[科普中国]-相变化内存

相变化内存（Phase-change memory，Ovonic Unified Memory，Chalcogenide RAM，简称PCM, PRAM, PCRAM, CRAM），又译为相变位内存，是一种非易失性存储器装置。PRAM 使用含一种或多种硫族化物的玻璃（Chalcogenide glass）制成，主流为GeSbTe系合金。硫属玻璃的特性是，经由加热可以改变它的状态，成为晶体（Crystalline）或非晶体（Amorphous）。这些不同状态具有相应的电阻值。因此 PRAM 可以用来存储不同的数值。 它是未来可能取代快闪存储器的技术之一。

简介相变化内存，也称相变存储器，是一种由硫族化合物材料构成的新型非易失存储器，它利用材料可逆转的物理状态变化来存储信息，具有非易失性、工艺尺寸小、存储密度高、循环寿命长、读写速度快、功耗低、抗辐射干扰等优点。相变存储器介质材料在一定条件下会在非晶体状态和晶体状态之间发生转变，在此过程中的非晶体状态和晶体状态呈现出不同的电阻特性和光学特性，因此，可以利用“0”和“1”分别表示非晶态和晶态来存储数据。PCM 写“1”是一个中温结晶的过程，即对硫族化合物施加一个时间较长、强度中等的电脉冲进行加热，使其温度上升到结晶温度以上、溶化温度以下，从而导致结晶，这一过程也被称之为SET过程；PCM写“0”是一个高温淬火的过程，即使用一个强度很高但作用时间很短的电脉冲，使得硫族化合物材料在温度上升到熔点之上后迅速经历一个淬火过程，材料将由熔融状态进入非晶态，这个过程被称之为RESET1。PCM在速度、寿命和功耗上均超过了 FLASH技术，可以作为外存使用；同时 PCM 工艺尺寸较低，这些使得它能够满足大量存储系统中高速率、低功耗、大容量的需求。

材料要求相变材料作为PCRAM的存储介质，其性能优劣直接关系到器件特性的好坏。有很多种材料都存在多晶态和非晶态，但并不是所有的材料都适合用于PCRAM，它必须要满足多个条件：晶化时间短。对于PCRAM来说，在操作过程中，SET操作的时间一般较长，是制约PCRAM速度的最关键因素。SET操作的时间和相变材料的晶化时间有关，相变材料的晶化时间越长，SET操作的时间越长。

熔点低。熔点低意味着晶态向非晶态转变时需要的能量小，以满足存储器的低功耗要求。

SET态和RESET态的电阻率差异大。可使存储器具有较高的噪声容限，足以区分“0”态和“1”态。

材料的非晶态在常温下要非常稳定。PCRAM在室温或较高温度下的数据保存寿命取决于相 变材料的非晶态热稳定性。非晶态热稳定性越好，数据保存寿命越长，而要获得较好的非 晶态热稳定性，要求相变材料具有较高的晶化温度和较大的晶化激活能。

晶态和非晶态相互转换的操作次数多。这意味着PCRAM的可擦除次数高，抗疲劳性好。

相变前后的体积变化小。 影响PCRAM的循环次数的因素很多，其中之一是相变材料在相变前后的体积变化。如果体积变化太大，可能导致相变材料和与其接触的电极材料发生剥离，导致器件失效。

选通器件通常存储系统都是由相同的存储单元组成阵列，因此对于PCRAM的性能有必要从存储器阵列结构的角度考虑。存储阵列主要由两部分组成：存储单元，以电荷、电阻等形式表征存储的数据，其性能主要由材料本身的物理特性决定；选通器件：一个非线性器件，可以实现开关操作，使存储阵列中特定的存储单元被选择或读取。这两个基本元素都影响到存储单元的微缩程度。已有的研究表明PCRAM微缩到7nm时仍能实现高阻和低阻的转换，因此选通 器件就成为PCRAM微 缩 到10nm甚至更小尺寸的主要瓶颈。有两种方案集成选通器件和存储单元，一种是用独立的选通器件和存储单元串联起来，例如，集成多层堆叠结构；另外一种是采用本身具有非线性特性的存储元素。典型的选通器件为晶体管 (如 FET或BJT)或 两端器件(如二极管)。 为了达到二维2平面最高的4F 的存储密度，研究人员采用两端非线性器件去实现更高的存储密度，例如二极管可以和电阻存储单元以十字交叉形状集成在一起。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学