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相变存储器被认为是最有希望替代现有存储器技术的下一代非挥发性存储器。Ge2Sb2Te5(GST)虽然是一种比较成熟的材料,但它的特性还在不断摸索中。特别是将它用在相变存储器上后,对材料的电学性能提出了更高的要求,这就需要优化并改进GST材料的特性。为此首先必须澄清GST材料的导电机制和相变机理,但是这些一直被广泛争论却无统一说法。本文的研究目的即是探明并澄清上述未明机制,然后再寻找改进材料特性和提升器件性能的方法。本文的研究内容主要分为三部分：相变存储器的相关介绍,第一性原理计算以及导电模型的建立,具体内容如下：(1)介绍了四种主要的下一代非挥发性存储器的各自特点及工作原理,着重介绍了相变存储器的发展、工作原理和研究现状,并讨论了常见的介电层漏电流机制,为后面建立导电模型提供了理论基础和依抓。(2)采用第一性原理计算了Hexagonal结构GST的晶格常数、能带结构、态密度分布、有效质量等物理性质,探索和寻找影响材料导电特性的因素,对掺杂改进GST特性提出了可行的指导方案,阐明了GST材料快速相变的物理机制。(3)根据GST相变存储器的不同工作状态,建立了包含温度效应的GST相变存储器完整导电模型,并据此解释了亚阈值区中各种I-V特征不同斜率的物理成因及其导电机制,澄清了S型负微分电导的物理成因,建立了GST相变存储器闽值电压模型,还对如何减小存储器功耗给出了指导方案。本文的计算结果主要包括：(1)第一性原理计算结果表明,计算所得的带隙小于光学测量值。态密度结果显示费米面两侧存在较高的载流子浓度,容易导致开态漏电流,可通过掺杂Si来增加阻值。而快速相变的物理机理则是由于Te原子层沿[210]晶向整体向上滑动了一层,并且留下了一个空位,形成了亚稳态的FCC结构所导致。(2)亚阈值区的导电机制为跳跃导电。S型负微分电导的形成是由于高场下的载流子倍增所导致。阈值电压仅和相变层厚度相关,可通过按比例缩小相变存储器单元或减小相变层厚度来降低闽值电压,从而达到降低器件功耗的目的。研究结论：本文提出的导电模型能够较好地解释相变存储器的相变机理,并且可以满足纳米尺度的相变存储器电学性能模拟要求。