基于经典的电路理论,存在四个基本的电路物理量,即电流(i)、电压(v)、电荷(q)以及磁通(o)。根据这四个基本的物理量,理论上能够推导出六种数学关系,同时定义三种基本的电路元器件(电阻R、电容C、电感L)。1971年,蔡少棠教授根据对4个基本电学物理量电压、电流、电荷和磁通之间的关系进行理论推导,提出了第4种基本电路元件―忆阻器(Memristor),它表示磁通和电荷之间的相互关系。

图:四种无源器件之间和四种电学变量之间的关系

忆阻器的结构特性

        忆阻器是一个二端器件且具有简单的Metal/Di-electric/Metal的“三明治”结构,如下图所示,一般是由顶电极、绝缘介质层和底电极组成。上下两层金属层作为电极，上层金属作为顶电极,下层金属作为底电极,金属通常是传统的金属单质，如Ni,Cu等,中间的介质层通常由二元过渡金属氧化物组成，如HfO2,WOx等,也可以由一些复杂结构的材料组成,如IGzO等,这些介质一般情况下都有较高阻抗。

        ;其表达公式为d=M(q)d q,其中M(q)为忆阻值,表示磁通量()随累积电荷(q)的变化率,与电阻有相同的量纲。不同点是普通电阻的内部物理状态不发生变化,其阻值通常保持不变,而忆阻器的阻值不是定值,它与磁通量、电流有一定的关联,并且电激励停止后,其阻值不会返回初始值,而是停留在之前的值,即具有“忆阻”的特性。

图:忆阻器结构内部图

忆阻器的阻变机制及材料特性

        忆阻器件有两个典型的阻值状态,分别是高阻态(HRS)和低阻态(LRS),高阻态具有很高的阻值,通常为几kΩ到几MΩ,低阻态具有较低的阻值,通常为几百Ω。初始情况下,即没有经过任何电激励操作时,忆阻器件呈高阻态,并且在电激励下它的阻态会在两个阻态之间进行切换。对于一个新的忆阻器件,在高低阻态转换之前,需要经历一次电激活的过程,该过程通常电压较大,同时为了防止器件被击穿,需要对电流进行限制。忆阻器从高阻到低阻状态的转变为置位(SET)过程,从低阻到高阻状态的转变为复位(RESET)过程。当SET过程和RESET过程所施加电压极性相同时,称之为单极性阻变行为,当SET过程和RESET过程所施加电压极性不同时,称之为双极性阻变行为。

图:单极性阻变行为和双极性阻变行为

        忆阻材料的选择是构建忆阻器件极为重要的一步,其材料体系通常包括介质层材料和电极材料,二者的不同组合搭配可使忆阻器具有不同的阻变机制和性能。自从HP实验室提出基于TiO2的忆阻器模型后,越来越多的新材料被发现适用于忆阻器,主要包括有机材料、氧化物材料、硫系化合物材料以及具有不同活性的电极材料。

表:不同介质材料忆阻器典型性能参数对比

        目前可以用作忆阻器电极材料的金属一般主要分为2类:一类为金属材料,包括活性金属Cu、Ag、Ru等,惰性金属Pt、Pd、Au、W等;另一类为化合物材料，包括氧化物SrRuO3、LaAlO3、ITO、IZO等,氮化物TaN、TiN等。基于不同电极材料组装成的忆阻器,其阻变机制以及电化学性能往往不同。

图: Ru/TazOs/Pt忆阻器在不同阻态的模型图及不同温度下的I-V曲线

        作为―种电阻开关,忆阻器的尺寸可以缩小到2nm以下,开关速度可以控制在1ns以内,开关次数可以在2×107以上,此外还具有相比于现有电子元件更低的运行功耗。忆阻器简单的Metal/Dielectric/Metal的结构,以及工作电压低,并且与传统的CMOS工艺兼容等诸多优点，已应用于多个领域,可在数字电路、模拟电路、人工智能与神经网络、存储器等多个领域发挥重要作用。可以将器件的高低阻值用来表示二进制中的“0”或“1”,不同阻态的转换时间小到纳秒级,低工作电压导致低功耗,并且相对于MOS结构,它不受特征尺寸限制,很适合作为高密度存储器,因此忆阻器也通常被称为阻变存储器(RRAM)。

图:典型忆阻器图片

表:研发中的忆阻器与传统存储器参数对标表

忆阻器的电流电压特性及分类

        忆阻器的阻变行为最主要是体现在它的I-V曲线图上，不同种材料构成的忆阻器件在许多细节上存在差异,依据阻值的变化随外加电压或电流变化的不同,可以分为两种,分别是线性忆阻器LM(linear memristor)以及非线性忆阻器NLM(non-linear memristor)。

        线性忆阻器的电压或电流不会发生突变,即它的阻值随着外加电信号的改变是连续改变的。线性忆阻器均为双极型器件,即输入的电信号为正向时,阻值降低,输入的电信号为负向时,阻值增高。

图:忆阻器在不同频率下的I-V特性曲线示意图

        非线性忆阻器拥有较好的阈值特性,它存在一个临界电压,输入电压未达到临界电压之前,阻值基本不变,通过器件的电流也变化不大,当输入电压达到临界电压时,阻值会发生突变,流过器件的电流会发生剧烈的变化(增大或减小)。依据置位过程中所加电压和复位过程中所加电压的极性,非线性忆阻器又分为单极型器件UM(Unipolar Memristor)和双极型器件BM(Bipolar Memristor)。

图:器件I-V曲线示意图

忆阻器基础性能研究测试

        忆阻器件的评估,一般包括直流特性、脉冲特性与交流特性测试,分析器件在相应的直流、脉冲与交流作用下的忆阻特性,以及针对忆阻器件的保持力、稳定性等非电学特性进行测量。一般主要测试如下表所示。

直流l-V特性测试

        不同极性、不同大小的电压(电流)激励会使忆阻器阻值发生一定的变化,直流l-V特性直接反映了器件在不同电压(电流)激励下的阻值变化情况,是表征器件电学特性的基本手段。通过直流特性测试曲线可以初步研究忆阻器器件的阻变特性及阈值电压/电流特性,并观察其l-V、R-V等特性曲线。

交流l-V与C-V特性测试

        由于理想忆阻器其阻值随流经其电荷量变化而变化,传统的直流I-V扫描以阶梯状信号进行输出测试，直流特性测试时,其冲击电流和冲击脉冲对流经忆阻器的瞬时电荷量产生较大的变化,阻值影响也较大,因此传统直流扫描得出的l-V曲线并不能真实反映忆阻器的特性。

脉冲特性与保持力测试

        忆阻器的脉冲特性具体包括对测试样品的多阻态特性、阻态切换速率和切换幅值,以及阻态切换耐久性等性能的测试。

        多阻态特性表征了忆阻器在不同操作方式下体现的多阻态特性,直接反映了忆阻器的非线性电阻特性。阻态切换速率和切换幅值表征了忆阻器在不同阻态下切换的难易程度,保持激励脉冲幅值一定,能使忆阻器阻态发生改变的最小脉冲宽度越小,则其阻态切换速率越高,反之越低;保持激励脉冲宽度一定,能使忆阻器阻态发生改变的最小脉冲幅值越低,则忆阻器阻变更容易。阻态切换耐久性,通过选择合适的脉冲,测量忆阻器在脉冲作用下阻态来回切换的次数,这一参数大小体现了器件的阻变稳定性。

忆阻器基础性能测试解决方案

        整套测试系统基于普赛斯S/P/CP系列高精度数字源表(SMU),配合探针台、低频信号发生器、示波器以及专用上位机软件等,可用于忆阻器基本参数测试、中速脉冲性能测试、交流特性测试,适用于新材料体系及特殊网络物理机制等研究。

        普赛斯高精度数字源表(SMU)在半导体特性测量和表征中,具有极其重要的作用。它具有比普通的电流表、电压表更高的精度,在对微弱电压、小电流信号的测试中具有极高的灵敏度。此外,随着测量过程中对灵敏度、速度、远端电压检测和四象限输出的要求不断提高,传统的可编程电源难以胜任。普赛斯S/P/CP系列高精度数字源表(SMU)用于忆阻器作为激励源产生电压或电流扫描测试信号,并实时测试样品对应的电流或电压反馈值,结合专用测试软件,可以实时输出直流或者脉冲l-V特性曲线。

S系列高精度直流源表

        S系列源表是普赛斯历时多年打造的高精度、大动态范围、数字触摸的率先国产化源表,集电压、电流的输入输出及测量等多种功能,最大电压300V,最大电流1A,支持四象限工作,适用于忆阻器科研测试阶段的直流l-V特性测试。

表:普赛斯S系列源表主要技术规格

P系列高精度脉冲源表

        Р系列脉冲源表是在直流源表上的基础上新打造的一款高精度、大动态、数字触摸源表,汇集电压、电流输入输出及测量等多种功能,最大输出电压达300v,最大脉冲输出电流达10A,支持四象限工作。

表:普赛斯P系列源表主要技术规格

CP系列脉冲恒压源

        普赛斯CP系列脉冲恒压源是武汉普赛斯仪表推出的窄脉宽,高精度,宽量程插卡式脉冲恒压源。设备支持窄脉冲电压输出,并同步完成输出电压及电流测量;支持多设备触发实现器件的脉冲l-V扫描等;支持输出脉冲时序调节,可输出复杂曲线。其主要特点有:脉冲电流大，最高可至10A;脉冲宽度窄,最小可低至100ns;支持直流,脉冲两种电压输出模式;支持线性，对数,以及自定义多种扫描工作方式。产品可应用忆阻器及材料研究测试。

图:CP系列脉冲恒压源

表:CP系列脉冲恒压源主要技术规格

        武汉普赛斯一直专注于功率器件、射频器件、忆阻器以及第三代半导体领域电性能测试仪表与系统开发,基于核心算法和系统继承等技术平台优势,率先自主研发了高精度数字源表、脉冲式源表、脉冲大电流源、高速数据采集卡、脉冲恒压源等仪表产品,以及整套测试系统。产品广泛应用在各种前沿材料与器件的科研测试中。普赛斯提供多种不同的配置方案,满足不同的客户需求。

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