突破材料極限！石墨烯半導體加速AI與數據中心算力升級

隨著AI計算、大數據、高速互聯和5G/6G通信的快速發展，半導體行業正迎來一場材料革命。硅基芯片在制程縮小至2nm之后，已逼近物理極限，短溝道效應、功耗問題以及制造成本的上升，正限制著傳統半導體材料的進一步發展。

2024年初，天津大學聯合佐治亞理工學院成功研制出全球首個功能性石墨烯半導體，實現了從零帶隙到可調帶隙的重大突破。這一成果意味著，石墨烯有望成為新一代半導體材料，推動未來芯片性能提升。

為什么行業對石墨烯寄予厚望？

■ 硅的極限：當前半導體器件的微縮化已經進入原子尺度，傳統硅材料在功耗、遷移率等方面逐漸遇到瓶頸。

■ 新材料的必要性：尋找高遷移率、低功耗的新型半導體材料，成為推動未來計算發展的關鍵。

■ 石墨烯的潛力：超高電子遷移率、極薄的二維結構、卓越的導熱能力，使其成為最具競爭力的候選材料之一。

但另一方面，石墨烯半導體真的能夠取代硅嗎？它的產業化之路是否可行？如何準確測試其性能，推動量產？

高精度測試技術，將成為石墨烯材料能否真正商用的決定性因素。

二維材料與石墨烯：從理論到技術落地的關鍵一步

1 什么是二維材料？

二維材料（2D Materials），指的是電子僅能在兩個維度自由運動的超薄材料，厚度通常在1-100nm之間，具備獨特的電子、光學和熱學特性。

常見的二維材料包括：

?  石墨烯（Graphene）：超高遷移率，零帶隙。

?  過渡金屬硫族化合物（TMDs）：MoS?、WS?，適用于下一代場效應晶體管（FET）。

?  黑磷（Black Phosphorus）：帶隙可調，適用于光電探測器。

?  六方氮化硼（h-BN）：絕緣材料，常用于二維材料的襯底層。

2 石墨烯的獨特優勢

石墨烯是首個被發現的二維材料，被認為是最具潛力的半導體替代材料。

?  超高電子遷移率（5500 cm2/V·s），遠超硅（1400 cm2/V·s），適用于高速計算芯片。

?  優異的導熱能力（5300 W/m·K），比硅高 10 倍，有助于解決高性能計算（HPC）和 AI 訓練的散熱問題。

?  極薄的二維結構，可以突破短溝道效應，推動晶體管的微縮化。

?  柔性和透明性，可應用于可穿戴設備、透明顯示屏。

但新的問題出現了：如何精準測試這些特性，確保石墨烯材料的可行性？

石墨烯電學特性測試的挑戰

盡管石墨烯在半導體行業展現出巨大潛力，但要真正實現產業化，其電學性能的精準測量是關鍵。由于石墨烯具有超高遷移率、極低電阻、高敏感性等特性，對測試技術提出了全新挑戰：

1 超低電阻測試

石墨烯的電阻通常遠低于常規半導體材料，在實驗室條件下甚至可達nΩ級。常規測試方法難以準確測量如此低的阻值，需要采用：

■ 四探針法：消除接觸電阻影響，提高測量精度。

■ 范德堡法（Van der Pauw）：適用于非規則形狀樣品，測量電阻率。

2 霍爾效應測試

石墨烯的高載流子遷移率使其霍爾效應尤為明顯，研究其電荷傳輸特性對于理解材料的基本電學特性至關重要。霍爾效應測試通常需要：

■ 低噪聲、高精度測量設備，確保霍爾電壓的準確性。

■ 極低溫（mK級）或高磁場（16T以上）環境，觀察量子霍爾效應。

3 低溫輸運與量子特性測試

在超低溫環境下，石墨烯會表現出量子霍爾效應、Shubnikov-de Haas振蕩等奇異物理現象，這需要：

■ 超低噪聲納伏計：測量極小信號。

■ 高磁場環境（如PPMS系統），確保磁輸運實驗的準確性。

4 可靠性測試

■ 高溫老化測試（HTOL）：評估石墨烯MOSFET在長期工作狀態下的性能衰減。

■ 濕度&氧化耐受性測試：石墨烯易氧化，影響其電學特性。

Tektronix專業測試方案：助力石墨烯材料從實驗室到產業化

面對石墨烯半導體測試的種種挑戰，Tektronix提供了一整套完整的測試方案，涵蓋電學表征、IV-CV測試、界面缺陷分析及可靠性評估，助力研究人員加速材料開發和產業落地。

IV-CV測試方案

IV-CV測試是評估石墨烯MOSFET電學特性的核心手段。Tektronix提供：

■ 4200A-SCS 半導體參數分析儀：支持fA級超低電流測量，適用于石墨烯器件的精確IV測試。

■ Keithley 4210-CVU：提供1kHz-10MHz CV測試，分析石墨烯MOSFET的柵極氧化層和短溝道效應。

量子霍爾效應測試

為測量超高遷移率的石墨烯器件，Tektronix采用：

■  Keithley 2182A納伏計+6221精密電流源，支持納伏級電壓測量，適用于QHE研究。

■ 低溫探針臺+4200A-SCS結合PPMS（物理特性測量系統），實現低溫霍爾測量。

可靠性&高溫老化測試

■ Keithley S530參數測試系統，支持HTOL（高溫運行壽命）測試，模擬長期運行環境，評估石墨烯器件的耐久性。

■ Tektronix高速示波器+矢量網絡分析儀（VNA），評估高頻GFET傳輸特性，適用于5G/6G通信芯片。

未來展望：石墨烯能否重塑半導體產業？

盡管石墨烯在實驗室條件下展現了極高的潛力，但產業化仍需克服材料制備、帶隙調控、CMOS兼容性等難題。不過，AI、大數據、HPC、6G通信等前沿技術，正在推動新材料半導體的快速發展，泰克將繼續助力石墨烯器件的研發、優化及量產，加速未來計算的革新進程！