引言：摩爾定律遇瓶頸，石墨烯能否成為未來主角？

隨著AI計(jì)算、大數(shù)據(jù)、高速互聯(lián)和5G/6G通信的快速發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)正迎來一場(chǎng)材料革命。硅基芯片在制程縮小至2nm之后，已逼近物理極限，短溝道效應(yīng)、功耗問題以及制造成本的上升，正限制著傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步發(fā)展。

2024年初，天津大學(xué)聯(lián)合佐治亞理工學(xué)院成功研制出全球首個(gè)功能性石墨烯半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了從零帶隙到可調(diào)帶隙的重大突破。這一成果意味著，石墨烯有望成為新一代半導(dǎo)體材料，推動(dòng)未來芯片性能提升。

為什么行業(yè)對(duì)石墨烯寄予厚望？

硅的極限：當(dāng)前半導(dǎo)體器件的微縮化已經(jīng)進(jìn)入原子尺度，傳統(tǒng)硅材料在功耗、遷移率等方面逐漸遇到瓶頸。

新材料的必要性：尋找高遷移率、低功耗的新型半導(dǎo)體材料，成為推動(dòng)未來計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵。

石墨烯的潛力：超高電子遷移率、極薄的二維結(jié)構(gòu)、卓越的導(dǎo)熱能力，使其成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料之一。

但另一方面，石墨烯半導(dǎo)體真的能夠取代硅嗎？它的產(chǎn)業(yè)化之路是否可行？如何準(zhǔn)確測(cè)試其性能，推動(dòng)量產(chǎn)？

高精度測(cè)試技術(shù)，將成為石墨烯材料能否真正商用的決定性因素。

二維材料與石墨烯：從理論到技術(shù)落地的關(guān)鍵一步

1什么是二維材料？

二維材料（2D Materials），指的是電子僅能在兩個(gè)維度自由運(yùn)動(dòng)的超薄材料，厚度通常在1-100nm之間，具備獨(dú)特的電子、光學(xué)和熱學(xué)特性。

常見的二維材料包括：

?石墨烯（Graphene）：超高遷移率，零帶隙。

?過渡金屬硫族化合物（TMDs）：MoS?、WS?，適用于下一代場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。

?黑磷（Black Phosphorus）：帶隙可調(diào)，適用于光電探測(cè)器。

?六方氮化硼（h-BN）：絕緣材料，常用于二維材料的襯底層。

2石墨烯的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

石墨烯是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的二維材料，被認(rèn)為是最具潛力的半導(dǎo)體替代材料。

?超高電子遷移率（5500 cm2/V·s），遠(yuǎn)超硅（1400 cm2/V·s），適用于高速計(jì)算芯片。

?優(yōu)異的導(dǎo)熱能力（5300 W/m·K），比硅高 10 倍，有助于解決高性能計(jì)算（HPC）和 AI 訓(xùn)練的散熱問題。

?極薄的二維結(jié)構(gòu)，可以突破短溝道效應(yīng)，推動(dòng)晶體管的微縮化。

?柔性和透明性，可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、透明顯示屏。

但新的問題出現(xiàn)了：如何精準(zhǔn)測(cè)試這些特性，確保石墨烯材料的可行性？

石墨烯電學(xué)特性測(cè)試的挑戰(zhàn)

盡管石墨烯在半導(dǎo)體行業(yè)展現(xiàn)出巨大潛力，但要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其電學(xué)性能的精準(zhǔn)測(cè)量是關(guān)鍵。由于石墨烯具有超高遷移率、極低電阻、高敏感性等特性，對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了全新挑戰(zhàn)：

1超低電阻測(cè)試

石墨烯的電阻通常遠(yuǎn)低于常規(guī)半導(dǎo)體材料，在實(shí)驗(yàn)室條件下甚至可達(dá)nΩ級(jí)。常規(guī)測(cè)試方法難以準(zhǔn)確測(cè)量如此低的阻值，需要采用：

■四探針法：消除接觸電阻影響，提高測(cè)量精度。

■范德堡法（Van der Pauw）：適用于非規(guī)則形狀樣品，測(cè)量電阻率。

2霍爾效應(yīng)測(cè)試

石墨烯的高載流子遷移率使其霍爾效應(yīng)尤為明顯，研究其電荷傳輸特性對(duì)于理解材料的基本電學(xué)特性至關(guān)重要。霍爾效應(yīng)測(cè)試通常需要：

■低噪聲、高精度測(cè)量設(shè)備，確保霍爾電壓的準(zhǔn)確性。

■極低溫（mK級(jí)）或高磁場(chǎng)（16T以上）環(huán)境，觀察量子霍爾效應(yīng)。

3低溫輸運(yùn)與量子特性測(cè)試

在超低溫環(huán)境下，石墨烯會(huì)表現(xiàn)出量子霍爾效應(yīng)、Shubnikov-de Haas振蕩等奇異物理現(xiàn)象，這需要：

■超低噪聲納伏計(jì)：測(cè)量極小信號(hào)。

■高磁場(chǎng)環(huán)境（如PPMS系統(tǒng)），確保磁輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

4可靠性測(cè)試

■高溫老化測(cè)試（HTOL）：評(píng)估石墨烯MOSFET在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的性能衰減。

■濕度&氧化耐受性測(cè)試：石墨烯易氧化，影響其電學(xué)特性。

Tektronix專業(yè)測(cè)試方案：助力石墨烯材料從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化

面對(duì)石墨烯半導(dǎo)體測(cè)試的種種挑戰(zhàn)，Tektronix提供了一整套完整的測(cè)試方案，涵蓋電學(xué)表征、IV-CV測(cè)試、界面缺陷分析及可靠性評(píng)估，助力研究人員加速材料開發(fā)和產(chǎn)業(yè)落地。

IV-CV測(cè)試方案

IV-CV測(cè)試是評(píng)估石墨烯MOSFET電學(xué)特性的核心手段。Tektronix提供：

■4200A-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀：支持fA級(jí)超低電流測(cè)量，適用于石墨烯器件的精確IV測(cè)試。

■Keithley 4210-CVU：提供1kHz-10MHz CV測(cè)試，分析石墨烯MOSFET的柵極氧化層和短溝道效應(yīng)。

量子霍爾效應(yīng)測(cè)試

為測(cè)量超高遷移率的石墨烯器件，Tektronix采用：

■Keithley 2182A納伏計(jì)+6221精密電流源，支持納伏級(jí)電壓測(cè)量，適用于QHE研究。

■低溫探針臺(tái)+4200A-SCS結(jié)合PPMS（物理特性測(cè)量系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)低溫霍爾測(cè)量。

可靠性&高溫老化測(cè)試

■Keithley S530參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，支持HTOL（高溫運(yùn)行壽命）測(cè)試，模擬長(zhǎng)期運(yùn)行環(huán)境，評(píng)估石墨烯器件的耐久性。

■Tektronix高速示波器+矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），評(píng)估高頻GFET傳輸特性，適用于5G/6G通信芯片。

未來展望：石墨烯能否重塑半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)？

盡管石墨烯在實(shí)驗(yàn)室條件下展現(xiàn)了極高的潛力，但產(chǎn)業(yè)化仍需克服材料制備、帶隙調(diào)控、CMOS兼容性等難題。不過，AI、大數(shù)據(jù)、HPC、6G通信等前沿技術(shù)，正在推動(dòng)新材料半導(dǎo)體的快速發(fā)展，泰克將繼續(xù)助力石墨烯器件的研發(fā)、優(yōu)化及量產(chǎn)，加速未來計(jì)算的革新進(jìn)程！