γ射线辐照提升碳纳米管晶体管性能：一种面向后摩尔时代电子学的 Foundry 兼容策略

《Nature Communications》：Boosting carbon nanotube transistors through γ-ray irradiation

本文针对碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）中因碳纳米管/介电层界面有机污染物导致的栅极控制能力差和关态电流泄漏问题，提出了一种利用高能γ射线辐照的后处理策略。研究表明，该策略能有效分解有机分子，将关态电流密度降至112.2 pA μm-1，开关比达~105，同时使器件辐射耐受性提升至100 Mrad(Si)，远超传统硅基器件。这项室温、高通量、晶圆级兼容的技术为CNTFET的产业化应用及其在强辐射环境下的部署开辟了新途径。

　　

随着硅基场效应晶体管（FET）微缩带来的性能提升逐渐逼近物理极限，后摩尔时代的电子学亟需寻找新的材料与器件架构。碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）因其固有的短沟道效应免疫性和低功耗特性，被视为极具潜力的替代者。研究表明，基于半导体性碳纳米管（s-CNT）的CNTFET在电学性能和功率效率上已优于硅基FET，并且在材料处理、器件制造乃至与现有硅制造设施的兼容性方面取得了显著进展，使其处于商业化的前沿。然而，通往广泛应用的道路上仍有一个关键的“拦路虎”：碳纳米管与介电层之间不完美的界面。界面处存在的诱导带隙态会促进载流子隧穿和陷阱，导致关态电流密度（I_off）增高和亚阈值摆幅（SS）增大等不良功耗问题。这些问题很大程度上源于s-CNT分离过程和器件制造中引入的有机分子残留。因此，开发一种能够有效清除这些有机污染物、且符合晶圆厂对低热预算、高通量和均匀性要求的技术，成为推动CNTFET走向实用的迫切需求。

为了改善CNT/介电层界面质量，研究人员尝试了多种能量形式来破坏嵌入的有机材料，例如利用化学能分解聚合物、热能进行有机物氧化裂解、或者电子束能量通过电子动能打断化学键。然而，这些方法各有局限，或对特定化学键有选择性，或热预算过高，或可能改变掺杂状态，甚至可能引入新的界面态，对器件性能的改善有限甚至适得其反。一项理想的、有望成功转移至产业界的技术，至少需要满足三个关键标准：高效率（高能量、深穿透、精确可控性和稳定性）、高性能（能显著改善如I_off和SS等与界面质量相关的电学参数）以及可制造性（低热预算、高通量、晶圆级加工可扩展性和成本效益）。

发表在《Nature Communications》上的这项研究，提出并验证了一种能够同时满足这些要求的创新方案：利用γ射线辐照对CNTFET进行后处理。该技术利用源自⁶⁰Co衰变产生的高能光子（能量为1.17 MeV和1.33 MeV），其能量远高于电子束（约10 keV）和退火过程的热能（约75 meV）。通过康普顿散射等机制沉积的能量能够永久性地破坏化学键，特别是那些键解离能（BDE）较低的键。而碳纳米管凭借其纳米尺度的横截面、坚固的化学键和低背散射能力，能够耐受恶劣的γ射线环境。因此，γ射线可以有选择性地破坏有机化合物，而不损伤CNT本身。研究还通过计算表明，单个CNT段从γ射线吸收的功率远低于热退火和电子束辐照，显示出该方法的高度可控性。

研究人员通过一系列关键实验验证了其设想。首先，他们在单个超净CNT段上证实了CNT本身对高达100 Mrad(Si)总电离剂量（TID）的γ射线辐照具有免疫力，其拉曼光谱中的D峰始终可忽略不计。接着，他们对聚合物分选后的CNT薄膜进行辐照，并通过拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析发现，辐照后用于分选s-CNT的共轭聚合物PCz的特征峰显著降低，且CNT薄膜的D/G强度比随TID增加先升后降，在100 Mrad(Si)时性能改善。XPS结果进一步揭示，在低剂量（3 Mrad(Si)）下，低键解离能化学键（CB-LBDEs，如sp³、C-O）比例略有增加，而在高剂量（100 Mrad(Si)）下，高键解离能化学键（CB-HBDEs，如sp²、C=O）比例显著增加，CB-LBDEs比例则明显下降，表明高剂量γ射线辐照优先分解CB-LBDEs并促使结构重组形成CB-HBDEs。

在器件层面，研究人员制备了准全包围栅极（quasi-Gate-All-Around, quasi-GAA）结构的CNTFET。该结构通过两个垂直连接的栅极来控制纳米厚度的CNT沟道，相较于单栅结构提高了器件可靠性和栅极效率，同时制造工艺比先进GAA结构更简单。为了解决N型CNTFET的挑战，他们采用通过介电层进行静电掺杂的方法，使电子从钯（Pd）电极隧穿注入CNT沟道。制备的CNTFET在室温常压下表现出优异的性能：在2 V操作电压（V_dd）下，开态电流密度（I_on）达到9.82 μA μm^-1，亚阈值摆幅在低偏压（50 mV）和饱和偏压（2 V）下分别为102.0 mV dec^-1和173.7 mV dec^-1，优于已报道的微米级沟道长度N型网络CNTFET。

随后，他们对制备好的CNTFET进行无偏压条件下的γ射线辐照。令人惊讶的是，虽然在中低剂量（3 Mrad(Si)）下器件性能出现短暂劣化（I_off增大，SS升高），但在高剂量（100 Mrad(Si)）辐照后，性能得到显著提升：I_on增加了54.9%，I_off降低了一个数量级以上，SS也明显改善。统计分析表明，这种性能变化与材料D/G比以及CB-HBDEs/CB-LBDEs比例的变化趋势高度相关。研究者将这种现象归因于CNT带隙内的界面态变化：由相邻CB-LBDEs相关的化学掺杂相互作用产生的浅层带隙态会促进电子从源电极隧穿至CNT沟道，导致I_off增大和SS恶化；而γ射线辐照将这些CB-LBDEs转化为CB-HBDEs（常与离域π电子形成相关），减少了浅层带隙态，从而显著降低了I_off和SS。

该策略的可靠性通过对100个器件的大规模统计得到证实。辐照后，器件性能均匀性良好，V_th几乎无变化，SS平均降低41 mV dec^-1至134.9 mV dec^-1，I_off降低一个数量级至112.2 pA μm^-1，接近100 pA μm^-1的低功耗目标，开关比达到~10⁵，是饱和偏压下网络CNTFET的最高水平。此外，该技术在非硅基底（如光敏聚酰亚胺PSPI）以及更短沟道（600 nm）的器件上也表现出类似的增强效果，且性能提升是永久性的。

本研究的一个重要发现是quasi-GAA CNTFET表现出卓越的辐射耐受性，可达约100 Mrad(Si)。这使其在深空探测、核反应堆操作、放射治疗等强辐射环境应用中具有巨大潜力。传统硅基晶体管，即使是经过抗辐射加固设计的，通常也难以承受超过1 Mrad(Si)的TID。而本研究提出的quasi-GAA结构，凭借其近乎理想的静电屏蔽作用，在100 Mrad(Si)的TID下V_th波动仍可忽略不计（小于V_dd的10%），其耐受性比硅器件提高了两个数量级，也比此前报道的CNTFET提高了一个数量级。

本研究开发了一种利用γ射线辐照提升CNTFET性能的晶圆厂友好型方法。这种室温处理技术兼容4至12英寸等各种尺寸的晶圆，能满足晶圆厂对高效率、均匀性和成本效益的要求。表征结果表明，高能、低束流的γ射线不会损伤CNT的本征结构，而是诱导其周围有机物发生从低能键向高能键的转化。通过在quasi-GAA CNTFET上的验证，该策略显著改善了器件性能，特别是将I_off降至近低功耗目标水平，并大幅提升了辐射耐受性。这项工作为CNTFET的性能增强提供了一种最优的、foundry兼容的策略，拓宽了其在强辐射环境下的应用前景。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用⁶⁰Co源产生高能γ射线进行可控剂量辐照；通过化学气相沉积（CVD）生长超长碳纳米管并利用微操纵技术制备单根CNT样品；使用共轭聚合物PCz进行半导体性CNT的分选和薄膜制备；结合标准光刻、剥离技术和原子层沉积（ALD）制备准全包围栅极（quasi-GAA）CNTFET；综合运用拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等对材料和器件进行表征；使用自制LabVIEW程序进行电学性能测试和参数提取。

γ射线辐照对碳纳米管的影响

通过拉曼光谱分析，研究发现单个超净CNT即使在100 Mrad(Si)的高剂量γ射线辐照后，其D峰依然可忽略不计，证明了CNT本身具有极强的辐射耐受性。对聚合物分选的CNT薄膜进行辐照后，拉曼光谱中PC聚合物的特征峰显著减弱，且CNT薄膜的D/G强度比随辐照剂量呈现先增加后降低的趋势，在100 Mrad(Si)时性能最佳。XPS分析进一步揭示了化学键转化的微观机制：低剂量辐照时低键解离能化学键（如sp³、C-O）比例暂时增加，而高剂量辐照后高键解离能化学键（如sp²、C=O）比例显著主导，表明γ射线能促使有机物发生向更稳定结构的重组。

高性能碳纳米管晶体管

研究者成功制备了准全包围栅极（quasi-GAA）结构的CNTFET。该器件采用静电掺杂实现N型特性，在2V操作电压下获得了高达9.82 μA μm^-1的开态电流和低至102.0 mV dec^-1（低偏压）的亚阈值摆幅。截面TEM和EDS分析证实了器件结构的完整性以及辐照后的稳定性。与同类器件相比，该quasi-GAA CNTFET在开态电流和亚阈值摆幅方面均展现出优势，这归功于其优异的栅极控制效率和优化的界面质量。

γ射线辐照对碳纳米管晶体管的作用

对25个器件进行辐照测试发现，quasi-GAA结构能有效屏蔽辐照诱导的陷阱电荷，阈值电压波动极小。辐照过程中，器件的电学性能变化呈现非单调性：在3 Mrad(Si)时出现暂时性劣化，但在100 Mrad(Si)时性能显著提升，开态电流增加，关态电流和亚阈值摆幅大幅降低。性能变化与材料表征结果相关联，表明器件行为的改善主要源于沟道界面态的减少，而非接触电阻的变化。γ射线辐照将导致关态电流泄漏的低键解离能化学键转化为更稳定的高键解离能化学键，从而减少了浅层带隙态。

可靠的γ射线辐照策略

对100个器件的大规模统计结果表明，γ射线辐照后器件的性能均匀性良好。阈值电压稳定，亚阈值摆幅平均降低41 mV dec^-1，关态电流降低一个数量级至112.2 pA μm^-1，开关比达到约10⁵。该策略在非硅基底（如PSPI）和不同沟道长度（包括600 nm）的器件上同样有效，证明了其普适性和可靠性。性能提升是永久性的，因为辐照对聚合物造成了不可逆的损伤。

研究结论与讨论部分强调，本研究提出并验证了一种面向Foundry的γ射线辐照后处理策略，能够有效提升CNTFET的性能。该技术通过高能光子选择性破坏碳纳米管/介电层界面的有机污染物，改善了界面质量，显著降低了关态电流和亚阈值摆幅，同时赋予了器件极高的辐射耐受性。其室温、高通量、晶圆级兼容的特点使其非常适合产业化应用。quasi-GAA器件结构在辐照环境下展现出的卓越稳定性（V_th偏移<10% V_dd@ 100 Mrad(Si)），使其在抗辐射电子学领域具有显著优势，性能超越传统硅基器件两个数量级，也优于已报道的抗辐射CNTFET一个数量级。这项研究为解决CNTFET界面工程这一关键挑战提供了一种有效且易于产业化的方案，不仅推动了CNTFET走向实际应用，也为其在太空、核能等极端环境下的部署开辟了新的可能性。