碳纳米管集成电路综合抗辐照性能研究领域取得重要进展

2022

最新进展

随着航天事业的飞速发展，载人登月和太阳系探测等新一代宇航任务对电子器件的性能提出了更高的要求，而空间中严酷的高能粒子-宇宙射线产生的电离总剂量、单粒子以及位移损伤复合辐照环境是宇航芯片面临的主要威胁。现有研究显示，碳基电子器件具备远超传统硅基器件的抗电离总剂量辐照能力，可满足深空探测任务对芯片寿命长达数年乃至数十年的需求，但是关于碳基器件单粒子效应、位移损伤效应以及复合辐照效应等的研究未见相关报道，因此我们难以系统评估碳基器件和集成电路的综合抗辐照能力。

近日，北京大学电子学院碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学重点实验室张志勇课题组与中科院微电子所李博研究员、中科院国家空间科学中心陈睿副研究员合作，基于碳纳米管晶体管和静态随机存储器单元，利用激光辐照源测试碳基集成电路抗单粒子辐照能力，利用重离子辐照源测试碳基集成电路抗位移损伤能力，利用Co-60 伽马射线源测试碳基集成电路抗电离总剂量辐照能力，系统揭示了碳纳米管场效应晶体管中的总剂量辐照、单粒子和位移损伤三种辐照损伤机理，探索了碳纳米管电子器件综合抗辐照效应能力。实验结果显示，所构建的碳纳米管晶体管和静态随机存储器电路可承受104 MeV cm2 mg-1等效激光单粒子辐照，2.8×1013 MeV g-1的位移损伤辐照以及2 Mrad（Si）的电离总剂量辐照，其综合抗辐照能力优于硅基器件四倍以上，充分展示了碳纳米管电子器件在抗辐照领域的应用潜力。

相关成果以题为《碳纳米管电子器件超强综合抗辐照能力研究》（Ultra-Strong Comprehensive Radiation Effect Tolerance in Carbon Nanotube Electronics）的论文，于11月11日在线发表于《Small》（Small 2022, 2204537），北京大学电子学院朱马光博士后、中科院微电子所陆芃博士后和中科院国家空间科学中心博士生王璇为共同第一作者，北京大学电子学院张志勇教授、中科院微电子所李博研究员和中科院国家空间科学中心陈睿副研究员为共同通讯作者。

本工作得到了国家自然科学基金、北京市科技计划项目以及中国博士后科学基金等项目的支持，上述成果系统揭示了碳纳米管电子器件的辐照损伤机理，充分展示了碳基集成电路在抗辐照领域的巨大优势，有望用于航空航天以及深空探测等领域。

图1：碳纳米管电子器件综合辐照效应响应机理

图2：碳基集成电路激光单粒子辐照测试

图3：碳纳米管电子器件综合抗辐照能力测试

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202204537

审核编辑 ：李倩