吉时利数字源表2400如何用三轴隔离技术破解纳米器件漏电流测试难题

随着半导体工艺的不断演进，纳米级器件（如鳍式场效应晶体管（FinFET）、忆阻器、量子点器件等）在现代电子技术中的应用日益广泛。这些器件的尺寸已缩小至几纳米甚至亚纳米级别，其电气特性呈现出显著的量子效应，导致漏电流（Leakage Current）成为影响器件性能和可靠性的关键参数。然而，纳米级漏电流通常在皮安（pA）至飞安（fA）量级，传统测试方法易受环境噪声、测试系统寄生参数及电磁干扰的影响，难以实现高精度测量。为此，吉时利（Keithley）数字源表2400系列通过创新的三轴隔离技术，构建了低噪声、高精度的测试环境，为纳米器件漏电流测试提供了突破性解决方案。

一、纳米器件漏电流测试的挑战与难点

纳米器件的漏电流测试面临以下核心挑战：

1.电流信号微弱且易受干扰

纳米级器件的漏电流通常在亚fA至pA量级（例如，10 fA~100 pA），远低于常规测试仪器的本底噪声。此外，测试环境中的静电放电（ESD）、电磁干扰（EMI）、热噪声、测试线缆寄生电容/电阻等因素均可能导致信号淹没或失真。

2.高阻抗测试需求

纳米器件（如高k栅介质MOSFET、隧穿二极管等）的漏电流路径往往涉及高阻抗节点，要求测试系统具备极高的输入阻抗（通常需达到10 TΩ以上），以避免分压效应影响测量精度。

3.测试系统的寄生效应

传统测试设备中，电源、信号线、接地回路等存在的寄生电容/电感会引入额外的电流路径，导致测量误差。例如，测试线缆的寄生电容在高频条件下可能产生数百fA的位移电流，严重干扰真实漏电流的测量。

4.动态测试需求

部分纳米器件（如忆阻器、神经形态器件）的漏电流具有时间依赖性或非线性特征，需要测试设备具备快速响应能力（如μs级采样速率）和动态范围调节能力，以捕捉瞬态电流变化。

二、吉时利2400的三轴隔离技术解析

吉时利数字源表2400通过三轴隔离技术构建了物理和电气上的完全隔离环境，有效解决了上述挑战。三轴隔离技术是指将源表的前端测量电路在三个维度（信号轴、电源轴、地轴）上与主机电路及外部环境实现电气隔离，具体实现方式如下：

1. 信号轴隔离

光隔离技术：2400采用高速光纤通信模块，将测量信号通过光电转换传输至主机，彻底切断信号路径上的电气连接。该技术具有以下优势：

消除共模噪声：光隔离可承受高达1500 V的共模电压，有效抑制电源线干扰、地电位差等引起的共模电流。

降低寄生电容：光纤传输无寄生电容，避免高频干扰通过电容耦合路径进入测量回路。

2. 电源轴隔离

变压器隔离供电：源表内部测量单元采用独立的隔离电源模块，通过高频变压器为前端电路供电。该设计实现了以下功能：

电源噪声隔离：隔离电源将市电噪声与测量电路完全隔离，避免电源纹波通过供电回路影响测量精度。

浮动测量范围：隔离电源使测量单元可工作在“浮动模式”，即被测器件（DUT）的电压参考点可任意设置，无需强制接地，适用于多端口器件测试。

3. 地轴隔离

悬浮地设计：测量单元的地线（GND）与主机系统地及外部大地完全隔离，形成“悬浮地”系统。该设计解决了以下问题：

消除地环路干扰：悬浮地切断外部地电位差形成的电流回路，避免因地线噪声导致的测量误差。

支持差分测量：悬浮地允许用户配置差分测量模式，进一步抑制共模干扰，提升信噪比。

4. 其他关键技术补充

低噪声前置放大器：2400内置超低噪声放大器（输入噪声密度<0.3 fA/√Hz），结合斩波稳零技术，进一步降低放大器自身噪声。

屏蔽与滤波：仪器内部采用多层金属屏蔽腔体，并集成高精度滤波器，抑制射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）。

校准与补偿：内置自动校准功能，实时补偿温度漂移、寄生参数等引起的误差，确保长期稳定性。

三、三轴隔离技术在漏电流测试中的应用

以下是三轴隔离技术在实际测试中的具体应用场景及优势分析：

1. 高阻抗器件测试

案例：栅氧层漏电流测试

在测试纳米级MOSFET的栅极漏电流时，栅氧层厚度仅为12 nm，漏电流可低至10 fA。2400通过三轴隔离技术将输入阻抗提升至10 TΩ，同时利用光隔离阻断外界干扰，实现了对栅极衬底间微弱漏电流的精确测量。

2. 多端口器件同步测试

案例：三维存储器阵列测试

对于堆叠式存储器（如3D NAND），需要同时测量多个存储单元的漏电流。2400的多通道同步测量功能结合三轴隔离，可在不同端口施加独立电压并同步采集电流，避免通道间串扰。

3. 动态漏电流特性分析

案例：忆阻器阻态切换测试

忆阻器的漏电流随电压/时间动态变化，2400通过高速采样模式（最高1 MS/s）和动态量程切换功能，实时捕捉忆阻器在阻态转换过程中的亚fA级电流瞬变，揭示其内在物理机制。

4. 极端环境测试

案例：高温漏电流测试

在高温（如150℃）环境下，器件漏电流可能显著增加。2400的隔离设计使其可在高温箱内直接测量，避免长距离信号传输引入的噪声，同时隔离电源确保高温环境下仪器自身稳定性。

四、与传统测试方法的对比

五、典型应用案例：纳米级MOSFET漏电流测试

测试目标：评估28 nm节点FinFET的栅极漏电流（目标电流范围：10 fA~1 pA）。

测试配置：

1. 吉时利2400数字源表（配置三轴隔离模式）

2. 半导体参数分析仪（用于栅极电压控制）

3. 真空探针台（环境噪声<1 pA）

4. 定制低噪声测试夹具（寄生电容<1 pF）

测试步骤：

1.隔离设置：开启2400的三轴隔离功能，将源表测量单元与主机及外部环境完全隔离。

2.电压扫描：通过参数分析仪对FinFET栅极施加03 V的斜坡电压，同时2400监测漏极电流。

3.数据采集：设置2400采样速率为1 kS/s，量程自动切换至10 fA档，实时记录电流变化。

4.结果分析：提取栅压漏电流曲线，计算亚阈值斜率（SS）及漏电流密度。

测试结果：

在栅压2 V时，测得漏电流为15 fA，数据重复性（标准差）<0.5 fA

通过对比传统源表（无隔离）测试结果，2400的信噪比提升约30 dB，测量误差降低至0.1%

六、未来发展方向

随着纳米器件向更小型化、多功能化发展，漏电流测试技术需进一步突破以下方向：

1.更高灵敏度：开发亚fA级分辨率的测试仪器，结合量子传感器技术提升检测极限。

2.片上集成测试：将隔离电路与纳米器件集成，缩短信号路径，降低寄生参数影响。

3.AI辅助分析：利用机器学习算法识别和补偿测试系统中的非线性误差。

4.多物理场耦合测试：在温度、应力、电磁场等多物理场条件下进行漏电流动态测试。

七、结论

吉时利数字源表2400通过创新的三轴隔离技术，构建了低噪声、高精度的纳米器件漏电流测试平台。该技术通过信号、电源、地轴的全面隔离，有效解决了传统测试方法中存在的噪声干扰、寄生参数、动态范围不足等问题，为纳米电子学的研究与开发提供了可靠工具。未来，随着隔离技术的进一步优化与新型半导体器件的涌现，三轴隔离架构有望成为纳米级电气特性测试的标准解决方案，推动半导体技术的持续创新。