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，碳納米管的潛在用途是無窮無盡的，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開關(guān)、消費(fèi)電子存儲器，以及下一代電視機(jī)的場發(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探測分子顆粒，支持某些國家安全類的應(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，無論對于當(dāng)前一代半導(dǎo)體器件，還是對于下一代納米電子器件，對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，如何對下一代納米器件進(jìn)行特征分析。隨著器件和元件的特征尺寸縮小到納米級，研究人員不得不限制用于特征分析的電信號強(qiáng)度。

       最后，對納米器件進(jìn)行探測始終是一大挑戰(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)探測系統(tǒng)的最小探測點(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)致探針移動和針尖尺寸不準(zhǔn)確。必須采用具有納米級移動精度并且電流測量精度高于1pA的新探測工具（如圖1所示）才能解決這個問題。

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

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，當(dāng)對這些元件進(jìn)行電氣特征分析時，必須采用較弱的測試信號，防止將元件擊穿或者造成其他損壞。
當(dāng)對納米器件進(jìn)行電流-電壓（I-V）特征分析時，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)，因此必須要測量很小的電壓。所以，無論對于器件I-V特征分析，還是非導(dǎo)電材料與元件的電阻測量，低電壓測量技術(shù)都是至關(guān)重要的。對于研究人員和電子行業(yè)的測試工程師而言，這種功耗限制增大了對先進(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)尺寸和微米級元件與材料的I-V曲線生成不同的是，對碳納米管和納米器件進(jìn)行測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，通常采用兩點(diǎn)式電測量方法。這種方法的問題是，所測得的電壓不僅包含待測器件上的電壓，還包
含測試引線和接觸點(diǎn)上的電壓。如果要測量某個器件的電阻，那么當(dāng)電阻大于幾個歐姆時采用普通歐姆表進(jìn)行測量引入的電阻通常不會造成問題。但是，如果要測量導(dǎo)電的納米材料或元件上的低電阻時，采用兩點(diǎn)測量法就很難獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。如果I-V特征分析或者電阻測量中涉及低電壓或者低電阻，例如對于分子導(dǎo)線、半導(dǎo)納米線和碳納米管，那么最好采用基于探針臺的四線（即開爾文）測量法，可以得到更精確的結(jié)果。

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