北京大學(xué)與中科院聯(lián)合制備出超強(qiáng)抗輻照能力的集成電路

本期為大家?guī)?lái)的是我國(guó)科學(xué)家在碳基集成電路上取得的最新成果，北京大學(xué)-中科院蘇州納米所聯(lián)合課題組制備出了一種具有超強(qiáng)抗輻照能力的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路，其產(chǎn)品將首先運(yùn)用于航天航空、核工業(yè)等特殊應(yīng)用場(chǎng)景。碳納米管集成電路的研究成果，也在硅基集成電路逐漸走向物理極限的當(dāng)下為集成電路產(chǎn)業(yè)提供了更多的可能性。

研究背景

業(yè)界耳熟能詳?shù)哪柖蓮奶岢鲋两褚呀?jīng)引導(dǎo)主流集成電路發(fā)展了五十載之久，通過(guò)縮減硅基互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸，不斷升級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，提升集成度以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的性能成為了主流工藝發(fā)展的重要路徑。但除此之外，集成電路還有其他的重要發(fā)展模式，比如增強(qiáng)抗輻照能力，滿足航天航空、核工業(yè)等特殊應(yīng)用場(chǎng)景。近年來(lái)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是深空探測(cè)的興起，對(duì)抗輻照芯片提出了更高的要求，使得傳統(tǒng)抗輻照集成電路技術(shù)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，我們?cè)絹?lái)越多的聽(tīng)到關(guān)于非硅半導(dǎo)體材料的消息，包括第三代半導(dǎo)體和碳基半導(dǎo)體等，而碳納米管（CNTs: carbon nanotubes）就是其中之一，它具有優(yōu)異的電學(xué)性能、準(zhǔn)一維晶格結(jié)構(gòu)、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是構(gòu)建新型CMOS晶體管和集成電路的理想半導(dǎo)體溝道材料，有望推動(dòng)未來(lái)電子學(xué)的發(fā)展。并且，由于碳納米管具有強(qiáng)碳-碳共價(jià)鍵、納米尺度橫截面積、低原子數(shù)等特點(diǎn)，可以用來(lái)發(fā)展新一代超強(qiáng)抗輻照集成電路技術(shù)。但如何將碳納米管的超強(qiáng)抗輻照潛力真正發(fā)揮出來(lái)，卻是全世界科學(xué)家面臨的幾大難題之一。

碳納米管示意圖

近日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)以《輻照加強(qiáng)與可修復(fù)的離子膠碳納米管晶體管和集成電路》（“Radiation-hardened and repairable integrated circuits based on carbon nanotube transistors with ion gel gates”）為題在在《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）發(fā)表了最新研究成果。該成果由北京大學(xué)彭練矛-張志勇課題組與中科院蘇州納米所趙建文課題組合作完成，聯(lián)合課題組制備出了一種具有超強(qiáng)抗輻照能力的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路，未來(lái)可滿足航天航空、核工業(yè)等特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2015級(jí)博士研究生朱馬光與電子學(xué)系2019級(jí)博士研究生肖洪山為并列第一作者，北京大學(xué)電子系碳基電子學(xué)研究中心、納光電前沿科學(xué)中心張志勇教授、彭練矛院士和中科院蘇州納米所趙建文研究員為共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院微電子研究所碩士研究生顏剛平和蔣見(jiàn)花副研究員提供了輻照損傷仿真結(jié)果。

基本特性

聯(lián)合課題組在研究過(guò)程中，針對(duì)晶體管的受輻照損傷的部位進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)設(shè)計(jì)，采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和新材料，制備出了一種新型的、具有超強(qiáng)抗輻照能力的碳納米晶體管，抗總劑量輻照可達(dá)15Mrad(Si)，并發(fā)展了可修復(fù)的碳納米管集成電路，為未來(lái)的特種芯片穿上抗輻射防護(hù)衣。特殊的設(shè)計(jì)使得碳基電路像電影《終結(jié)者》中的T1000液態(tài)機(jī)器人，能夠完全恢復(fù)輻照造成的損傷。

制備工藝

可以看到，為了抗輻照能力的增強(qiáng)，聯(lián)合課題組針對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所有易受輻照損傷的部位采用輻照加強(qiáng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)優(yōu)化晶體管的結(jié)構(gòu)和材料，包括選用半導(dǎo)體碳納米管作為有源區(qū)、離子液體凝膠（Ion gel）作為柵介質(zhì)、超薄聚乙酰胺(Polyimide)材料為襯底，制備了一種新型的具有超強(qiáng)抗輻照能力的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（見(jiàn)下方圖1）。

圖1. 離子膠碳納米管抗輻照晶體管

離子液體凝膠可以在碳納米管溝道表面形成雙電層，減少輻照陷阱電荷；使用超薄聚酰亞胺作為襯底，可以消除高能輻照粒子在襯底上散射和反射所產(chǎn)生的襯底二次輻照效應(yīng)（見(jiàn)下方圖2），極大增強(qiáng)了晶體管的抗輻照能力。

圖2. 離子膠碳納米管抗輻照晶體管和集成電路輻照加固機(jī)理

而在低輻照劑量率（66.7 rad/s）下，晶體管和反相器電路能夠承受15 Mrad（Si）的總劑量輻照。在此基礎(chǔ)上，課題組發(fā)展了可修復(fù)輻照損傷的碳納米管集成電路，結(jié)果表明，經(jīng)受3 Mrad總劑量輻照的離子膠碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管和反相器，在100℃下退火10分鐘，其電學(xué)性能和抗輻照能力均得以修復(fù)（見(jiàn)下方圖3）。結(jié)合超強(qiáng)抗輻照能力和低溫加熱可修復(fù)特性，可構(gòu)建對(duì)高能輻照免疫的碳納米管晶體管和集成電路。

圖3. 離子膠碳納米管抗輻照晶體管和集成電路輻照修復(fù)效應(yīng)

應(yīng)用前景

令人欣喜的是，此項(xiàng)研究成果意味著我國(guó)碳基半導(dǎo)體研究成功突破抗輻照這一世界性難題，為研制抗輻照的碳基芯片打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但是長(zhǎng)期來(lái)看，碳基半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域仍然集中在航空航天和核工業(yè)等特種領(lǐng)域，碳納米管的制造工藝之復(fù)雜，也使得碳納米管集成電路難以再現(xiàn)有制造工藝下短期實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基集成電路的全面替代。

當(dāng)然，碳基半導(dǎo)體材料在柵電容、平均自由程、載流子遷移率和飽和速度等物理特性上相對(duì)硅材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在研究領(lǐng)域取得了領(lǐng)先，就等于搶占了更多的發(fā)展先機(jī)。作為一種有別于現(xiàn)在芯片主流硅材料的新興材料，對(duì)其的前沿研究，為集成電路產(chǎn)業(yè)未來(lái)的路線提供了新的可能，我們也很期待在未來(lái)發(fā)展中碳基材料和碳納米管集成電路究竟會(huì)以怎樣的形態(tài)進(jìn)入市場(chǎng)和我們的生活中。

原文標(biāo)題：科研前線 |北京大學(xué)-中科院蘇州納米所聯(lián)合課題組研制出超強(qiáng)抗輻照碳納米管集成電路

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