性能超過同尺寸矽基電晶體的碳納米管電晶體器件。2017年，團隊在Science上發文，首次製備了5 nm技術節點的頂柵碳納米管場效應電晶體，器件的本徵性能和功耗綜合指標上性能相較同尺寸的傳統矽基電晶體器件約有10倍的優勢，展現了碳納米管電子學的巨大潛力。

今年5月份，該團隊再次在Science發文，採用多次提純和限域自組裝的方法，在四英寸基底上製備了高密度，純度超過99.9999%的碳納米管平行陣列，達到了超大規模碳納米管集成電路的需求，為推進碳基集成電路的實用化和工業化奠定了基礎。

近日，該團隊針對極端環境下運行的電子設備易受高強度輻射破壞問題，提出新的解決方案。眾所周知，電子設備運行在外太空或核反應堆環境下時, 高強度的輻射會破壞電晶體中的溝道、柵極氧化層和基底，導致電晶體失效。因此，人們發展了許多方法來保護電晶體不受輻射損傷。如採用碳納米管和更寬帶隙的半導體材料提高電晶體溝道的輻射耐受，或是利用絕緣體上矽（silicon-on-insulator, SOI）技術來減少輻射在基底中的寄生效應。然而這種方法極為昂貴且會降低電晶體的性能。因此，設計製備高性能的抗輻射電晶體器件仍然是一個重大挑戰。針對該問題，北京大學彭練矛院士、張志勇教授團隊設計製備了一個抗輻射的場效應電晶體器件，採用半導體性的碳納米管作為溝道材料，離子凝膠作為柵極材料，並以聚醯亞胺作為基底。電晶體在劑量率為66.7 rad/s的情況下展現了高達15 Mrad的輻射耐受，遠高於矽基電晶體器件（1 Mrad）。基於該電晶體製備的CMOS類逆變器具有相似的輻射耐受性。此外，受到輻射損傷的電晶體器件能夠在100℃退火處理10分鐘後恢復原先的電性能，展現出優異的自修復特徵。該研究以題為「Radiation-hardened and repairable integrated circuits based on carbon nanotube transistors with ion gel gates」的論文發表在最新一期的《Nature Electronics》上。

【抗輻射電晶體器件的結構】

作者採用了氣溶膠噴射列印法製備了碳納米管溝道，用作柵極的離子凝膠由離子液體（EMIM）（TFSI）和共聚物PS-PMMA凝膠化製備而成。在碳納米管表面形成的電雙層（electrical double layer, EDL）充當了柵極電介質（圖1a），與傳統電介質相比，離子凝膠表現出高度的極化和更高的柵電容。最後採用了PI作為基底進一步提升該電晶體器件的輻射耐受性。作者還對器件在輻射前後的轉移曲線進行了表徵（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。

圖1.抗輻射碳納米管電晶體器件的結構及工作曲線

【抗輻射集成電路設計】

作者以離子凝膠碳納米管電晶體器件為單元器件，製備了典型的逆變器集成電路來表徵該技術的輻射耐受性。圖2a-c分別表徵了單元器件的轉移特徵曲線、Ion+/Ion-比、Vmin (Ids為最小值時所對應的Vds)以及電壓轉移曲線在遭受不同劑量輻射前後的變化。當輻射總劑量小於3Mrad時，單元器件的Ion+/Ion-比變化範圍在9%以內，Vmin從0.2 V變化到了0.3 V。當輻射總劑量超過3 Mrad時，單元器件的性能和閾值電壓也僅出現了輕微的變化，說明在碳納米管溝道周圍的離子凝膠柵極中，強輻射形成的介電阱電荷或界面阱電荷都很少。基於該單元器件集成的逆變器在經受總劑量超過3 Mrad的輻射後，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，當作者採用更符合實際的低劑量率（66.7 rad/s）對逆變器進行輻射耐受性測試時，器件性能在經受總量達15 Mrad的電離輻射後，性能衰減仍然保持在可接受範圍內（圖2e,f）。

圖2.抗輻射電晶體器件及電路的輻射耐受性測試

除了溝道和柵極介質之外，場效應電晶體的基底也是一個重要組成部分，如果採用矽材料作為基底，將會導致界面電荷陷阱與電荷交換，降低器件性能（圖3a）。此外，矽基底還可能將輻照的高能粒子反射到有源區和柵極介質中，導致二次輻射損傷。然而，採用PI作為基底材料時，離子凝膠中由輻照產生的電子離子對中的部分離子將與電子重新結合，部分離子則會遷移至碳納米管-凝膠界面處，誘導界面附近電荷陷阱的形成，並捕獲電子，從而導致電晶體Vmin的漂移。而離子凝膠中擴散距離較短的重離子很難穿過EDL層，因此EDL層下的離子誘導的界面陷阱密度將大大降低（圖3b）。此外，對於輻照的高能粒子而言，PI基底具有比矽基底更鬆散的結構和更小的散射截面，因此射線更容易穿透PI基底，而不是滯留在基底內或是在基底表面產生反射，從而降低了輻照效應的損傷。實驗結果表明，當採用PI作為基底材料時，器件的漏電流更低（圖3d,e）。此外，作者還對基於PI基底的電晶體器件在不同輻射總劑量下的電壓轉移曲線，過渡電壓和Vmin進行了表徵（圖g, h）。

圖3.基於PI基底的抗輻射電晶體器件及電路的輻射耐受性測試

【溫和溫度下抗輻射電晶體器件自修復功能】

儘管該器件能夠承受相當於外太空環境下工作十年的輻射劑量，其性能不可避免的受到了衰減（可接受範圍內），而輻射損傷的進一步累積最終會導致電晶體和集成電路失效。目前最廣泛的研究方法是採用高溫熱退火工藝對矽基的集成電路進行修復（400℃，1 h）。而離子凝膠電晶體器件中，離子凝膠具有準液體性質，在室溫下能夠保持有序的彈性狀態。隨著溫度的升高，凝膠中離子的流動性增加。由於正負離子更加易於流動，退火過程不僅能使輻射誘導的捕獲電荷逃逸，同時還使溝道表面的EDL恢復平衡（圖4a）。在適中溫度下（100℃）進行退火，不僅能顯著提高凝膠中離子的流動性，還保持了離子凝膠的形態不會融化。作者對單元器件以及逆變器集成電路進行了輻射-退火循環情況下的電性能表徵，證明了抗輻射電晶體單元器件和集成電路的自修復性能（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於其他器件(圖4e)。

圖4.抗輻射電晶體器件及電路的自修復功能

總結：作者製備了具有超強耐輻射能力的碳納米管電晶體器件。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。此外，器件在100℃下退火10分鐘還能夠修復電學性能和耐輻照能力。這項工作大大推動了碳基耐輻射晶片的發展。

https://www.nature.com/articles/s41928-020-0465-1

來源：高分子科學前沿

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