北京大学与中科院联合制备出超强抗辐照能力的集成电路-电子发烧友网

本期为大家带来的是我国科学家在碳基集成电路上取得的最新成果，北京大学-中科院苏州纳米所联合课题组制备出了一种具有超强抗辐照能力的碳纳米管场效应晶体管和集成电路，其产品将首先运用于航天航空、核工业等特殊应用场景。碳纳米管集成电路的研究成果，也在硅基集成电路逐渐走向物理极限的当下为集成电路产业提供了更多的可能性。

研究背景

业界耳熟能详的摩尔定律从提出至今已经引导主流集成电路发展了五十载之久，通过缩减硅基互补型金属氧化物半导体（CMOS）场效应晶体管的尺寸，不断升级技术节点，提升集成度以实现更强的性能成为了主流工艺发展的重要路径。但除此之外，集成电路还有其他的重要发展模式，比如增强抗辐照能力，满足航天航空、核工业等特殊应用场景。近年来航天事业的蓬勃发展，特别是深空探测的兴起，对抗辐照芯片提出了更高的要求，使得传统抗辐照集成电路技术发展面临巨大挑战。

近年来，我们越来越多的听到关于非硅半导体材料的消息，包括第三代半导体和碳基半导体等，而碳纳米管（CNTs: carbon nanotubes）就是其中之一，它具有优异的电学性能、准一维晶格结构、化学稳定性好、机械强度高等特点，是构建新型CMOS晶体管和集成电路的理想半导体沟道材料，有望推动未来电子学的发展。并且，由于碳纳米管具有强碳-碳共价键、纳米尺度横截面积、低原子数等特点，可以用来发展新一代超强抗辐照集成电路技术。但如何将碳纳米管的超强抗辐照潜力真正发挥出来，却是全世界科学家面临的几大难题之一。

碳纳米管示意图

近日，中国科研团队以《辐照加强与可修复的离子胶碳纳米管晶体管和集成电路》（“Radiation-hardened and repairable integrated circuits based on carbon nanotube transistors with ion gel gates”）为题在在《自然-电子学》（Nature Electronics）发表了最新研究成果。该成果由北京大学彭练矛-张志勇课题组与中科院苏州纳米所赵建文课题组合作完成，联合课题组制备出了一种具有超强抗辐照能力的碳纳米管场效应晶体管和集成电路，未来可满足航天航空、核工业等特殊应用场景。

北京大学前沿交叉学科研究院2015级博士研究生朱马光与电子学系2019级博士研究生肖洪山为并列第一作者，北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳光电前沿科学中心张志勇教授、彭练矛院士和中科院苏州纳米所赵建文研究员为共同通讯作者。中国科学院微电子研究所硕士研究生颜刚平和蒋见花副研究员提供了辐照损伤仿真结果。

基本特性

联合课题组在研究过程中，针对晶体管的受辐照损伤的部位进行针对性加强设计，采用创新结构和新材料，制备出了一种新型的、具有超强抗辐照能力的碳纳米晶体管，抗总剂量辐照可达15Mrad(Si)，并发展了可修复的碳纳米管集成电路，为未来的特种芯片穿上抗辐射防护衣。特殊的设计使得碳基电路像电影《终结者》中的T1000液态机器人，能够完全恢复辐照造成的损伤。

制备工艺

可以看到，为了抗辐照能力的增强，联合课题组针对场效应晶体管的所有易受辐照损伤的部位采用辐照加强设计，设计优化晶体管的结构和材料，包括选用半导体碳纳米管作为有源区、离子液体凝胶（Ion gel）作为栅介质、超薄聚乙酰胺(Polyimide)材料为衬底，制备了一种新型的具有超强抗辐照能力的碳纳米管场效应晶体管（见下方图1）。

图1. 离子胶碳纳米管抗辐照晶体管

离子液体凝胶可以在碳纳米管沟道表面形成双电层，减少辐照陷阱电荷；使用超薄聚酰亚胺作为衬底，可以消除高能辐照粒子在衬底上散射和反射所产生的衬底二次辐照效应（见下方图2），极大增强了晶体管的抗辐照能力。

图2. 离子胶碳纳米管抗辐照晶体管和集成电路辐照加固机理

而在低辐照剂量率（66.7 rad/s）下，晶体管和反相器电路能够承受15 Mrad（Si）的总剂量辐照。在此基础上，课题组发展了可修复辐照损伤的碳纳米管集成电路，结果表明，经受3 Mrad总剂量辐照的离子胶碳纳米管场效应晶体管和反相器，在100℃下退火10分钟，其电学性能和抗辐照能力均得以修复（见下方图3）。结合超强抗辐照能力和低温加热可修复特性，可构建对高能辐照免疫的碳纳米管晶体管和集成电路。

图3. 离子胶碳纳米管抗辐照晶体管和集成电路辐照修复效应

应用前景

令人欣喜的是，此项研究成果意味着我国碳基半导体研究成功突破抗辐照这一世界性难题，为研制抗辐照的碳基芯片打下了坚实基础。但是长期来看，碳基半导体的应用领域仍然集中在航空航天和核工业等特种领域，碳纳米管的制造工艺之复杂，也使得碳纳米管集成电路难以再现有制造工艺下短期实现对硅基集成电路的全面替代。

当然，碳基半导体材料在栅电容、平均自由程、载流子迁移率和饱和速度等物理特性上相对硅材料具有明显的优势，在研究领域取得了领先，就等于抢占了更多的发展先机。作为一种有别于现在芯片主流硅材料的新兴材料，对其的前沿研究，为集成电路产业未来的路线提供了新的可能，我们也很期待在未来发展中碳基材料和碳纳米管集成电路究竟会以怎样的形态进入市场和我们的生活中。