憶阻器單元研發測試方案
      神經元網絡是當代科研領域之一,神經元網絡的重要之一是新一代高速存儲單元組成的陣列。憶阻器英文名為memristor, 用符號M表示,與電阻R,電容C,電感L構成四種基本無源電路器件,它是連接磁通量與電荷之間關系的紐帶,其同時具備電阻和存儲的性能,是一種新一代超高速存儲單元,通常稱為阻變存儲器(RRAM)。
      在研發方面,盡管目前已經有多種憶阻器面市,但實現機理仍不清楚,可靠性普遍不足,漲落大,需要有好的測試系統保駕護航。
在測試方面,RRAM的表征需要向嚴苛方向發展,原子級的原位表征,ps級脈沖擦寫及信號捕捉,大規模陣列的自動測試,這些都對測試系統的指標提出很高的要求。
       憶阻器研究可分為基礎研究、性能研究以及集成研究三個階段,此研究方法對阻變存儲器(RRAM)、相變存儲器(PCM)和鐵電存儲器(FeRAM)均適用。憶阻器基礎研究階段主要研究憶阻器材料體系和物理機制,以及對憶阻器器參數進行表征,并通過捏滯回線對憶阻器進行分類。憶阻器基礎研究測試包括:直流特性、交流特性及脈沖特性測試。
      憶阻器直流特性測試通常與Forming結合,主要測試憶阻器直流V-I曲線,并以此推算SET/RESET電壓/電流、HRS、LRS等憶阻器重要參數,可以進行單向掃描或雙向掃描。憶阻器交流特性主要進行捏滯回線的測試,捏滯回線是鑒別憶阻器類型的關鍵。憶阻器脈沖測試能有效地減小直流測試積累的焦耳熱的影響,同時,也可以用來研究熱量對器件性能的影響。由于憶阻器表征技術正向極端化發展,皮秒級脈沖擦寫及信號捕捉的需求日益強烈。
      非易失存儲器性能研究是通過測試憶阻器的循環次數或耐久力(Endurance)和數據保留時間(Data Retention)來實現。在循環次數和耐久力測試中,電阻測試通常由帶脈沖功能的半導體參數測試儀完成,由于被測樣品數量多,耗時長,需要編程進行自動化測試。極端化表征情況下,SET / RESET 脈沖由高速任意波發生器產生。
      如果憶阻器被用于神經元方面的研究,其性能測試除了擦寫次數和數據保留時間外,還需要進行神經突觸阻變動力學測試。突觸可塑性是大腦記憶和學習的神經生物學基礎,有很多種形式。按記憶的時間長短可分為短時程可塑性 (STP)和長時程可塑性 (LTP),其中短時程可塑性包括雙脈沖抑制 (PPD)、雙脈沖易化 (PPF)、強直后增強 (PTP)。此外還有一些其他的可塑性, 如: 放電速率依賴可塑性 (SRDP)、放電時間依賴可塑性 (STDP)等,它們是突觸進行神經信號處理、神經計算的基礎。

      憶阻器的導電態可以用來表示突觸權重的變化,通過改變刺激脈沖電壓的形狀、頻率、持續時間等參數來模擬不同突觸功能相應的神經刺激信號的特點,測量瞬態電流可以了解阻變動力學過程,獲得神經形態特性的調控方法。同循環次數和耐久力測試相同,需要對帶脈沖功能的半導體參數測試儀或高速任意波發生器編程產生相應的脈沖序列,進行自動化測試。

      作為存儲器,憶阻器同樣有 "置O"和 "置1"及讀操作,只不過 “置O"被稱為 “RESET", 即從低阻態(LRS)重置為高阻態(HRS),反之被稱為SET,即置1”操作。但憶阻器在進行讀寫操作之前,需要做一次 “Forming",這個激發操作之后憶阻器件才具有正常的憶阻特性。在各個操作階段,都需要對RRAM特性進行表征,測試流程如下:
●Forming 前后特性驗證
   ○驗證Forming前后的電阻。通常沒有特殊的測試步驟,一般與憶阻器單元IV 特性測試結合在一起
●憶阻器單元1-V特性測試(通常與Forming結合)
  ○測試SET/RESET, HRS/LRS 1-V特性,憶阻器單元的基本測試
●高速脈沖測試
  ○用更窄脈寬的讀/寫脈沖序列進行讀寫測試,憶阻器單元的速度極限能力測試
●數據保留測試(Data retention)
  ○數據保存后,在不同的環境下持續讀出,測試憶阻器單元保存數據的持久力
●循環次數測試 (Endurance)
  ○高頻率寫,持續讀,驗證憶阻器單元的耐受力
在憶阻器初級研發階段,Forming及1-V特性測試為基本測試,高速脈沖測試驗證RRAM的極限功能。在憶阻器深入研發階段,注意要引入數據保留測試和循環次數,此時的測試系統不僅需要必需的儀器硬件, 更需要結合憶阻器的讀寫序列需要,進行軟件定制化的開發。
概述:
憶阻器研發面臨的挑戰:
憶阻器基礎研究測試:
憶阻器基礎研究測試方案:
憶阻器性能研究測試:
憶阻器性能研究測試方案:
高性價比測試方案
極端化表征測試方案
憶阻器性能研究測試流程如下:
憶阻器測試流程:
●4200A-SCS+4200-SMU+4225-PMU
 ○100fA分辨率10aA加前置放大器
 ○10mHz-10Hz 極低頻電容測試
 ○100μF負載電容
 ○200MS/s, 5ns采樣率40v(80Vp-p) 800mA
 ○任意波形編輯產生多電平脈沖,10ns編程分辨率
●手動探針臺
●軟件:Clarius
1-V特性測試方案:
高速脈沖測試方案:
通用配置
●26xxSMU需有脈沖功能
●簡易探針
●Kick star或客戶自行編程
低成本配置