研究人員開發(fā)新方法,可提高場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，可承受高強(qiáng)度的輻射，在輻射損壞后，并且可以經(jīng)過簡(jiǎn)單的工藝恢復(fù)。

無論是在月球，還是在更遠(yuǎn)的星球，探索太空都需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的電子電路，這些電路必須能夠承受高強(qiáng)度的太陽和宇宙輻射。高強(qiáng)度輻射可能會(huì)造成電子設(shè)備損壞或發(fā)生故障，而決定太空電子設(shè)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(yīng)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(xué)研究人員報(bào)告稱太空集成電路可以承受更高強(qiáng)度的電離輻射，與硅電子產(chǎn)品相比，由于修復(fù)設(shè)備的“熱退火”工藝，因此在其壽命期間能承受極高強(qiáng)度的輻射。

場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)?？傠婋x劑量主要與柵氧化區(qū)中的累積電離效應(yīng)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(dá)5 Mrad（Si）），因?yàn)樵谘趸镏袦p少了的電荷量和硅基功率?；旌霞呻娐繁?a target="_blank">數(shù)字集成電路受總電離劑量的影響更大，因?yàn)樗鼈兊臇艠O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?yàn)槌顺錾碾娮有阅芡?，它的?碳化學(xué)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(jí)，抑制了總電離劑量效應(yīng)，同時(shí)提供了柵極效率。因?yàn)榫埘啺坊牡妮p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(dá)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(dǎo)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(fù)晶體管。該過程將設(shè)備恢復(fù)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(fù)性，被輻射的FET和集成電路可以完全恢復(fù)。在100°C下退火10分鐘來恢復(fù)損壞的器件，從而導(dǎo)致閾值電壓和轉(zhuǎn)變電壓恢復(fù)到先前的值；基于硅的集成電路的修復(fù)將需要在400°C下進(jìn)行1小時(shí)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(jìn)行修復(fù)。

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(zhǔn)位移損傷和單事件效應(yīng)帶來的輻射強(qiáng)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(dá)到實(shí)際應(yīng)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(shí)保持強(qiáng)輻射耐受性。最后，這種免疫強(qiáng)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(zhǎng)的路要走。
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