[发明专利]一种忆阻器器件单元的电学特性测试系统及其测试方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种忆阻器器件单元的电学特性测试系统及其测试方法。

背景技术

1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠教授理论最早预测了除电阻、电容、电感以外的第四种无源电路元件——忆阻器。它的基本特征是能够记忆流经的电荷，并以电阻的变化反应出来。由于忆阻器具备尺寸小、功耗低、速度快、非易失性等优点，因此成为了下一代非易失性存储器的重要候选。此外，忆阻器所具备的电路特性、非线性的阻变行为以及电荷记忆等特征，使得忆阻器在材料、电子、生物、化学和计算机等多个领域均获得了广泛应用，是当前国际研究的热点之一所在。

理想忆阻器的阻值会随着流经其的电荷量变化而变化，具体体现在其独特的电学特性上。当前，国内外关于忆阻器的研究正如火如荼地进行，而忆阻器器件单元的电学特性的表征至关重要，这不仅体现在忆阻材料、原型器件等基础性研究中，而且在忆阻器的功能验证、应用拓展等方向也不可或缺。现有技术中，对忆阻器的测试主要是依靠建立仿真模型来进行分析和研究，例如，CN102623062A中公开了一种忆阻器仿真模型，其中采用比较器、乘法器、积分器、忆阻器等效电阻和窗函数等来构建仿真模型，从而实现对忆阻器激活状态时阻值变化状况的检测。

然而，现有技术中的这些忆阻器检测方案，主要集中在对器件单元的忆阻特性的分析上，而缺乏对其他一些重要的电学特性例如忆阻器的多阻态特征、阻态切换耐久性、保持力特征等方面的有效检测，其测试方法比较单一，不够完善，且测量精度有待进一步提高，并没有相关的标准测试系统及其全面规范的测试方法。相应地，在相关领域中存在着对忆阻器及其器件单元的电学特性测试方式作出进一步改进的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种忆阻器器件单元的电学特征测试系统及其测试方法，其中通过对测试系统功能组件及其测试方式的设计，相应能够以更高效率、便于操作的方式获得更为全面的忆阻器电学特性，提高测量精度和自动化程度，同时具备较强的测试扩展能力。

按照本发明的一个方面，提供了一种忆阻器器件单元的电学特性测试系统，该测试系统包括探针台、脉冲发生器、脉冲发生模块、源测量单元、示波器以及中央控制单元，其特征在于：

所述探针台用于放置待测量的忆阻器，并在执行测量时利用其所配备的两根探针分别电接触作为测试样品的忆阻器器件单元的上、下电极；

所述脉冲发生器用于根据中央控制单元的脉冲特性测试指令，产生电压脉冲信号作用于测试样品，所述源测量单元相应对测试样品在该脉冲信号作用后的阻值状态进行测量；

所述脉冲发生模块用于根据中央控制单元的交流特性测试指令，产生交流信号作用于测试样品，所述示波器相应对测试样品在该交流信号作用下的响应情况进行处理，由此获得反映测试样品交流特征的测试结果；

所述源测量单元除了执行以上对交流特征的测量之外，还用于根据中央控制单元的直流I-V特性测试指令，产生一系列幅值递增的电压或电流激励信号并实时测试样品对应的电流或电压反馈值；或是根据中央控制单元的保持力测试测试指令，使得测试样品处于一定阻态，并对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量。

作为进一步优选地，所述脉冲发生器为皮秒脉冲发生器，且其所产生的电压脉冲信号的幅值范围为－7.5V～7.5V，其脉冲宽度范围为0.1-10ns。

作为进一步优选地，所述脉冲发生模块的脉冲脉宽范围为10ns～1s，其幅值范围为-5V～5V。

作为进一步优选地，所述源测量单元电流源的输出电流/分辨率参数被设定为100nA/5pA～100mA/5μA，其测试范围/分辨率参数被设定为100nA/100fA～100mA/100nA；源测量单元电压源的输出电压/分辨率参数被设定为200mV/5μV～200V/5mV，其测试范围/分辨率参数被设定为200mV/1μV～200V/200μV。

作为进一步优选地，所述脉冲发生器、示波器和中央控制单元之间通过GPIB电缆彼此相连；所述探针台与脉冲发生器、脉冲发生模块和源测量单元之间利用同轴电缆并通过转换连接组件相连接。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的测试方法，该测试方法包括下列步骤：

（a）将待测试的忆阻器放置在探针台上，并利用探针台配置的两根探针分别电接触作为测试样品的忆阻器器件单元的上、下电极；