IEC 62951-92022 半导体器件.柔性和可拉伸半导体器件.第9部分单晶体管和单电阻器（1T1R）电阻存储单元的性能测试方法标准立项发展报告

半导体器件柔性和可拉伸半导体器件第9部分：单晶体管和单电阻器（1T1R）电阻存储单元的性能测试方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Semiconductordevices–Flexibleandstretchablesemiconductordevices–Part9:Performancetestingmethodsofonetransistorandoneresistor(1T1R)resistivememorycells摘要随着柔性电子技术的迅猛发展，柔性和可拉伸半导体器件已成为下一代电子系统的重要发展方向。其中，基于单晶体管和单电阻器（1T1R）结构的电阻存储单元因其在柔性存储阵列中的高密度集成潜力和优异的数据保持能力，受到学术界与工业界的广泛关注。然而，由于柔性基底材料、弯曲形变条件和有机/无机混合工艺的特殊性，传统刚性半导体器件的测试方法难以直接适用，亟需建立统一的性能测试规范。IEC62951-9:2022《半导体器件柔性和可拉伸半导体器件第9部分：单晶体管和单电阻器（1T1R）电阻存储单元的性能测试方法》正是在这一背景下由国际电工委员会（IEC）正式发布的标准文件。该标准系统规定了1T1R电阻存储单元在柔性条件下的直流电学特性测试、脉冲耐久性测试、数据保持能力评估及机械柔韧性协同测试等方法，明确了测试环境条件、样品制备要求、测试流程和数据处理准则，填补了该领域国际标准空白。本报告对该标准的编制背景、核心技术内容、关键测试指标体系及行业应用前景进行系统梳理与分析，旨在为国内柔性电子领域的技术研发、标准实施及后续标准制修订工作提供参考依据。关键词：柔性半导体器件；1T1R电阻存储单元；性能测试方法；IEC标准；柔性电子；标准化一、引言1.1柔性电子技术与标准化需求柔性电子技术是以柔性基底材料（如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等）取代传统刚性半导体衬底，实现电子器件可弯曲、可折叠甚至可拉伸特性的颠覆性技术方向。据市场研究机构IDTechEx预测，全球柔性电子市场规模将在2030年突破1200亿美元，年复合增长率超过12%，应用领域涵盖柔性显示、电子皮肤、可穿戴健康监测系统、柔性储能器件及智能包装等。在信息存储领域，柔性电阻随机存取存储器（RRAM）凭借其结构简单、功耗低、缩放潜力大以及与柔性工艺兼容性好等优势，成为柔性存储技术的首选方案之一。然而，标准化的滞后已成为制约柔性电子产业规模化发展的瓶颈。具体而言，不同研究机构和企业在测试柔性存储器件时，在弯曲半径设置、弯曲循环次数、测试环境温湿度条件以及电学参数提取方法等方面存在显著差异。这些差异导致同一器件在不同实验室测试所得数据难以横向比较，严重影响了科研成果的行业转化和产品质量的一致性评价。国际电工委员会（IEC）下属的半导体器件标准化技术委员会（TC47）自2016年起便开始布局柔性半导体器件标准体系，IEC62951系列标准由此应运而生。1.2IEC62951系列标准概览IEC62951系列标准是国际电工委员会针对柔性和可拉伸半导体器件制定的专项标准体系，涵盖了柔性半导体器件的术语定义、机械性能测试、电学性能评估、可靠性验证等多个维度。该系列标准的制定遵循模块化原则，标准各部分既可独立使用，又可协同构成完整的柔性器件评价体系。IEC62951-9:2022作为该系列的第9部分，聚焦于1T1R电阻存储单元的性能测试方法，是柔性存储器件标准化进程中的关键一环。二、标准编制背景与市场需求分析2.11T1R电阻存储单元技术原理与发展现状1T1R（onetransistorandoneresistor，即一个晶体管串联一个电阻）电阻存储单元是电阻随机存取存储器中最具产业化前景的存储架构之一。该结构中，晶体管作为选通器件（accessdevice），负责在编程、读取和擦除操作中实现对特定存储单元的选择；电阻元件则作为存储介质，通过在高阻态（HRS，即HighResistanceState）与低阻态（LRS，即LowResistanceState）之间可逆切换来实现数据“0”和“1”的存储。与简单的交叉阵列结构相比，1T1R架构有效解决了漏电流串扰问题，显著提高了存储阵列的读取可靠性。近年来，国内外研究机构在柔性1T1R器件领域取得了长足进展。例如，2021年韩国科学技术院（KAIST）研究团队在聚酰亚胺基底上成功制备了基于HfO₂介质的柔性1T1R器件，在弯曲半径低至5mm的条件下仍能实现10⁶次以上的稳定循环耐久性；中国科学院宁波材料技术与工程研究所则在IGZO（铟镓锌氧化物）薄膜晶体管与柔性RRAM的集成方面取得了突破性进展。然而，各研究团队在测试条件和方法上的不统一，使得不同研究成果之间的对比缺乏科学基础。部分团队在平整状态下测试器件性能，而另一些团队则在持续弯曲条件下进行测试；耐久性测试的终止判据、数据保持测试的温度设定等方面也存在显著差异。2.2标准制定的必要性与紧迫性制定1T1R柔性存储单元性能测试方法标准的必要性主要体现在以下三个层面：第一，从技术层面看，柔性器件的电学性能与机械形变状态高度耦合，传统刚性器件测试方法无法反映真实使用场景下的性能表现，亟需建立“电气-机械协同测试”的规范化方法体系；第二，从产业层面看，柔性存储技术正处于从实验室研发向商业化应用转化的关键阶段，缺乏统一的性能测试标准将导致产品验收和质量管理无从依据，进而阻碍供应链的形成和产业链的完善；第三，从国际贸易层面看，IEC标准作为国际通行的技术规则，制定和采用统一的测试方法标准有助于消除技术壁垒，促进柔性电子产品的国际流通和贸易合作。三、标准主要内容解析3.1标准适用范围与规范性引用文件IEC62951-9:2022标准适用于基于柔性和可拉伸半导体工艺制造的1T1R电阻存储单元的性能测试，覆盖器件在平面状态和弯曲状态下的直流电学特性、脉冲切换特性、耐久性能、数据保持能力以及机械柔韧性等方面的测试评估。标准所涉及的1T1R器件涵盖使用有机或无机功能材料（包括金属氧化物、硫系化合物、有机聚合物等）作为电阻切换介质的各类器件结构。标准的规范性引用文件包括IEC62951-1（柔性半导体器件术语和定义）、IEC62951-2（柔性半导体器件弯曲测试方法）以及IEC60050（国际电工词汇）等基础标准，确保测试方法的术语体系和测试条件定义与系列标准的其他部分保持一致。3.2测试环境与样品准备要求标准对测试环境条件给出了明确的规定：标准测试环境温度为25℃±3℃，相对湿度为45%RH～55%RH（即相对湿度45%至55%）。对于需要在特定温湿度条件下进行的测试项目（如高温数据保持测试），标准单独规定了相应的环境条件参数。在样品准备方面，标准要求被测1T1R存储单元应制备于已知厚度和机械性能参数的柔性基底上，器件的初始电学特性（包括晶体管阈值电压(Vth)、电阻元件初始电阻值、开关电压等核心参数）应在进行任何弯曲或形变测试之前予以完整记录，以作为后续对比评估的基准参考。同时，标准要求测试样品应具备可与测试设备可靠连接的电极结构，并给出电极的设计建议和接触电阻的校验方法，以避免接触电阻对测量精度的影响。3.31T1R存储单元性能测试的核心方法3.3.1直流电学特性测试直流电学特性测试是评估1T1R存储单元最基本性能的手段。标准规定，直流特性测试应包括以下关键参数的提取：电阻元件在低阻态（LRS）和高阻态（HRS）下的阻值及其分布统计、置位电压（Vset，即从HRS切换到LRS所需的电压）、复位电压（Vreset，即从LRS切换到HRS所需的电压）、开关电流大小以及晶体管的传输特性曲线和输出特性曲线。测试应采用直流电压扫描或直流电流扫描模式，扫描速率、扫描方向和compliancecurrent（限流）等关键测试参数均需详尽记录。标准特别强调，在柔性条件下进行直流扫描测试时，应注意弯曲形变可能导致的接触电阻变化和寄生电容效应。为避免这些因素干扰测量结果，标准建议在测试系统中配置开尔文四线测量结构（Kelvinfour-terminalsensingconfiguration），以消除导线电阻和接触电阻对测量精度的影响。3.3.2脉冲耐久性测试耐久性（Endurance）是衡量存储器件可靠性的核心指标，反映了存储单元在反复编程/擦除操作下保持正常切换功能的能力。IEC62951-9:2022标准规定的脉冲耐久性测试方法要点包括：脉冲宽度设定（典型范围为100ns至10μs）、脉冲幅值设定（应高于该器件实测Vset和Vreset的1.2倍以保证可靠切换）、相邻两次脉冲之间的时间间隔设定（应确保器件状态充分稳定）、耐久性测试周期的终止条件判定等。标准要求在耐久性测试过程中，每隔指定的循环次数（如每10³、10⁴、10⁵次循环）对器件进行一次直流读取操作，记录LRS和HRS的阻值变化趋势，以判断器件是否出现退化现象。耐久性测试结果应以阻值-循环次数曲线和开关电压-循环次数曲线的形式呈现。此外，标准延伸规定了依据对数正态分布模型对耐久性数据进行统计分析的方法，据此可外推器件的耐久性极限。3.3.3数据保持能力测试数据保持能力（DataRetention）反映了存储单元在不施加电源的条件下维持所存储数据的能力。标准规定的数据保持测试在高温加速条件下进行：将已编程至特定状态的器件置于85℃（或根据器件材料体系选择合适的加速温度）环境中，按照设定的时间间隔（如1h、4h、8h、24h、100h、500h、1000h）取出器件并在室温下读取阻值状态，记录HRS和LRS阻值随时间的变化。依据阿伦尼乌斯加速老化模型（Arrheniusacceleratedagingmodel），可将高温条件下的测试结果外推至常温下器件的数据保持寿命。标准明确规定，外推数据保持寿命应给出置信区间，并注明外推计算所采用的激活能假设取值。对于柔性器件，数据保持测试还应在弯曲状态下重复进行，以评估机械应力对数据保持能力的影响。3.3.4机械柔韧性协同测试机械柔韧性协同测试是该标准区别于传统半导体器件测试标准的显著特征和创新点。此部分测试旨在评估1T1R存储单元在弯曲形变条件下的性能稳定性。标准规定了以下测试模式和测试流程：动态弯曲疲劳测试（将器件固定于可控弯曲半径的测试夹具上，以设定频率进行往复弯曲，记录电学性能随弯曲循环次数的退化规律）和静态弯曲保持测试（将器件弯曲至设定曲率半径并保持，在弯曲状态下完成全电学特性测试）。标准要求弯曲测试覆盖多个曲率半径等级（如20mm、10mm、5mm、2mm等），弯曲测试完成后恢复至平整状态进行性能复测，以判断器件是否发生了不可逆的性能退化。性能退化程度的量化指标包括电阻漂移率、开关电压偏移量等参数。3.4测试报告要求标准在附录中对测试报告的格式和内容提出了系统要求。标准的测试报告应包含的核心信息包括：被测器件的完整描述（包括材料体系、器件结构、关键尺寸参数等）、测试系统的配置信息（包括测试设备型号、探针台类型、测量仪表精度等）、样品制备工艺概述、各项测试的原始数据和经过处理的分析数据，以及必要的统计分析结果。标准要求在测试报告中对柔性测试中使用的弯曲半径、弯曲频率、形变模式（如外弯、内弯、扭折等）进行明确标注，以支持测试结果的可重复性和可追溯性。四、标准实施的技术要点与挑战4.1柔性测试夹具的设计与校准柔性条件下1T1R器件性能测试的准确性很大程度上取决于弯曲测试夹具的设计质量。理想的柔性测试夹具应满足以下要求：弯曲半径可精确调节且重复性好、弯曲过程中器件电极与测试探针的连接保持稳定（接触电阻波动不超过设定限值）、支持多种弯曲模式（凸面弯曲、凹面弯曲）的切换、弯曲过程中不引入额外的寄生电容和电磁干扰。测试夹具在用于正式测试前应进行校准验证，验证内容包括弯曲半径的实际测量值与设定值的偏差评估、弯曲过程中接触电阻波动量的监测以及弯曲疲劳测试中夹具自身性能稳定性的确认。4.2电气测量中的干扰抑制柔性基底上器件的电气测量较刚性器件面临更大的技术挑战，主要体现在：柔性基底在形变过程中可能导致信号线等效阻抗变化，从而引入测量误差；部分柔性基底材料（如PET，即聚对苯二甲酸乙二醇酯，其压电效应和热胀冷缩特性）在形变时可能产生噪声信号；同时柔性器件的特征尺寸通常较大（微米级到毫米级），电极间电容和引线电感的影响不容忽视。对此，标准建议在测试系统中采用屏蔽电缆和差分测量配置，并建议在测量前对测试系统进行开路/短路校准（open/shortcalibration），以扣除寄生参数的影响。五、标准实施的行业影响与应用前景5.1对柔性存储产业发展的推动作用IEC62951-9:2022标准的发布和实施对柔性存储产业发展具有重要的里程碑意义。该标准为柔性1T1R存储单元的研发和产业化构建了统一的测试基准，其影响体现在多个维度。在研发端，标准提供了可重复、可比较的测试方法，使不同研究团队的工作站在同一起跑线上，显著降低了低水平重复研究的概率，加速了技术迭代和优化进程。在产业端，标准为柔性存储芯片的设计、制造和品质控制提供了明确的技术规范，使产品性能评价有了统一的“标尺”，有效弥合了柔性存储技术从实验室样品到产业化产品之间的验证鸿沟。在应用端，标准为柔性存储系统集成商和设备制造商选型评估提供了技术依据，增强了产业链上下游之间的技术沟通和协作效率，将有效加速柔性存储技术的商用化部署进程。5.2国际标准化协同与国内对标建议IEC62951-9:2022作为国际通用的柔性半导体器件测试标准，已得到包括中国、韩国、日本、美国、德国等主要半导体产业国家的认可和采纳。值得关注的是，当前在柔性电子领域，与IEC62951系列标准对应的国家标准和行业标准尚不完善，存在标准供给不足的结构性问题。建议国内相关标准化技术机构加快实质性参与国际标准制定的步伐，依据IEC62951-9:2022的核心技术内容，结合我国柔性电子技术和产业发展的实际状况，适时启动对应国家标准或团体标准的制定工作。同时，应积极鼓励国内柔性存储器件研发机构和生产企业主动对标国际标准，在标准实施过程中积累数据、总结问题，为后续标准的修订和完善贡献中国智慧和中国方案。六、标准主要参与制定的企事业单位介绍6.1国际电工委员会半导体器件标准化技术委员会（IEC/TC47）IEC/TC47是国际电工委员会负责半导体器件标准化工作的专业技术委员会，秘书处设在日本。该技术委员会成立于20世纪50年代末期，是IEC历史最悠久、技术覆盖范围最广的标准化技术委员会之一。其主要职责涵盖半导体器件的术语定义、符号标识、测试方法、可靠性评估、质量评定程序以及机械和气候试验方法等多个标准化方向，已发布的国际标准超过200项，构建了覆盖分立半导体器件、集成电路、光电子器件及各类新兴半导体器件的完整标准体系。近年来，随着柔性电子技术的兴起和快速发展，IEC/TC47积极把握技术前沿动态，于2016年正式成立柔性半导体器件标准制定工作组（WG7），专门负责柔性和可拉伸半导体器件相关标准的调研与制定工作。IEC62951系列标准即由WG7工作组主导起草，工作组汇集了来自全球主要半导体研究机构、龙头企业、高校和检测认证机构的顶尖专家，广泛凝聚了各国在柔性电子领域的最新研究成果和工程实践经验。日本作为IEC/TC47秘书处所在国以及WG7工作组的主要技术输出方之一，在柔性半导体器件标准化方面发挥了重要的引领作用。日本的标准化工作机制表明，该国在柔性器件测试技术方面长期积累的技术优势和产业需求，已经成为IEC62951系列标准制定过程中的关键推动力量。IEC/TC47在标准制定过程中始终坚持公开透明、协商一致的原则，通过多轮工作组会议讨论、各成员国征求意见和正式投票表决等程序环节确保标准的科学性、公正性和广泛适用性。七、结论与展望IEC62951-9:2022是国际标准化组织在柔性和可拉伸半导体器件测试方法领域取得的重要标准化成果。该标准以1T1R电阻存储单