研究人员开发新方法,可提高场效应晶体管的总电离剂量容限

使用碳纳米管作为沟道材料，并使用离子凝胶作为栅极的场效应晶体管，可承受高强度的辐射，在辐射损坏后，并且可以经过简单的工艺恢复。

无论是在月球，还是在更远的星球，探索太空都需要设计复杂的电子电路，这些电路必须能够承受高强度的太阳和宇宙辐射。高强度辐射可能会造成电子设备损坏或发生故障，而决定太空电子设备寿命的重要因素是它能承受的最大辐射量。在地球上，防辐射电子产品在核反应堆，粒子加速器和放射性排斥区这些高辐射环境中也能很好地工作。科学研究人员报告称太空集成电路可以承受更高强度的电离辐射，与硅电子产品相比，由于修复设备的“热退火”工艺，因此在其寿命期间能承受极高强度的辐射。

场效应晶体管（FET）的辐射损伤可分为三类：总电离剂量，位移损伤和单事件效应。总电离剂量主要与栅氧化区中的累积电离效应有关。例如，在缩放期间栅极氧化物变少，已改善了硅基逻辑晶体管的辐射容限（最高达5 Mrad（Si）），因为在氧化物中减少了的电荷量和硅基功率。混合集成电路比数字集成电路受总电离剂量的影响更大，因为它们的栅极氧化物较厚。器件间隔离所用的氧化层也容易受到总电离剂量的影响。高k（高介电常数）的电介质可用于提高抗辐射能力，而真空的介电层在放射线免疫的FET被使用，但性能低。

研究人员通过硬化所有易损部件，提高了FET的总电离剂量容限。他们使用碳纳米管作为通道材料，使用离子凝胶作为栅极，并使用聚酰亚胺作为衬底。碳纳米管是一种用来替换硅的辐射硬化装置，因为除了出色的电子性能外，它的碳-碳化学键和小横截面还减少了辐照引起的位移损伤。离子凝胶（一种由离子液体组成的电解质）形成双电层，用作电解质和碳纳米管之间的有效电介质。电子双层厚度为纳米级，抑制了总电离剂量效应，同时提供了栅极效率。因为聚酰亚胺基材的轻薄的特质，所以显著降低了高能粒子带来的影响。最后，FET和集成电路在66.7 rad/s 的剂量率下可承受高达15 Mrad（Si）的辐射剂量，这是栅晶体管承受辐射剂量的最高记录。

这些晶体管使用半导体碳纳米管作为沟道材料，使用印刷离子凝胶作为栅极，使用聚酰亚胺作为衬底。经过辐射后，可通过离子凝胶的低温处理或在极端情况下溶解离子凝胶来修复晶体管。该过程将设备恢复到其原始性能，从而使它们可以经受多次辐射。

此外，由于离子凝胶的可修复性，被辐射的FET和集成电路可以完全恢复。在100°C下退火10分钟来恢复损坏的器件，从而导致阈值电压和转变电压恢复到先前的值；基于硅的集成电路的修复将需要在400°C下进行1小时的热退火。在受到高辐射的条件下，被辐射的离子凝胶可溶解，并重新生成新的栅极，从而在经过多次辐射后还能进行修复。

这些电子产品可在高辐射环境中使用，不受辐射损害。但是，该技术的技术水平仍然较低，大约占NASA的技术3成左右。为了使基于电解质门控碳纳米管FET的集成电路能够完全部署，首先，必须校准位移损伤和单事件效应带来的辐射强度。然后，还需要将FET缩小至亚微米大小甚至几十纳米大小，以达到实际应用所需的性能和密度水平。研究人员建议，更轻薄的固态电解质可以被用作离子凝胶栅的替代品，以缩小器件尺寸，同时保持强辐射耐受性。最后，这种免疫强辐射的电子产品的成功取决于电解质门控电子技术的成熟，所以还有很长的路要走。
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