相变存储器（可缩略表示为PCM、PRAM或PCRAM）是一种新兴的非易失性计算机存储器技术。它可能在将来代替闪存，因为它不仅比闪存速度快得多，更容易缩小到较小尺寸，而且复原性更好，能够实现一亿次以上的擦写次数。本文将为您介绍相变存储器的基本原理及其最新的测试技术。
何为PCM，它是如何工作的？
PCM存储单元是一种极小的硫族合金颗粒，通过电脉冲的形式集中加热的情况下，它能够从有序的晶态（电阻低）快速转变为无序的非晶态（电阻高得多）。同样的材料还广泛用于各种可擦写光学介质的活性涂层，例如CD和DVD。从晶态到非晶态的反复转换过程是由熔化和快速冷却机制触发的（或者一种稍慢的称为再结晶的过程）。最有应用前景的一种PCM材料是GST（锗、锑和碲），其熔点范围为500º–600ºC。
这些合金材料的晶态和非晶态电阻率大小的差异能够存储二进制数据。高电阻的非晶态用于表示二进制0；低电阻的晶态表示1。最新的PCM设计与材料能够实现多种不同的值[1]，例如，具有16种晶态，而不仅仅是两种状态，每种状态都具有不同的电气特性。这使得单个存储单元能够表示多个比特，从而大大提高了存储密度，这是目前闪存无法实现的。
非晶态与晶态
简单介绍非晶态与晶态之间的差异有助于我们搞清楚PCM器件的工作原理。
在非晶态下，GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后，我们一般称其为RESET状态，在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度，然后突然对GST淬火将其冷却。冷却的速度对于非晶层的形成至关重要。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。
在晶态下，GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后，我们一般称其为SET状态，在SET操作中，材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度，然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态；因此，当对非晶态下的材料加热，温度接近结晶温度时，它就会自然地转变为晶态。
PCM器件的结构
一个电阻连接在GST层的下方。加热/熔化过程只影响该电阻顶端周围的一小片区域。擦除/RESET脉冲施加高电阻即逻辑0，在器件上形成一片非晶层区域。擦除/RESET脉冲比写/SET脉冲要高、窄和陡峭。SET脉冲用于置逻辑1，使非晶层再结晶回到结晶态。
结语：
在业界寻求更可靠存储器件时，在开发过程中能够对这些新器件进行快速而精确的特征分析变得越来越重要。目前正在研发的新工具和技术对于实现这一目标非常关键。
作者简介
Alex Pronin是吉时利仪器公司的资深应用工程师、技术带头人。他Base在吉时利公司总部Cleveland. 他拥有MIPT（莫斯科物理技术学院）的物理学硕士文凭和Dartmouth的材料科学博士学位。
参考文献
[1] T. Nirschl, J. B. Phipp, et al. (2007, Dec. 10-12). Write strategies for 2- and 4-bit multi-level phase-change memory. Presented at IEDM 2007. IEEE International.
[Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4418973
[2] D.-S. Suh, K. H. P. Kim, et al (2006, Dec. 11-13). Critical quenching speed determining phase of Ge2Sb2Te5 in phase-c