近日，北京航空航天大学赵巍胜/林晓阳课题组联合北京大学彭练矛/许海涛课题组，在碳纳米管晶体管（CNTFET）领域取得重要进展。研究团队发现了伽马射线辐照诱导的CNTFET器件性能提升现象。相关成果以《Boosting carbon nanotube transistors through γ-ray irradiation》为题，发表于《Nature Communications》期刊。
图1 器件结构及CNT材料的辐照性能
随着硅基晶体管逐渐逼近物理极限，CNTFET凭借其卓越的短沟道免疫性和高速低功耗特性，成为后摩尔时代的重要候选技术。尽管CNTFET已在材料提纯、器件制备和系统集成方面取得长足进展，甚至初步具备与现有硅基产线兼容的能力，但基于共轭聚合物提纯的碳纳米管（CNT）材料与介电层之间的界面质量始终是制约性能提升的关键瓶颈。残留的有机分子会导致界面态密度增加，亚阈值摆幅退化，并诱导出带隙态，辅助载流子隧穿，增大关态电流，影响器件的功耗表现。
图2 CNTFET的电学性能随辐照剂量的变化
针对这一难题，研究团队提出了一种全新的解决方案：利用高能伽马射线辐照，选择性分解和重塑碳纳米管表面残留的有机分子，可显著改善界面质量。研究表明，伽马射线辐照几乎不损伤CNT本身，而会促使有机分子中的低键能化学键（如sp3和C–O）向高键能化学键（如sp2和C=O）转化，减少了界面处的浅能级缺陷态，从而有效抑制了关态泄漏电流和亚阈值摆幅的退化。通过这一方法，器件工作电压下的关态电流密度降低至112.2 pA/μm，接近100 pA/μm的低功耗目标，开关比达到约105，处于网络状CNTFET的最佳水平。伽马射线处理不仅在室温下进行，且具备高通量、低成本、兼容大尺寸晶圆等优势，具备良好的工业化前景。
研究团队还设计了一种准环栅结构的CNTFET，该结构通过上下双栅共同调控，提升了栅控效率和器件抗辐照特性。实验显示，即使在高达100 Mrad(Si)的总剂量辐照下，器件的阈值电压变化仍控制在10%以内，展现了远超传统硅基器件（< 1 Mrad(Si)）的抗辐射能力。
图3 统计性分析
该研究为CNTFET的后处理提供了一种高效、可扩展的工业化路径，也为其在深空探测、核能应用等强辐射环境中的部署应用奠定了技术基础，标志着碳纳米管晶体管向实际应用迈出关键一步。
Science & Technology
该项工作由北航集成电路科学与工程学院、国际创新学院（杭州北航国际创新研究院）、自旋芯片与技术全国重点实验室，北京大学电子学院与碳基电子学研究中心、北京元芯碳基集成电路研究院、山西北大碳基薄膜电子研究院，北京计算科学研究中心，清华大学物理系、低维量子物理全国重点实验室等单位合作完成。北航师资博士后张科，北京元芯碳基集成电路研究院工程师高宁飞为论文的共同第一作者；北航林晓阳教授、北京元芯碳基集成电路研究院许海涛教授、北京大学彭练矛教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后特别资助等项目的支持。
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