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抗輻射奈米碳管電晶體現身

美國研究人員發現,採用氮氧化矽(SiON)閘極介電層的單壁式奈米碳管(single-walled carbon nanotube, SWCNT)電晶體可以抵抗劑量高達2 Mrad的伽瑪射線(gamma radiation),因此可能適合在惡劣的太空游離環境中使用。

一般的SWCNT薄膜電晶體和矽基場效電晶體都容易受到游離輻射(ionizing radiation)的影響,原因是元件中的二氧化矽閘極介電層會捕捉電洞。為克服這個問題,美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory)的Cory Cress等人研發出抗輻射(radiation-hardened)SWCNT薄膜電晶體,他們採用氮氧化矽做為閘極介電層,該材料一來捕獲的載子較少,二來傾向捕捉等量的電子與電洞,由於無淨電荷累積,因此比較不受輻射影響。

地球磁場將高能帶電粒子侷限在兩道環形輻射帶中,稱為范艾倫輻射帶(Van Allen belt)。太空船繞行地球時,會重複經過這些輻射帶並且暴露於高劑量的高能電子與質子游離輻射中。Cress表示,這些輻射的能譜與入射角度相當均勻,因此可以藉由鈷六十(Co-60)在實驗室中模擬此劑量。

伽瑪射線會迅速激發碳管的電子,然後快速鬆弛,因此不至損傷碳管。不過當受激電子的能量超過碳管的位移閥值(displacement threshold, 約為90-120 keV)時,碳原子便可能脫離晶格,造成碳管的晶格結構受損。然而實驗結果顯示,他們的元件在2 Mrad的輻射劑量下發生這些情形的機率極為微小。

大部分的多數載子電子元件暴露於輻射環境時,閘極介電層及絕緣層會捕捉電荷載子,造成元件效能下降。而他們研發的抗輻射SWCNT薄膜電晶體卻不受影響,原因是該元件是以擴散傳輸方式運作,電荷載子會因鄰近缺陷而成倍數散射,這些缺陷包含碳管晶格缺陷、碳管邊界及聲子等,都會影響電荷傳輸以及奈米碳管元件對輻射的反應。

未來SWCNT場效電晶體將具有短通道,載子在元件內將呈彈道式傳輸,因此碳管-金屬接觸間的性質在元件效能上將扮演著更重要的角色,值得更進一步的研究。該團隊未來的研究重點將放在操作於彈道傳輸區域的電晶體元件。詳見Electronics |doi:10.3390/electronics1010023。

資料來源:Lift off for nanotube transistors. NanoTechWeb [Sep 28, 2012]

譯者:莫偉呈(茂迪太陽能)
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網


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