熔丝与反熔丝模型

 熔丝与反熔丝模型主要用来解释单极电阻转变现象，这种现象经常出现在一些过渡族金属氧化物中，如NIO、TiOx、MnOx和ZrO2等。通常情况下，这类氧化物的初始状态为高阻态，并需要一个较大的电压来激活器件的电阻转变现象，这个过程被称为forming过程，如图(b)中的forming曲线所示。forming现象类似于MOSFET中栅介质薄膜的软击穿(soft break)现象，即氧化物薄膜在强电场的作用下会产生一些缺陷，这些缺陷可能是晶格缺陷，也可能是氧化物分解后得到的氧空位或者金属空位。在强电场的作用下，这些缺陷会在氧化物薄膜中渗透并形成一些由缺陷组成的连接上下电极的局域性导电通道，从而大大提高了氧化物薄膜的导电能力，导致器件由高阻态转变为低阻态。需要强调的是，在forming过程中需要设置一个较小的限制电流来防止氧化物薄膜被永久性击穿(hard breakdown)。随后，重新使用同方向的电压对器件进行扫描(不限流)，这时由于薄膜中的电流主要通过尺寸很小的局域性导电通道进行传输，并且由于没有进行限流，流过导电通道的电流很大，产生了大量的焦耳热，使得导电通道周围的环境温度急剧上升，并最终导致导电通道的断裂，器件重新回到高阻状态。这个由低阻态转变为高阻态的编程过程被称为RESET过程，如图(b)中的RESET曲线所示。当再加一个限流的同方向电压扫描时，熔断的细丝将在电场作用下重新连接，使得器件重新由高阻态编程到低阻态，这个过程被称为SET过程，如图(b)中的SET曲线所示。由于SET和RESET过程类似于电路中保险丝的连接和熔断过程，因此这个模型被形象地称为熔丝与反熔丝模型。图(c)和(d)给出了对应的高、低阻态下C-AFM测试的电流分布图，直观地证明了TiOx。薄膜在低阻态下电流主要是通过一些局域的导电通道来进行传输。