近十几年来,随着集成电路工艺技术的不断发展,半导体器件单元尺寸随之减小。传统存储方式如SRAM、DRAM和Flash已经逼近物理极限,很难再往高密度方向发展。例如,大尺寸的SRAM很难构成高密度的缓存芯片；NOR Flash很难在40nm节点以下继续缩小；DRAM和NAND Flash在20nm节点以下也会面临着相同的问题。然而,更高密度的存储器是目前市场的需求所向,所以新兴半导体存储技术例如FRAM、MRAM、RRAM及PCRAM开始逐渐孕育成长。尤其是PCRAM,它被认为是现有主流存储技术的首选替代者。本文从提升PCRAM性能的角度出发,提出了一系列高性能新型相变存储材料,并对其相变行为开展了系统研究,取得了如下创新性成果：1.研究了N掺杂对GeTe和Ge3Te2材料相变行为的影响,获得了高数据保持力、高可靠性和低功耗的相变存储材料。优化出N含量为9.81%的N掺杂GeTe材料,其结晶温度高达372℃,十年数据保持温度为241℃,器件功耗比Ge2Sb2Te5低,循环次数接近106。同时,考虑到N与Ge成键以后有Te析出的可能,将掺杂对象改为Ge3Te2。系统表征了N掺杂对Ge3Te2材料热学特性、光学特性、结晶过程、器件性能的影响,发现N、Ge成键形成的GeNx会以稳定非晶态的形式围绕在GeTe的晶粒周围,减小了材料的相变区域,从而降低器件功耗。2.开发了AI-Sb-Te新型相变材料体系,发现其高速、高数据保持力和低熔点的特性,并证明该材料体系具有稳定的电学存储功能。以快速相变材料SbTe为基,引入Al元素,不仅继承了SbTe的快速相变特性,Al跟Sb、Te形成的化学键还能增加薄膜的热稳定性,对提高数据保持力有很大帮助。发现了Al0.8Sb3Te,Al1.3Sb3Te等优秀的材料组分,十年数据保持温度可达131℃。基于Al-Sb-Te材料的PCRAM器件单元在7ns的电压脉冲诱导下可以完成SET操作(同样结构的Ge2Sb2Te5器件SET时间>30ns),SET和RESET电压远远低于传统的Ge2Sb2Te5材料,同时具有良好的疲劳特性(循环次数约为2.5×104)。3.提出了用于PCRAM的Wx(Sb2Te)1-x相变材料并且证明了其应用价值,很好地解决了传统相变材料结晶速度和数据保持力的矛盾问题。Ws(Sb2Te)1-x材料的结晶温度、晶态电阻和十年数据保持力都随着W含量的增加而迅速提升。当W含量为12%时,该材料十年数据保持温度可以达到173℃。此材料相变时由非晶态快速转变为稳定的六方结构,没有相分离现象,而且W元素作为替位杂质均匀分布于Sb2Te的晶格当中,这就保证了该材料在实际器件中能够快速稳定地工作。基于Wo.o7(Sb2Te)o.93薄膜的器件在6ns的电压脉冲下能实现稳定的SET操作,疲劳次数为1.8x105。W-Sb-Te被证明为一种能够权衡相变速度和数据保持力的优秀相变材料。4.提出了用于PCRAM的W-Ge-Te相变材料,解决了GeTe薄膜成分偏析的问题,同时提高了薄膜结晶速度和非晶态热稳定性,是一种综合性能非常优异的相变材料。W元素与Ge、Te成键以后,由于W原子较大的原子质量,从而限制了Ge、Te原子的大范围移动,降低了GeTe薄膜结晶过程中的元素扩散现象。。其中W含量10%的W-Ge-Te薄膜十年数据保持温度高达225℃,在激光脉冲诱导下薄膜结晶时间仅3ns。基于该薄膜的PCRAM器件能在10ns的电胝脉冲下进行可逆相变,疲劳次数接近106,为PCRAM的应用提供了一种高性能的存储媒介。