碳纳米管和低功耗纳米器件电气特征分析的技巧

       目前看来，碳纳米管的潜在用途是无穷无尽的，仅在半导体行业就存在着大量的潜在应用。研究人员已经成功将碳纳米管用于FET开关、消费电子存储器，以及下一代电视机的场发射显示器中。研究人员还在尝试在传感器应用中利用碳纳米管来探测分子颗粒，支持某些国家安全类的应用。此外，人们还在努力探索在数字逻辑中使用碳纳米管。

       对于碳纳米管和其它一些低功耗纳米器件，从事半导体和纳米技术研究的人们一直面临着诸多挑战。其中一大挑战就是，无论对于当前一代半导体器件，还是对于下一代纳米电子器件，对极其微小的电路单元进行电气特征分析都是很困难的。第二大挑战是，当功耗限制变得非常关键时，如何对下一代纳米器件进行特征分析。随着器件和元件的特征尺寸缩小到纳米级，研究人员不得不限制用于特征分析的电信号强度。

       最后，对纳米器件进行探测始终是一大挑战。随着晶体管栅极特征尺寸小于90nm以及间距大小不断缩减，大多数探测系统的最小探测点尺寸却仍然保持在50微米左右。这一局限性在很大程度上导致探针移动和针尖尺寸不准确。必须采用具有纳米级移动精度并且电流测量精度高于1pA的新探测工具（如图1所示）才能解决这个问题。

       本文将着重介绍对碳纳米管、低功耗器件进行特征分析的测量技术，以及克服各种测量误差的方法。

方法和技术

       消费者总是倾向于速度更快、功能更强、尺寸更小巧的电子产品。由于电子产品的尺寸必须做得较小，因此其中元件的功耗也是受限的。这样一来，当对这些元件进行电气特征分析时，必须采用较弱的测试信号，防止将元件击穿或者造成其他损坏。
当对纳米器件进行电流-电压（I-V）特征分析时，由于必须采用很小的电流控制功耗或者减小焦耳热效应，因此必须要测量很小的电压。所以，无论对于器件I-V特征分析，还是非导电材料与元件的电阻测量，低电压测量技术都是至关重要的。对于研究人员和电子行业的测试工程师而言，这种功耗限制增大了对先进器件与材料以及新一代器件进行特征分析的挑战。

       与常规尺寸和微米级元件与材料的I-V曲线生成不同的是，对碳纳米管和纳米器件进行测量需要特殊的技巧和技术。在进行常规I-V曲线特征分析时，通常采用两点式电测量方法。这种方法的问题是，所测得的电压不仅包含待测器件上的电压，还包
含测试引线和接触点上的电压。如果要测量某个器件的电阻，那么当电阻大于几个欧姆时采用普通欧姆表进行测量引入的电阻通常不会造成问题。但是，如果要测量导电的纳米材料或元件上的低电阻时，采用两点测量法就很难获得准确的结果。如果I-V特征分析或者电阻测量中涉及低电压或者低电阻，例如对于分子导线、半导纳米线和碳纳米管，那么最好采用基于探针台的四线（即开尔文）测量法，可以得到更精确的结果。

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