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，僅在半導體行業就存在著大量的潛在應用。研究人員已經成功將碳納米管用于FET開關、消費電子存儲器，以及下一代電視機的場發射顯示器中。研究人員還在嘗試在傳感器應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用。此外，人們還在努力探索在數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，從事半導體和納米技術研究的人們一直面臨著諸多挑戰。其中一大挑戰就是，無論對于當前一代半導體器件，還是對于下一代納米電子器件，對極其微小的電路單元進行電氣特征分析都是很困難的。第二大挑戰是，當功耗限制變得非常關鍵時，如何對下一代納米器件進行特征分析。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度。

       最后，對納米器件進行探測始終是一大挑戰。隨著晶體管柵極特征尺寸小于90nm以及間距大小不斷縮減，大多數探測系統的最小探測點尺寸卻仍然保持在50微米左右。這一局限性在很大程度上導致探針移動和針尖尺寸不準確。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、低功耗器件進行特征分析的測量技術，以及克服各種測量誤差的方法。

方法和技術

       消費者總是傾向于速度更快、功能更強、尺寸更小巧的電子產品。由于電子產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，當對這些元件進行電氣特征分析時，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。
當對納米器件進行電流-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，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，還是非導電材料與元件的電阻測量，低電壓測量技術都是至關重要的。對于研究人員和電子行業的測試工程師而言，這種功耗限制增大了對先進器件與材料以及新一代器件進行特征分析的挑戰。

       與常規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行測量需要特殊的技巧和技術。在進行常規I-V曲線特征分析時，通常采用兩點式電測量方法。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上的電壓。如果要測量某個器件的電阻，那么當電阻大于幾個歐姆時采用普通歐姆表進行測量引入的電阻通常不會造成問題。但是，如果要測量導電的納米材料或元件上的低電阻時，采用兩點測量法就很難獲得準確的結果。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，例如對于分子導線、半導納米線和碳納米管，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果。

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