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作为一种新型的非挥发性半导体存储器，相变存储器具有高速读写、低功耗、较长寿命以及与CMOS工艺相兼容等优点，被国际半导体界公认为最有希望成为下一代存储器市场的主流产品。因此相变存储器的关键，相变材料特别是硫系相变材料一直是学术界和工业界研究开发的热点。本文以Ge1Sb2Te4和Ge2Sb2Te5(GST)硫系相变材料为研究中心，对其退火前后表面形貌、结构特性以及电学输运性质进行了详细的探索和研究。另外，对硫系材料Si2Sb2Te5和CuInSe2进行了初步研究。
我们利用超高真空磁控溅射系统生长的GST薄膜材料。运用原子力显微镜(AFM)对原始淀积以及不同温度退火条件下的GST材料的表面形貌进行表征。通过原位X射线衍射(XRD)实验对GST的结构进行研究。结果表明：随着温度的升高，样品表面形貌开始出现高低起伏，结构从非晶态向fcc面心立方转变并进一步转变到稳定的hex六角结构，并计算了晶面间距和晶粒大小。
我们运用原位变温电阻测量方法对Ge2Sb2Te5材料电学输运性质进行研究。结果表明：随着温度的升高，Ge2Sb2Te5方块电阻有两次突降的过程，分别下降四个数量级和两个数量级。为了验证升温过程中结构的转变，我们对材料分别加热至两次相变温度后进行降温条件下电阻的测量。研究发现对Ge2Sb2Te5先加热到220℃然后后降温测电阻，电阻温度关系曲线斜率为负值其表现出半导体性质；当升温到380℃后电阻温度关系曲线斜率为正值其表现出金属特性。为了探索相变前后电导上升的原因，我们进行了传输波实验和霍尔实验。结果表明：在相变过程中Ge1Sb2Te4的迁移率和载流子浓度同时增大，导致电导的上升；而Ge2Sb2Te5在相变过程中迁移率基本不变，载流子浓度增加使得电导上升。对Ge1Sb2Te4和Ge2Sb2Te5两种材料在恒温条件下方块电阻随时间变化关系的测量，我们可以得出Ge2Sb2Te5热稳定性更好。同时相变前后Ge2Sb2Te5比Ge1Sb2Te4有更大的电阻对比系数，这对利用电阻来存储数据更加有利。综上所述，相比较Ge2Sb2Te5和Ge1Sb2Te4这两种PCRAM的存储介质，Ge2Sb2Te5在操作速度、电阻对比系数和热稳定等方面更具优势。
最后，我们对另外两种硫系材料Si2Sb2Te5和CuInSe2进行了初步研究。扫描电子显微镜(SEM)对不同退火温度条件下Si2Sb2Te5样品表面形貌的研究表明当退火温度升高表面出现结晶，退火温度达到260℃时其表面有较大颗粒出现，我们推测是由于Te元素的不稳定，出现了相分离。XRD研究发现：随着退火温度的升高，Si2Sb2Te5逐步从非晶态向多晶态转变。我们利用电子束蒸发法制备CuInSe2薄膜。对Si2Sb2Te5和CuInSe2在不同升温速率条件下方块电阻随温度变化的关系进行测量。当温度上升至相变温度Si2Sb2Te5和CuInSe2的方块电阻分别有三个数量级和两个数量级的下降，这表明它们都可以应用于相变存储器。