抗辐照|美韩合作研发芯片自加热技术，能够多次修复受辐射损伤芯片

在12月初举行的国际电子器件会议上，美国航空航天局（NASA）和韩国科学技术研究所（KAIST）展示了合作研发的芯片自加热技术，能够自行恢复受辐射损伤的晶体管，保证硅芯片卫星承受空间强辐射长达20年。星际探索障碍研究人员试图研究由单个硅芯片构成的微小型航天器，这将大幅减小空间探测时间。这种芯片卫星的飞行速度将达到光速的1/5，20年内即可到达离地球最近的星系（距离4.37亿光年）——半人马座α星，比传统飞行器快百倍以上。

图 单芯片微型飞行器需要以1/5光速的速度飞行20年才能到达半人马座α星对于普通芯片，要承受太空温度变化和高能辐射等二十年仍然太久。这种空间辐射能够使芯片中的SiO2层累积正电荷，降低芯片性能。受辐射影响最严重的问题时，辐射能够提高晶体管泄露电流，妨碍晶体管正常关闭。空间辐射防范方法解决芯片免受空间辐射的方法有两个，一是最大程度的减少芯片暴露于辐射环境；另一个是增加屏蔽措施。前者将导致任务时间延长，并限制探测等活动。后者增加了飞行器的重量。Dong-Il Moon提出另一种思路，即让器件正常的暴露于辐射环境，但增加修复措施。在晶体管上增加一个额外触点，通过该触点对器件加热，实现修复。NASA研究人员称，片上加热方法已提出很多年，但直到20世纪90年代，爱尔兰国家微电子研究中心才去的巨大进展，通过片上加热恢复受辐射损伤的传感器。后来，中国台湾的Macronix公司通过热诱导的方式修复了受辐射损伤闪存。自加热技术此次研究使用了KAIST的“全栅环绕”纳米线晶体管，即采用纳米级线条作为晶体管的沟道替代鳍型沟道。晶体管的栅极完全包围沟道，通过沟道控制晶体管的开关。在栅上额外增加一个触点，一旦发生辐射损伤，能够通过该触点对栅通电，以此加热栅和沟道，最终修复辐射导致的损伤。这种自加热恢复技术能够多次修复辐射导致的损伤，KAIST已将该技术应用于微处理器、DRAM和闪存，试验表明，闪存能够恢复10000多次，DRAM能够恢复原始状态1012次，逻辑器件可能更多。这些试验结果表明，在漫长的星际任务中，可能每隔几年就对芯片断电，通过内部加热恢复其性能，然后继续工作。

图 采用自加热晶体管制造的DRAM测试芯片增加一个额外的栅极来加热不够理想，因为这需要改变芯片设计，还需建立新的晶体管库，无疑增加了成本。为解决此问题，KAIST正研究在无结型晶体管正常工作时通过电流加热沟道的能力。同时，NASA正在开发与标准电路兼容的片上嵌入式微型加热器。纳米线晶体管前景 KAIST表示，纳米线晶体管尺寸仅为几十纳米，具有很好的耐宇宙射线辐射能力，是空间应用的理想选择。如果硅晶圆代工厂能够采用“全栅环绕”器件代替如今的FinFET，那么“全栅环绕”器件有望在2020年左右产品化。降低自加热技术的成本非常关键。将该技术应用于硅芯片飞行器仍需多年的投入。