什么是相變？

相變，是指物質在外部參數（如溫度、壓力、磁場等）連續變化下，從一種物理狀態（相）轉變為另一種物理狀態（相）的過程。比如，水的三態變化（氣相、液相、固相）就是物質相變的直觀展示。而就是這一我們看似普通的現象，背后所蘊藏的電氣變化規律卻偶然間帶動了一場存儲技術的革命，今天就讓我們一起了解什么是相變存儲器及其材料與器件的電學表征測試方案。

什么是相變存儲器？

第一個發現物質相變時會產生電氣特性變化的是被稱為“太陽能光伏之父”的斯坦福奧弗辛斯基。早在1968年，奧弗辛斯基（Stanford Ovshinsky）就發現某些玻璃在相變的時候存在可逆的電阻系數變化，并首次描述了基于相變理論的存儲器：材料由非晶體狀態變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態呈現不同的光學特性和電阻特性，因此可以利用非晶態和晶態分別代表“0”和“1”來存儲數據，這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應。

相變存儲器

相變存儲器（Phase-Change Random Access Memory，簡稱 PCRAM 或者PCM），是一種非易失性存儲器，利用電能(熱量)使相變材料在晶態(低阻)與非晶態(高阻)之間的相互轉換來實現信息的存儲和擦除，通過測量電阻的變化讀出信息。Intel 開發的相變存儲器使用硫屬化物，Numonyx 的相變存儲器則使用含鍺、銻、碲的合成材料，被稱為GST。無論選用哪種材料，相變存儲器均是利用材料晶態和非晶態之間轉化后導電性的差異來存儲信息，而且 PCM 同時兼具 NOR Flash、NAND Flash、DRAM 或者 EEPROM 相關屬性，成為存儲器的主要發展方向。

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

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