自20世纪四五十年代计算机的问世与发展以来，存储器成为了计算机中一大核心结构，此后，存储技术的每一次飞跃都造就了计算机和电子事业的巨大革命。而且现代科技的发展和人们对生活质量的需要越来越对存储器的性能提出了更高要求。

1965年，Gordon Moore提出了著名的Moore定理，即在一定面积大小的区域里的晶体管的数目会每过约18个月就会翻一倍，性能也会得到相应的提升，一直以来，存储器的发展总是符合Moore出的预言，单位体积的容量不断地增加，性能不断地提升，例如目前最主流的flash存储器，因为其优秀的存储密度、便携性、非易失性，占据了现今非易失性存储器市场的主导地位[1][2]，技术也已经十分成熟，但同时，存储器的发展已经遇到了技术瓶颈，面临着小型化的极限，目前的技术已经很难在越来越小的单元内维持足够的电荷，flash存储器使用的就正是传统的浮栅型存储器结构，是以存储单元中电位的高低进行二进制数据“0”和“1”的存储，但擦写信息时却不能以存储的最小单元进行擦写，需要对一整块区域进行擦写操作，即一整页（page），由于其擦写操作的页的具体大小受限，flash存储器的写入时间相对较长，更不能选择性擦除，故在读写速度提升方面收到了很大限制[3]。

Flash存储器使用的浮栅结构本身的特点，使之最终将面临发展瓶颈，所以目前需要一种新型的非易失性存储技术，使得它在纳米级别的尺寸下性能不会有太大限制，以更好地促进存储器小型化进程的发展。人们为此进行了很多的探究工作，其中，相变存储器(PCPAM)是现代的一种基于相变材料的新型存储器，相比于原有传统的信息存储器，相变存储器具有十分突出的优势，例如擦写速度快、成本低、功耗小、存储密度大等等，因此，相变存储器有望成为下一代功能优异的非易失性存储器[4][5][6][7][8][9]。

相变材料的原理最早由J.F.Dewald和Ovshinsky在二十世纪六十年代提出首次提出，相变材料的状态有两种：晶态和非晶态，其中晶态的反射率远大于非晶态，而非晶态的电阻率远大于晶态，则在相变材料由非晶态转变成晶态（称之为set），再变回非晶态的过程中（称之为reset），其非晶态和晶态呈现出的光学性质和电阻特性的差异可以转化为高低电平，用来表示比特信息，比特“0”和“1”分别由非晶态和晶态实现[2]。因此之后这一学说被称为Ovshinsky效应。相变存储器是基于Ovshinsky效应的元件，故被命名为Ovshinsky电效应统一存储器（称为OUM）[10]。

早期相变存储材料以硫系化合物为基础的，随着激光技术的发展，率先出现的是以光盘形式的相变存储材料，但光盘的擦写循环次数、数据保持耐久性等方面有所不足，之后人们发现，硫系化合物不仅具有良好光学性能，它在不同结晶态下的电学性能也有明显的差异。其中的Ge2Sb2Te5（GST）在光学电学两方面都表现优异，为了使性能进一步优化，人们对相变材料的结构与材料也都进行了不断优化，在2005年飞利浦报道了线形结构平面相变存储器的制备与研究成果，使相变过程中热量的损耗大大降低，获得了更小的操作电流和更低的能耗。2006年，IBM等公司报道了基于GeSb材料的桥式平面相变存储器。Feng Xiong等人报道了自对准的碳纳米管一相变材料纳米线的相变存储器件结构等[10]。新型材料的发展也是相变科技发展的关键因素，开发出性能优越的Ge前驱体材料是一个重要目的，最开始，研究人员为了达到较低挥发温度，对分子量较低的四价Ge的烷基化合物或者氢化物进行了研究与测试[11]。这些前质虽然挥发温度较低，但是制备金属膜的沉积温度却较高，故单纯的通过降低分子量来降低挥发温度并不能满足前驱体材料的所有要求。之后有研究人员开始开发各种配体尝试配位，2007 年，Junghyun Lee等人选择氨基配体设计合成了新型氨基锗化合物，用于制备GST薄膜[12]，但产物在储存运输的过程中存在着一定的危险性反应等等的问题。2010 年，William Hunks等人利用胍配体合成新型的四价Ge化合物[13]，但由于所选择的配体分子量增加，使得这种配合物挥发温度较高，而限制了其应用。可见，Ge前质材料要求有较低的挥发温度，为了解决之前的矛盾，研究者们把目光投向了二价Ge，例如Roeder课题组合成了一系列硅甲基氨基化合物，试图解决由于分子量过于庞大造成的挥发性差的问题[14]。Prokop和Glatz等人以一种五元环锗配合物为前驱体制备无定形Ge膜[15]。虽然二价Ge化合物具有一定的优势，但依旧面临着前质材料要求的挑战，其中“稳定的结构”和“良好的挥发性能”之间的矛盾限制了二价Ge前驱体材料的开发和应用。

国内研究主要集中在相变材料的应用方面，最早对于相变材料的研究是由中科院上海光学精密机械研究所干福熹院士领导的科研小组开展的，主要的研究集中在相变材料的光学性能以及在可擦重写相变光盘中的应用，而应用于相变存储器的研究开始于2003 年[16]。

虽然目前GST相变材料因其优异的性能被视为相变存储器的第一选择，但GST相变材料同样存在某些不足。比如它的结晶温度仅为150℃，较低的结晶温度使得GST相变材料的热稳定性不是特别好。研究表明，GST相变材料的10年的数据保持温度仅为87℃。GST相变材料的数据保持能力还有提升空间。对GST相变材料的原型器件的开关性能进行研究发现，GST器件在500ns的电压脉冲下需要在3V左右时打开，而电压脉冲减小到100ns时需要4V左右使器件打开，GST材料的功耗同样还有优化的需要[3][17]。但近来，Sn-Se合金在相变存储的部分方面都体现出了优于GST材料的特性，更高的结晶温度和更低的电阻率，并能与CMOS很好地兼容。同时为了使Sn-Se合金能有更低的功耗和更高的热稳性[18-20]，可对Sn-Se合金进行相应掺杂，例如Al、Cu、Zn等，近年来在Sn2Se3合金中掺杂Al、Cu元素已经有了一些相应的研究[21]，发现在相变速度、能耗等方面得到显著提高，并在热稳定性、光学特性和电学特性与GST相变材料进行了相应比较，得到了更优的性能。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

采用磁控溅射的方法制备过渡金属如Zn、Ti等掺杂的Sn2Se3薄膜，研究并优化薄膜材料的制备工艺。利用X射线电子能谱分析仪、SEM、四探针电阻测试仪等设备，研究过渡金属元素掺杂对材料的微结构、电学性质等方面的改变；并尝试不同浓度过渡金属掺杂对材料产生的电性能影响，探究掺杂的Sn2Se3薄膜材料作为相变存储器的前景，总结锌掺杂对Sn2Se3相变特性的影响规律。

目标：