什么是相變？

相變，是指物質(zhì)在外部參數(shù)（如溫度、壓力、磁場(chǎng)等）連續(xù)變化下，從一種物理狀態(tài)（相）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物理狀態(tài)（相）的過(guò)程。比如，水的三態(tài)變化（氣相、液相、固相）就是物質(zhì)相變的直觀展示。而就是這一我們看似普通的現(xiàn)象，背后所蘊(yùn)藏的電氣變化規(guī)律卻偶然間帶動(dòng)了一場(chǎng)存儲(chǔ)技術(shù)的革命，今天就讓我們一起了解什么是相變存儲(chǔ)器及其材料與器件的電學(xué)表征測(cè)試方案。

什么是相變存儲(chǔ)器？

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)相變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電氣特性變化的是被稱為“太陽(yáng)能光伏之父”的斯坦福奧弗辛斯基。早在1968年，奧弗辛斯基（Stanford Ovshinsky）就發(fā)現(xiàn)某些玻璃在相變的時(shí)候存在可逆的電阻系數(shù)變化，并首次描述了基于相變理論的存儲(chǔ)器：材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過(guò)程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的光學(xué)特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這一學(xué)說(shuō)稱為奧弗辛斯基電子效應(yīng)。

相變存儲(chǔ)器

相變存儲(chǔ)器（Phase-Change Random Access Memory，簡(jiǎn)稱 PCRAM 或者PCM），是一種非易失性存儲(chǔ)器，利用電能(熱量)使相變材料在晶態(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間的相互轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和擦除，通過(guò)測(cè)量電阻的變化讀出信息。Intel 開(kāi)發(fā)的相變存儲(chǔ)器使用硫?qū)倩?，Numonyx 的相變存儲(chǔ)器則使用含鍺、銻、碲的合成材料，被稱為GST。無(wú)論選用哪種材料，相變存儲(chǔ)器均是利用材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)化后導(dǎo)電性的差異來(lái)存儲(chǔ)信息，而且 PCM 同時(shí)兼具 NOR Flash、NAND Flash、DRAM 或者 EEPROM 相關(guān)屬性，成為存儲(chǔ)器的主要發(fā)展方向。

在非晶態(tài)下，GST材料具有短距離的原子能級(jí)和較低的自由電子密度，使得其具有較高的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在RESET操作之后，一般稱其為RESET狀態(tài)，在RESET操作中DUT的溫度上升到略高于熔點(diǎn)溫度，然后突然對(duì)GST淬火將其冷卻。非晶層的電阻通?？沙^(guò)1兆歐。在晶態(tài)下，GST材料具有長(zhǎng)距離的原子能級(jí)和較高的自由電子密度，從而具有較低的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在SET操作之后，我們一般稱其為SET狀態(tài)，在SET操作中，材料的溫度上升高于再結(jié)晶溫度但是低于熔點(diǎn)溫度，然后緩慢冷卻使得晶粒形成整層。晶態(tài)的電阻范圍通常從1千歐到10千歐。

PCM器件的典型結(jié)構(gòu)由頂部電極、晶態(tài)GST、α/晶態(tài)GST、熱絕緣體、電阻（加熱器）、底部電極組成。