【未來可測】系列之一： 碳基芯片將成未來主流，半導(dǎo)體材料及電子器件測試是研究基礎(chǔ)

碳基半導(dǎo)體材料，是在碳基納米材料的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。所謂的納米材料，是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料，包括：零維材料 – 量子點、納米粉末、納米顆粒；一維材料 – 納米線或納米管；二維材料 – 納米薄膜，石墨烯；三維材料 - ?納米固體材料。按組成分，納米材料又可以分為金屬納米材料、半導(dǎo)體納米材料、有機(jī)高分子納米材料及復(fù)合納米材料。

由于納米材料某一維度達(dá)到納米尺寸，其特性將表現(xiàn)出異于宏觀尺寸的材料，這些特性包括：表面與界面效應(yīng) - 熔點降低，比熱增大；小尺寸效應(yīng) - 導(dǎo)體變得不能導(dǎo)電，絕緣體卻開始導(dǎo)電，以及超硬特性；量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料的理化性能包括：高強(qiáng)度、高韌性；高比熱和熱膨脹系數(shù)；異常電導(dǎo)率和擴(kuò)散率；高磁化率?；谝陨咸匦?，納米材料已被廣泛用于多個領(lǐng)域。

我們更關(guān)注的是半導(dǎo)體納米材料，因為它是構(gòu)建碳基電子器件的重要原料。

所謂碳基電子器件，是指用碳納米半導(dǎo)體材料材料（三維體材料金剛石、二維材料石墨烯和一維材料碳納米管）為溝道的電子器件 - 金剛石主要用于超寬禁帶半導(dǎo)體器件；碳納米管可以用來制作碳納米管場發(fā)射器、碳納米管 CNFET、單電子晶體管、碳納米管傳感器、碳納米管存儲器、碳納米管開關(guān)等；石墨烯可以用來制作零帶隙、頂柵石墨烯場效應(yīng)管、雙層石墨烯晶體管、雙極超導(dǎo)石墨烯晶體管、石墨烯納米帶場效應(yīng)管等。

碳基電子芯片是由CNT構(gòu)建的集成電路，之所以用半導(dǎo)體碳納米管來制作碳基芯片，是因為科學(xué)家們對各種半導(dǎo)體納米材料測試后甄選出的最優(yōu)方案。碳基芯片被認(rèn)為是后摩爾時代的新曙光，這主要是因為碳納米管的極限尺寸和當(dāng)前的硅基材料大致相同，制作工藝改變不大。此外，碳基芯片比硅基芯片具有更優(yōu)的性能和更低的功耗以及更高的工作頻率(電子遷移率 100000 cm２／V.S vs 1000cm２／V.S，頻率100GHz Vs 10GHz）。

我國在碳基芯片研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，北京大學(xué)彭練矛院士課題組一直站在碳基芯片領(lǐng)域的前沿。盡管碳基芯片目前與傳統(tǒng)硅基芯片相比還有明顯差距（1.4萬晶體管 vs 億級集成度），但彭院士認(rèn)為15年后碳芯片技術(shù)有望成為主流芯片技術(shù)，我國將在芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車。

碳基半導(dǎo)體材料及電子器件測試

碳基半導(dǎo)體納米材料測試的目的在于篩選材料及材料的分子結(jié)構(gòu)改良，特別是對碳基芯片，由于在制備碳納米管時，卷曲直徑和角度的細(xì)微差別，都會影響到碳納米管的導(dǎo)電性，即有可能得到金屬特性的成品，而得到整齊劃一的具有半導(dǎo)體特性的碳納米管，是碳基芯片研究的首要條件。

對一維材料，以I-V 特性測試為主。由于納米材料尺寸極小，因此其所能承受的測試電流超?。ㄟ_(dá) fA 級），測試電壓超低（達(dá) nV 級），并且極易因為測試造成的自熱而燒毀被測材料，因此必須選擇與被測納米材料性能相適應(yīng)的，具有脈沖特性的測試儀器。

對二維材料及石墨烯，電阻率、載流子濃度、載流子遷移率測試是重要的測試項目，需要用四探針及范德堡法進(jìn)行測試。

對碳基電子器件及碳基芯片，主要測試 I-V 特性，通過改變碳納米管的數(shù)量、位置和器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行測試對比，選擇最優(yōu)的方案。

碳基半導(dǎo)體材料及電子器件測試方案

碳基半導(dǎo)體材料及電子器件種類多，電性能各不相同，需選擇最佳匹配的 SMU 進(jìn)行測試。4200半導(dǎo)體參數(shù)測試儀可以覆蓋全部應(yīng)用，具體測試方案詳如下。