相变存储器介绍教材
相变存储器材料研究综述
相变存储器材料研究1相变存储器介绍相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。
相变存储器有高读写速度、寿命长，存储稳定,、工艺简单，潜力大，所以相变存储器被认为最有可能取代当今主流存储器而成为未来存储器的主流产品。
2相变存储器原理及设备相变存储器利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读取、写入和擦除，工作原理是将数据的写入和读取分为3个过程—分别是“设置（Set）”、“重置（Reset）”和“读取（Read）”。
“Set”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料上,使其温度升高到晶化温度Tx以上、熔点温度Tm以下，相变材料形核并结晶，此时相变材料的电阻较低，代表数据“1”。
“Reset”过程就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到熔点温度Tm以上，随后经过一个快速冷却的淬火过程（降温速率＞109K/s）,相变材料从晶态转变成为非晶态，此时相变材料的电阻很高，代表数据“0”。
“Read”过程则是在器件2端施加低电压，如果存储的数据是“0”，那么器件的电阻较高，因而产生的电流较小，所以系统检测到较小的电流回馈时就判断是数据“0”；如果存储的数据是“1”，那么器件的电阻较低，因而产生的电流较大，所以系统检测到较大的电流回馈时就判断是数据“1”。
图1是相变存储器的工作原理。
图1 相变存储器的工作原理3GST材料相变机理作为相变存储器的存储介质, 相变材料性能的优劣直接关系到器件性能。
相变存储器中最为核心的是以硫系化合物为基础的相变材料。
其中Ge2Sb2Te5(GST) 相变材料是到目前为止使用和研究最广泛的相变材料, 并已经实现了产品应用。
虽然工业界已经将GST作为相变存储器的存储介质实现了产品和应用, 但是对于GST为何在纳秒甚至皮秒量级的时间内实现非晶态和晶态的可逆相变仍然未有统一的结论。
主要原因是非晶态GST中原子排列是无序的,传统晶体学的理论和结构研究方法已不适用,因而对GST的非晶态很难获得一个清晰的认识, 更不能得到可逆相变过程中微观结构的变化。
相变存储器(PCM)技术基础.
相变存储器（PCM）技术基础相变存储器（PCM）技术基础类别：存储器相变存储器技术基础相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。
同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。
相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。
本文将介绍相变存储器的基本技术与功能。
发展历史与背景二十世纪五十年代至六十年代，Dr.Stanford 1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。
1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。
1970年，他与他的妻子Dr.Iris Intel的Gordon Moore合作的结果。
1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。
近30年后，能量转换装置（ECD）公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。
在2000年2月，Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议，此份协议是现代PCM研究与发展的开端。
2000年12月，STMicroelectronics（ST）也与Ovonyx开始合作。
至2003年，以上三家公司将力量集中，避免重复进行基础的、竞争的研究与发展，避免重复进行延伸领域的研究，以加快此项技术的进展。
2005年，ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx。
在1970年第一份产品问世以后的几年中，半导体制作工艺有了很大的进展，这促进了半导体相变存储器的发展。
同时期，相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。
Intel开发的相变存储器使用了硫属化物（Chalcogenides），这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。
Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被称为GST。
相变存储器
2.c
读取速度 擦写次数 读取方法
相变存储器基本性能
与FLASH同等水平 与FeRAM一样10-12 与MRAM一样非破坏性，
与其他存储器相比具有的性能优势
元件尺寸
耗电方面
约为MRAM或FeRAM的1／3
可以在2．5 V下工作
制造简单
多级存储
在CMOS工艺上增加2-4次
其他存储器不能实现
2.b
相变存储器结构
无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质；
● 1968年，Ovshinsky发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化； ● 1969年，Ovshinsky又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变 化； ● 1970年，Ovshinsky与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置
GST材料的特点
结晶速度快
优点 非晶态和晶态的光性能和电性
能差别大 最广泛的相变 存储器材料 需提高性能
晶态电阻率和结晶温度低
缺点
热稳定性差
改进GST性能手段—掺杂
不同的元素掺杂后形成不同的化学键性质及结 构形式，决定了掺杂GST的性能差异，也会导致热 传导机理的不同。其中非金属N掺杂由于倾向于与 Ge、Sb或Te形成共价键，能够提高GST的晶态电 抗性及热稳定性；而金属Sn掺杂由于取代了部分 Ge形成了SnTe-Sb2Te3结构，大大加快了再结晶 速度，都被认为是很有前途的掺杂元素。
1 0
2.a
高阻与低阻：
工作原理
对于固定结构的相变存储器，其存储单元晶态电阻 是一个相对稳定恒定的值，容易测量定标，定义其晶态 时的电阻值为低阻，非晶态电阻值在一定的范围内波动。 在表征存储信息时，通常是将存储单元晶态时的电 阻作为一个基值用于表征一种信息值，用大于此基值一 定倍数的非晶态电阻值来表征其它一个或多个信息值。 对于目前二值存储的器件定义存储单元处于非晶态时表 现出的大于晶态一定倍数的电阻值为高阻。
相变存储器介绍 PPT
金属导电细丝的形成过程
以 Ag/Insulator/Pt 器件的阻变机理为例: 在 Ag 顶电极施加正电压，Ag原子被氧化成 Ag+， Ag → Ag++ e． 当施加的电场足够强时，这些 Ag 离子向 Pt 电极移动，到达 Pt 电极时得到电 子被还原为 Ag 原子，被还原的 Ag 离子在 Pt 电极上不断堆积，金属 Ag 细丝最终到达 Ag 电 极，形成金属导电通道． 与此同时，器件的阻 值急剧降低，器件到达低阻态(ON state)，此过 程称为 SET 过程． 需要指出的是，可以通过调 节 SET 过程中的限制电流，得到不同的 LRS， 适当的增大限流，会得到更小的低阻态阻值， 这种低阻态阻值的减小，可以致使金属导电细 丝直径的增大．当施加在顶电极的电压极性反 转为负压时，随着阻变层薄膜里的金属 Ag 细丝 在相反方向的氧化还原反应的作用下断裂或熔 解，器件重新回到高阻态(OFF state)，此为 RESET 过程．
忆阻器
——PRAM
PRAM：Phase Change Random Access Memory
研究动机
1.当代计算机性能提升最重要的一大障碍在于处理器从大容量存储中获 取数据花费的时间。（存储墙问题） 2.用户希望存储器能同时具有 DRAM 的高速度、高寿命和 FLASH 的低 成本、非易失的优点。
十字交叉阵列结构中发生电流串扰示意图
为了解决这种串扰问题，提出了三种结构:1T1R，1D1R和具有自整流特性 的 1Ｒ 结构，图 11 所示为此三种结构的 3D 示意图． 1T1Ｒ 结构单元的最 小尺寸是由选择晶体管的尺寸来决定，这种集成结构的单元面积大，可缩 小性受到晶体管的限制，并且这种平面集成方式不利于 3D 的堆叠，而 1D1Ｒ 结构和 1Ｒ 结构都没有这样的缺陷，被认为是解决串扰现象理想的 结构．因此，选用适当的堆叠结构，再利用其他改善性能的方法，可以制 备出性能优越的阻变存储器器件．
相变存储的原理
1.相变及相变存储的原理：物质在一种相态（或物态，简称相）下拥有单纯的化学组成和物理特质。
相变指一种物质从一种相转变为另一种相的过程，随着物质相的改变，其物理、化学性质也随之改变。
同时相变是由于有序和无序两种倾向的相互竞争，相互作用引起有序，热运动造成无序，不同相态下的同一种物质能量各异，所以相变的过程伴随着能量的改变。
通常气体和液体分别只有一种相即气相、液相。
而对于固体，不同点阵结构的物理性质不同，分属不同的相，因此同一固体可以有不同的相。
如铁有a铁、β铁、γ铁和δ铁4个固相；固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相；碳有金刚石和石墨两相等。
相变材料在不同相下呈现无序和有序两种状态，此时其电阻值有明显差异，所以可以利用这种差异来表示数据存储的“0”和“1”。
在非晶态时材料表现为半导体性，其电阻值高；在晶态时，其电阻值低。
(Crespi L, Ghetti A, Boniardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014, 7:747-749.)2.相变存储器的工作原理和特点：相变存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器，主要指基于硫系化合物薄膜的随机存储器，利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间的相互转换来实现信息的存储和擦除，通过测量电阻的变化读出信息。
(Wuttig M, Raoux S. The science and technology of phase change materials. 10 DEC 2012, 15: 2455–2465.)因为不同相态下物质所含能量不同，所以从亚稳态的非晶态到稳定状态的晶态的转变是通过在其结晶温度以上对其加热足够长时间使其充分结晶而得到；相反的过程即将晶态结构加热至熔化并使其快速冷却，历经一个快速退火过程凝结而得到。
课外阅读相变存储器PPT课件
铜网上蒸发碳膜作为支持膜，然后沉积40 nm厚的 Ge2Sb2Te5薄膜
（1）沉积态薄膜 并不是完全非晶
（2）退火温度250℃ 较大的晶粒（>50 nm）已经形成
（3）退火温度250℃ 晶粒（100 nm-200） •13 已经形成
空洞产生的推论和揣测： 1.结晶过程中形成更为致 密的结构，局部体积收缩 形成空洞 2.高温导致的Ge2Sb2Te5 中Sb和Te的挥发。
转变，利用其光学反射率的巨大差异。
•5
1968. Stanford R. Ovshinsky，电场激发下具有 高低阻值的转变现象。
1.实验装置
2.实验样品 Ge10Si12As30Te48
3.实验结果
Stanford R. Ovshinsky, Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures, Physical Rev•i6ew Letter, vol. 21, no.20, pp. 1450-1452,1968.
框架
1.相变存储器 1.1 相变存储器的基本原理 1.2相变材料的性质和性能优化 1.3新型相变材料 1.4相变存储器的结构 2.存储器和集成光学 2.1基于相变材料的门开关
•1
1.1相变存储器 （OUM,PCRAM）的基本原理
2
最早的“存储器” 器
相变存储
结绳记事
晶态
低阻
1
非晶态
Zhang T, Liu B, et al, Struture and electrical Properties of Ge thin film used for Ovonic Unified Memory,
相变储能分类-概述说明以及解释
相变储能分类-概述说明以及解释1.引言1.1 概述相变储能是一种利用物质的相变过程将能量储存和释放的技术。
相变储能利用物质在相变过程中吸热或放热的特性，实现能量的转化和储存。
随着能源需求的不断增长和对环境保护的要求日益严格，相变储能技术的研究和应用引起了广泛关注。
相变储能技术的研究起源于人们对能量转化和储存的需求。
在过去的几十年里，科学家们通过研究不同物质的相变过程，发现了相变储能的潜力并不断进行探索和创新。
目前，相变储能已经在多个领域得到应用，比如太阳能电池、储能设备等。
本文将对相变储能进行详细的分类和介绍。
首先，我们将对相变储能的定义和原理进行阐述，以便读者对其基本概念有更加清晰的认识。
其次，我们将介绍相变储能的分类方法，包括根据相变物质的类型、相变过程的性质以及储能设备的结构等方面进行分类。
通过对不同分类方法的介绍，我们可以更好地了解相变储能技术的多样性和应用场景。
最后，在结论部分，我们将总结相变储能的分类及其应用，并展望相变储能的未来发展。
相信通过本文的阅读，读者们能够对相变储能有更深入的了解，为其在能源领域的应用和发展提供一定的参考和借鉴。
1.2文章结构文章结构部分的内容应当包括对整篇文章的结构和各个章节的简要描述。
文章结构部分可以按照以下方式进行编写：文章结构：本篇文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要介绍相变储能的概述、文章的结构和目的。
正文部分主要包括相变储能的定义和原理以及相变储能的分类方法的详细讲解。
结论部分主要总结相变储能的分类及其应用，并展望相变储能的未来发展。
通过以上结构，读者可以清晰地了解本篇文章的组织和内容安排。
本篇文章将全面介绍相变储能的相关知识，从定义和原理出发，详细讲解相变储能的分类方法，最后对相变储能的应用进行总结，并展望其未来的发展前景。
1.3 目的本文的目的是对相变储能进行分类研究和探讨，并总结相变储能的分类及其应用。
通过对相变储能的定义和原理进行详细解析，我们将介绍不同类型的相变储能以及它们的特点和优缺点。
相变存储器浅谈
计算机科学
Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ
２ ０ １ ３ 年 ７月下
相变存储器浅谈
杨 小鹿
（ 吉林 大学 ，长春
１ ３ ０ ０ １ ２）
摘 要 ：非易失性存储 器在 日常生活中起 着重要 作用 ，它断电后 可以继续保存数 据。存储 器也朝着更小、更快、 低 功耗 的方 向发展 。而相 变存储 器（ ｐ ｈ ａ ｓ Ｐ —ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ Ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ ，Ｐ Ｃ Ｍ） 由于其 高密度、低功耗 、工 艺兼容等特点 ，引起 了广泛的注意。本文 简单地对相变存储 器介绍和说明。 关键 词 ：相 变存储 器；非 易失性存储 器 ・ 中图分类号 ：Ｔ Ｐ ３ ３ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ６ ７ ４ — ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）１ ４ － ０ ０ ９ ８ － ０ １
（ 二）缺点 １ ． ‘ 单位成本 高。相对 目前流行 的 Ｍ Ｌ Ｃ Ｎ Ａ Ｄ Ａ ，单位容量成 本较高 ， 这也 是当年 闪存所经历 的过程 ， 随着工艺的完善相信 能够得 到解 决。 ２ ． 发热和耗 能过大 。因为完成相变过程就是依靠 电压 、电 流控制 发热 功率来实现 的。随着节 点的越来越小 ， 对加热控制 元件要求也就越 高， 与此带来 的发热 问题就越来越 明显 。 发热 和耗胄 甚 是 目前制约其发展 的重要原 因。 ３ ． 电路设计不 完善 。 目前 相变材料五花 八 门和热传 导效 应 ，Ｐ Ｃ Ｍ电路设计较其他存储器有很大不 同当高速度、大数据
相 是理化 上的一个概念 ， 它表示某种物 质化 学性 质没 有变 化 ，但是其物 理状 态 已经改变 ，如水在物理上有气相 、液相 、 固相的状态 。 而相变就是 当外部环境变化 时从一种相 到另 外一 种相 的过程 。相变 导致很 多物 理性 质的改变 ，如光的折射率、
相变存储器介绍
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5
内 可
储 质来 ：
挥发 （ Volatile） Volatile） 挥发 （ Non-Volatile）( 久 ) Non-Volatile）
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们称 时， ， 质 却 ， 们可实现
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相变存储器原理
低电阻
相变型半导 体存储器
高电阻
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激光诱导相变材料GST 激光诱导相变材料GST晶态非晶态转变 GST晶态非晶态转变
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相变材料GST 相变材料GST晶态非晶态的实验证据 GST晶态非晶态的实验证据
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相变材料GST 相变材料GST晶态非晶态的实验证据 GST晶态非晶态的实验证据
晶态HEX 晶态HEX 晶态FCC 非晶态
12
相变存储器原理
维结构时， 当 齐 并 维结构时， 为 。 ，当 规则 们称 为 。 加热来 热来改 质 可 供 加热来改变 变 可 两个 决 ： 积 。 却 质可 转变为 况 ， 质可 转 为 。 据这种转换关 这种转换关系 这种过 可 。 据这种转换关系， 值记录。 值记录。
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氧空位导电细丝的形成过程
这类阻变机理主要是基于氧离子在电场作用下的迁移实现的． 在电场作用下， 氧离子向阳极运动，并且在原来的位置形成带正电的氧空位，氧空位在电场作用下再 分布，形成导电通道，这种氧空位形成的导电细丝，在电化学氧化还原反应的作用下 重复的断开和联通，使得器件在高低阻态间循环转变(如图 4 所示)，这是一个在阻变 材料中同时发生复杂氧化还原反应的过程.
存储墙问题
处理器与存储器 发展不平衡
已有半导体存储器的局限
FLASH：在制程进入 1x nm 世代后，越 来越紧邻的存储单元之间的串扰效应，越 来越薄的栅氧化层，导致的电子击穿效应， 都使得NAND 的可靠性和性能受到影响。
DRAM：基本单元是一个晶体管加一个电容，并用电容有无电荷来表示数字 信息 0 和 1。随着微缩工艺的发展，沟道电容越来越难做。功耗高，掉电易 失。
SRAM：由触发器存储数据，用六管NMOS构成。价格昂贵，存储密度低，掉 电易失
性能对比
RRAM
发展概况 阻变机理 性能优化 优势及问题
发展概况
1971年，美国加州大学伯克利分校蔡少棠教授提出 2008年5月，惠普公司实验室研究人员Strukov等在Nature上首次报道了忆
阻器的实现性，其研究成果震惊了国际电工电子技术世界，极大的唤起了人 们开展忆阻器的全方位研究的兴趣 Intel公司在2015年8月宣布了一项三维忆阻阵列的革命性新技术3D-XPoint, 其存储速度将比固态硬盘快1000倍, 存储密度比DRAM高10倍, 将极大提升 计算系统的数据计算和存储性能。
性能优化
阻变层掺杂 电极的选取 界面处理 结构优化
阻变层掺杂
CHENG C H 等人研究了 N 掺杂的 Ta2O5器件的 Ni/GeOx /Ta2O5 －yNy /TaN 结构，并与未掺的 Ni/GeOx /Ta2O5 /TaN 结构的性能对 比． 结果显示，阻变层的 Ta2O5 掺杂 N 后，器件不再需要初始化过程 以及大尺寸的晶体管来限流以防止其击穿． 掺杂后器件本身已经具有 自限流的特性，并且阻变特性变得更加均匀，阻变窗口增大，转变能耗 降到0.6pJ，拥有 30ns 的转变速度和 106 s 的耐受度(如图 7所 示)． ZHAO Jian-wei 等人 在研究掺杂 Ga 的 ZnO 的性能时也发现了 类似的现象． LEE 等 研究了 Al 掺杂ZnO、Cu 掺杂 MoOx 和 Cu 掺杂 Al2O3 的阻变器件的耐受性，与未掺杂的相比，掺杂后器件的耐受性都 得到提高，甚至高达 100%，均匀性和数据保持性得到很大提升． 此 外，刘明等人通过离子注入技术，研究了不同金属离子掺杂对 ZrO2 基 阻变存储器的电阻转变性能的影响,发现掺杂能消除 ZrO2 薄膜器件的电 初始化过程、降低操作电压,减小 ZrO2 基阻变器件电阻转变参数的离散 程度，提高了器件的稳定性和可靠性
阻变机理
单极性电阻转变和双极性电阻转变 导电细丝模型和电场诱导下的界面肖特基势垒模型
单极性转变和双极性转变
一般而言，具有单极性转变的器件，是由焦耳 热引发的导电细丝的氧化还原反应，SET 转变过程 是由于阻变氧化物的局部化学还原反应形成的，而 RESET 则为导电细丝的再氧化过程，普遍认为还原/ 再氧化行为是 SET 和 RESET 过程中不同温度决定 的 .与 RESET 过程相比，SET 过程更高的操作电压 跟高的局部温度． 因此，高的 SET 转变温度以及 RESET 操作电流，使得器件的能耗过大．双极性电 阻转变是通过电场作用下离子的迁移(主要是氧空位 的迁移) 改变导电细丝的形状和导电性实现的．SET 过程中，利用限制电流控制导电细丝的尺寸． 研究
表明，随着限制电流的减小，I RESET 也随着减小，而
Ｒ LRS 则随之增大，也就是说，在 SET 过程中，限 流值越大时，导电细丝尺寸会越大，由此则会导致更 小的 Ｒ LRS 值
和更大的 I RESET 值．
金属导电细丝的形成过程
以 Ag/Insulator/Pt 器件的阻变机理为例: 在 Ag 顶电极施加正电压，Ag原子被氧化成 Ag+， Ag → Ag++ e． 当施加的电场足够强时，这些 Ag 离子向 Pt 电极移动，到达 Pt 电极时得到电 子被还原为 Ag 原子，被还原的 Ag 离子在 Pt 电极上不断堆积，金属 Ag 细丝最终到达 Ag 电 极，形成金属导电通道． 与此同时，器件的阻 值急剧降低，器件到达低阻态(ON state)，此过 程称为 SET 过程． 需要指出的是，可以通过调 节 SET 过程中的限制电流，得到不同的 LRS， 适当的增大限流，会得到更小的低阻态阻值， 这种低阻态阻值的减小，可以致使金属导电细 丝直径的增大．当施加在顶电极的电压极性反 转为负压时，随着阻变层薄膜里的金属 Ag 细丝 在相反方向的氧化还原反应的作用下断裂或熔 解，器件重新回到高阻态(OFF state)，此为 RESET 过程．
忆阻器
——PRAM
PRAM：Phase Change Random Access Memory
研究动机
1.当代计算机性能提升最重要的一大障碍在于处理器从大容量存储中获 取数据花费的时间。（存储墙问题）
2.用户希望存储器能同时具有 DRAM 的高速度、高寿命和 FLASH 的低 成本、非易失的优点。
界面肖特基势垒模型
以 In/Nb:SrTiO 3/Au 结构为例来说明界 面肖特基势垒模型的阻变机理． 如图 所示,当 在 Au 电极上施加正向电压后，电子被释放并 且通过界面向 Au 电极流动，在界面处留下了 带正电荷的空穴陷阱使得界面附近形成了附 加的电势，为了维持 Nb:Sr-TiO3和 Au 之间费 米能量的平衡，使得界面处固有的电势降低， 耗尽层宽度减小，肖特基势垒降低，这样就 导致了器件到达LRS． 与此过程相反，LRS 时，给 Au 电极施加反向负压，界面处的电子 被阻挡通过界面，原先释放出去的电子重新 注入到界面，与空穴陷阱复合，使得界面处 陷阱回到中性状态，耗尽层宽度重新恢复， 器件回到 HRS. 这一过程是在界面处载流子的 捕获和释放下完成的．