随着电子信息技术的发展,带来了电子产品数量的爆炸式增长,导致数据传输量也急剧增加。海量的数据存储、传输和处理将会对存储设备的速度、功耗、使用寿命等性能提出了严峻的挑战。相变存储器（PCRAM）以其高存储密度、操作速度快、耐久性高等优点,成为最具潜力的下一代非易失性存储器。然而传统的相变材料（PCM）反复可逆相变过程中,由于在电脉冲方向上移动不受限制,PCM得以在脉冲作用下实现大范围的原子迁移,导致器件单元的电阻值波动较大,同时原子迁移带来的空位等现象也会导致器件失效。已有的类超晶格（SLL）和超晶格（SL）的PCRAM方案试图将3D相变调整为2D方式,以延长疲劳寿命并解决电阻波动的问题。在重复编程过程中PCM不能维持可靠的2D相变,所以难以从根本上解决问题。受以前工作的启发,本文尝试构造Sb2Te3/Ti Te2堆叠的相变异质结构（PCH）,并与传统的SLL设备对比,对其性能及相变机制进行了研究。本论文的主要发现如下:1.优化PVD制备工艺,获得沿特定晶向生长的PCM薄膜。控制溅射温度为300℃,薄膜沉积速度为～0.5-1 nm/min;首先沉积～5 nm厚的Sb2Te3诱导层,然后把～5 nm厚的Sb2Te3和～3 nm厚的Ti Te2交替堆垛即可获得沿着c轴方向生长的PCH薄膜。2.基于PCH的PCRAM具有更长的循环使用寿命和更低的阻值噪声。通过对比基于PCH和SLL的器件单元性能,发现基于SLL的器件的疲劳循环寿命为～107个周期,而基于PCH的器件,经过～108个可逆循环操作后仍未失效。同时,基于PCH的器件具有快速相变（～10 ns）的优点。基于PCH的器件在RESET和SET状态下的电阻值波动非常低,其相对标准偏差（RSD）分别为0.9%和0.7%,远低于SLL器件的6.3%和2.2%。3.第一性原理计算揭示PCH的2D相变机制。通过晶体轨道汉密尔顿布居（COHP）方法分析可以发现,在应力作用下Sb2Te3和Ti Te2中的化学键强度没有变化太大,Ti Te2中的Ti-Te键的具有较高的化学强度。利用密度泛函理论（DFT）的分子动力学（MD）模拟熔化过程发现,SLL中的Sb2Te3和Ti Te2层在高温时会混合在一起,产生3D范围内的相变;而PCH中的Ti Te2层始终稳定保持晶态结构,Sb2Te3层可以进行晶化/非晶化,实现2D范围内的相变,可以抑制3D相变过程中的长距离原子迁移导致的电阻值波动和器件过早失效的问题。因此,与基于SLL的设备相比,基于PCH的设备的循环寿命有了一个数量级的提高,电阻值波动的问题也得到了很大改善。经过研究改进,本论文工作在提高了相变存储器的循环操作寿命的同时大大降低了电阻值波动,对存储级内存的开发具有重要意义。较长的疲劳寿命能更好的应对“大数据”的海量数据存储,保障数据安全;极低的电阻值波动也意味着数据识别更加精准,将来可以用于完成高精度神经形元计算任务。