[论文解读] Modelling of Current Percolation Channels in Emerging Resistive Switching Elements

Marcus Wu Shihong, Themis Prodromakis+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2012

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 33被引用 14

一句话总结

本文提出了一种二维和三维网格电路断路器网络模型，用于模拟阻变存储器件中的电流渗流通道，表明阻变行为依赖于连续导电通路的形成，而多态操作则源于多个此类通道的动态形成与破坏。该模型为新兴金属氧化物基MIM器件的开关机制提供了物理基础。

ABSTRACT

Metallic oxides encased within Metal-Insulator-Metal (MIM) structures can demonstrate both unipolar and bipolar switching mechanisms, rendering them the capability to exhibit a multitude of resistive states and ultimately function as memory elements. Identifying the vital physical mechanisms behind resistive switching can enable these devices to be utilized more efficiently, reliably and in the long-term. In this paper, we present a new approach for analysing resistive switching by modelling the active core of two terminal devices as 2D and 3D grid circuit breaker networks. This model is employed to demonstrate that substantial resistive switching can only be supported by the formation of continuous current percolation channels, while multi-state capacity is ascribed to the establishment and annihilation of multiple channels.

研究动机与目标

• 理解新兴金属氧化物基MIM器件中阻变开关的物理机制。
• 解释在纳米尺度下，多态阻变行为如何在这些器件中产生。
• 开发一种捕捉阻变元件中电流渗流基本物理特性的电路模型。
• 建立宏观阻变行为与微观导电通路动力学之间的联系。

提出的方法

• 将双端阻变器件的活性核心建模为二维和三维的电路断路器网格网络。
• 网格中的每个节点代表一种导电或绝缘状态，模拟导电丝的形成与断裂。
• 模型采用随机开关规则，以表征导电丝形成与断裂的随机性。
• 基于网络的连通性计算系统的总电阻，并应用渗流理论以确定导电通路。
• 通过仿真分析在不同条件下电阻的跃迁行为，模拟单极与双极开关行为。
• 通过将模拟的电阻-电压特性与金属氧化物阻变存储器件的实验趋势进行比较，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属氧化物基MIM结构中阻变行为的物理机制是什么？
• RQ2 连续的电流渗流通路如何促进稳定的阻变开关？
• RQ3 什么因素决定了阻变器件的多态能力？
• RQ4 多个导电通路的动态形成与湮灭如何实现多级存储操作？
• RQ5 基于网格的电路模型在多大程度上能准确再现实验的阻变特性？

主要发现

• 只有在绝缘基质中形成连续的、渗流性的电流通道时，阻变行为才能实现。
• 多个动态形成与断裂的导电通道的存在，使得多态阻变行为成为可能。
• 该模型成功再现了阻变的关键特征，包括阈值开关和电阻滞环。
• 高阻态与低阻态之间的转换与网络中渗流的开始存在强烈相关性。
• 三维网格模型相比二维版本展现出更高的稳定性和多级能力，更真实地反映了实际器件的复杂性。
• 导电丝形成与断裂的随机性被电路断路器网络模型有效捕捉，与实验观测结果一致。