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科学|中国发明抗辐射和可修复集成电路 可用于芯片制造



科学|中国发明抗辐射和可修复集成电路 可用于芯片制造
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北京大学纳米光电子学前沿科学中心张志勇教授
为了在室外环境中安全、可靠地工作 ， 电子设备应能抵抗包括辐射在内的各种外部因素 。 事实上 ， 高能辐射会损坏常用于制造电子器件的场效应晶体管的几个部件 ， 包括超导通道、栅极氧化物及其周围的绝缘材料 ， 如隔离或衬底氧化物 。
因此 ， 全世界的研究团队一直在尝试设计能够使晶体管更耐辐射的方法 。 然而 ， 到目前为止 ， 事实证明这是一项极具挑战性的工作 ， 过去提出的技术中只有少数几个取得了可喜的成果 。
北京大学、中国科学院和上海理工大学的研究人员最近制造出了一种基于碳纳米管晶体管与离子凝胶栅极的辐射硬化和可修复的集成电路 ， 可用于制造更耐高能辐射的新型电子器件 。
研究人员之一 ， 北京大学纳米光电子学前沿科学中心张志勇（Zhiyong Zhang）教授表示："我们的研究旨在实现一种辐射免疫集成电路 。 除了通用芯片外 ， 由于太空探索和核能产业的快速发展 ， 对辐射硬化电气设备和集成电路的要求也在快速增长 。 "
此前提出的大多数使电子器件更具抗辐射能力的策略 ， 都是为了仅对电子部件的单个元件进行硬化 。 因此 ， 用它们来制造完全抗超高辐射的晶体管和集成电路是很困难的 。

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辐射免疫场效应管
张志勇教授和他的同事提出了一种新的策略 ， 可以实现完全不受辐射相关损伤的晶体管和集成电路 。 他们设计的方法基本上需要重新设计FET场效应管的所有脆弱部分 ， 并使用抗辐射能力更强的新材料 。 此外 ， 研究人员还引入了一种通过被称为"退火"的热处理过程来恢复场效应管的方法 ， 他们在适度的温度下进行了这种处理 。
张志勇教授说："基于这种类型的场效应管制造的集成电路呈现出高达15 Mrad的高辐射耐受性 ， 远高于Si晶体管的辐射耐受性(1 Mrad) 。 高辐射耐受性和热恢复性的结合 ， 为辐射损伤免疫IC新技术的发展铺平了道路 。 "
辐射硬化集成电路以半导体碳纳米管晶体管(CNT)为通道 ， 以离子凝胶为栅极 ， 以聚酰亚胺为基底 。 由于半导体碳纳米管晶体管具有很强的C-C键、纳米级的横截面和较低的原子数 ， 是一种本质上抗辐射的半导体 。 因此 ，， 研究人员主要集中在试图使他们的集成电路的栅极绝缘体和衬底更耐辐射 。
张志勇教授说："在设计我们的辐射免疫集成电路时 ， 我们从经典科幻电影《终结者2》中的液态金属机器人T-1000中获得了灵感 。 我们使用了一种准液态栅极绝缘体 ， 离子凝胶和'透明'基板 。 离子凝胶栅极可以促进半导体碳纳米管晶体管通道表面EDL的形成 ， 从而提供更高的栅极效率 ， 并使栅极在遭受辐射损伤后可以恢复 。 同时 ， 通过将传统场效应管的Si/SiO2衬底换成薄的聚酰亚胺衬底 ， 我们消除了高能粒子在厚重的衬底中被散射和反射所产生的影响 。 "

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通过适度温度退火修复离子凝胶CNT FET和CMOS类逆变器的辐射损伤
除了开发出一种对辐射具有高耐受性的集成电路 ， 中国科学家们还发明了一种可用于恢复被辐射损坏的场效应管的方法 。 具体来说 ， 他们发现辐射损坏的场效应管可以通过在100℃的适度温度下退火10分钟来修复 。
在未来 ， 该研究团队设计的高能抗辐射晶体管和集成电路的制造方法可以使开发耐用和更坚固的电子产品成为可能 ， 可以在不寻常和可能有问题的环境中工作 。 例如 ， 他们开发的集成电路可用于制造可送入太空的电子产品或核能工业的设备 。
张志勇教授表示："这项研究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扩大半导体碳纳米管晶体管FET的规模 ， 优化结构和工艺来提高集成电路的性能和集成密度 。 事实上 ， 这种辐射硬化集成电路只有在性能和密度达到一定阈值的情况下才有实用价值 。 "
【科学|中国发明抗辐射和可修复集成电路 可用于芯片制造】《自然电子学》发表了这篇论文 。


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