專利名稱：電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置的制作方法
技術領域：
電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置技術領域本發(fā)明涉及一種電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置 背景技術更高密度，更低功耗，更短延遲時間和更高可靠性的存儲器是科技工作者追求的目標。數(shù)字技術所具有的存儲和拷貝功能，由于只有"0"和"1"的信息，在存儲數(shù)據(jù)的時候只要把具有兩種狀態(tài)的物質(zhì)加以利用就可以了。2000年Liu等人發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦結構的錳氧化物1^1. ^(\11103(116=稀土金屬 離子，A-堿土金屬離子)材料在電脈沖誘導下，其電阻發(fā)生可逆變化，高低 電阻態(tài)的電阻有2 3個量級的差異。施加的電脈沖停止后，變化后的高，低 電阻飽和態(tài)都具有良好的保持性，即具有電脈沖誘導的電阻可逆變化性質(zhì) (EPIR)。因而利用Re^AJVln03材料可以制成一種新型的，具有潛在應用 價值的非揮發(fā)性存儲器一基于電阻變化的非揮發(fā)性存儲器(RRAM)。作為一 個新興的研究領域，目前研究EPIR效應的一個困難在于沒有專門用來測試 材料EPIR效應的設備。目前測試中的主要問題包括1) "0"和"1"狀態(tài) 之間的切換只能依賴于電脈沖極性的變化才能實現(xiàn)。即只有反向電脈沖才可 以將器件調(diào)整至高電阻態(tài)("l")，低電阻態(tài)("0")只能在將電脈沖的極性 切換至正向的條件下才可以實現(xiàn)。在目前的測試過程中，脈沖電壓極性的切 換主要通過手動完成，電路中因節(jié)點帶來的電容效應會明顯將脈沖電壓強度 降低，寬度展寬，影響脈沖電壓的作用效果，且線路對不同的脈沖的影響不 盡相同，嚴重影響測試結果。2)具有EPIR效應的材料對作用電壓的大小和 作用時間均有積極的響應，因此兩次脈沖之間的時間間隔和高低電阻測試時
間對EPIR效應有明顯的影響。手動控制時，很難做到每次測試的時間是相 同的。3)測試材料的穩(wěn)定特性和抗疲勞特性時受到很大的限制。4)在手動 操作時，測量點數(shù)少，費時費力，并且測量的精度較低。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供- 種電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測 試裝置，實現(xiàn)EPIR效應準確，可靠和快速的測試。本實用新型通過計算機 控制固態(tài)繼電器組實現(xiàn)脈沖極性的i動切換，提供一種對脈沖電壓寬度和強 度不會產(chǎn)生明顯影響的脈沖電壓極性切換系統(tǒng)。采用自動測試系統(tǒng)后，每次 測試時施加的脈沖電壓和測試時間是相同的，減小了測試對材料性能的影 響。同時實現(xiàn)了材料的穩(wěn)定特性和抗疲勞特性的測試。測試誤差由原先的 15%減小到 5%。本實用新型的主要內(nèi)容為所述的測試裝置由控制系統(tǒng)(1)、脈沖電壓極性轉換系統(tǒng)(2)、電阻測試系統(tǒng)(3)和溫度控制系統(tǒng)(4)組成；其中，①控制系統(tǒng)是由工控機、GP-IB 488卡、I/O卡、RS232—RS485 信號轉換器，GP-IB488卡控制脈沖極性的轉換、I/O卡和RS232-RS485信 號轉換器用于控制溫度；② 脈沖電壓極性轉換系統(tǒng)是由脈沖觸發(fā)器和4個相同型號繼電器組成 通過GP-IB 488卡觸發(fā)脈沖觸發(fā)器發(fā)出脈沖電壓，電壓經(jīng)過數(shù)字I/O卡控制 繼電器組；③ 電阻測試系統(tǒng)由恒流電流表和電壓表組成，工控機通過GP-IB 488 卡觸發(fā)一個微安級恒流電流源輸出，電壓表讀出被測試樣底電極和頂電極之 間的電壓；④ 溫度控制系統(tǒng)的溫度由計算機通過GP-IB 488卡實現(xiàn)溫控。 所述的脈沖電壓的正向與繼電器(11)和(12)相連，負向與繼電器(13)
和(14)相連；通過數(shù)字輸出卡改變繼電器的通斷，實現(xiàn)脈沖電壓極性的自 動切換；控制系統(tǒng)的溫度控制范圍為室溫80—400K。所述的脈沖觸發(fā)器為AVIR-3-B-QTKA;四個型號相同的繼電器為歐姆 龍LAD1-24V。所述的控制系統(tǒng)中工控機型號為DELL-640-M, I/O卡為PCI—6514; GP國IB 488卡為PCI-GPIB， NI-488.2M。本實用新型提供的裝置可應用于EPIR效應測試、I-V特性的測試、電 阻一溫度曲線的測試或抗疲勞特性測試。脈沖電壓的正向或與被測試樣三明治結構中的頂電極相連或與被測試 三明治結構中的底電極相連；脈沖電壓的負向與被測試樣三明治結構的底電極相連或與被測試樣三 明治結構的頂電極相連；所述的頂電極在被測試樣上，底電極在襯底Pt/Ti/Si02/Si上。采用以上的裝置和處理方法，使本發(fā)明的測試結果與原先相比具有以下 顯著結果1) 采用繼電器組控制脈沖電壓極性的切換，可以方便快速的將脈沖電 壓的極性轉換；減小了節(jié)點的電容效應，不存在將脈沖電壓寬度展寬和強度 衰減等負作用。作用在樣品上的脈沖的寬度和強度與脈沖觸發(fā)器輸出的脈沖 基本相同，無明顯衰減。2) 自動控制系統(tǒng)可以方便的控制和調(diào)整脈沖之間的時間間隔，測試時 間，排除測試時間對測試的影響，提高測試精度。3) 測試材料EPIR效應的抗疲勞特性時，需要保證材料在多達萬次，乃 至幾百萬次的高低電阻狀態(tài)之間轉換時，保持良好的可重復性。測試穩(wěn)定特 性時，需要保證材料的電阻狀態(tài)在沒有脈沖電壓作用情況下，長時間(以年 為時間單位的時間長度內(nèi))的保持高低電阻狀態(tài)不變。材料的這兩種性質(zhì)，
手動測試幾乎是不可能實現(xiàn)的，而自動測試系統(tǒng)可以很好地完成這^測試任 務。4)原先為手工記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)為電腦采集數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了時間和勞動強度；而且電腦可以按需要采集足夠的數(shù)據(jù)，防止了人為因素的誤差，大大 提高了測試的精度。瞧兌日月
圖1 EPIR效應自動測試系統(tǒng)電路圖。圖2試驗樣品的底電極一Re^AxMn03—頂電極"三明治結構。 圖3繼電器控制的脈沖電壓極性切換的結構圖。 圖4自動控制系統(tǒng)測試EPIR效應的實驗結果。 圖5手動測試EPIR效應的實驗結果。圖中1、工控機(DELL-640-M); 2、脈沖極性轉換系統(tǒng)；3、電阻測 試系統(tǒng)；4、溫度控制系統(tǒng);5、被測試樣的三明治結構；6、三明治結構中 試樣的頂電極;7、三明治結構中試樣的底電極;8、被測試樣(如Re卜xAxMn03) 9、襯底Pt/Ti/Si02/Si; 10、脈沖觸發(fā)器(AVIR-3-B-QTKA) ; 11、 12、 13、 14、繼電器具體實施方式
下面通過對本實用新型結構結合附圖進一步闡述，以說明本實用新型的 特點和進步。所述的EPIR效應測試裝置，如圖1。控制系統(tǒng)是由工控機 (DELL-640-M)， GP-ffi 488卡(PCI-GPIB， NI-488.2M), I/O卡(PCI-6514), RS232-RS485信號轉換器G-7520)以及軟件系統(tǒng)組成。GP-IB 488卡用于 控制脈沖極性的轉換，1/0卡和RS232-RS485信號轉換器用于控制溫度。計 算機通過GP-IB488卡(PCI-GPIB， NI-488.2M)控制脈沖電壓極性轉變系統(tǒng)， 保證作用在被測試樣5上的脈沖電壓的極性符合要求，樣品經(jīng)脈沖的作用被
調(diào)整到相應的高低電阻態(tài)。待脈沖作用完畢后，電阻測試系統(tǒng)測試樣品的高低電阻阻值。電阻測試系統(tǒng)是由恒流電流表(Keithley 2410-C)和電壓表 (Keithley 2000)組成。樣品受到不同極性和大小的脈沖電壓的作用被調(diào)整 到相應的高、低電阻態(tài)。待脈沖作用完畢后，各繼電器均調(diào)整到斷路狀態(tài)， 避免影響電阻測試。工控機通過GP-IB 488卡觸發(fā)恒流電流源輸出一個很小 的電流(微安級)，電壓表讀出樣品底電極和頂電極之間的電壓，即得到樣 品的高低電阻阻值。溫度控制由計算機通過GP-IB488卡控制日本神港公司 生產(chǎn)的PCD—33A溫控儀實現(xiàn)的，溫度范圍為室溫 400K。本實用新型利用固態(tài)繼電器組實現(xiàn)對脈沖電壓極性的自動控制，如圖3 。 脈沖電壓極性控制系統(tǒng)是由脈沖觸發(fā)器(AVIR-3-B-QTKA)和四個相同的繼 電器(歐姆龍LAD1-24V)組成。具體的脈沖電壓極性轉變方式為控制系統(tǒng) 根據(jù)試驗要求，通過GP-IB 488卡觸發(fā)脈沖觸發(fā)器發(fā)出的一定大小和寬度的脈沖電壓，電壓經(jīng)過數(shù)字i/o卡控制的繼電器組，調(diào)整脈沖電壓的極性。脈沖電壓的正向與繼電器11和12相連，負向與繼電器13和14相連。當繼電 器11和14同時接通，12和13斷開時，脈沖電壓的正向與被測試樣三明治 結構中的底電極7相連，負極與三明治結構中的頂電極6相連。通過數(shù)字輸 入輸出卡改變繼電器的通斷，使繼電器12和13接通，11和14斷開，這時 脈沖電壓的正向與被測試樣的頂電極6相連，負極與底電極7相連。因而， 通過控制各繼電器達到特定的通過狀態(tài)實現(xiàn)脈沖電壓極性的自動切換。本實用新型提供的測試裝置具有EPIR效應的材料的穩(wěn)定特征和抗疲勞 特性的自動測試功能。a) 材料的EPIR效應的抗疲勞特性測試通過程序控制EPIR效應測試 系統(tǒng)，使材料在多達萬次，乃至幾百萬次的高低電阻狀態(tài)的轉換，檢驗材料 的EPIR效應可重復性。b) 穩(wěn)定特征測試沒有脈沖電壓作用情況下，測定高低電阻狀態(tài)電阻 隨時間變化關系，檢驗材料的可靠性。
權利要求1、一種電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置，其特征在于所述的測試裝置由控制系統(tǒng)(1)、脈沖電壓極性轉換系統(tǒng)(2)、電阻測試系統(tǒng)(3)和溫度控制系統(tǒng)(4)組成；其中，①控制系統(tǒng)是由工控機、GP-IB 488卡、I/O卡、RS232-RS485信號轉換器，GP-IB 488卡控制脈沖極性的轉換、I/O卡和RS232-RS485信號轉換器用于控制溫度；②脈沖電壓極性轉換系統(tǒng)是由脈沖觸發(fā)器和4個相同型號繼電器組成通過GP-IB 488卡觸發(fā)脈沖觸發(fā)器發(fā)出脈沖電壓，電壓經(jīng)過數(shù)字I/O卡控制繼電器組；③電阻測試系統(tǒng)由恒流電流表和電壓表組成，工控機通過GP-IB 488卡觸發(fā)一個微安級恒流電流源輸出，電壓表讀出被測試樣底電極和頂電極之間的電壓；④溫度控制系統(tǒng)的溫度由計算機通過GP-IB 488卡實現(xiàn)溫控。
2、 按權利要求1所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置， 其特征在于脈沖電壓的正向與繼電器(11 )和(12)相連，負向與繼電器(13) 和(14)相連；通過數(shù)字輸出卡改變繼電器的通斷，實現(xiàn)脈沖電壓極性的自 動切換。
3、 按權利要求1所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置， 其特征在于溫度控制系統(tǒng)中溫度控制范圍為室溫一400K。
4、 按權利要求1所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置， 其特征在于所述的脈沖觸發(fā)器為AVIR-3-B-QTKA;四個型號相同的繼電器 為歐姆龍LAD1-24V。
5、 按權利要求1所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置， 其特征在于控制系統(tǒng)中工控機型號為DELL-640-M, I/O卡為PCI—6514; GP-IB 488卡為PCI-GPIB， NI-488.2M。
6、 按權利要求1或2所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝 置，其特征在于脈沖電壓的正向或與被測試樣三明治結構中的頂電極相連或 與被測試三明治結構中的底電極相連。
7、 按權利要求1或2所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝 置，其特征在于脈沖電壓的負向與被測試樣三明治結構的底電極相連或與被 測試樣三明治結構的頂電極相連。
8、 按權利要求6所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置， 其特征在于被測試樣三明治結構的頂電極在被測試樣上，底電極在襯底 Pt/Ti/SKVSi上。
9、 按權利要求7所述的電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置， 其特征在于被測試樣三明治結構的頂電極在被測試樣上，底電極在襯底 Pt/Ti/SiCVSi上。
專利摘要一種電脈沖誘導的電阻可逆變化特性的測試裝置，其特征在于所述的測試裝置由控制系統(tǒng)(1)、脈沖電壓極性轉換系統(tǒng)(2)、電阻測試系統(tǒng)(3)和溫度控制系統(tǒng)(4)組成。被測試樣(5)呈三明治結構，頂電極在被測試樣上，底電極在襯底上。通過計算機控制固態(tài)繼電器組實現(xiàn)脈沖極性的自動切換，提供一種對脈沖電壓寬度和強度不會產(chǎn)生明顯影響的脈沖電壓極性切換系統(tǒng)。采用自動測試系統(tǒng)后，每次測試時施加的脈沖電壓和測試時間是相同的，減小了測試對材料性能的影響。同時實現(xiàn)了材料的穩(wěn)定特性和抗疲勞特性的測試。測試誤差由原先的～15％減小到～5％。
文檔編號G01R31/00GK201047862SQ20062016258
公開日2008年4月16日 申請日期2006年12月30日 優(yōu)先權日2006年12月30日
發(fā)明者吳子華, 尚大山, 群 王, 陳立東 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所