本期為大家?guī)淼氖俏覈茖W(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，通過縮減硅基互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）場效應(yīng)晶體管的尺寸，不斷升級技術(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)用場景。近年來航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是深空探測的興起，對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，我們越來越多的聽到關(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，有望推動未來電子學(xué)的發(fā)展。并且，由于碳納米管具有強(qiáng)碳-碳共價鍵、納米尺度橫截面積、低原子數(shù)等特點(diǎn)，可以用來發(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，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效應(yīng)晶體管和集成電路，未來可滿足航天航空、核工業(yè)等特殊應(yīng)用場景。

北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2015級博士研究生朱馬光與電子學(xué)系2019級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。中國科學(xué)院微電子研究所碩士研究生顏剛平和蔣見花副研究員提供了輻照損傷仿真結(jié)果。

基本特性

聯(lián)合課題組在研究過程中，針對晶體管的受輻照損傷的部位進(jìn)行針對性加強(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)合課題組針對場效應(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效應(yīng)晶體管（見下方圖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)。但是長期來看，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硅材料具有明顯的優(yōu)勢，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，對其的前沿研究，為集成電路產(chǎn)業(yè)未來的路線提供了新的可能，我們也很期待在未來發(fā)展中碳基材料和碳納米管集成電路究竟會以怎樣的形態(tài)進(jìn)入市場和我們的生活中。

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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