防辐射和可修复芯片制造耐用的电子产品

为了在室外环境中安全可靠地运行，电子设备应该能够抵抗各种外部因素，包括辐射。事实上，高能辐射会损坏通常用于制造电子器件的场效应晶体管(FETs)的几个组件，包括超导通道、栅氧化物和周围的绝缘材料(如隔离材料或基板氧化物)。

因此，多年来，世界各地的研究团队一直在尝试设计可以使晶体管更耐辐射的策略。然而，到目前为止，这已被证明是极具挑战性的，并且过去仅提出了几种技术，取得了可喜的成果。

北京大学，中国科学院和上海理工大学的研究人员最近基于带有离子凝胶门的碳纳米管晶体管制造了一种辐射硬化且可修复的集成电路（IC）。该IC首先发表在《自然电子》上发表的论文中，可用于制造对高能辐射更具抵抗力的新电子设备。

进行这项研究的研究人员之一张志勇对TechXplore表示：“我们的工作旨在实现一种抗辐射的IC。” “除了通用芯片，由于太空探索和核能工业的快速发展，对辐射硬化的电子设备和集成电路的要求也在迅速增长。”

先前提出的使电子产品更耐辐射的策略被设计为仅硬化电子部件的单个组件。结果，很难用它们来制造完全抵抗超高辐射的晶体管和IC。

Zhang及其同事在论文中介绍了一种新策略，该策略可以实现完全不受辐射相关损害的晶体管和IC。他们设计的方法实质上需要重新设计FET的所有易损部件，并使用对辐射具有更高抵抗力的新材料。此外，研究人员介绍了一种通过称为退火的热处理工艺恢复FET的方法，该工艺在中等温度下进行。

张说：“基于这种FET制成的IC具有高达15 Mrad的高辐射耐受性，远高于Si晶体管（1 Mrad）的辐射耐受性。”

“高耐辐射性和热恢复性的结合为开发抗辐射损伤免疫集成电路新技术铺平了道路。”

辐射硬化型IC具有半导体碳纳米管晶体管（CNT）作为沟道，离子凝胶作为栅极和由聚酰亚胺制成的基板。CNT由于其强大的CC键，纳米级横截面和低原子序数，因此本质上是抗辐射的半导体。因此，在他们的研究中，研究人员主要集中于尝试使他们的IC的栅极绝缘体和衬底更耐辐射。

“在设计我们的抗辐射集成电路时，我们从经典科幻电影《终结者2》中的液态金属机器人T-1000中汲取了灵感。”张说。“我们使用了准液体栅极绝缘体-离子凝胶和'透明'衬底。离子凝胶栅极促进了CNT通道表面EDL的形成，从而提供了更高的栅极效率，并允许栅极在之后恢复同时，通过用薄的聚酰亚胺衬底代替常规FET的Si / SiO 2衬底，我们消除了高能粒子在厚而厚的衬底中散射和反射所造成的影响。”

除了开发对辐射具有较高耐受性的IC（远远高于传统的基于硅的晶体管）之外，Zhang和他的同事还介绍了一种可用于恢复受辐射损坏的FET的方法。更具体地说，他们发现可以通过在100°C的中等温度下将其退火10分钟来修复受到辐射损坏的FET。

将来，由这组研究人员设计的制造高能抗辐射晶体管和IC的方法可以使耐用，更耐用的电子设备的开发成为可能，这些电子设备可以在不常见且可能存在问题的环境中运行。例如，他们开发的IC可用于创建可发送到核能工业的太空或设备中的电子产品。

张补充说：“这项工作中展示的晶体管和集成电路只是原型。”

“我们现在将尝试通过缩放CNT FET并优化结构和工艺来提高IC的性能和集成密度。实际上，这种经过辐射硬化的IC仅在其性能和密度达到一定阈值时才具有实用价值。 ”