从2001年Intel在IEDM发表第一篇相变存储器的论文到2007年Samsung发表512Mb的PCM实验数据，相变存储器的发展迅猛。Intel甚至在2006年第21届非挥发性半导体内存学术会议上称"32nm以后是相变存储器的时代”。相变存储器由于其工艺简单，操作速度快，抗疲劳和保持特性好，与CMOS工艺兼容，是下一代非挥发存储器的有力的竞争者。 相变存储器(PCM)是通过电脉冲改变GST材料的多晶和非晶状态来改变电阻的，目前面临的主要问题是操作电流过大，解决的方法是减小整个存储单元的特征尺寸或者优化相变材料性能。 减小特征尺寸将减小相转换所需的能量从而减小电流，同时还提高了存储密度。但是由于受光刻条件的限制，相变材料的特征尺寸不能无限制的减小，所以人们开始设计研究各种不同的存储单元结构，比如边墙结构，U trench以及环状结构。本文提出了另外两种新型的存储单元结构Ge2Sb2Te5-TFT器件结构和1T2R结构。经过实验，我们对结构的性能有了更深入的了解，并为进一步的应用打下了基础。通过建立热学模型模拟器件尺寸，结构，材料特性对相变存储器RESET电流的影响，对提高器件性能提供依据。PCM的电阻改变是通过电脉冲控制GST材料的温度来实现的，因此了解写操作过程中PCM的热学特性对于理解其工作非常重要。 优化相变材料性能是解决操作电流大的又一条途径，实验也发现对GST掺杂Si可以提高材料晶态的电阻率，从而降低电流。我们从微观角度建模对其机理进行探讨。 本文共分5章。第1章介绍相变存储器材料GeSbTe的特性以及相变存储器的特性。第2章介绍新型相变存储器Ge2Sb2Te5-TFT器件结构和性能。第3章介绍新型的1T2R结构相变存储器及其热学特性模拟。第4章微观角度探讨GST掺杂Si的机理。第5章做整体总结论述。