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

碳基半導體材料，是在碳基納米材料的基礎上發展出來的。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、半導體納米材料、有機高分子納米材料及復合納米材料。

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

我們更關注的是半導體納米材料，因為它是構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體器件；碳納米管可以用來制作碳納米管場發射器、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、碳納米管開關等；石墨烯可以用來制作零帶隙、頂柵石墨烯場效應管、雙層石墨烯晶體管、雙極超導石墨烯晶體管、石墨烯納米帶場效應管等。

碳基電子芯片是由CNT構建的集成電路，之所以用半導體碳納米管來制作碳基芯片，是因為科學家們對各種半導體納米材料測試后甄選出的最優方案。碳基芯片被認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的性能和更低的功耗以及更高的工作頻率(電子遷移率 100000 cm^２／V.S vs 1000cm^２／V.S，頻率100GHz Vs 10GHz）。

我國在碳基芯片研究領域處于世界領先地位，北京大學彭練矛院士課題組一直站在碳基芯片領域的前沿。盡管碳基芯片目前與傳統硅基芯片相比還有明顯差距（1.4萬晶體管 vs 億級集成度），但彭院士認為15年后碳芯片技術有望成為主流芯片技術，我國將在芯片領域將實現彎道超車。

碳基半導體材料及電子器件測試

碳基半導體納米材料測試的目的在于篩選材料及材料的分子結構改良，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微差別，都會影響到碳納米管的導電性，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_ fA 級），測試電壓超低（達 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量、位置和器件結構，進行測試對比，選擇最優的方案。

碳基半導體材料及電子器件測試方案

碳基半導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 進行測試。4200半導體參數測試儀可以覆蓋全部應用，具體測試方案詳如下。

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