主流集成電路技術(shù)遵循摩爾定律發(fā)展，即通過縮減硅基互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸，不斷升級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集成電路的性能和集成度的提升。此外，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(chǎng)景。近年來航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是深空探測(cè)的興起，對(duì)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)。

碳納米管（CNT）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)定性好等特點(diǎn)，是構(gòu)建新型CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路的理想半導(dǎo)體溝道材料，有望推動(dòng)未來電子學(xué)的發(fā)展。并且，由于碳納米管具有超強(qiáng)的碳-碳共價(jià)鍵、納米尺度橫截面積、低原子序數(shù)等特點(diǎn)，有望用來發(fā)展新一代超強(qiáng)抗輻照集成電路技術(shù)。但是，場(chǎng)效應(yīng)晶體管中易受高能粒子輻照損傷的部分除了半導(dǎo)體溝道，還有柵介質(zhì)層和基底，目前已報(bào)導(dǎo)的碳納米管抗輻照器件研究工作尚未對(duì)溝道以外的易受損區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，因此未將碳納米管的超強(qiáng)抗輻照潛力真正發(fā)揮出來。

北京大學(xué)電子學(xué)系碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張志勇-彭練矛課題組與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米與仿生技術(shù)研究所趙建文課題組合作，系統(tǒng)地對(duì)碳納米管晶體管進(jìn)行抗輻照加強(qiáng)設(shè)計(jì)，制備了對(duì)輻照損傷幾近免疫的碳納米管晶體管和集成電路。聯(lián)合課題組針對(duì)場(chǎng)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)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管（見圖1）。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)（見圖2），極大增強(qiáng)了晶體管的抗輻照能力。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(chǎng)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(duì)高能輻照免疫的碳納米管晶體管和集成電路。

圖1. 離子膠碳納米管抗輻照晶體管

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

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)

該項(xiàng)工作展示了碳納米管器件和集成電路在抗輻照領(lǐng)域應(yīng)用的前景，為推進(jìn)碳基抗輻照芯片的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以《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，于2020年8月24日在線發(fā)表于《自然 電子學(xué)》（Nature Electronics）。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2015級(jí)博士研究生朱馬光與電子學(xué)系2019級(jí)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(guó)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。

上述研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、北京市科技計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等資助。