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中研院使用LabVIEW建構奈米電子元件電性量測系統

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Sample holder 上方是實驗室自製的前置放大電路

Author(s):
陳 啟東 - 中央研究院
賴 水金 - 中央研究院
褚 家容 - 中央研究院
巫 英賓 - 中央研究院
劉 家榮 - 中央研究院
蘇 雅雯 - 國立台灣大學
吳 憲昌 - 中央研究院
鍾 道翔 - 國立台灣大學
林 銘洲 - 國立台灣大學
藍 彥文 - 國立台灣大學
寇 人傑 - 中央研究院

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW, GPIB

The Challenge:
需要建立一套自動化量測,分析及模擬的奈米元件電性量測系統,降低量測操作時間及成本使研究人員時間運用更有效率。奈米元件電性量測的訊號極為微弱(~10fA)以及元件的阻值極高(> 100KOhm )而對降低外在環境雜訊的要求也更加嚴苛。元件必須要在極低溫(4K~60mK)及高磁場(9T)下做長時間的量測所以嚴格要求軟硬體的穩定性及可靠性。

The Solution:
奈米電子元件一般會被製作成包含source , drain 及 gate的三端子元件所以能夠改變Vbias及Vgate來量測電流的大小。處理量測取得的資料做成I-Vbias，I-Vgate的2D圖形或是I-Vbias –Vgate的3D圖形來進行分析。建立模擬的程式來模擬元件的特性並試圖與量測的資料做比較分析e在量測的環境上我們需要在極低溫下量測(4K~60mK),需要低溫精密控溫系統。磁場的變化也是我們的操作變因之一。所有的可調控變數均可以透過 LabVIEW 建立的人機介面來控制。

"NI的LabVIEW在量測這一領域是對使用者而言最有親和力及最有效率的軟體，並且在後續的分析及模擬上也是使用LabVIEW建立相關的程式做為處理資料的工具，總之LabVIEW的簡單上手及快速有效率是應付實驗室量測情況隨時需要變化的最佳平台。"

本文榮獲2007第六屆虛擬儀控徵文比賽產業組佳作

          文章摘要及主體文章

     在1980年以前，奈米(10^-9m)這個名稱還很少被人提到，那是一個半導體工業如日中天的時期，每隔兩年元件數目就可以增加一倍，因此CPU的速度可以不斷升級，這就是莫爾定律。但是這樣的縮小是可以不斷進行下去的麼？早在1900年起量子力學的建立就明白的告訴我們，世界上所有的物質都是由原子所組成，在原子大小的微觀世界裡跟我們在巨觀世界裡所觀察到的現象有很大的不同，而原子的大小約為0.1個奈米，所以元件縮小的技術絕對是有終點的。

在元件的尺寸達到幾十個奈米的時後就可以很明顯的觀察到一些量子力學所特有的現象，從1980年代起，世界上頂尖的實驗室就開始研究這個議題:奈米尺寸下的電子元件特性，我們的老師 陳啟東老師當時就是在瑞典從事這方面的研究並且將這方面的觀念知識及關鍵技術帶回國內，使得國內在這方面也有堪稱世界一流的研究環境及研究水準。我們的奈米電子實驗室就是在這樣的情勢下建立的。因為奈米元件的電訊號極其微弱，並且有許多特別要注意的情況，所以因應量測上的需求 陳老師一回國就已經全面採用NI的LabVIEW 及 GPIB的方式架構實驗室的量測系統，因為NI的LabVIEW在量測這一領域是對使用者而言最有親和力及最有效率的軟體。並且在後續的分析及模擬上也是使用LabVIEW建立相關的程式做為處理資料的工具。總之LabVIEW的簡單上手及快速有效率是應付實驗室量測情況隨時需要變化的最佳平台。

 首先要了解什麼是奈米電子元件？它和一般的傳統微電子元件有何異同之處 ?所具有的特性為何 ?

簡單的說，奈米電子元件是一種單電子元件，也是一種量子電子元件 ,其特性為高阻抗(>100kΩ)並且是透過穿隧效應使得電子一個接一個通過元件( tunneling junction)而產生電流的，並且電流的訊號極為微小需要能夠量測到10fA(f=10-15)的靈敏度。對降低外在環境雜訊的要求也更加嚴苛。所以我們需要建立的是一套量測高阻抗且高靈敏度的電性量測系統。

在元件上我們通常會做成包含有source， drain 及gate結構的 三端子元件，所以能夠改變Vbias及Vb來量測電流的大小。並處理data做成I-Vbias，I-Vb，的2D圖形或是I-Vbias -Vb的3D圖形來進行分析。建立量測介面及處理data到圖形的分析，這正是LabVIEW的強項，這大大的減少了建立量測系統及運作此系統的時間，加速了實驗進行的速度。在這個日新月異的研究實驗競賽中速度就是最大的優勢。而LabVIEW正好提供這樣的平台。

 

總結起來此量測系統的需求為:

1.            量測極微弱電流訊號。

2.            樣品阻值極高。

3.            要求低雜訊及高靈敏度。

4.            樣品需要操作在極低溫和高磁場的環境。

程式分析的需求:

1.            要能把量測的data處理成I-Vbias，I-Vb，的2D圖形或是I-Vbias -Vb的3D圖形來進行分析並且建立電流對磁場或是電流對溫度的變化圖。

2.            要對圖形取微分或積分以及建立find peak的功能以利分析其物理意義。

3.            建立fitting的曲線和實驗的data作誤差的比對。

4.            建立模擬元件的程式找出元件的參數以確定元件的特性。

整個系統的特性需求:

1.            彈性flexible:所有的量測儀器可以因應實驗的需要做調整。

2.            快速velocity:所有的功能要在最短的時間內建立起來。

3.            穩定性stability:系統一但建立就是要能夠長時間的使用而不故障。

4.            可靠性dependability:系統量到的訊號絕不能有太大的誤差。

要能夠滿足以上所有的需求並且在未來還能夠不斷的加入更新的系統。我們認為只有NI 的LabVIEW才能幫助我們實現。

另外NI 所推出的PXI系統可能會是我們下一代量測系統所會考慮的方案因為在PXI系統下整合性及整體效能都將會更加的提升並且支援PXI的廠商也越來越多可以選擇的模組也將會越來越多, 這一點是絕對可以預見的。

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For more information on this Case Study, contact:
陳 啟東
中央研究院
Tel: 02-27880058
chiidong@phys.sinica.edu.tw

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