IGZO突触晶体管对高能质子辐射的耐受性

《Materials Science in Semiconductor Processing》：High-energy proton-radiation tolerance in IGZO synaptic transistors

抗辐射IGZO突触晶体管研究中，通过33MeV高能质子辐照实验发现驱动电流下降10-30%，串联电阻增加51%，但器件仍保持基本开关功能，突触电流变化量达37.7/22.8nA，共振计算状态差异显著。

　　

朴Woojin|权Ojun|李Kyungmin|Oh Seyoung|Yoo Tae Jin|李Yongsu|Kang Chang Goo|Cho Byungjin

韩国忠清北道清州市Seowon-Gu区Chungdae-ro 1号，忠清北国立大学先进材料工程系，邮编28644

摘要

宇宙射线的照射会导致电子设备的部分退化。本研究测试了裸露的铟镓锌氧化物（IGZO）突触晶体管在33 MeV高能质子辐照下的耐受性。在测试的晶体管中，高能质子辐照前后观察到了明显的差异。驱动电流减少了10–30%，表明在高能放射性辐照下，漏极到源极电流-栅极到源极电压（I_DS–V_GS）传输特性发生了退化。尽管结构受损，晶体管仍表现出合理的开关行为。为了了解辐照对接触结的影响，计算了串联电阻（R_SD），其值从361 kΩ增加到546 kΩ。通过测量增强效应和抑制效应来评估神经形态器件的性能。质子辐照前后，突触电流的可塑性变化（ΔPSC）分别为37.7 nA和22.8 nA。在测量储能计算（RC）状态下的电流值时，也观察到了明显的状态差异。

引言

将晶体管尺寸缩小到100纳米以下具有挑战性，因为存在漏电流和量子效应。传统的冯·诺依曼架构（物理上将内存和处理分开）加剧了这些挑战。对于提供超快处理和更高能效的替代架构的需求日益增加。神经形态计算架构具有很大的潜力，因为它可以模仿人类大脑的运作方式[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。突触器件是神经形态系统的基本构建模块[[8], [9], [10]]。

航空航天工业制造飞机、航天器及相关系统，要求在恶劣条件下具备强大的可靠性能。此外，该行业越来越依赖第四次工业革命技术，如人工智能、物联网和大数据分析，以从卫星、探测器和望远镜获取和分析有关宇宙的数据。因此，这一技术领域包含大量的半导体器件。

随着太空探索技术的进步，在极端环境条件下测试电气系统变得至关重要[11]。在太空中，电子设备会暴露在各种高能粒子和粒子簇中。由于高能粒子来源于太阳系，它们可能会对半导体逻辑器件中的组件造成电离和其他损伤，从而导致性能下降、故障，甚至在辐射丰富的环境中永久失效[12,13]。选择和使用抗辐射半导体材料是减轻这些风险的有效方法。

非晶态铟镓锌氧化物（IGZO）是一种具有低热预算、优异电气性能、大面积可制造性和三维集成应用扩展性的半导体。它是电子逻辑器件的非常有前途的候选材料[[14], [15], [16], [17]]。显示应用（如触摸屏或平视显示器）是航天器或飞机中的关键组件，其中IGZO薄膜晶体管（TFT）受到了广泛关注。与非晶态或多晶态材料（如金属氧化物半导体（MOS）相比，IGZO材料更能抵抗晶体变化，而细晶硅（Si）外延结构容易受到辐射损伤[[18], [19], [20], [21]]。其超宽带隙特性也有助于减轻高能宇宙射线的损伤。极薄的截面尺寸是另一个优势。

质子是最丰富的宇宙射线之一，它们几乎以光速在太空中移动。因此，我们研究了裸露的IGZO TFT在33 MeV高能质子辐照下的抗辐射性能。高能质子辐照前后观察到了明显的性能变化。从传输特性（I_DS–V_GS）来看，驱动电流减少，串联电阻（R_SD）增加。然而，即使经过质子辐照处理，晶体管仍然保持开关行为。从测量到的性能来看，晶体管表现出明显的增强效应和抑制效应，表明具有合理的突触可塑性。最后，储能计算（RC）测量结果显示，经过质子辐照的器件具有明显可区分的状态。

设备制造过程

我们制造了一种α-IGZO薄膜突触晶体管。首先对50纳米厚的二氧化硅（SiO₂/Si）基板进行了预清洗，以去除背栅和栅极介质层中的潜在污染物。然后使用射频磁控溅射技术在预清洗的基板上沉积了IGZO薄膜，所使用的IGZO靶材的组成比为In₂O₃:Ga₂O3:ZnO = 1:1:1。X射线光电子能谱（XPS）验证了沉积和刻蚀后的薄膜的原子浓度。

结果与讨论

通过X射线光电子能谱（XPS）研究了质子辐照的基本效应。图1e和f分别显示了参考IGZO和经过质子辐照的IGZO的O 1s XPS光谱。O1s的两个高斯函数成分代表不同的化学状态。较低的结合能对应于氧空位（V_O），较高的结合能与完全与相邻O^2?离子结合的Zn²⁺离子相关（M – O）。V_O峰出现在

结论

测试了裸露的IGZO TFT在33 MeV高能质子辐照下的抗辐射性能，以评估其在恶劣环境中的脆弱性。辐照后观察到性能下降。结构损伤导致电气性能退化，表现为R_C增加和I_DS减少。在神经形态器件性能评估中，质子辐照前后的ΔPSC值分别为37.7 nA和22.8 nA。尽管观察到I_DS有所减少，但

作者贡献声明

朴Woojin：撰写原始草稿、数据整理、概念构思。权Ojun：撰写原始草稿、软件开发、数据整理。李Kyungmin：撰写原始草稿、数据整理。Oh Seyoung：进行形式分析。Yoo Tae Jin：进行形式分析。李Yongsu：撰写与编辑、进行形式分析。Kang Chang Goo：撰写与编辑、提供监督。Cho Byungjin：撰写与编辑、提供监督。

新颖之处

• ●
  这是首次通过实验验证裸露的IGZO突触晶体管在33 MeV质子辐照下的神经形态功能

与以往仅限于结构或电气分析的氧化物晶体管研究不同，本研究将质子引起的接触电阻变化与突触可塑性和储能计算性能联系起来

研究结果表明，即使部分I–V特性退化，IGZO突触晶体管仍能保持多比特

资助

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部（RS-2023-00241969）和科学技术信息通信部（RS-2025-02302979）资助。此外，本研究还得到了韩国贸易、工业和能源部在区域创新集群发展计划（R&D）（P0025302）下的财政支持，该计划由韩国技术院（KIAT）监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。