基于經(jīng)典的電路理論,存在四個(gè)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(jù)這四個(gè)基本的物理量,理論上能夠推導(dǎo)出六種數(shù)學(xué)關(guān)系,同時(shí)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(jù)對(duì)4個(gè)基本電學(xué)物理量電壓、電流、電荷和磁通之間的關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo),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(guān)系。

圖:四種無(wú)源器件之間和四種電學(xué)變量之間的關(guān)系

憶阻器的結(jié)構(gòu)特性

    憶阻器是一個(gè)二端器件且具有簡(jiǎn)單的Metal/Di-electric/Metal的“三明治”結(jié)構(gòu),如下圖所示,一般是由頂電極、絕緣介質(zhì)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(zhì)，如Ni,Cu等,中間的介質(zhì)層通常由二元過(guò)渡金屬氧化物組成，如HfO2,WOx等,也可以由一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料組成,如IGzO等,這些介質(zhì)一般情況下都有較高阻抗。

    其表達(dá)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(diǎn)是普通電阻的內(nèi)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(guān)聯(lián),并且電激勵(lì)停止后,其阻值不會(huì)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(jié)構(gòu)內(nèi)部圖

憶阻器的阻變機(jī)制及材料特性

    憶阻器件有兩個(gè)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kQ到幾MQ,低阻態(tài)具有較低的阻值,通常為幾百Q(mào)。初始情況下,即沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何電激勵(lì)操作時(shí),憶阻器件呈高阻態(tài),并且在電激勵(lì)下它的阻態(tài)會(huì)在兩個(gè)阻態(tài)之間進(jìn)行切換。對(duì)于一個(gè)新的憶阻器件,在高低阻態(tài)轉(zhuǎn)換之前,需要經(jīng)歷一次電激活的過(guò)程,該過(guò)程通常電壓較大,同時(shí)為了防止器件被擊穿,需要對(duì)電流進(jìn)行限制。憶阻器從高阻到低阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)橹梦?SET)過(guò)程,從低阻到高阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)位(RESET)過(guò)程。當(dāng)SET過(guò)程和RESET過(guò)程所施加電壓極性相同時(shí),稱之為單極性阻變行為,當(dāng)SET過(guò)程和RESET過(guò)程所施加電壓極性不同時(shí),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(gòu)建憶阻器件極為重要的一步,其材料體系通常包括介質(zhì)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(jī)制和性能。自從HP實(shí)驗(yàn)室提出基于TiO2的憶阻器模型后,越來(lái)越多的新材料被發(fā)現(xiàn)適用于憶阻器,主要包括有機(jī)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(zhì)材料憶阻器典型性能參數(shù)對(duì)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。基于不同電極材料組裝成的憶阻器,其阻變機(jī)制以及電化學(xué)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(guān),憶阻器的尺寸可以縮小到2nm以下,開關(guān)速度可以控制在1ns以內(nèi),開關(guān)次數(shù)可以在2×107以上,此外還具有相比于現(xiàn)有電子元件更低的運(yùn)行功耗。憶阻器簡(jiǎn)單的Metal/Dielectric/Metal的結(jié)構(gòu),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(diǎn)，已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,可在數(shù)字電路、模擬電路、人工智能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)器等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。可以將器件的高低阻值用來(lái)表示二進(jìn)制中的“0”或“1”,不同阻態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小到納秒級(jí),低工作電壓導(dǎo)致低功耗,并且相對(duì)于MOS結(jié)構(gòu),它不受特征尺寸限制,很適合作為高密度存儲(chǔ)器,因此憶阻器也通常被稱為阻變存儲(chǔ)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(chǔ)器參數(shù)對(duì)標(biāo)表

憶阻器的電流電壓特性及分類

     憶阻器的阻變行為Z主要是體現(xiàn)在它的I-V曲線圖上，不同種材料構(gòu)成的憶阻器件在許多細(xì)節(jié)上存在差異,依據(jù)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(huì)發(fā)生突變,即它的阻值隨著外加電信號(hào)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(hào)為正向時(shí),阻值降低,輸入的電信號(hào)為負(fù)向時(shí),阻值Z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(gè)臨界電壓,輸入電壓未達(dá)到臨界電壓之前,阻值基本不變,通過(guò)器件的電流也變化不大,當(dāng)輸入電壓達(dá)到臨界電壓時(shí),阻值會(huì)發(fā)生突變,流過(guò)器件的電流會(huì)發(fā)生劇烈的變化(增大或減小)。依據(jù)置位過(guò)程中所加電壓和復(fù)位過(guò)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-V曲線示意圖

憶阻器基礎(chǔ)性能研究測(cè)試

    憶阻器件的評(píng)估,一般包括直流特性、脈沖特性與交流特性測(cè)試,分析器件在相應(yīng)的直流、脈沖與交流作用下的憶阻特性,以及針對(duì)憶阻器件的保持力、穩(wěn)定性等非電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量。一般主要測(cè)試如下表所示。

直流l-V特性測(cè)試

    不同極性、不同大小的電壓(電流)激勵(lì)會(huì)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(lì)下的阻值變化情況,是表征器件電學(xué)特性的基本手段。通過(guò)直流特性測(cè)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(cè)試

    由于理想憶阻器其阻值隨流經(jīng)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(hào)進(jìn)行輸出測(cè)試，直流特性測(cè)試時(shí),其沖擊電流和沖擊脈沖對(duì)流經(jīng)憶阻器的瞬時(shí)電荷量產(chǎn)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(shí)反映憶阻器的特性。

脈沖特性與保持力測(cè)試

    憶阻器的脈沖特性具體包括對(duì)測(cè)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(cè)試。

    多阻態(tài)特性表征了憶阻器在不同操作方式下體現(xiàn)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(lì)脈沖幅值一定,能使憶阻器阻態(tài)發(fā)生改變的Z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(lì)脈沖寬度一定,能使憶阻器阻態(tài)發(fā)生改變的Z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(guò)選擇合適的脈沖,測(cè)量憶阻器在脈沖作用下阻態(tài)來(lái)回切換的次數(shù),這一參數(shù)大小體現(xiàn)了器件的阻變穩(wěn)定性。

憶阻器基礎(chǔ)性能測(cè)試解決方案

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

    普賽斯高精度數(shù)字源表(SMU)在半導(dǎo)體特性測(cè)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(duì)微弱電壓、小電流信號(hào)的測(cè)試中具有極高的靈敏度。此外,隨著測(cè)量過(guò)程中對(duì)靈敏度、速度、遠(yuǎn)端電壓檢測(cè)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(shù)字源表(SMU)用于憶阻器作為激勵(lì)源產(chǎn)生電壓或電流掃描測(cè)試信號(hào),并實(shí)時(shí)測(cè)試樣品對(duì)應(yīng)的電流或電壓反饋值,結(jié)合專用測(cè)試軟件,可以實(shí)時(shí)輸出直流或者脈沖l-V特性曲線。

      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(dǎo)體領(lǐng)域電性能測(cè)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(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì),率先自主研發(fā)了高精度數(shù)字源表、脈沖式源表、脈沖大電流源、高速數(shù)據(jù)采集卡、脈沖恒壓源等儀表產(chǎn)品,以及整套測(cè)試系統(tǒng)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在各種前沿材料與器件的科研測(cè)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。

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