基于經典的電路理論,存在四個基本的電路物理量,即電流(i)、電壓(v)、電荷(q)以及磁通(o)。根據這四個基本的物理量,理論上能夠推導出六種數學關系,同時定義三種基本的電路元器件(電阻R、電容C、電感L)。1971年,蔡少棠教授根據對4個基本電學物理量電壓、電流、電荷和磁通之間的關系進行理論推導,提出了第4種基本電路元件―憶阻器(Memristor),它表示磁通和電荷之間的相互關系。

圖:四種無源器件之間和四種電學變量之間的關系

憶阻器的結構特性

        憶阻器是一個二端器件且具有簡單的Metal/Di-electric/Metal的“三明治”結構,如下圖所示,一般是由頂電極、絕緣介質層和底電極組成。上下兩層金屬層作為電極，上層金屬作為頂電極,下層金屬作為底電極,金屬通常是傳統(tǒng)的金屬單質，如Ni,Cu等,中間的介質層通常由二元過渡金屬氧化物組成，如HfO2,WOx等,也可以由一些復雜結構的材料組成,如IGzO等,這些介質一般情況下都有較高阻抗。

        其表達公式為d=M(q)d q,其中M(q)為憶阻值,表示磁通量()隨累積電荷(q)的變化率,與電阻有相同的量綱。不同點是普通電阻的內部物理狀態(tài)不發(fā)生變化,其阻值通常保持不變,而憶阻器的阻值不是定值,它與磁通量、電流有一定的關聯,并且電激勵停止后,其阻值不會返回初始值,而是停留在之前的值,即具有“憶阻”的特性。

圖:憶阻器結構內部圖

憶阻器的阻變機制及材料特性

        憶阻器件有兩個典型的阻值狀態(tài),分別是高阻態(tài)(HRS)和低阻態(tài)(LRS),高阻態(tài)具有很高的阻值,通常為幾kΩ到幾MΩ,低阻態(tài)具有較低的阻值,通常為幾百Ω。初始情況下,即沒有經過任何電激勵操作時,憶阻器件呈高阻態(tài),并且在電激勵下它的阻態(tài)會在兩個阻態(tài)之間進行切換。對于一個新的憶阻器件,在高低阻態(tài)轉換之前,需要經歷一次電激活的過程,該過程通常電壓較大,同時為了防止器件被擊穿,需要對電流進行限制。憶阻器從高阻到低阻狀態(tài)的轉變?yōu)橹梦?SET)過程,從低阻到高阻狀態(tài)的轉變?yōu)閺臀?RESET)過程。當SET過程和RESET過程所施加電壓極性相同時,稱之為單極性阻變行為,當SET過程和RESET過程所施加電壓極性不同時,稱之為雙極性阻變行為。

圖:單極性阻變行為和雙極性阻變行為

        憶阻材料的選擇是構建憶阻器件極為重要的一步,其材料體系通常包括介質層材料和電極材料,二者的不同組合搭配可使憶阻器具有不同的阻變機制和性能。自從HP實驗室提出基于TiO2的憶阻器模型后,越來越多的新材料被發(fā)現適用于憶阻器,主要包括有機材料、氧化物材料、硫系化合物材料以及具有不同活性的電極材料。

表:不同介質材料憶阻器典型性能參數對比

        目前可以用作憶阻器電極材料的金屬一般主要分為2類:一類為金屬材料,包括活性金屬Cu、Ag、Ru等,惰性金屬Pt、Pd、Au、W等;另一類為化合物材料，包括氧化物SrRuO3、LaAlO3、ITO、IZO等,氮化物TaN、TiN等?；诓煌姌O材料組裝成的憶阻器,其阻變機制以及電化學性能往往不同。

圖: Ru/TazOs/Pt憶阻器在不同阻態(tài)的模型圖及不同溫度下的I-V曲線

        作為―種電阻開關,憶阻器的尺寸可以縮小到2nm以下,開關速度可以控制在1ns以內,開關次數可以在2×107以上,此外還具有相比于現有電子元件更低的運行功耗。憶阻器簡單的Metal/Dielectric/Metal的結構,以及工作電壓低,并且與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容等諸多優(yōu)點，已應用于多個領域,可在數字電路、模擬電路、人工智能與神經網絡、存儲器等多個領域發(fā)揮重要作用。可以將器件的高低阻值用來表示二進制中的“0”或“1”,不同阻態(tài)的轉換時間小到納秒級,低工作電壓導致低功耗,并且相對于MOS結構,它不受特征尺寸限制,很適合作為高密度存儲器,因此憶阻器也通常被稱為阻變存儲器(RRAM)。

圖:典型憶阻器圖片

表:研發(fā)中的憶阻器與傳統(tǒng)存儲器參數對標表

憶阻器的電流電壓特性及分類

        憶阻器的阻變行為最主要是體現在它的I-V曲線圖上，不同種材料構成的憶阻器件在許多細節(jié)上存在差異,依據阻值的變化隨外加電壓或電流變化的不同,可以分為兩種,分別是線性憶阻器LM(linear memristor)以及非線性憶阻器NLM(non-linear memristor)。

        線性憶阻器的電壓或電流不會發(fā)生突變,即它的阻值隨著外加電信號的改變是連續(xù)改變的。線性憶阻器均為雙極型器件,即輸入的電信號為正向時,阻值降低,輸入的電信號為負向時,阻值增高。

圖:憶阻器在不同頻率下的I-V特性曲線示意圖

        非線性憶阻器擁有較好的閾值特性,它存在一個臨界電壓,輸入電壓未達到臨界電壓之前,阻值基本不變,通過器件的電流也變化不大,當輸入電壓達到臨界電壓時,阻值會發(fā)生突變,流過器件的電流會發(fā)生劇烈的變化(增大或減小)。依據置位過程中所加電壓和復位過程中所加電壓的極性,非線性憶阻器又分為單極型器件UM(Unipolar Memristor)和雙極型器件BM(Bipolar Memristor)。

圖:器件I-V曲線示意圖

憶阻器基礎性能研究測試

        憶阻器件的評估,一般包括直流特性、脈沖特性與交流特性測試,分析器件在相應的直流、脈沖與交流作用下的憶阻特性,以及針對憶阻器件的保持力、穩(wěn)定性等非電學特性進行測量。一般主要測試如下表所示。

直流l-V特性測試

        不同極性、不同大小的電壓(電流)激勵會使憶阻器阻值發(fā)生一定的變化,直流l-V特性直接反映了器件在不同電壓(電流)激勵下的阻值變化情況,是表征器件電學特性的基本手段。通過直流特性測試曲線可以初步研究憶阻器器件的阻變特性及閾值電壓/電流特性,并觀察其l-V、R-V等特性曲線。

交流l-V與C-V特性測試

        由于理想憶阻器其阻值隨流經其電荷量變化而變化,傳統(tǒng)的直流I-V掃描以階梯狀信號進行輸出測試，直流特性測試時,其沖擊電流和沖擊脈沖對流經憶阻器的瞬時電荷量產生較大的變化,阻值影響也較大,因此傳統(tǒng)直流掃描得出的l-V曲線并不能真實反映憶阻器的特性。

脈沖特性與保持力測試

        憶阻器的脈沖特性具體包括對測試樣品的多阻態(tài)特性、阻態(tài)切換速率和切換幅值,以及阻態(tài)切換耐久性等性能的測試。

        多阻態(tài)特性表征了憶阻器在不同操作方式下體現的多阻態(tài)特性,直接反映了憶阻器的非線性電阻特性。阻態(tài)切換速率和切換幅值表征了憶阻器在不同阻態(tài)下切換的難易程度,保持激勵脈沖幅值一定,能使憶阻器阻態(tài)發(fā)生改變的最小脈沖寬度越小,則其阻態(tài)切換速率越高,反之越低;保持激勵脈沖寬度一定,能使憶阻器阻態(tài)發(fā)生改變的最小脈沖幅值越低,則憶阻器阻變更容易。阻態(tài)切換耐久性,通過選擇合適的脈沖,測量憶阻器在脈沖作用下阻態(tài)來回切換的次數,這一參數大小體現了器件的阻變穩(wěn)定性。

憶阻器基礎性能測試解決方案

        整套測試系統(tǒng)基于普賽斯S/P/CP系列高精度數字源表(SMU),配合探針臺、低頻信號發(fā)生器、示波器以及專用上位機軟件等,可用于憶阻器基本參數測試、中速脈沖性能測試、交流特性測試,適用于新材料體系及特殊網絡物理機制等研究。

        普賽斯高精度數字源表(SMU)在半導體特性測量和表征中,具有極其重要的作用。它具有比普通的電流表、電壓表更高的精度,在對微弱電壓、小電流信號的測試中具有極高的靈敏度。此外,隨著測量過程中對靈敏度、速度、遠端電壓檢測和四象限輸出的要求不斷提高,傳統(tǒng)的可編程電源難以勝任。普賽斯S/P/CP系列高精度數字源表(SMU)用于憶阻器作為激勵源產生電壓或電流掃描測試信號,并實時測試樣品對應的電流或電壓反饋值,結合專用測試軟件,可以實時輸出直流或者脈沖l-V特性曲線。

S系列高精度直流源表

        S系列源表是普賽斯歷時多年打造的高精度、大動態(tài)范圍、數字觸摸的率先國產化源表,集電壓、電流的輸入輸出及測量等多種功能,最大電壓300V,最大電流1A,支持四象限工作,適用于憶阻器科研測試階段的直流l-V特性測試。

表:普賽斯S系列源表主要技術規(guī)格

P系列高精度脈沖源表

        Р系列脈沖源表是在直流源表上的基礎上新打造的一款高精度、大動態(tài)、數字觸摸源表,匯集電壓、電流輸入輸出及測量等多種功能,最大輸出電壓達300v,最大脈沖輸出電流達10A,支持四象限工作。

表:普賽斯P系列源表主要技術規(guī)格

CP系列脈沖恒壓源

        普賽斯CP系列脈沖恒壓源是武漢普賽斯儀表推出的窄脈寬,高精度,寬量程插卡式脈沖恒壓源。設備支持窄脈沖電壓輸出,并同步完成輸出電壓及電流測量;支持多設備觸發(fā)實現器件的脈沖l-V掃描等;支持輸出脈沖時序調節(jié),可輸出復雜曲線。其主要特點有:脈沖電流大，最高可至10A;脈沖寬度窄,最小可低至100ns;支持直流,脈沖兩種電壓輸出模式;支持線性，對數,以及自定義多種掃描工作方式。產品可應用憶阻器及材料研究測試。

圖:CP系列脈沖恒壓源

表:CP系列脈沖恒壓源主要技術規(guī)格

        武漢普賽斯一直專注于功率器件、射頻器件、憶阻器以及第三代半導體領域電性能測試儀表與系統(tǒng)開發(fā),基于核心算法和系統(tǒng)繼承等技術平臺優(yōu)勢,率先自主研發(fā)了高精度數字源表、脈沖式源表、脈沖大電流源、高速數據采集卡、脈沖恒壓源等儀表產品,以及整套測試系統(tǒng)。產品廣泛應用在各種前沿材料與器件的科研測試中。普賽斯提供多種不同的配置方案,滿足不同的客戶需求。

欲了解更多系統(tǒng)搭建方案及測試線路連接指南，歡迎來電咨詢18140663476！