研究人員開發(fā)新方法,可提高場效應晶體管的總電離劑量容限

使用碳納米管作為溝道材料，并使用離子凝膠作為柵極的場效應晶體管，可承受高強度的輻射，在輻射損壞后，并且可以經(jīng)過簡單的工藝恢復。

無論是在月球，還是在更遠的星球，探索太空都需要設計復雜的電子電路，這些電路必須能夠承受高強度的太陽和宇宙輻射。高強度輻射可能會造成電子設備損壞或發(fā)生故障，而決定太空電子設備壽命的重要因素是它能承受的最大輻射量。在地球上，防輻射電子產(chǎn)品在核反應堆，粒子加速器和放射性排斥區(qū)這些高輻射環(huán)境中也能很好地工作?？茖W研究人員報告稱太空集成電路可以承受更高強度的電離輻射，與硅電子產(chǎn)品相比，由于修復設備的“熱退火”工藝，因此在其壽命期間能承受極高強度的輻射。

場效應晶體管（FET）的輻射損傷可分為三類：總電離劑量，位移損傷和單事件效應?？傠婋x劑量主要與柵氧化區(qū)中的累積電離效應有關(guān)。例如，在縮放期間柵極氧化物變少，已改善了硅基邏輯晶體管的輻射容限（最高達5 Mrad（Si）），因為在氧化物中減少了的電荷量和硅基功率。混合集成電路比數(shù)字集成電路受總電離劑量的影響更大，因為它們的柵極氧化物較厚。器件間隔離所用的氧化層也容易受到總電離劑量的影響。高k（高介電常數(shù)）的電介質(zhì)可用于提高抗輻射能力，而真空的介電層在放射線免疫的FET被使用，但性能低。

研究人員通過硬化所有易損部件，提高了FET的總電離劑量容限。他們使用碳納米管作為通道材料，使用離子凝膠作為柵極，并使用聚酰亞胺作為襯底。碳納米管是一種用來替換硅的輻射硬化裝置，因為除了出色的電子性能外，它的碳-碳化學鍵和小橫截面還減少了輻照引起的位移損傷。離子凝膠（一種由離子液體組成的電解質(zhì)）形成雙電層，用作電解質(zhì)和碳納米管之間的有效電介質(zhì)。電子雙層厚度為納米級，抑制了總電離劑量效應，同時提供了柵極效率。因為聚酰亞胺基材的輕薄的特質(zhì)，所以顯著降低了高能粒子帶來的影響。最后，F(xiàn)ET和集成電路在66.7 rad/s 的劑量率下可承受高達15 Mrad（Si）的輻射劑量，這是柵晶體管承受輻射劑量的最高記錄。

這些晶體管使用半導體碳納米管作為溝道材料，使用印刷離子凝膠作為柵極，使用聚酰亞胺作為襯底。經(jīng)過輻射后，可通過離子凝膠的低溫處理或在極端情況下溶解離子凝膠來修復晶體管。該過程將設備恢復到其原始性能，從而使它們可以經(jīng)受多次輻射。

此外，由于離子凝膠的可修復性，被輻射的FET和集成電路可以完全恢復。在100°C下退火10分鐘來恢復損壞的器件，從而導致閾值電壓和轉(zhuǎn)變電壓恢復到先前的值；基于硅的集成電路的修復將需要在400°C下進行1小時的熱退火。在受到高輻射的條件下，被輻射的離子凝膠可溶解，并重新生成新的柵極，從而在經(jīng)過多次輻射后還能進行修復。

這些電子產(chǎn)品可在高輻射環(huán)境中使用，不受輻射損害。但是，該技術(shù)的技術(shù)水平仍然較低，大約占NASA的技術(shù)3成左右。為了使基于電解質(zhì)門控碳納米管FET的集成電路能夠完全部署，首先，必須校準位移損傷和單事件效應帶來的輻射強度。然后，還需要將FET縮小至亞微米大小甚至幾十納米大小，以達到實際應用所需的性能和密度水平。研究人員建議，更輕薄的固態(tài)電解質(zhì)可以被用作離子凝膠柵的替代品，以縮小器件尺寸，同時保持強輻射耐受性。最后，這種免疫強輻射的電子產(chǎn)品的成功取決于電解質(zhì)門控電子技術(shù)的成熟，所以還有很長的路要走。
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