相变存储器具有可靠性高、循环寿命长和存储速度快等优点,被认为是最有发展潜力的存储器之一。随着对计算机及存储技术要求的不断提高,无论是器件设计还是材料优化,相变存储器都在不断的研究与发展中。相变存储器的核心是以硫系化合物为基础的相变材料,这种材料可以从非晶态转变到晶态,其相变和微观结构的演化导致存储器存在电学或光学反差,从而实现数据存储。相变材料的成分、电极层和超点阵结构等均对其晶粒生长、局部原子排列和织构演化有较大的影响,进而影响相变存储器材料的电导率或光学反射率,实现多层次存储。因此,研究相变材料的结构和性能对于相变存储器极为重要。本文主要对经典Ge2Sb2Te5(GST)和新型多层次Ga-Sb相变存储器材料的微观结构、相变机理和应用进行了系统研究,并讨论了相关元素掺杂和超点阵结构相变存储器在性能上的提高机制。首先研究了经典GST薄膜的织构演变,证明Si基底上沉积的亚稳态fcc结构GST薄膜存在立方{100}<001>和旋转立方{100}<011>这两种织构组分,应变能密度最小是GST/Si晶化时产生择尤取向的主要驱动力。SiO2基底上沉积的fcc结构GST薄膜形成了 {110}纤维织构,但择尤取向较弱。稳态hcp结构时,{0001}取向的晶粒有长大优势。因此基底对GST的微观结构有一定影响。而Ti作为电极材料,沉积在Ti电极层上的GST在400℃以上退火会由于Ti的扩散而生成Te2Ti结构。Ti过渡层的加入可以增强GST的力学性能,Ti层有利于释放GST薄膜与基底界面的应变,未平衡应力更小(GST/Ti:0.039N/m2,GST:0.29N/m2)且晶粒尺寸分布均匀,因此GST/Ti的纳米压痕硬度大于GST。其次讨论了 Sn掺杂对GST稳定性和光学反射率的影响。证明Sn的加入代替了 GST结构Ge-Te键中Ge原子的位置而形成了 Sn-Te键,键合状态的改变提高了 GST-Sn的结晶温度与结晶激活能(EΛ从2.48 eV提高到3.57 eV)。同时,Sn掺杂量越多,fcc结构GST-Sn的晶粒尺寸越大,晶界密度越小越有利于电子隧穿,使薄膜的电导激活能减小(Eσ由0.395 eV减小到0.226 eV),从而提高了薄膜电导率的温度稳定性。另一方面,发现Sn掺杂可以提高GST在整个波长范围内的晶态反射率,从～74%增加到了～81%。因此本文首次建立了相变存储器薄膜择尤取向与光学反射率间的关系,证明由于稳态hcp GST结构的六方对称性,Sn掺杂后GST-Sn结构中{0001}基面织构的增强可以提高GST的晶态光学反射率。随后对新型二元Ga-Sb相变存储薄膜体系的结构与特性进行了研究。证明Ga45Sb55薄膜在相变前后体积收缩比(0.4%)明显小于GST,且Ga15Sb85的结晶激活能可以达到5.96eV。纳米压痕测试发现Ga-Sb薄膜的力学性能明显增强,晶粒尺寸效应是Ga-Sb薄膜硬度提高的主要影响因素。二元Ga-Sb薄膜的热稳定性和结构稳定性明显提高,是一种可靠性更高的相变存储器材料。因此结合Ga-Sb优异的力学性能与稳定性,本文提出了类超点阵[GaSb(x nm)/GST(12 nm)]n相变存储器薄膜。证明这种体系相变前后可以保持多层结构,退火后Ga元素会向相邻GST层扩散,使GaSb的晶格发生畸变。通过器件的电学性能测试,证明[GaSb(6 nm)/GST(12 nm)]6的阈值电压为0.77 V,[GaSb(6 nm)/GST(12 nm)]3的功耗为2.8 × 10-7 W,比单层GST体系低两个数量级,显著降低了相变存储器的功耗。此外还发现该体系存在超硬度效应,[GaSb(x nm)/GST(12 nm)]3的硬度比单层GST提高了 3倍左右。通过计算证明类超点阵结构中GST层的厚度小于临界厚度,位错运动不会穿过界面,是其力学性能提高的主要原因。最后考虑到Ge2Sb2Te5体系的应用基础和器件成熟度,对GaSb掺杂GST薄膜的微观结构与稳定性进行了研究。发现GaSb掺杂的GST中没有出现新相,但各元素的结合能有所改变。通过高分辨透射电镜(HRTEM)观察到了GST-GaSb中fcc结构的(111)面发生滑移而使原子层堆垛次序发生改变的相变过程。通过第一性原理计算,证明掺杂后Ga原子会占据GST中Te原子的位置,带隙减小,体系金属性增强,且Ga原子的d轨道对价带态密度有较明显的贡献。并且证明低量GaSb掺杂(3.4 at.%,5.6 at.%,7.0 at.%)也可以明显提高GST的热稳定性与力学性能,GST-GaSb的结晶温度提高到了 216℃,非晶态硬度增强到4.16 GPa。因此掺杂GaSb有利于提高GST的可靠性,在低掺杂量下可以达到明显的增强效果。