揭示碳納米管器件和電路單粒子效應(yīng)機(jī)理

“十四五”和未來(lái)我國(guó)深空和太陽(yáng)系邊界探測(cè)等航天任務(wù)實(shí)施對(duì)宇航用集成電路在惡劣復(fù)雜的深空輻射環(huán)境下的抗輻射能力提出了嚴(yán)苛的要求，元器件的抗輻射能力成為制約深空探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。碳基信息電子器件具有高遷移率、超薄、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異的物理性能是下一代先進(jìn)半導(dǎo)體器件典型代表，也是我國(guó)自主可控發(fā)展集成電路技術(shù)的重要選擇。國(guó)內(nèi)外已有研究報(bào)道，碳基器件天然具有較強(qiáng)的抗總劑量能力，可滿足深空探測(cè)任務(wù)對(duì)芯片壽命達(dá)到數(shù)年乃至數(shù)十年的需求，其有望成為支撐國(guó)家航天基礎(chǔ)設(shè)施抗空間輻射環(huán)境高水平應(yīng)用的核心物質(zhì)基礎(chǔ)。但是針對(duì)碳基器件空間應(yīng)用面臨的單粒子輻射問(wèn)題目前尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道，嚴(yán)重制約了碳基器件在空間輻射環(huán)境中的布局應(yīng)用。因此，揭示碳基器件單粒子效應(yīng)機(jī)理和響應(yīng)特性，提高抗單粒子效應(yīng)輻射能力使之滿足航天工程技術(shù)發(fā)展需求就成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1. 近地和深空輻射環(huán)境特征

國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳睿副研究員、韓建偉研究員團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)電子學(xué)院張志勇教授課題組、中科院微電子所李博研究員課題組合作，針對(duì)碳納米管晶體管和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器單元，利用空間中心自主建立的脈沖激光模擬重離子試驗(yàn)裝置、質(zhì)子與電子加速器和集成電路試驗(yàn)與仿真平臺(tái)，在國(guó)際上首次揭示了碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管和存儲(chǔ)單元單粒子效應(yīng)損傷機(jī)理和響應(yīng)特性。相關(guān)成果以題為《Ultra-Strong Comprehensive Radiation Effect Tolerance in Carbon NanotubeElectronics》的論文，聯(lián)合發(fā)表于國(guó)際期刊《Small》（IF：15.15），空間中心博士生王璇和陳睿副研究員為共同一作和共同通訊作者。

研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管器件和電路柵區(qū)域?qū)瘟Ｗ有?yīng)敏感，且損傷機(jī)制與傳統(tǒng)體硅器件單粒子敏感體積收集輻射感生電荷不同，單粒子離化電子受電場(chǎng)作用向源極漂移形成溝道電流（約250ps脈寬的瞬態(tài)電流脈沖），空穴在柵介質(zhì)上累積導(dǎo)致柵電場(chǎng)強(qiáng)度增加是單粒子損傷的主要機(jī)制。

圖2碳納米管電子器件單粒子效應(yīng)機(jī)理

圖3碳納米管電子器件單粒子效應(yīng)響應(yīng)特征

審核編輯 ：李倩