纳米器件电学性能测量技术介绍

随着纳米技术日新月异的发展，研究已深入到原子挨原子的分子级，构造具有全新特性的新结构。特别地，纳米电子领域的发展十分迅速，其潜在影响涉及非常宽的行业领域。目前的纳米电子研究的内容主要是如何开发利用碳纳米管、半导体纳米线、分子有机电子和单电子器件。

不过，由于多方面的原因，这些微小器件无法采用标准的测试技术进行测试。其中一个主要原因在于这类器件的物理尺寸。某些新型“超CMOS”器件的纳米级尺寸很小，很容易受到测量过程使用的甚至很小电流的损坏。此外，传统直流测试技术也不总是能够揭示器件实际工作的情况。

脉冲式电测试是一种能够减少器件总能耗的测量技术。它通过减少焦耳热效应（例如I2R和V2/R），避免对小型纳米器件可能造成的损坏。脉冲测试采用足够高的电源对待测器件（DUT）施加间隔很短的脉冲，产生高品质的可测信号，然后去掉信号源。

通过脉冲测试，工程技术人员可以获得更多的器件信息，更准确地分析和掌握器件的行为特征。例如，利用脉冲测试技术可以对纳米器件进行瞬态测试，确定其转移函数，从而分析待测材料的特征。脉冲测试测量对于具有恒温限制的器件也是必需的，例如SOI器件、FinFET和纳米器件，可以避免自热效应，防止自热效应掩盖研究人员所关心的响应特征。器件工程师还可以利用脉冲测试技术分析电荷俘获效应。在晶体管开启后电荷俘获效应会降低漏极电流。随着电荷逐渐被俘获到栅介质中，晶体管的阈值电压由于栅电容内建电压的升高而增大；从而漏极电流就降低了。

脉冲测试有两种不同的类型：加电压脉冲和加电流脉冲。

电压脉冲测试产生的脉冲宽度比电流脉冲测试窄得多。这一特性使得电压脉冲测试更适合于热传输实验，其中我们所关心的时间窗口只有几百纳秒。通过高精度的幅值和可编程的上升与下降时间能够控制纳米器件上的能耗大小。电压脉冲测试可用于可靠性测试中的瞬态分析、电荷俘获和交流应力测试，也可用于产生时钟信号，模拟重复控制线，例如存储器读写周期。

电流脉冲测试与电压脉冲测试非常相似。其中，将指定的电流脉冲加载到DUT上，然后测量器件两端产生的电压。电流脉冲测试常用于测量较低的电阻，或者获取器件的I-V特征曲线，而不会使DUT产生大量的能耗，避免对纳米器件的损害或破坏。

电压和电流脉冲测试都有很多优点，但是它们的缺点却不尽相同。例如，超短电压脉冲的速度特征分析属于射频（RF）的范畴，因此如果测试系统没有针对高带宽进行优化，那么测量过程中很容易产生误差。其中主要有三种误差来源：由于线缆和连接器造成的信号损耗、由于器件寄生效应造成的损耗以及接触电阻。

电流脉冲测试的主要问题是上升时间较慢，可能长达几百纳秒。这主要受限于实验配置中的电感和电容。

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