通过γ射线照射提升碳纳米管晶体管性能

为微小电子设备清理出更好的未来

现代生活依赖于越来越小、越来越快的计算芯片，但传统硅技术正面临严格的极限。本研究探索了来自核物理学的一种非常规助力——高能伽马射线，作为清洁并提升下一代碳纳米管晶体管的一种手段。通过对已完成的器件进行适度照射，作者表明可以减少浪费的漏电流、改善开关特性，并制造出能承受远超硅器件的辐射水平的电子器件。

为什么碳纳米管需要“整修”

碳纳米管晶体管被广泛视为在硅晶体管微缩遇阻后接替的有力候选者。它们开关更快、功耗更低，并且已有与商业芯片厂工艺兼容的制造方法。但存在一个隐蔽问题：在纳米管分离和器件制造过程中残留的有机分子会附着在纳米管与用于控制它们的绝缘层之间的界面处。这些分子残留在能隙中形成不期望的电子“跳板”，使得电荷在器件应当断开时仍能溜过，从而导致漏电并使得开关从关到开变得不够锋利。现有的清洁方法——化学处理、高温退火或聚焦电子束——要么效果不足、要么有损纳米管、要么速度慢且成本高，难以满足工业应用。

把伽马射线变成精密清洁工具

研究人员提出了一个反直觉的解决方案：使用由镍‑60（注：原文为钴‑60）源发出的高强度伽马射线，有选择性地打断包围有机分子中的弱化学键，同时基本不损伤结构稳固的碳纳米管。伽马射线携带的能量远高于显微镜中使用的电子或退火炉里的温和热量，并且能一次穿透整片晶圆。精确测量显示，完好纳米管在高达100 megarad（兆拉德）的累积剂量下仍保持有序结构，而用于分离纳米管的聚合物特征信号大幅减弱。光谱学结果表明，与无序、低能量构型相关的键被转化为更强、更石墨化的键，这与有机污染物被分解并重组而不是纳米管晶格受损的结论一致。

制造并照射先进晶体管结构

为了将这种微观化学变化与实际器件表现联系起来，团队在完整的四英寸晶圆上，采用标准的芯片制造工艺，制作了所谓的准环绕栅（quasi gate‑all‑around）碳纳米管晶体管。在该布局中，一层非常薄的纳米管网络被夹在上、下两个栅电极之间，较单栅提供更好的电控制，同时制造难度又低于最先进的三维硅结构。即便在照射前，这些N型器件在适度电压下已表现出强劲的导通电流和有竞争力的开关锐度。随后作者在不施加电偏置的情况下，按递增剂量将多枚此类晶体管暴露于伽马射线，并周期性地测量其行为变化。虽然适度剂量会导致短暂的退化——漏电略增和开关变钝——但当剂量推进至100 megarad时，趋势逆转，器件表现出更高的导通电流、约一个数量级更低的关态漏电以及明显改善的亚阈值摆幅，这是衡量器件开关决定性的重要指标。

工厂规模与恶劣环境下的稳定性能

对实际应用而言重要的是，这些益处并非局限于少数幸运器件。在硅晶圆上的一百个晶体管，以及在聚合物柔性基底和不同通道布局上制造的额外样本中，伽马射线处理一致地缩小了器件间差异，同时降低了漏电并提升了开关锐度。阈值电压——器件导通的点——几乎没有漂移，即使在最高测试剂量下仍保持在供电电压的大约10%范围内。这一点与传统硅晶体管形成鲜明对比：即便经过特殊硬化，硅器件通常在大约1 megarad时失效。准环绕栅的纳米管设计，加上碳纳米管本身的固有耐辐射性，经受住了百倍于总电离辐射的考验而不失控。由于伽马射线源可以在室温下一次性照射多片晶圆，作者估算单个装置每月可处理数千片12英寸晶圆，满足工业对产量与成本的需求。

这对日常科技意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：作者们将一种强大且潜在具破坏性的辐射形式转变为一种微调的清洁工具，用于未来的计算芯片。通过扫除包围碳纳米管的有害分子杂质，他们降低了晶体管关断时的不期望“泄漏”，并使开关更为锐利——这两点对低功耗且可靠的电子设备至关重要。与此同时，这些器件表现出极高的耐辐射性，使其在航天器、核设施和医学成像系统等普通芯片迅速退化的场景下极具吸引力。简言之，伽马射线处理提供了一个实用、工厂友好的步骤，将碳纳米管晶体管推进得更接近日常应用，从更快的手机与数据中心到能在当今硅无法胜任环境中工作的电子设备。

引用: Zhang, K., Gao, N., Zhang, J. et al. Boosting carbon nanotube transistors through γ-ray irradiation. Nat Commun 17, 1896 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68673-0

关键词: 碳纳米管晶体管, 伽马射线处理, 耐辐射电子器件, 低功耗芯片, 后摩尔半导体技术