随着大数据、云计算、人工智能以及第五代移动通讯网络的飞速发展,智能互联时代已然到来。在当前冯诺伊曼架构中,数据存储采用高速缓存（SRAM/eDRAM）、内存（DRAM）和外存（Flash/HDD）三级分布。这种分级式架构是由于当前存储技术中高速读写和大容量存储无法同时满足,每一级相对于下级都具有较快的速度和较低的延迟性。为了突破传统的三级存储架构,2008年IBM公司提出了存储级内存的概念（Storage Class Memory,SCM）,期望宽领域填补内存和外存之间的性能鸿沟并构架新的存储体系。基于硫系化合物材料非晶态与晶态间的可逆转变特性存储逻辑数据,相变存储器（Phase Change Random Access Memory,PCRAM）被广泛认为是最具潜力应用于存储级内存的下一代存储技术之一。传统相变材料具有纳秒级可逆操作速度和极高的可拓展性等优势,但具有热稳定性低和高功耗等缺点。在器件尺寸进一步减小的条件下,传统选通单元出现串扰漏电等问题不适用于高拓展性相变存储器单元。本论文主要针对以上几点,开发高数据保持力、高速、低功耗相变材料与器件以及高性能新型阈值选通材料。主要成果包括:1.GeSbSeTe高数据保持力相变材料研究。针对传统相变材料Ge-Sb-Te体系热稳定性较差的缺点,通过掺杂Se与调节Ge原子的含量构成Ge-Sb-Se-Te四元体系,该体系结晶温度高达300oC,十年数据保持力最高达到212oC。Se的掺杂改变了Ge-Sb-Te体系的结晶过程,通过不同退火温度XRD测试,观察到GeSbSeTe材料发生从非晶结构（Amorphous Structure）到六方结构（Hex Structure）的直接转变。晶粒得到显著细化,小尺寸的晶粒有利于减小相变前后体积变化率,增强器件单元循环操作稳定性。2.Hf-Sb₂Te₃高性能相变存储材料研究。以开发高速、低功耗的高性能相变存储材料为目标,对过渡金属元素Hf对传统二元相变材料的掺杂展开研究。Hf的掺入提升了基体材料Sb₂Te₃的非晶态稳定性,其结晶温度至266.4oC,十年数据保持力提高至160.0oC。经XRR测试,Hf_0.06（Sb₂Te₃）_0.94材料结晶前后的厚度变化率（体积变化率）的拟合值为4.3%,较纯Sb₂Te₃的8.1%具有显著降低,较小的体积变化率有利于器件单元在循环操作中保持结构均一稳定,并提高器件疲劳寿命。基于Hf-Sb₂Te₃较好的薄膜特性,制备了“T”型结构的存储器件单元进行电学性能测试。结果表明,Hf-Sb₂Te₃器件单元拥有较快的操作速度（6 ns下进行可逆的SET和RESET操作）以及稳定的相变切换能力（循环操作次数大于1.8×10⁴）,有望成为高速,低功耗和高稳定性的相变材料候选之一。3.GeAsSeTe高性能阈值选通材料研究。基于相变存储器对于高驱动电流、低漏电流、高操作速度以及稳定性好等要求,开发出GeAsSeTe高性能阈值选通材料。通过激光拉曼测试,发现沉积态GeAsSeTe薄膜表现为非晶玻璃网络结构,其主要包括:GeSe_4/2四面体、AsSe_3/2金字塔结构以及起到连接作用的少量Se-Se同极键。采用紫外/可见光/近红外分光度计的光学透射率实验的方法对GeAsSeTe薄膜的光学带隙进行了测试,测试结果表明GeAsSeTe薄膜的光学带隙约为1.21eV,并且通过调节Ge原子百分比可以对GeAsSeTe薄膜的带隙值进行调控。将150 nm GeAsSeTe材料薄膜可以在450oC高温下退火30 min,XRD测试结果未出现新的结晶相,这表明该材料组分具有相当的热稳定性,能够抵御半导体加工工艺中的热处理过程而不致使材料失效。在直径为190 nm W底电极上制备出典型的“T”形结构器件用于电学性能测试。GeAsSeTe合金具有典型的阈值转变特性,呈现“S”型曲线的电流电压特性曲驱动电流高达10 mA,电流密度约为11.2MA/cm²(10 mA/（π×95 nm）²,选择比可达约7个数量级,为相变存储器件单元提供足够大驱动电流。此外,循环操作次数可高达10⁷且在失效前保持相对稳定,表明GeAsSeTe有望成为适用于相变存储器的高性能选通开关。