突破材料極限！石墨烯半導體加速AI與數據中心算力升級

隨著(zhù)AI計算、大數據、高速互聯(lián)和5G/6G通信的快速發(fā)展，半導體行業(yè)正迎來(lái)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、功耗問(wèn)題以及制造成本的上升，正限制著(zhù)傳統半導體材料的進(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)功能性石墨烯半導體，實(shí)現了從零帶隙到可調帶隙的重大突破。這一成果意味著(zhù)，石墨烯有望成為新一代半導體材料，推動(dòng)未來(lái)芯片性能提升。

為什么行業(yè)對石墨烯寄予厚望？

■ 硅的極限：當前半導體器件的微縮化已經(jīng)進(jìn)入原子尺度，傳統硅材料在功耗、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、低功耗的新型半導體材料，成為推動(dòng)未來(lái)計算發(fā)展的關(guān)鍵。

■ 石墨烯的潛力：超高電子遷移率、極薄的二維結構、卓越的導熱能力，使其成為最具競爭力的候選材料之一。

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

高精度測試技術(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)維度自由運動(dòng)的超薄材料，厚度通常在1-100nm之間，具備獨特的電子、光學(xué)和熱學(xué)特性。

常見(jiàn)的二維材料包括：

?  石墨烯（Graphene）：超高遷移率，零帶隙。

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

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

?  六方氮化硼（h-BN）：絕緣材料，常用于二維材料的襯底層。

2 石墨烯的獨特優(yōu)勢

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

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

?  優(yōu)異的導熱能力（5300 W/m·K），比硅高 10 倍，有助于解決高性能計算（HPC）和 AI 訓練的散熱問(wèn)題。

?  極薄的二維結構，可以突破短溝道效應，推動(dòng)晶體管的微縮化。

?  柔性和透明性，可應用于可穿戴設備、透明顯示屏。

但新的問(wèn)題出現了：如何精準測試這些特性，確保石墨烯材料的可行性？

石墨烯電學(xué)特性測試的挑戰

盡管石墨烯在半導體行業(yè)展現出巨大潛力，但要真正實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，其電學(xué)性能的精準測量是關(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，對測試技術(shù)提出了全新挑戰：

1 超低電阻測試

石墨烯的電阻通常遠低于常規半導體材料，在實(shí)驗室條件下甚至可達nΩ級。常規測試方法難以準確測量如此低的阻值，需要采用：

■ 四探針?lè )ǎ合佑|電阻影響，提高測量精度。

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

2 霍爾效應測試

石墨烯的高載流子遷移率使其霍爾效應尤為明顯，研究其電荷傳輸特性對于理解材料的基本電學(xué)特性至關(guān)重要?；魻栃獪y試通常需要：

■ 低噪聲、高精度測量設備，確?；魻栯妷旱臏蚀_性。

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

3 低溫輸運與量子特性測試

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

■ 超低噪聲納伏計：測量極小信號。

■ 高磁場(chǎng)環(huán)境（如PPMS系統），確保磁輸運實(shí)驗的準確性。

4 可靠性測試

■ 高溫老化測試（HTOL）：評估石墨烯MOSFET在長(cháng)期工作狀態(tài)下的性能衰減。

■ 濕度&氧化耐受性測試：石墨烯易氧化，影響其電學(xué)特性。

Tektronix專(zhuān)業(yè)測試方案：助力石墨烯材料從實(shí)驗室到產(chǎn)業(yè)化

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

IV-CV測試方案

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

■ 4200A-SCS 半導體參數分析儀：支持fA級超低電流測量，適用于石墨烯器件的精確IV測試。

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

量子霍爾效應測試

為測量超高遷移率的石墨烯器件，Tektronix采用：

■  Keithley 2182A納伏計+6221精密電流源，支持納伏級電壓測量，適用于QHE研究。

■ 低溫探針臺+4200A-SCS結合PPMS（物理特性測量系統），實(shí)現低溫霍爾測量。

可靠性&高溫老化測試

■ Keithley S530參數測試系統，支持HTOL（高溫運行壽命）測試，模擬長(cháng)期運行環(huán)境，評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），評估高頻GFET傳輸特性，適用于5G/6G通信芯片。

未來(lái)展望：石墨烯能否重塑半導體產(chǎn)業(yè)？

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