碳納米管和低功耗納米器件電氣特征分析的技巧

       目前看來(lái)，碳納米管的潛在用途是無(wú)窮無(wú)盡的，僅在半導(dǎo)體行業(yè)就存在著大量的潛在應(yīng)用。研究人員已經(jīng)成功將碳納米管用于FET開(kāi)關(guān)、消費(fèi)電子存儲(chǔ)器，以及下一代電視機(jī)的場(chǎng)發(fā)射顯示器中。研究人員還在嘗試在傳感器應(yīng)用中利用碳納米管來(lái)探測(cè)分子顆粒，支持某些國(guó)家安全類的應(yīng)用。此外，人們還在努力探索在數(shù)字邏輯中使用碳納米管。

       對(duì)于碳納米管和其它一些低功耗納米器件，從事半導(dǎo)體和納米技術(shù)研究的人們一直面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中一大挑戰(zhàn)就是，無(wú)論對(duì)于當(dāng)前一代半導(dǎo)體器件，還是對(duì)于下一代納米電子器件，對(duì)極其微小的電路單元進(jìn)行電氣特征分析都是很困難的。第二大挑戰(zhàn)是，當(dāng)功耗限制變得非常關(guān)鍵時(shí)，如何對(duì)下一代納米器件進(jìn)行特征分析。隨著器件和元件的特征尺寸縮小到納米級(jí)，研究人員不得不限制用于特征分析的電信號(hào)強(qiáng)度。

       最后，對(duì)納米器件進(jìn)行探測(cè)始終是一大挑戰(zhàn)。隨著晶體管柵極特征尺寸小于90nm以及間距大小不斷縮減，大多數(shù)探測(cè)系統(tǒng)的最小探測(cè)點(diǎn)尺寸卻仍然保持在50微米左右。這一局限性在很大程度上導(dǎo)致探針移動(dòng)和針尖尺寸不準(zhǔn)確。必須采用具有納米級(jí)移動(dòng)精度并且電流測(cè)量精度高于1pA的新探測(cè)工具（如圖1所示）才能解決這個(gè)問(wèn)題。

       本文將著重介紹對(duì)碳納米管、低功耗器件進(jìn)行特征分析的測(cè)量技術(shù)，以及克服各種測(cè)量誤差的方法。

方法和技術(shù)

       消費(fèi)者總是傾向于速度更快、功能更強(qiáng)、尺寸更小巧的電子產(chǎn)品。由于電子產(chǎn)品的尺寸必須做得較小，因此其中元件的功耗也是受限的。這樣一來(lái)，當(dāng)對(duì)這些元件進(jìn)行電氣特征分析時(shí)，必須采用較弱的測(cè)試信號(hào)，防止將元件擊穿或者造成其他損壞。
當(dāng)對(duì)納米器件進(jìn)行電流-電壓（I-V）特征分析時(shí)，由于必須采用很小的電流控制功耗或者減小焦耳熱效應(yīng)，因此必須要測(cè)量很小的電壓。所以，無(wú)論對(duì)于器件I-V特征分析，還是非導(dǎo)電材料與元件的電阻測(cè)量，低電壓測(cè)量技術(shù)都是至關(guān)重要的。對(duì)于研究人員和電子行業(yè)的測(cè)試工程師而言，這種功耗限制增大了對(duì)先進(jìn)器件與材料以及新一代器件進(jìn)行特征分析的挑戰(zhàn)。

       與常規(guī)尺寸和微米級(jí)元件與材料的I-V曲線生成不同的是，對(duì)碳納米管和納米器件進(jìn)行測(cè)量需要特殊的技巧和技術(shù)。在進(jìn)行常規(guī)I-V曲線特征分析時(shí)，通常采用兩點(diǎn)式電測(cè)量方法。這種方法的問(wèn)題是，所測(cè)得的電壓不僅包含待測(cè)器件上的電壓，還包
含測(cè)試引線和接觸點(diǎn)上的電壓。如果要測(cè)量某個(gè)器件的電阻，那么當(dāng)電阻大于幾個(gè)歐姆時(shí)采用普通歐姆表進(jìn)行測(cè)量引入的電阻通常不會(huì)造成問(wèn)題。但是，如果要測(cè)量導(dǎo)電的納米材料或元件上的低電阻時(shí)，采用兩點(diǎn)測(cè)量法就很難獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。如果I-V特征分析或者電阻測(cè)量中涉及低電壓或者低電阻，例如對(duì)于分子導(dǎo)線、半導(dǎo)納米線和碳納米管，那么最好采用基于探針臺(tái)的四線（即開(kāi)爾文）測(cè)量法，可以得到更精確的結(jié)果。

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