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【未来可测】系列之一:碳基芯片将成未来主流,半导体材料及电子器件测试是研究基础

作者:时间:2022-09-07来源:电子产品世界收藏

碳基,是在碳基纳米材料的基础上发展出来的。所谓的纳米材料,是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料,包括:零维材料 – 量子点、纳米粉末、纳米颗粒;一维材料 – 纳米线或纳米管;二维材料 – 纳米薄膜,石墨烯;三维材料 -  纳米固体材料。按组成分,纳米材料又可以分为金属纳米材料、半导体纳米材料、有机高分子纳米材料及复合纳米材料。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202209/438033.htm

由于纳米材料某一维度达到纳米尺寸,其特性将表现出异于宏观尺寸的材料,这些特性包括:表面与界面效应 - 熔点降低,比热增大;小尺寸效应 - 导体变得不能导电,绝缘体却开始导电,以及超硬特性;量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米材料的理化性能包括:高强度、高韧性;高比热和热膨胀系数;异常电导率和扩散率;高磁化率。基于以上特性,纳米材料已被广泛用于多个领域。

我们更关注的是半导体纳米材料,因为它是构建碳基的重要原料。

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所谓碳基,是指用碳纳米材料(三维体材料金刚石、二维材料石墨烯和一维材料碳纳米管)为沟道的 - 金刚石主要用于超宽禁带半导体器件;碳纳米管可以用来制作碳纳米管场发射器、碳纳米管 CNFET、单电子晶体管、碳纳米管传感器、碳纳米管存储器、碳纳米管开关等;石墨烯可以用来制作零带隙、顶栅石墨烯场效应管、双层石墨烯晶体管、双极超导石墨烯晶体管、石墨烯纳米带场效应管等。

碳基电子芯片是由CNT构建的集成电路,之所以用半导体碳纳米管来制作,是因为科学家们对各种半导体纳米材料后甄选出的最优方案。被认为是后摩尔时代的新曙光,这主要是因为碳纳米管的极限尺寸和当前的硅基材料大致相同,制作工艺改变不大。此外,比硅基芯片具有更优的性能和更低的功耗以及更高的工作频率(电子迁移率 100000 cm/V.S vs 1000cm/V.S,频率100GHz Vs 10GHz)。

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我国在碳基芯片研究领域处于世界领先地位,北京大学彭练矛院士课题组一直站在碳基芯片领域的前沿。尽管碳基芯片目前与传统硅基芯片相比还有明显差距(1.4万晶体管 vs 亿级集成度),但彭院士认为15年后碳芯片技术有望成为主流芯片技术,我国将在芯片领域将实现弯道超车。


碳基及电子器件

碳基半导体纳米材料的目的在于筛选材料及材料的分子结构改良,特别是对碳基芯片,由于在制备碳纳米管时,卷曲直径和角度的细微差别,都会影响到碳纳米管的导电性,即有可能得到金属特性的成品,而得到整齐划一的具有半导体特性的碳纳米管,是碳基芯片研究的首要条件。

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对一维材料,以I-V 特性测试为主。由于纳米材料尺寸极小,因此其所能承受的测试电流超小(达 fA 级),测试电压超低(达 nV 级),并且极易因为测试造成的自热而烧毁被测材料,因此必须选择与被测纳米材料性能相适应的,具有脉冲特性的测试仪器。

对二维材料及石墨烯,电阻率、载流子浓度、载流子迁移率测试是重要的测试项目,需要用四探针及范德堡法进行测试。

对碳基电子器件及碳基芯片,主要测试 I-V 特性,通过改变碳纳米管的数量、位置和器件结构,进行测试对比,选择最优的方案。

碳基半导体材料及电子器件测试方案

碳基半导体材料及电子器件种类多,电性能各不相同,需选择最佳匹配的 SMU 进行测试。4200半导体参数测试仪可以覆盖全部应用,具体测试方案详如下。

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