脈衝式電流電壓量測(pulse IV)可以利用兩種儀器來實現，分別是Agilent 8110A，以及Agilent B1530A。這兩種儀器的量測結果可以交互參照。
4-1 Agilent 8110A 量測
4-1-1 量測設定
上電極接Agilent 8110A 的正端，輸入脈衝，下電極接示波器的正端，讀取 訊號，負端則共接地。另外在示波器前外接一個精密可變電阻 RL，與示波器內 阻 Ro(1M 歐姆)並聯，以調整出元件的適當分壓，並聯後的等效電阻為 R。至於 8110A 的內阻為 50 歐姆，於計算上可以忽略(圖 4-1)。
圖 4-1 Agilent 8110A 量測電路布置
以 8110A 輸入振幅＝3V 的方波訊號 Vi 為例(圖 4-2(a))，示波器讀取出來的 訊號振幅～2.5V(圖 4-2(b))，由於電路的寄生電感、寄生電容效應，會發現讀取 的訊號有變形的現象。
圖 4-2 (a)8110A 輸入訊號 (b)示波器輸出訊號
35 偏壓點 VL，如此反覆操作，於 500Hz、50kHz、500kHz 共三個頻率，每個頻率 量測出十個點，共取三十個點，並描繪出圖 4-4。 果。接著為了提昇量測效率，我們採用 Agilent B1530A 進行更多元件的 pulse IV
36 量測。
圖 4-4 Co/ TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性(8110A)
4-2 Agilent B1530A 量測
4-2-1 變頻量測設定
將B1530A的RSU(Remote Sense/Switch Unit)一端接到待測元件上電極輸入 脈衝電壓，下電極接地，利用Sample Program.exe這套軟體執行遠端操作，以1MHz 的脈衝為例，設定為：電壓從0V掃到-3V，共取301個取樣點，hold time=0(s)，
measurement delay=7*10-7(s) ， average time=2*10-7(s) ， pulse 的 base=0V ， period=2*10-6(s)，width=1*10-6(s)，rise/fall time=2*10-7(s)，pulse delay=0(s)。以此 為基本設定，改變pulse的period，width及rise/fall time，進行各個頻率的量測。 最 後量測出來的電壓電流值，是在average time的期間中，每5nm取樣一個點，最後 進行算數平均所求得(圖4-5)。各種詳細的脈衝設定，請參照圖4-6，或是安捷倫 的說明手冊。[31]
圖 4-5 量測電壓值取樣
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圖 4-6 脈衝設定
量測的設定，會影響到量測訊號的準確度，尤其是 measurement delay 以及 average time 兩個參數。Measurement delay 數值取太多或太少，都會超出輸入訊 號的時間軸範圍而抓取錯誤的資訊，量測出來的電流值往往會流通方向相反或是 充滿雜訊。Average time 若取太多會將不必要的訊號一起進行平均，最後得出來 的數值並非真正的電流值，若取太少則會因為取樣點不足而使電流充滿雜訊。這 兩個參數的設定基本上要配合 Sample program 讀取的電流範圍，才有辦法讀取 正確的數值，因此量測步驟通常是先量測出元件的直流電壓電流特性，以便估算 在某個偏壓時的電流範圍，接著在程式裡設定合理的電流範圍，最後才調整 measurement delay 和 average time，不斷調變的過程中，便可以在整個電壓區段，
抓出完整的電流曲線，當然為了確保不會有量測誤差，每個元件都以 50Hz 的頻 率與直流電壓電流做比較，確保訊號值相同後才會提昇頻率進行之後的量測。
38 4-2-2 變頻量測結果
改變頻率由 50Hz 量測至 500kHz，量測傳統的 p-n 二極體的結果如圖 4-7，
隨著脈衝頻率增加，電流密度不改變。
pn 接面二極體
圖 4-7 p-n 二極體脈衝式電壓-電流特性
然而量測 MIM 元件時，50Hz 時電流與 DC 一樣，但當頻率繼續提高時，電 流密度會隨著脈衝頻率上升而下降(圖 4-8)，與 p-n 二極體的結果對照，可排除量 測因素造成的誤差，並合理假設為元件特性造成的結果。
不同上電極二極體
圖 4-8 Co/ TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性(B1530A)
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同樣的現象，我們可以在不同上電極二極體都觀察到(圖 4-9～圖 4-12)，而 這些二極體的上電極都是高活性金屬，皆容易於接面產生大量氧缺，其中氧缺原 本被電子所佔據，在負偏壓則會被游離，進而產生接面空乏區，這些空乏電荷產 生的局部電場調變了接面蕭基能障，最後才會影響電流密度的大小，因此我們推 論電流下降的原因可能與氧缺與脈衝訊號的交互作用有關。
圖 4-9 Hf/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性
圖 4-10 Ni/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性
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圖 4-11 Ti/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性
圖 4-12 W/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性
電流會隨著脈衝頻率上升而下降的原因，推測是由於接面的氧缺活化速度跟 不上訊號速度。所謂活化，是指佔據氧缺的電子被偏壓給游離，使得氧缺由不帶 電成為帶正電的缺陷，這個過程稱之為氧缺的活化[35]。然而當脈衝頻率漸漸提 高，氧缺的活化數量逐漸降低，那麼之前所提到的蕭基能障調變也跟著減弱，使 得電子不易通過，電流下降，過程若以能帶圖表示即為圖 4-13。
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圖 4-13 (a)低頻脈衝氧缺活化數量 (b)高頻脈衝氧缺活化數量
為了觀察更高頻率電流的表現，我們將脈衝頻率提升至 1MHz，然而卻發現 當脈衝頻率接近 1MHz 時，電流會呈現在低壓時即很導通的狀況，這個現象在不 同元件上在接近 MHz 的頻率都會看到，推測是由於線路的寄生電感電容導致量 測結果失真(圖 4-14)，這部份仍須改善量測環境才有辦法解決，眼前的量測我們 只將頻率最高提升至 500kHz。
圖 4-14 Al/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性
42 不同 TiO2厚度選擇器
量測不同厚度的結果，我們發現電流下降的趨勢在 15nm TiO2的元件較不明 顯(圖 4-15)，猜測由於相同電壓下，15nm TiO2比起 60 nm TiO2的電場較小，脈 衝電壓對氧缺活化的能力較強，而氧缺總共的數量有限，當所有氧缺皆被活化 後，蕭基能障將不會再發生調變，因此電流下降的趨勢減緩，而 60 nm TiO2的元 件則由於電場較弱，仍有大量氧缺未被活化，此時頻率效應的影響就會比較明顯 (圖 4-17)。
圖 4-15 Ni/15nm TiO2/Ni脈衝式電壓-電流特性
圖 4-16 Ni/30nm TiO2/Ni脈衝式電壓-電流特性
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圖 4-17 Ni/60nm TiO2/Ni脈衝式電壓-電流特性
不同接面氧缺濃度的二極體
從這些元件量測結果發現，覆蓋 5nm Ti 氧氣吸收層的元件電流下降趨勢較 不明顯(圖 4-18)，可以推論是由於 5nm Ti 元件的接面氧缺濃度較低，即使高頻 下活化速度跟不上，但有限的氧缺濃度依然大部分被活化完畢，因此頻率繼續提 高，電流便不會再下降。至於 15nm Ti 元件接面有較多氧缺，改變頻率活化的氧 缺效應較為明顯，反應在電流上即為較明顯的下降趨勢(圖 4-20)。
圖 4-18 Pd/TiOx/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性(5nm Ti)
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圖 4-19 Pd/TiOx/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性(10nm Ti)
圖 4-20 Pd/TiOx/TiO2/Pt脈衝式電壓-電流特性(20nm Ti)
45 不同上電極截面積選擇器
交錯陣列(crossbar)中上電極不同線寬(line width)的選擇器，由於電子在 TiO2
中傳導是沿著晶粒邊界移動，電流大小不會受到上電極截面積影響，因此電流密 度會隨著線寬縮小而變大，而在這樣的傳導狀況下，依然會有頻率效應造成的電 流下降(圖 4-21～圖 4-23)，其中 1V~-1V 的電流由於儀器本身偵測電流的範圍不 足，沒辦法讀取真正的訊號，而在畫面上顯示雜訊，必須在 Agilent 4156 才有辦 法量測正確直流訊號。
圖 4-21 crossbar Ni/TiO2/Ni脈衝式電壓-電流特性(line width=1um)
圖 4-22 crossbar Ni/TiO2/Ni脈衝式電壓-電流特性(line width=10um)
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圖 4-23 crossbar Ni/TiO2/Ni脈衝式電壓-電流特性(line width=100um)
4-2-3 改變 pulse width 量測
進一步的探討脈衝電壓的影響，我們可以假設一個 base voltage=0V，pulse amplitude=0V~-3V 對於氧缺活化的影響分為兩種，0V 時由於相對電壓為正，電 子會從 TiO2的導帶回到氧缺的陷阱能階，與氧缺複合，及所謂電子捕捉(electron capture)，此時氧缺不帶電。而當脈衝電壓為負時，原本占據氧缺的電子會被電 場驅動而游離，及所謂的電子發射(electron emission)，此時氧缺被活化帶正電並 調變蕭基能障(圖 4-24)。
圖 4-24 脈衝對於氧缺的影響
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為了證明這個假設的正確性，我們將 pulse 的 base 時間長度固定為 10ms，
僅改變 pulse width (pulse width) (10ms~0.1us)，即固定電子捕捉的時間，觀察改 變電子發射時間長度對於電流特性的影響(圖 4-25)。
除了 pulse width，溫度也會影響電子發射或捕捉的速度[36]，因此改變 pulse width 的同時，也做了變溫量測(25 度~125 度)來交叉比對，量測結果如圖 4-26～
圖 4-28。
圖 4-25 pulse width=10ms,1ms 脈衝電壓訊號示意圖
圖 4-26 pulse width=10ms 脈衝訊號變溫電壓電流特性
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圖 4-27 pulse width=1ms 脈衝訊號變溫電壓電流特性
圖 4-28 pulse width=10us 脈衝訊號變溫電壓電流特性
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圖 4-29 pulse width=0.1us 脈衝訊號變溫電壓電流特性
量測結果發現，隨著溫度升高電流增加，推測是由於高溫時電子釋放速度增 快，因此活化的氧缺數量較多，形成較導通的介面的緣故。第二個現象，比較 pulse width=1ms，10us，0.1us 三個資料，我們發現在-1.5V 左右的電流密度值，
對溫度的依賴性，隨著 pulse width 縮短有增加的趨勢(圖 4-29)。
圖 4-30 不同 pulse width 下的電流密度對溫度依賴性
會有如此現象，以簡單的示意圖來說明，是由於在圖 4-30(a)的情況下，即 便是低溫，但由於 pulse width 長，大部分的氧缺已被活化，當升溫後進入到圖
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4-30(b)的情況，僅多了一顆電子被游離，對蕭基能障的調變影響有限；相反地圖 4-30(c)中，短 pulse width 再加上低溫，氧缺活化數量稀少，如果升溫後進入圖 4-30(d)的情形，會發現被活化的氧缺數量大大增加，反應在蕭基能障和電流的改 變上便很明顯。若我們由 field emission 公式去計算出來在-3V 時的 n 值 (定義:
自由電子濃度)，變可以觀察到對於短 pulse width 來說，n 對溫度的改變較為明 顯，長 pulse width 對溫度的改變則微弱許多(圖 4-31)，這可補充說明氧缺活化情 形的影響。
圖 4-31 氧缺活化情形 (a)低溫，長 pulse width (b)高溫，長 pulse width (c)低溫，短 pulse width (d)高溫，短 pulse width
圖 4-32 不同 pulse width 下自由電子濃度 n 對溫度依賴性
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下一個量測，為了觀察電子捕捉對於氧缺活化的影響，我們將 pulse base voltage 固定在-3V 並固定 base 時間長度，即固定電子發射的時間，改變 pulse width(10ms~0.1us)，即改變電子捕捉的時間(圖 4-32)，並且由於溫度對於電子發 射和電子捕捉都會有影響，因此也同時進行了變溫量測(25 度～125 度)，量測結 果如圖 4-33～圖 4-35 所示。
圖 4-33 pulse width=10ms,1ms 脈衝電壓訊號示意圖
圖 4-34 pulse width=10ms 脈衝訊號變溫電壓電流特性
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圖 4-35 pulse width=1ms 脈衝訊號變溫電壓電流特性
圖 4-36 pulse width=10us 脈衝訊號變溫電壓電流特性
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圖 4-37 pulse width=0.1us 脈衝訊號變溫電壓電流特性
量測結果發現，第一，隨著溫度升高，電流會逐漸變大，是由於高溫下電子 發射的速度增快，介面更加導通的緣故。第二個現象，隨著 pulse width 縮短，
電流密度＠-0.5V 對溫度的依賴性提高(圖 4-37)。
圖 4-38不同 pulse width 下的電流密度對溫度依賴性