相变存储器（PCRAM）被认为是最有潜力的下一代半导体存储技术之一。在过去的几十年里，有关新型相变材料的开发从来没有停止过，但目前的相变材料还不能完全满足PCRAM特别是大容量PCRAM商用化要求，其产业化进程受到操作电流以及邻近单元热串扰的严重制约。超晶格相变材料以其独有的结构特点和物理特性受到业界的广泛关注，但是相关研究才刚刚起步，还没有形成有关超晶格相变材料的完整理论体系。本文系统地研究超晶格相变材料的制备工艺、热传导特性、电输运特性、表面态及其相关机理，分析了超晶格相变材料对PCRAM性能的改善作用，并探讨了其应用于逻辑器件以及多值存储等领域的可行性。本文首先通过磁控溅射法制备了均匀的GeTe和Sb₂Te₃相变薄膜，在此基础上获得表面原子级平整的超晶格相变材料，并通过溅射工艺的调整成功制备出沉积态为非晶的GeTe/Sb₂Te₃超晶格。基于相变材料的光学特性研制了一套薄膜相变温度测试系统，测试结果表明GeTe/Sb₂Te₃超晶格的晶化温度明显高于组元材料及Ge₂Sb₂Te₅，并受其组元材料的相对比例、周期长度和总厚度等因素的影响，这是由于界面应力对晶粒生长的抑制所致，并且X射线衍射（XRD）测试结果证实了由晶格失配引起的晶格畸变。采用自行研制的薄膜热导率测试系统研究了超晶格相变材料的热导率，测得GeTe/Sb₂Te₃超晶格的热导率均低于Ge₂Sb₂Te₅相变材料，并且随其界面数的增加先减小而后增大，这与由第一性原理以及分子动力学方法计算的热导率结果一致，其中0.13W/mK是目前文献报道最低的相变材料热导率。声子谱的计算表明，超晶格相变材料的声子群速减小、模式不匹配导致的能量禁锢、界面热阻以及晶格振动的高频移动均会导致其热导率的降低；并且基于拉曼散射实验，提出了“声子模式的缺失”理论模型解释了热导率降低的原因。有限元模拟表明，相变材料热导率减小可导致电流场和温度场的分布更为集中，从而减小邻近存储单元的热串扰并降低器件功耗，随后的PCRAM单元测试实验则证实了这一结论，并在实际器件中获得了快至0.8ns的RESET速度。采用四探针和霍尔效应法测得GeTe/Sb₂Te₃超晶格的晶态电阻率高于Ge₂Sb₂Te₅相变材料，并且其大小主要受载流子迁移率的影响，这有利于降低器件的RESET电流。而且，GeTe/Sb₂Te₃超晶格的电阻温度系数随着退火温度的升高逐渐从负值转变为正值，表现出不同于其组元材料的“绝缘体-金属转变”（IMT）以及目前已知的最高IMT温度（350℃³75℃）。提出了一套基于双肖特基势垒（DSB）的晶粒生长模型来解释其IMT转变，认为这种IMT转变是由于晶界电阻（负电阻温度系数）和晶粒电阻（正电阻温度系数）在退火晶化时此消彼长所致，这一推论得到交流阻抗谱实验的证实，并且随后的反射率测试、XRD以及扫描电镜等实验均确认了GeTe/Sb₂Te₃超晶格的晶粒尺寸随着退火温度升高而不断增大。此外，由于界面电阻的影响，还可以通过调控超晶格的界面数来改善相变材料的电阻温度特性，比如IMT温度。对GeTe/Sb₂Te₃超晶格的X射线光电子能谱（XPS）和正电子湮没谱测试表明，其表面悬挂键Te倾向于通过隧穿效应失去电子而成为正电中心，这阻碍了其与O原子的结合，呈现不同于一般相变材料的表面态。在Te悬挂键形成的表面电场的作用下，GeTe/Sb₂Te₃超晶格的晶态与非晶态的功函数差异更大，这被静电引力显微镜和XPS等测试所证实。因此，采用超晶格相变材料形成的异质结的两态导通电流差异更大，这使其能用于提升一种新型的相变异质结存储（PCHJ）的性能。由于表面态的作用使得GeTe/Sb₂Te₃可通过周期调制实现载流子“反型”，因而可以不引入其他半导体材料而直接获得相变异质结，这提供了一种优化PCHJ性能的新方法。此外，由于基于GeTe/Sb₂Te₃超晶格的相变异质结可在高阻截止态、高阻导通态和低阻导通态之间稳定转变，因而其还可用于多值存储。